囊性纤维症相关的釉质异常研究现状

陶文静 综述; 吴家媛 审校

(贵州 遵义 563000: 1. 遵义医学院; 2. 遵义医学院附属口腔医院;3. 贵州省高等学校口腔疾病研究特色重点实验室)



·综述·

囊性纤维症相关的釉质异常研究现状

陶文静1,2综述; 吴家媛2, 3审校

(贵州 遵义 563000: 1. 遵义医学院; 2. 遵义医学院附属口腔医院;3. 贵州省高等学校口腔疾病研究特色重点实验室)

囊性纤维症(Cystic fibrosis ,CF)是一种多见于白种人的系统性疾病，其在活产婴儿中的发病率约为1/2 500；相关临床资料显示，该病在我国也有一定发病率。CF是由囊性纤维化跨膜转导调节因子(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)基因突变引起的其编码的CFTR蛋白功能缺陷所致，可导致多脏器、多种疾病的发生。有研究发现，CF病人的患龋率比健康人低，更易发生釉质缺损。进一步研究显示，患CF小鼠的切牙釉质矿化较低，表现为白垩色，说明CFTR与切牙的发育异常有关。本文就CF的釉质异常表现及其相关研究作一综述。

囊性纤维化; 囊性纤维化跨膜调节因子; 釉质; pH调节; 氟斑牙

[Chinese Journal of Conservative Dentistry,2015,25(11): 688]

囊性纤维化(Cystic fibrosis, CF)是一种西方人(特别是高加索人)最常见的致命性常染色体隐性遗传病，亚洲人和非洲黑人中发病率较低[1-2]。CF是由CFTR基因突变所致，可引起多脏器、多种疾病的发生，且死亡率高，预后较差，可能与对本病的认识不足及未予重视有关。隋文等[3]研究发现，CFTR在小鼠牙齿的成釉细胞中高表达(与Arquitt等[4]报道的结果一致)，并观察到CF小鼠的切牙釉质矿化程度较低，表现为白垩色，说明CFTR与釉质矿化有某些直接或间接的联系。本文就CF的釉质异常表现及其相关研究作一综述。

1 CF及CFTR概述

Kerem等[5](1989)定位了囊性纤维化跨膜转导调节因子(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)，从而为进一步研究CF的生物学和病理学特征奠定了基础。CFTR基因编码1 480个氨基酸残基，位于第7号染色体长臂3区1、2带，是一种环磷酸腺苷(cAMP) 依赖性的氯离子通道蛋白。CFTR基因突变可使其功能失活，从而导致具有外分泌功能的上皮组织出现结构缺陷或功能障碍。不同类型的突变对CFTR的功能影响不同，Rogan等[6]对CFTR基因突变中的密码子缺失、多聚变异体、错义突变、移码突变、无义突变和剪接位点突变共5种类型分别进行了讨论。CF的临床症状多为呼吸系统和消化系统的一些慢性疾病，汗液中氯化物浓度升高、生殖功能受损、外分泌腺黏膜阻塞等是CF相关的主要病理表现[7]。刘亭威等[2]对26 例中国囊性纤维化患者的临床资料进行分析后认为，根据典型的临床表现和2次以上的汗液试验阳性(汗液中氯离子>60 mmol/L)，加上CF阳性家族史、尸检或基因突变检测结果，即可诊断CF；同时还发现，我国的CF患者往往有严重的肺部疾病，但胰腺功能大部分正常。

2 CF相关的釉质异常表现

由于CF患者需要经常摄入高热量和高含糖的食物以保持其热量的需要，理论上会使其患龋率增高。但很多文献均报道，CF患者的龋齿发生率显著低于健康人群[1,8-9]，这可能与CF患者的唾液pH值较高、缓冲能力强有关[10]。另有研究发现，CF患者的牙周状况良好，但其釉质缺陷呈高发趋势[11]。Azevedo等[12]分别对性别、年龄相近的CF患者和健康者进行了全口检查，并详细记录了其釉质发育缺陷指数(DDE index)，结果显示，CF患者均存在3种不同程度、不同类型的釉质缺陷，分别为：界限清楚的釉质混浊、界限不清的釉质混浊、釉质发育不全；同时还发现，釉质缺损主要见于CF患者的恒牙。Wright等[13]报道，与CF病人的釉质缺陷相比，CF鼠的釉质异常更普遍而显著，其切牙的牙釉质矿化不足，表现为明显的白垩色。

