安 樂,郭寶雄,金 夢,王婷婷,楊 樂,張 佐,樊永杰

牙槽骨改建是維持正常牙槽骨結(jié)構的關鍵,也是正畸牙齒移動的生物學基礎。牙齒受到機械應力時,炎癥介質(zhì)和細胞因子等分子隨之增加,調(diào)控著牙槽骨改建的動態(tài)平衡,例如腫瘤壞死因子(TNF)及其受體(TNF-R)可以通過調(diào)控成骨細胞和破骨細胞的平衡來影響骨改建。作為TNF和TNF-R超家族的成員,核因子-κB受體活化因子(RANK),核因子-κB受體活化因子配體(RANKL)及骨保護素(OPG)構成的環(huán)路是骨形成和骨吸收的主要調(diào)節(jié)系統(tǒng),為表述方便,下文統(tǒng)一簡稱其為RANKL/RANK/OPG環(huán)路。

RANKL是破骨細胞形成和活化的下游調(diào)節(jié)因子,許多生長因子、趨化因子等可以通過RANKL表達骨吸收作用,其對人體內(nèi)破骨細胞的激活、分化、成熟、吸收及功能的維持具有重要意義。RANK是RANKL的受體激活劑,其與RANKL結(jié)合后可使造血破骨細胞前體快速分化為成熟破骨細胞。OPG基質(zhì)細胞分泌的誘餌受體,可與RANKL特異性結(jié)合,從而競爭性抑制RANK與RANKL結(jié)合,導致RANKL活性被抑制[1]。本文就RANK/RANKL/OPG環(huán)路的來源及衍化,在調(diào)控正畸牙齒移動中的作用機制及影響該環(huán)路表達的因素做一綜述。

1 環(huán)路的來源及形成

1.1 核因子-κB受體活化因子配體:RANKL是一種Ⅱ型同源三聚體跨膜蛋白,被稱為膜保證蛋白,是蛋白質(zhì)水解分裂而從膜中分泌的蛋白衍生物。人體的RANKL基因位于13號染色體上,編碼一種含有317個氨基酸的糖蛋白[2]。RANKL以可溶和膜狀的形式存在,能對破骨細胞的生成進行不同程度的調(diào)節(jié),并促進成骨細胞和基質(zhì)細胞的表達。通常情況下,可溶形式的RANKL生成破骨細胞的能力較弱。

1.2 核因子-κB受體活化因子:人體的RANK基因位于18號染色體上,編碼一個含有616個氨基酸的蛋白分子[1]。RANK最初在樹突狀細胞上被發(fā)現(xiàn),屬于TNF-R超家族。在人體如骨骼肌、胸腺、肝臟等組織中RANK可在破骨細胞、樹突狀細胞等表面廣泛表達,由此合成I型同源三聚體跨膜蛋白。

1.3 骨保護素:人類OPG基因位于第8號染色體上,編碼一個由401個氨基酸構成的蛋白[1]。OPG是TNF受體超家族的重要一員,存在于人體許多具有成骨細胞的組織中,包括心臟、脾臟、肝臟和腎臟等組織,可作為可溶性誘餌受體輸出到細胞外空間,且不需要任何跨膜結(jié)構。OPG的骨保護作用已被深入研究。

1.4 RANK/RANKL/OPG環(huán)路的形成:早在1997年,Simonet[3]等就在小鼠體內(nèi)克隆并定義了一種潛在的破骨細胞生成抑制劑——OPG,幾乎同一時間,Immunex公司的研究人員將人體免疫系統(tǒng)中的T細胞CD40的配體及其受體對命名為RANKL和RANK[4],1年后,日本學者通過1項體外實驗證明OPG配體和人體內(nèi)破骨細胞抑制因子(OCIF)是同類分子,作為可溶性誘餌受體的OPG可以抑制體內(nèi)RANKL與RANK的結(jié)合[5],之后研究[6]證實,OPGL和OCIF與RANKL均是相同類型的細胞因子,至此,學者們將這一配體/信號受體/誘餌受體的復合體命名為RANKL/RANK/OPG環(huán)路。在隨后的20余年,研究人員通過體外細胞培養(yǎng)及動物體內(nèi)實驗研究論證了Simonet等人的結(jié)論,即RANK/RANKL/OPG通路是人體的骨代謝過程中調(diào)控骨平衡的一個重要信號杠桿。

