Ⅱ型糖尿病与牙种植体骨结合相关生物标记物的研究进展*

王 惠 李风兰

糖尿病是一种慢性代谢紊乱性疾病，对人类的健康构成威胁。预计至2040年全球糖尿病人将增长至6.42亿［1］。糖尿病患者常因代谢紊乱而引发牙周病导致多颗牙齿缺失，为改善患者的咀嚼、心理和美观等问题，牙种植术是最常见的选择之一。牙种植术的成功取决于骨-种植体直接接触（BIC）定义的骨结合与种植体周围的骨组织生长［2］，其过程涉及内环境稳定、肉芽组织形成、骨形成和骨重塑。骨结合实际上是由机体对植入物表面免疫驱动的异物反应引起的，界面的长期维持依赖于局部炎症反应的平衡［3］。Ⅱ型糖尿病患者的持续高血糖或血糖波动状态可显著提高机体氧化应激水平，加剧环境中炎症反应［4］从而延迟骨结合，使骨-种植体接触减少等［5］。

目前，临床指标（如探诊出血指数［BOP］、牙周探诊深度［PD］、临床附着丧失［CAL］等）和影像学技术主要运用于检测种植体及种植体周健康状况，但Duarte等［6］认为这些参数中的一些不易被评估和解释，可能对区分疾病的发病、活动和风险率具有不敏感或不特定性，同时在组织有不可逆的损伤时进行诊断或人为主观因素的干预也可能导致测量结果出现偏差。关于生物标记物的检测逐渐成为一种辅助诊断的新形式，唾液、龈沟液及种植体周围裂隙液中的生物标记物在区分种植体周围疾病状态和健康方面显示出良好的效果，现对于Ⅱ糖尿病患者种植体骨结合状态的评价尚缺乏特异性的标记物，不同研究数据针对不同生物标记物的作用机制说法不一。本文旨在总结不同生物标记物在评估Ⅱ型糖尿病患者种植体骨结合状态方面的作用。

1.基因生物标记物

1.1 IL-1β IL-1β是一种参与炎症反应、破骨细胞的形成与成熟、骨吸收和抑制骨形成等多种生物学过程的促炎细胞因子，不仅诱导破骨细胞的形成并刺激骨吸收［7］，还使高糖通过caspase-1/GSDMD/IL-1β途径抑制成骨细胞的增殖和分化［8］。龈沟液中IL-1β的水平与牙周炎症和种植体周围炎成显著正相关，其浓度可作为种植体周围炎的生物学指标［9,10］。但也有Dǒgan等［11］发现血糖控制良好的Ⅱ型糖尿病患者龈沟液中IL-1β的含量与健康人相比较无统计学差异，也并不影响糖尿病患者种植体的疗效，甚至能够与其余炎性因子协同实现骨重建。因此IL-1β的含量是否与Ⅱ型糖尿病患者血糖控制水平相关以及其在影响种植体骨结合方面的作用机制仍需要更多研究。

1.2 白细胞介素IL-6 IL-6是兼具促炎与抗炎功能的多效性细胞因子，在复杂的骨折愈合级联反应中发挥重要调节作用［12］。急性血糖波动使机体氧化应激水平明显升高，启动NF—KB信号通路使炎症因子IL-6表达增加，不仅损伤动脉，还增加了血管紧张素受体的表达以加强缩血管效应［13］。此外IL-6是糖尿病骨代谢的有效调节因子，IL-6并不直接作用于破骨细胞，而是通过促进支持破骨细胞生成的破骨细胞生成因子RANKL的表达间接刺激骨吸收；在骨重建过程中，IL-6又通过成骨细胞系促进RANKL的表达以促进成骨细胞增值［14］。Yang等［12］的实验表明，在敲除IL-6基因小鼠的早期修复阶段，骨痂矿化不良，破骨细胞数量减少，即IL-6的高水平表达与骨痂形成及骨痂愈合有关，薛鹏飞等［15］在经过阳极氧化（AD）法处理的种植体表面检测到IL-6的表达下调，并通过促进成骨细胞增殖，在种植早期获得了更佳的骨结合, 这使IL-6在糖尿病等炎性疾病骨愈合受损的病理机制中发挥着重要作用。

1.3 IL-8 IL-8可由多种细胞产生，如巨噬细胞、上皮细胞和内皮细胞, 在多形核白细胞（PML）的募集和功能激活中发挥至关重要的作用［16］。骨结合即动态的骨改建过程，成骨细胞必不可少，成骨细胞多起源于拥有多分化潜能与自我更新能力的骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cells，BMSCs)，BMSCs 向成骨细胞分化的这一过程在骨结合中起重要作用。研究显示IL-8 可能通过CXCR2 介导的PI3k/Akt信号通路触发BMSCs的体外迁移，从而增强组织工程化植入体小鼠骨缺损的成骨作用［17］。Gauthami S等［18］发现尽管在控制良好的糖尿病和健康个体之间，植入物的稳定性和骨生物标记物没有明显的差异，IL-8仍表现出明显的反应模式，破骨细胞的状态也呈扩增状态，但其在促进破骨细胞生成的机制尚不清楚。由于高血糖引起的结构改变可损害侧支循环，上调的IL-8水平可能在破坏细胞增殖和延迟伤口愈合的炎症反应中起作用［19］。