3 CF釉质异常的相关机制

3.1 氯离子通道功能紊乱

离子通道能促进跨生物膜离子的扩散，根据选择性透膜物分子，可将离子通道分为氯通道、钠通道、钾通道、钙通道等。釉质发育不是一个孤立过程，成熟阶段的成釉细胞需通过离子通道或转运蛋白进行钙、磷的转运或其他离子交换，并通过调节pH值、内吞作用等影响釉质和牙本质的生物矿化[14]。目前已有越来越多的牙组织的离子通道或转运蛋白被确定，特别是有关牙齿矿化和萌出的离子通道。Cl-通道存在于质膜和细胞内的细胞器，通过对各种遗传性疾病及基因敲除小鼠模型进行研究表明，其生理功能有：平衡离子以调节细胞容积、跨上皮运输、电兴奋性调节等。已在分子水平上被证实的Cl-通道有4类，分别为：电压门控氯离子通道(ClCs)；囊性纤维化跨膜转导调节因子(CFTR)；配体门控GABA和甘氨酸受体、钙激活氯离子通道(CLCA)；氯化物离子通道(CLIC)。牙齿发育过程中若牙组织氯离子通道发生功能障碍，则可能会导致牙源性细胞或细胞外基质中出现异常的离子浓度，从而干扰牙体组织的矿化过程[15]。CFTR表达异常与切牙发育异常有关[13]，并通过对CF鼠的研究已证实，CFTR在釉质发育成熟阶段的pH值调节中起着重要作用[16]。基质金属蛋白酶20(MMP-20)和激肽释放酶4(KLK4)，或釉基质丝氨酸蛋白酶1(EMSP1)是众所周知的两种在釉质形成过程中可使牙釉质蛋白降解的重要蛋白酶。其中MMP-20可直接或间接地促进釉质成熟阶段的釉质蛋白降解[17]。氟斑牙的典型特征是蛋白质滞留在成熟釉质中，而在CFTR基因敲除小鼠的釉质中也发现了同一种蛋白质的滞留；根据CFTR氯离子通道可转运氟离子，推测CFTR基因敲除小鼠的釉质发育异常可能与氟斑牙的发生机制相同。Duan认为，CF和氟斑牙的釉质中滞留有蛋白质的原因可能有: ①患CF和氟斑牙时，均可使其成釉细胞中的KLK4和MMP-20表达水平降低，从而影响了成熟釉质中蛋白质的降解；②过量氟可通过CFTR氯离子通道或其他氯离子通道抑制成釉细胞的内吞作用，而患CF时由于CFTR功能缺陷，则可导致成釉细胞的病理性内吞，亦能引起其成熟釉质中蛋白质的含量增加，所以在 CF和氟斑牙患者的釉质中均可观察到残留蛋白质[18]。隋文等报道，CFTR基因在皮肤、大脑、眼球、舌、颅骨、肺、胸腺、下颌骨、胃、长骨、肝脏、肾脏、牙(胚)、小肠均有表达，特别在成釉细胞中CFTR基因呈高表达，其基因产物定位于成釉细胞的分泌端，且面向釉质，利于离子的转运，可直接、间接调控釉质晶体的生长和矿化[3]。另有研究还证实，在牙胚和成牙本质样细胞中均有ClC氯离子通道相关基因的高表达，但不同种类氯离子通道的功能各不相同，其中一些氯离子通道主要通过对细胞增殖和细胞周期信号的转导作用调节牙齿发育[19-20]。关于氯通道调控牙齿发育的具体机制，以及过量氟是否会影响CFTR以外的氯离子通道?其具体生理学机制如何等，尚需进一步研究。