2 環(huán)路在正畸牙齒移動中的作用

正畸牙齒移動過程中的牙槽骨改建是由破骨細胞和成骨細胞共同構成的動態(tài)循環(huán)過程,二者缺一不可。在這一過程中,RANK/RANKL/OPG環(huán)路的重要調(diào)節(jié)作用已得到廣泛證實,近年來RANK/RANKL/OPG環(huán)路在以骨改建為基礎的正畸牙齒移動中的作用引起學術界的普遍關注。

2.1 活化破骨細胞,促進骨吸收:牙槽骨表面的破骨細胞與牙槽骨基質(zhì)接觸,通過釋放蛋白水解酶,發(fā)揮降解骨組織的作用。與此同時,成熟的成骨細胞也可以分泌RANKL,與破骨細胞的前體細胞或表面受體RANK結(jié)合,此時RANKL/OPG增大,破骨細胞的分化與融合作用增強,牙槽骨改建趨于負平衡[7]。研究表明,大鼠牙齒移動期間,RANKL在牙周組織中充分表達,RANKL基因的轉(zhuǎn)移使牙齒移動加快,相反由于OPG基因的轉(zhuǎn)移使牙齒移動速度受到限制。

2.2 控制成骨細胞,影響骨形成:RANK/RANKL/OPG環(huán)路除了主要作用于破骨細胞外,對成骨細胞也有一定的作用。RANK的適度表達能促進成骨細胞分化,而過度表達則會產(chǎn)生抑制作用。正畸牙齒移動過程中RANK在牙槽骨的成骨分化過程中顯著降低。對成骨細胞分化和骨形成起負調(diào)節(jié)作用。

還有研究發(fā)現(xiàn),RANK/RANKL/OPG環(huán)路可同時促進破骨細胞和成骨細胞的分化。如破骨細胞分化后可表達RANK,與成骨細胞上的RANKL相互作用,通過RANK-RANKL這樣的反向作用加快骨組織的形成[8]。

2.3 牙骨質(zhì)吸收:除直接影響成骨細胞和破骨細胞外,RANK/RANKL/OPG環(huán)路還與破牙細胞的分化有關,其誘導的牙骨質(zhì)吸收是正畸牙齒移動中常見的并發(fā)癥。已有研究[9]表明,過高的RANKL/OPG的比率會導致正畸牙齒移動期間的牙根吸收(EARR)。Kapoor等[10]證實,過大的正畸力下牙周膜PDL細胞受壓后RANKL顯著上調(diào),OPG下調(diào),產(chǎn)生嚴重的EARR,且RANKL/OPG比值越大,EARR越嚴重。因此,RANKL/OPG比值的大幅上調(diào)除了會抑制成骨細胞的分化,影響骨重建外,更重要的是會產(chǎn)生不利的EARR。

RANK/RANKL/OPG環(huán)路在正畸治療中的積極作用體現(xiàn)在刺激破骨及成骨細胞的分化,在發(fā)揮刺激骨吸收作用的同時促進骨形成,為加速正畸牙齒移動提供了新的治療前景。但同時也有研究表明RANK/RANKL/OPG環(huán)路的過度表達與抑制骨吸收、造成EARR有關。目前,有關該環(huán)路在正畸牙齒移動中發(fā)揮積極的加速牙齒移動作用或是產(chǎn)生EARR等負面影響的臨界值還尚不清楚,未來還需進一步研究,以期為RANK/RANKL/OPG環(huán)路在加速正畸牙齒移動中的積極應用提供證據(jù)。

3 影響環(huán)路表達的因素

RANK/RANKL/OPG環(huán)路的表達受多種因素的影響,從而直接或間接地影響牙槽骨的吸收、改建。了解RANK/RANKL/OPG環(huán)路表達的影響因素有利于RANK/RANKL/OPG環(huán)路在正畸牙齒移動中的正確應用。

3.1 激素:RANK/RANKL/OPG環(huán)路參與的骨改建是人體新陳代謝中重要的組成部分,因此可推斷影響新陳代謝的激素如生長激素(GH)、甲狀旁腺激素(PTH)及雌激素等也會對RANK/RANKL/OPG環(huán)路的表達起作用。

