張家銘,段 燕,武云霞,

牙周炎是一種以菌斑為始動(dòng)因子、宿主介導(dǎo)的牙周組織慢性炎癥性疾病,臨床上主要表現(xiàn)為牙周袋形成、牙槽骨吸收及牙齒松動(dòng)移位。中性多形核白細(xì)胞(polymorphonuclear neutrophil,PMN)作為機(jī)體抵御牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis,P.gingivalis)等牙周致病菌的第一道防線[1],通過產(chǎn)生活性氧(reactive oxygen species,ROS)改變細(xì)胞氧化環(huán)境,幫助殺死入侵的病原體[2-3],但ROS過量會(huì)引發(fā)氧化應(yīng)激,導(dǎo)致牙周組織破壞。

線粒體是ROS產(chǎn)生的主要場所,過量ROS可引起線粒體損傷,導(dǎo)致線粒體電子傳遞鏈異常,進(jìn)而釋放更多的ROS。線粒體自噬(mitophagy)可以清除損傷的線粒體、減少ROS的產(chǎn)生[4]。Chuang等[5]發(fā)現(xiàn)抗氧化劑在減少ROS產(chǎn)生的同時(shí),還能減弱線粒體自噬。ROS和線粒體自噬過程共享許多關(guān)鍵分子,但對(duì)其在牙周炎中的作用及聯(lián)系研究較少,本文就近年來有關(guān)牙周氧化應(yīng)激與線粒體自噬的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 ROS的動(dòng)態(tài)平衡

2 ROS在牙周炎中的作用

牙周相關(guān)疾病中,ROS被認(rèn)為是一把雙刃劍。牙周致病菌主要是革蘭氏陰性厭氧菌或兼性厭氧菌,對(duì)氧化環(huán)境的變化比較敏感。低水平ROS可干擾細(xì)胞氧化環(huán)境,參與清除病原菌[2]。ROS是Toll樣受體(TLR)和RIG-Ⅰ樣受體(RLR)信號(hào)通路的重要組成部分,幫助識(shí)別微生物引發(fā)免疫反應(yīng),參與巨噬細(xì)胞激活增強(qiáng)殺菌活性[13]。低濃度H2O2還可顯著促進(jìn)人牙周膜細(xì)胞遷移,減少牙周結(jié)締組織破壞[14]。

研究表明,ROS產(chǎn)生過多可引起機(jī)體抗氧化功能失調(diào),造成牙周組織損傷。與正常人群相比,牙周炎患者唾液中總氧化劑水平較高,總抗氧化劑水平較低[15];基礎(chǔ)治療后,炎癥得到基本控制,牙周袋探診深度及牙齦出血指數(shù)下降,齦溝液、唾液和血清中總氧化劑水平均有較大幅度降低[16]。研究發(fā)現(xiàn),高濃度H2O2作用于人牙周膜細(xì)胞后,細(xì)胞凋亡增多,牙周炎相關(guān)炎性因子白介素(interleukin,IL)-1β含量顯著升高[17],進(jìn)而激活基質(zhì)金屬蛋白酶破壞牙周結(jié)締組織,促進(jìn)前列腺素E2的合成和釋放,引起牙槽骨吸收[18]。另有研究發(fā)現(xiàn)病理性牙槽骨改建過程中,相關(guān)基因Trem2的差異表達(dá)與ROS水平的顯著提高有一定的相關(guān)性[19]。

ROS通過激活NF-κB信號(hào)通路,誘導(dǎo)炎性因子表達(dá),引起炎癥反應(yīng)和破骨細(xì)胞分化導(dǎo)致牙周組織破壞。NF-κB是一種氧化還原敏感的轉(zhuǎn)錄因子,其活性受到抑制蛋白IκB的調(diào)節(jié)。H2O2可促進(jìn)IκB的降解激活NF-κB[20],活化的NF-κB引起炎性因子IL-1β、IL-6以及腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)釋放,觸發(fā)局部炎癥反應(yīng)[21]。AlQranei等[22]發(fā)現(xiàn)抑制RAW264.7巨噬細(xì)胞中ROS生成后,在各時(shí)間點(diǎn)均未檢測到IκB的降解,破骨細(xì)胞存活率顯著降低,ROS可能通過NF-κB信號(hào)通路增強(qiáng)破骨細(xì)胞生成促進(jìn)骨吸收。