3.2 pH值及其调节相关基因的异常表达

釉质的形成需要严格控制细胞外pH值和碳酸氢盐浓度，在釉质矿化期间严格的酸或碱调节对健康釉质的形成至关重要。Lacruz等认为，目前已知的表达于成釉细胞并涉及pH稳态调节功能的相关基因有5种，分别为：碳酸酐酶Ⅱ(CAR2，CAII；细胞内pH调节)、碳酸酐酶Ⅵ(Car6，CAⅥ；细胞外pH调节)、囊性纤维化跨膜转导调节因子(CFTR；膜相关Cl- 的通道)、溶质载体家族4阴离子交换蛋白2 (SLC4A2，AE2；Cl-HCO3-交换器)、溶质载体家族4碳酸氢钠协同转运体4(SLC4A4，NBCe1；钠离子偶联的HCO3-转运)；当这些基因发生个体突变或SLC4A2、SLC4A4、CFTR基因无效时，均可导致小鼠牙釉质畸形；其中CFTR主要受SLC26A6调控，而CFTR亦可通过反馈机制反过来控制SLC26A6的活性和其他转运[21]。釉质发育主要有分泌和成熟两个阶段。CF鼠的成釉细胞在分泌初期表现为分化良好的高柱状，并出现核极化；而在分泌晚期或成熟早期则多为立方细胞，有些细胞还表现出向鳞状上皮形态早期过渡，其可能类似于离子传输性上皮细胞的作用，并在釉质形成期控制离子[16,22]。目前已证实，在釉质发育过程中pH值的调节是磷灰石沉积、晶体生长、优化蛋白酶以及成釉细胞发挥功能所必不可少的条件，在分泌阶段，釉基质的pH为中性；而在成熟阶段，釉基质的pH值则交替处于中性和酸性之间[23-24]。Sui等对CF鼠模型的釉质矿化过程中的pH值变化进行观察发现，其釉基质的pH值普遍低于正常小鼠的釉基质；并认为，pH值的降低会使CF的前牙在牙釉质成熟期和矿化期缺乏钙回流，从而导致其釉质发育不全[16]。Chang等在CFTR(-)猪动物模型中也观察到了釉质矿化不全，该实验数据为解释与CFTR和AE2表达受阻相关的釉质疾病提供了分子基础：釉质细胞外层的晶体生长和蛋白酶活性被认为是pH依赖性现象，需要动态的细胞转运过程来不断地调整它们的活性，以使细胞外的pH值维持在接近生理的水平；而且许多离子转运的调控和蛋白的表达也都需要保持一个适合的pH值才能使釉质正常矿化，在此过程中釉质上皮细胞可表达许多能调节pH的基因，并通过识别不同环境中的蛋白质种类，以利于釉质生物矿化中酸或碱的复杂转运过程[25]。在釉质成熟阶段，通过阴离子交换蛋白AE2的基底外侧分泌碳酸氢盐对釉质的生物矿化也至关重要。Lyaruu等认为，在成釉细胞成熟阶段，AE2的带状表达符合成釉细胞成熟期循环质子分泌的模式[26]。Tye报道Atp2b4、SLC4A2、Car6、CFTR 4种离子调节基因在MMP20 - / - 小鼠牙釉质中的表达均显著下降，特别是分泌碳酸酐酶的Car6 在牙釉质中几乎检测不到；作者认为, 调节离子反应基因的表达是釉质发育过程中重要的反馈机制，这些离子反应基因表达减少时可导致釉质矿化不良[23]。表达在成釉细胞质膜上的SLC基因产物包括AE1、AE2、NBCe1、NHE1、NCX1和NCX3，均参与HCO3-、H+和Ca2+的运输；在釉质成熟期间，AE2、NBCe1和CFTR的表达均明显上调，说明其在釉质发育后期对成釉细胞碳酸氢盐的运输有着更大的需求[27]。上述研究结果表明，离子转运和pH调节在釉质形成过程中有重要的作用，而关于成釉细胞涉及调节pH的更多基因表达研究及其控制将有利于深入理解釉质的矿化及发育过程。