許多學者發(fā)現(xiàn)GH及PTH可刺激RANKL的表達。張耀元等[11]回顧了PTH在口腔正畸領域的應用后發(fā)現(xiàn),PTH可激活牙周組織中RANKL的表達,促進牙槽骨吸收,對加速牙齒移動有著重要意義。鞠華龍[12]的研究發(fā)現(xiàn),當在牙周組織注射GH達到0.01～0.15 IU/(kg·d)的有效濃度后,破骨細胞的數(shù)量顯著增加。由此可以推斷在有效濃度內(nèi)刺激RANKL的表達,而超出有效濃度或頻繁刺激,可能會抑制牙齒移動,但目前對于GH及PTH的有效刺激頻率尚不清楚,仍需進一步研究。

在正畸治療中,雌激素可通過牙周組織細胞中的雌激素受體增加OPG的表達,依托RANK/RANKL/OPG環(huán)路中的OPG與RANKL比率的調(diào)整,抑制破骨細胞的分化,從而限制正畸牙齒的移動速度。有研究[13]發(fā)現(xiàn),臨床中一些因身體原因手術切除卵巢及正處于絕經(jīng)期的女性正畸患者,由于體內(nèi)雌激素分泌較少,從而使體內(nèi)RANKL呈現(xiàn)高表達,導致牙槽骨丟失,牙齒移動率更高,其矯治周期與年輕女性相比更短。

3.2 生物因子:RANK/RANKL/OPG環(huán)路誘導骨吸收及骨形成,并受多種生長因子的綜合調(diào)控。研究表明白細胞介素(IL)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α),趨化因子等均參與了骨改建的過程。

白細胞介素-4(IL-4)是RANKL誘導的破骨細胞生成過程的有效抑制劑。研究證實IL-4可以誘導破骨細胞和內(nèi)皮細胞表達OPG,并抑制RANKL基因的產(chǎn)生,從而抑制破骨細胞分化和骨吸收。Hakami等[14]使用小鼠實驗性牙齒移動模型,通過局部注射IL-4,觀察到IL-4可以抑制RANKL的表達,從而減少壓力側(cè)破骨細胞的數(shù)量。與IL-4的作用不同,白細胞介素-20(IL-20)能促進RANKL的分泌和抑制OPG的表達。

除白細胞介素家族的IL-20外,有報告[15]表明TNF-α在正畸牙齒移動的過程中也會增強牙周組織細胞中RANKL的表達。同時發(fā)現(xiàn)TNF-α與RANKL表達具有協(xié)同促進作用。但有關TNF-α和RANKL發(fā)揮協(xié)同作用的具體濃度值,研究尚未提及,有待進一步的實驗確定。

趨化因子受體-2(CCR2)缺陷會抑制RANK表達[16],從而減少破骨細胞介導的骨吸收。但上述實驗仍停留在動物模型階段,缺乏采用局部注射細胞因子影響正畸牙齒移動的人體實驗來證實。未來在可能的人體試驗中,應重點關注其有效濃度及可能的副作用等。

3.3 藥物:一些激素類藥物,如1,25-二羥基維生素D[1,25-(OH)2D],在刺激牙周組織中RANKL的表達、激活破骨細胞、增加正畸牙齒移動速度方面也具有一定的作用。有研究[17]表明,維生素D的代謝產(chǎn)物中,1,25-(OH)2D的活躍度最高,能調(diào)控人體血清中鈣和磷酸鹽的平衡。同時,有效劑量的1,25-(OH)2D可促進成骨細胞表面RANKL的表達,從而參與破骨細胞的形成及活化過程。此外,在對實驗大鼠局部注射1,25-(OH)2D后,Kale等[18]發(fā)現(xiàn),它在活化破骨細胞的同時,還可以促進壓力側(cè)成骨細胞的表達,即在加速正畸牙齒移動的過程中平衡骨改建;在牙槽骨改建的過程中,還有一些炎性物質(zhì)如PGE2,可以通過增加RANKL表達,促進破骨細胞的分化與成熟。

黃佳倩等[19]梳理了他汀類藥物在骨代謝調(diào)控方面的體內(nèi)外研究后,發(fā)現(xiàn)他汀類藥物在正畸牙齒移動過程中發(fā)揮了促進骨形成和抑制骨吸收的雙重作用,服用他汀類藥物后,人體牙周組織中OPG表達明顯增加,而RANKL沒有任何變化,因而局部OPG/RANKL的比率升高,促進了牙槽骨的形成,同時抑制破骨細胞的表達。