ROS還參與JNK信號(hào)通路的調(diào)控,JNK通過在線粒體的定位識(shí)別其產(chǎn)生的ROS和Bcl-2家族蛋白等凋亡調(diào)節(jié)蛋白發(fā)揮作用。ROS促進(jìn)TNF-α介導(dǎo)的JNK激活,同時(shí)JNK可以通過增加ROS的產(chǎn)生來增強(qiáng)TNF-α介導(dǎo)的細(xì)胞壞死[23]。研究表明,ROS可通過觸發(fā)JNK信號(hào),降低鈣黏蛋白E的表達(dá),破壞結(jié)合上皮,為微生物入侵提供途徑[24]。

越來越多的證據(jù)表明,核因子E2相關(guān)因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor2,Nrf2)在氧化應(yīng)激相關(guān)的牙周損傷中發(fā)揮保護(hù)作用。Nrf2是一種與抗氧化酶基因有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子,可以通過升高抗氧化酶的表達(dá),降低ROS含量,抑制NF-κB和破骨細(xì)胞活化,減少氧化應(yīng)激導(dǎo)致的組織損傷[8]。作為氧化應(yīng)激的主要感應(yīng)者,Nrf2直接激活骨細(xì)胞特異性基因,促進(jìn)成骨細(xì)胞形成從而維持骨平衡[25]。Sima等[26]發(fā)現(xiàn)Nrf2基因敲除后,小鼠出現(xiàn)了局部組織氧化損傷、牙槽骨吸收及牙周附著喪失。

3 線粒體自噬在牙周炎中的作用

哺乳動(dòng)物中,PINK1/Parkin通路是線粒體自噬主要調(diào)控機(jī)制之一。線粒體損傷后,內(nèi)膜膜電位消失,膜電勢下降,PINK1跨膜運(yùn)輸受阻聚集于外膜TOM復(fù)合體上,招募細(xì)胞質(zhì)中游離的Parkin蛋白,促使其磷酸化啟動(dòng)線粒體自噬機(jī)制[27]。關(guān)于線粒體自噬在牙周炎中的具體作用目前體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 線粒體自噬在成骨分化中的作用

線粒體參與骨代謝過程,在成骨細(xì)胞成骨分化過程中,線粒體功能增強(qiáng),有關(guān)線粒體生物發(fā)生的轉(zhuǎn)錄因子及ATP含量顯著增加,ROS水平下降;抑制線粒體活性或增加線粒體ROS產(chǎn)生可顯著抑制成骨細(xì)胞分化[28]。研究發(fā)現(xiàn),受損的線粒體釋放ROS和凋亡因子,通過激活成骨細(xì)胞自噬而保護(hù)細(xì)胞免受凋亡[29]。Lee等[30]發(fā)現(xiàn)在成骨細(xì)胞分化過程中內(nèi)源性PINK1表達(dá)增加,敲除PINK1基因后成骨細(xì)胞分化受到抑制,骨丟失加劇及線粒體ROS過度產(chǎn)生。另外,PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬調(diào)節(jié)人牙周膜干細(xì)胞的成骨分化,使用PINK1靶向siRNA抑制PINK1/Parkin通路后,PINK1表達(dá)降低,成骨相關(guān)基因RUNT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2和骨鈣素的表達(dá)及礦化結(jié)節(jié)的形成減少[31]。因此,線粒體自噬在清除損傷線粒體、維持線粒體功能、促進(jìn)成骨細(xì)胞分化及減少牙槽骨吸收中發(fā)揮了重要作用。

3.2 線粒體自噬與牙周致病菌

牙周炎主要致病菌P.gingivalis可破壞人牙齦成纖維細(xì)胞和牙周膜干細(xì)胞的線粒體結(jié)構(gòu)[32]。P.gingivalis還能抑制線粒體自噬從而阻礙受損線粒體清除,使得牙周炎患者牙齦組織中PINK1、Parkin和LC3b的蛋白表達(dá)低于正常牙齦組織,炎性因子IL-1β、IL-6及TNF-α轉(zhuǎn)錄水平提升。誘導(dǎo)線粒體自噬可減輕P.gingivalis刺激牙齦成纖維細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)[33]。但Patoli等[34]發(fā)現(xiàn)在炎癥早期,P.gingivalis毒力因子脂多糖可激活半胱天冬酶(caspase)1和11抑制巨噬細(xì)胞線粒體自噬,導(dǎo)致ROS產(chǎn)生增加及巨噬細(xì)胞激活,這有利于殺菌及改善小鼠的革蘭氏陰性菌的感染癥狀。