3.3 CF釉质矿物成分变化

牙齿正常发育过程中，成釉细胞分泌的釉原蛋白、成釉蛋白及釉基质蛋白酶处于一种平衡状态。釉原蛋白由成釉细胞合成后，很快被分泌到细胞外而形成釉质基质，其主要作用是为釉质的晶体生长提供分子网络支持、通过与晶体结合调节晶体的生长速率、结合矿物离子等；到釉质发育晚期，若无其他因素干扰时，釉基质蛋白酶会对釉原蛋白进行水解，从而为釉质的矿化提供条件。在对氟斑牙的发病机制进行研究时发现，过量的氟不仅能通过影响细胞内的pH值而使釉原蛋白的结构和功能发生改变；同时还能通过降低MMP-20、KLK4等釉基质蛋白酶的表达水平，而引起釉基质蛋白的水解障碍和异常的釉质矿化，并最终导致氟牙症的形成[28-29]。出现在CF的釉质异常也与釉质中有釉原蛋白的残留和晶体缺陷有关，而微晶的缺陷则又与釉基质蛋白的残留有关，即使仅保留少量釉原蛋白也足够改变微晶的形成和釉质矿化[13]。正常釉质成熟时由TGF- β通过KLK4的表达信号而调控的，说明TGF-β信号传导对成釉细胞的功能和釉质的成熟均起重要作用[30]。Suzuki等报道，F-介导的TGF- β1表达下调可使釉质中KLK4蛋白的表达水平降低，从而解释了为什么氟斑牙的釉质中蛋白质含量高于正常的原因[31]。鼠前牙中CFTR是其釉质矿化形成的关键，在晶体生长过程中具有调节pH值的功能[32]。Wright等报道，正常小鼠的牙釉质呈高度矿化，与之相比，CF小鼠的牙釉质中矿物质含量显著减少，而镁的含量则显著增高[22]。Gawenis等[33]使用中子活化分析仪器(INAA)分别对CF鼠(CFTR缺失)及正常鼠牙齿中的矿物成分进行测量分析显示，与正常鼠相比，CFTR(-)小鼠的整个切牙和切牙釉质的钙含量明显降低，磷含量无差异；同时镁含量增加，铁含量降低。以上结果提示，CFTR虽不会直接对鼠牙齿的矿化起作用，但CFTR在切牙的正常矿化过程中显然是必不可少的。综上所述，在成釉细胞发育过程中，矿物质的大量流动对整个牙釉质的发育有着重要影响，特别是钙离子在釉质形成时的相关信息传递中更起着重要作用，其在CF鼠釉质中的含量明显降低可能是引起釉质缺陷的主要因素[34]。

4 展望

尽管CF患者的患龋率较低，牙菌斑和牙龈炎也较少[1,9]，但关于儿童和青少年CF 患者的患龋风险则需要更多的研究，并应对其进行早期、定期的专业检查以防止釉质缺损牙齿的彻底损伤[35-36]。牙釉质的形成是一个复杂的过程，大多数离子通道或转运均可能会影响牙釉质的正常发育，并通过调节钙稳态、pH值、内吞作用、或其他离子交换等而影响牙体硬组织的生物矿化[15]。人类牙釉质的形成受分子水平高度调节，涉及数千个基因，分子缺陷可以通过直接影响釉质形成相关基因的表达而改变釉质的发育。因此，深入了解参与牙釉质形成的多元化分子途径对于涉及遗传性疾病的釉质异常的病因及其机制研究有着重要作用[37]。特别对CF患者牙釉质异常变化的机制研究将会为其他导致牙缺损或釉质变化的系统疾病的发病原因提供理论依据，同时也有助于此类疾病的临床治疗和研究。

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Correlation between cystic fibrosis and abnormal enamel

TAO Wen- jing*, WU Jia- yuan

(*SchoolofStomatology，ZunyiMedicalUniversity,Zunyi563000,China)

Cystic fibrosis (CF) is a systemic disorder commonly seen in Caucasian in approximately one out of 2,500 live births. Clinical data show that there is also a certain incidence of the disease in China. The etiology of CF is that mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene cause dysfunction of CFTR protein. Studies have found a higher prevalence of enamel defects but a lower dental caries incidence in CF patients than in healthy population, and CF mice has chalky white incisor enamel. Further molecular studies have shown that the CFTR gene is associated with abnormal development of incisors. Specific oral manifestations may be risk indicators of systemic disorders. This article is committed to review the enamel abnormalities and related research of CF.

cystic fibrosis; cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR); enamel; pH regulation; dental fluorosis

2015-05-06

贵州省研究生教育创新基地[黔教研合CXJD字(2014)005)] 贵州省省长基金项目[省黔专合字(2012)16] 贵州省科技创新人才团队资助项目[黔科合人才团队(2013)4026] 贵州省高等学校特色重点实验室建设项目[黔教合KY字(2013)109] 遵义医学院博士启动基金项目(ZMKD2012-022)

陶文静(1991-)，女，汉族，贵州人。硕士生(导师: 吴家嫒)

吴家媛, E-mail: wujiayuan@zmc.edu.cn

R780.2

A

1005-2593(2015)11-0688-05

10.15956/j.cnki.chin.j.conserv.dent.2015.11.011