此外,有研究[20]指出,二甲雙胍可上調(diào)成骨細胞中的OPG和RANKL,減少破骨細胞生成,并能防止大鼠卵巢切除后的骨丟失,而將洛索洛芬應用到大鼠細胞中,發(fā)現(xiàn)受到正畸力后細胞中的TNF-α、RANKL等基因表達和蛋白濃度顯著升高,但隨著洛索洛芬劑量的增加,RANKL等細胞因子的蛋白質(zhì)濃度逐漸降低。

3.4 激光、振動及超聲:運用激光、振動及超聲等物理手段刺激RANK/RANKL/OPG環(huán)路,促進破骨細胞的活化來加速牙齒移動也是近年的研究熱點之一。

已有學者[21]證實低水平激光照射(LLLT)在正畸牙齒移動期間能刺激壓迫側(cè)的破骨細胞生成刺激RANK/RANKL,使RANKL與OPG的比值顯著下調(diào),直接促進了成骨細胞增殖和分化,間接抑制了破骨細胞的分化,表明LLLT在骨改建中發(fā)揮重要作用。

另一種物理治療方法——周期性力裝置可通過對正畸牙齒施加適宜頻率的機械振動,加速牙周膜受壓側(cè)的骨吸收及張力側(cè)的骨沉積。研究[22]發(fā)現(xiàn)大鼠在振動刺激下,體內(nèi)RANKL分泌水平均有所提高,振動刺激通過RANK/RANKL信號通路促進了破骨細胞的分化成熟,明顯增強了破骨作用,最終加速了牙槽骨改建和正畸牙齒的移動。

除激光、振動外,低強度脈沖超聲(LIPUS)可以通過聲波增加牙周組織中破骨細胞的數(shù)量或促進壓力側(cè)RANKL的表達來快速移動正畸牙齒。有學者[23]以大鼠的牙齒為研究對象,通過建立正畸牙齒的實驗性移動模型發(fā)現(xiàn),LIPUS能明顯促進實驗組RANKL表達,加速牙槽骨的吸收和改建,證明了其對正畸牙齒移動的加速作用。另有學者[24]回顧近年來的相關文獻后,同樣證明了這一結(jié)論。

3.5 手術:近年來很多實驗研究和病例報告證實手術方法可以加速正畸牙齒的移動。當牙槽骨受到手術刺激后,間充質(zhì)細胞、牙周組織細胞等啟動細胞調(diào)節(jié)機制,細胞水平的升高會增加牙周膜中RANKL的表達,誘導前體細胞向活化的破骨細胞分化,從而加速牙槽骨的骨改建,增加正畸牙齒運動的速度。

朱紹躍等[25]以SD大鼠為研究對象,將其隨機分成骨皮質(zhì)切開手術組和對照組,建立正畸牙齒移動模型,研究表明骨皮質(zhì)切開術通過促進牙周組織中RANKL高表達刺激破骨細胞的作用加速大鼠正畸牙齒移動。孟耀等[26]的研究則發(fā)現(xiàn)另一種手術術式——牙槽嵴上纖維環(huán)切術(CSF)可以通過減弱牙齦纖維的牽拉作用激活RANKL/OPG途徑,活化破骨細胞,誘導牙槽骨吸收,加速正畸牙齒移動。

近年來隨著基因相關技術的不斷完善,Kanzaki等[27-28]在進行動物研究時先后提出可以將RANKL或OPG基因直接注射到實驗動物體內(nèi)發(fā)揮作用。將RANKL基因轉(zhuǎn)移到動物體內(nèi)可加速牙齒移動,且與上文提及的標準手術方法相比療效更佳。此外,在一些需要抑制正畸牙齒移動的實驗中[19]也用到了基因治療。

綜上所述,RANK/RANKL/OPG環(huán)路與正畸牙齒移動有密切的關系,因此在臨床上,明確其在正畸牙齒移動中的作用機制及影響因素是非常重要的。關于RANK/RANKL/OPG環(huán)路發(fā)揮作用的具體濃度及影響因素目前尚未達成共識,盡管部分研究目前仍處于動物實驗階段,但這為后續(xù)的臨床探究開辟了新的路線,隨著對RANK/RANKL/OPG環(huán)路作用的不斷探索,相信未來在正畸牙齒的移動過程中其扮演的角色將愈發(fā)重要。