3.3 線粒體自噬在牙周免疫反應(yīng)中的作用

牙周炎造成的大部分組織損傷是宿主針對(duì)病原體入侵作出免疫反應(yīng)的結(jié)果,而不是微生物直接引起的[35]。PINK1/Parkin通路在激活線粒體自噬中起重要作用,并在感染過程中調(diào)節(jié)固有免疫,防止過度炎癥[36]。菌斑微生物刺激下,PINK1和Parkin通過在體內(nèi)抑制線粒體抗原提呈調(diào)節(jié)牙周免疫[37]。線粒體自噬還可以抑制炎癥因子分泌,Sliter等[38]發(fā)現(xiàn)小鼠線粒體受損后,野生型小鼠體內(nèi)觸發(fā)PINK1激活和線粒體自噬,IL-1β濃度在24 h內(nèi)無明顯變化;Parkin-/-和PINK1-/-小鼠IL-1β濃度顯著升高,PINK1和Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬可能通過抑制宿主炎癥反應(yīng)減少牙周組織損傷。

4 ROS與線粒體自噬在牙周炎中的潛在聯(lián)系

氧化應(yīng)激發(fā)生時(shí),受損線粒體產(chǎn)生的ROS不能被抗氧化劑完全有效清除,此時(shí)線粒體自噬可啟動(dòng)受損線粒體的選擇性降解,作為清除ROS的另一種機(jī)制,保護(hù)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損害[13]。另外,呼吸爆發(fā)也會(huì)降低線粒體膜電位,去極化的線粒體穩(wěn)定了PINK1,隨后將Parkin招募到線粒體外膜啟動(dòng)線粒體自噬[39]。

4.1 線粒體自噬抑制ROS引起的炎性小體激活

細(xì)胞內(nèi)ROS的增加可將硫氧還蛋白相互作用蛋白從硫氧還蛋白中分離出來,與核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體家族熱蛋白結(jié)構(gòu)域3(nucleotide-binding oligomerization domain-like-receptor family pyrin domain3,NLRP3)結(jié)合,形成炎性小體[40]。Zhou等[41]通過阻斷呼吸鏈的關(guān)鍵酶誘導(dǎo)線粒體產(chǎn)生ROS后,NLRP3炎性小體被激活。NLRP3通過招募caspase-1,加工pro-IL-1β使其成熟,促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化,牙周炎相關(guān)牙槽骨吸收加重[42-43]。研究發(fā)現(xiàn),PINK1/Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬能消除產(chǎn)生的ROS抑制NLRP3炎性小體的激活及IL-1β的釋放,進(jìn)而發(fā)揮牙周保護(hù)作用[44]。

4.2 ROS通過激活缺氧誘導(dǎo)因子-1α啟動(dòng)線粒體自噬

牙周炎中,由于厭氧菌的生長和炎癥細(xì)胞的浸潤使牙周袋深層形成低氧環(huán)境,缺氧誘導(dǎo)因子α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)被激活[45]。低濃度的ROS通過抑制脯氨酸羥基酶的活性進(jìn)而抑制HIF-1α的降解,加速骨組織再生,減少炎癥細(xì)胞浸潤[46]。另外,ROS介導(dǎo)的SUMO-特異性蛋白酶(SUMO-specific proteases,SENPs)穩(wěn)定和重新分布增強(qiáng)了HIF-1α的轉(zhuǎn)錄活性。激活的HIF-1α促進(jìn)BNIP3和NIX的轉(zhuǎn)錄,這些蛋白直接或間接啟動(dòng)PINK1/Parkin信號(hào)通路,引起線粒體自噬進(jìn)一步抑制線粒體凋亡及牙周組織損傷[39]。

牙周炎的發(fā)病機(jī)制是復(fù)雜的,ROS和線粒體自噬在其中發(fā)揮了重要的作用,線粒體自噬通過清除ROS進(jìn)而抑制相關(guān)通路的激活及炎癥因子釋放,調(diào)節(jié)牙周炎癥。