1.4 肿瘤坏死因子（TNF-α）TNF-α在过去被描述为一种短暂的细胞因子，仅在愈合的前3d在种植体周围的微环境中发现［20］，现已证实TNF-α通过刺激炎症过程激活并参与种植体骨重塑中的代谢活动，从而控制成骨与破骨细胞的分化并诱导骨吸收［21］。TNF-α水平的升高与血糖控制较差有关，急性波动性高血糖患者中TNF-α水平显著升高［22］。Alex Martins等人［23］观察到种植体周临床条件差和种植体周围发病率高者的唾液中TNF-α浓度升高。在糖尿病小鼠模型中，高水平的TNF-α有助于加速糖尿病骨愈合过程中软骨的丢失［24］，还可以增加骨保护素（OPG）的秩比，从而增强骨吸收［25］。Nina L等［26］在糖尿病急性Charcot骨关节病患者外周血中添加抗TNF-A-巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）+RANKL处理的培养物可以显著降低破骨细胞的功能。由于TNF-α和高糖可协同降低成骨样MG-63细胞的存活率并诱导其凋亡，提示TNF-α在Ⅱ型糖尿病骨延迟愈合中的重要调节作用［27］。此外，TNF-α不但参与骨愈合的初期形成, 还参与了骨痂的塑形过程, 从而影响着骨塑形［28］。TNF-α水平与种植骨结合的效果关系密切，并对骨结合状态不良有一定的预测价值［29］。

1.5 骨保护素（OPG）和破骨细胞核因子κB受体活化因子配体（RANKL）血糖控制不良状态对移植骨愈合过程中的骨因子如骨保护素（OPG）有负性调节作用，OPG作为肿瘤坏死因子受体家族的一员可干扰破骨细胞的功能与骨重塑过程，其通过抑制RANKL基因的表达阻碍破骨细胞的分化成熟、诱导破骨细胞凋亡［30］。刘一鸣等人［31］的实验观察到每周皮下注射OPG组的去卵巢大鼠与对照组相比，骨体积百分比增加了124%，骨结合百分比增加了167%、平均结缔组织密度增加了95%、平均骨小梁数增加了111%等结果，证实系统应用OPG可改善去卵巢大鼠种植体的骨结合和固定，其原因是种植体周围骨量的增加和小梁微结构的改善。因此OPG作为抗破骨细胞生成因子可以有效保护骨量。Ⅱ型糖尿病氧化应激过激引起的炎症反应可导致破骨细胞及免疫细胞中RANKL的上调与成骨细胞中OPG的下调［32］，由于糖尿病患者种植体的骨重建需要在骨吸收与骨形成之间维持精准的平衡，OPG作为RANKL的内源性抑制剂，OPG/RANKL的比值成为了调节骨吸收与形成平衡的关键。OPG/RANKL比值降低是骨溶解增加的表现［33，34］，Kapasa等［35］认为，增加种植体周围OPG的含量或提高OPG/RANKL的比率可以增加牙种植术的成功率并减少术后并发症。Ⅱ型糖尿病患者受全身因素作用，升高了RANKL和TNF-α水平并下降OPG的表达，最终使得OPG/RANKL的比例失调，从而加剧牙槽骨吸收［36］。药物如二甲双胍可通过增加OPG的表达升高延髓区OPG/RANKL比例，使种植体在高血糖状态下更有利于形成骨结合［37］。OPG/RANKL/RANK系统在调节Ⅱ型糖尿病骨代谢方面有重要意义［38］，可能成为预防糖尿病患者种植体失败和延长种植体寿命的临床治疗新靶点。

1.6 转化生长因子β1（TGF-β1）TGF-β1被认为是纤维化反应的中枢介质，在骨组织中含量较多，对骨组织的改建和形成具有重要意义。血糖控制不良患者的种植周液在12个月的重新评估中，TGF-β1水平较低［39］。体外实验证明TGF-β1可抑制骨髓细胞的成骨分化，并参与创伤愈合的细胞与炎症调节过程［40］。钟惠兰等人［41］应用复方丹参片提高了种植体周围骨组织的TGF-β1 水平，进而促进了种植体的骨结合；童爽等［39］的研究数据表明，含TGF-β1的丝素蛋白-壳聚糖三维支架对BMSCs的增殖、分化及基质生成均有积极作用，TGF-β1具有加速种植体骨重建的潜在生理效益。将含TGF-β1的复合涂层种植体植入糖尿病实验兔进行术后观察，成骨状况和骨结合情况均优化［42］，分析其原因可能是AGEs与TGF-β1的表达呈明显负相关,复合涂层种植体通过提高TGF-β1水平使AGEs表达减少，从而起到骨保护的作用。众所周知，由于Ⅱ型糖尿病患者的胰岛素相对缺乏，长期的糖代谢紊乱造成血小板功能障碍［43］，导致血小板衍生生长因子和TGF-β的缺乏，进而影响骨结合过程中成骨细胞通过纤维蛋白基质向种植体骨结合表面的迁移［44］。未来则需要更深入、更充足的数据对TGF-β1在糖尿病患者种植体骨结合过程中对成骨细胞迁移、骨组织新生和骨重建中所起到的作用进行探讨。

2.蛋白质组学生物标记物

高迁移率族蛋白B1(HMGB1):20世纪90年代末，HMGB1作为内源性危险信号分子被重新发现。作为一种非组蛋白DNA结合核蛋白，它可在细胞外与关键的跨膜受体如晚期糖基化终末产物受体（RAGE）和toll样受体-4 (TLR-4）导致高血糖状态下的氧化应激和炎症反应所造成的细胞损伤［45］。李明静等［46］发现，HMGBl可能通过Toll样受体及NF-kB通路发挥类似OPG及RANKL的作用从而参与骨平衡的调节。最近的研究表明，HMGB1和RAGE是动物模型中钛骨结合的重要标记物［47］，HMGB1可通过增加IL-1、IL-6、TNF-α等促炎细胞因子的表达延长炎症过程［48,49］。Liu等人［50］证明HMGB1不仅在糖尿病大鼠钛种植体模型的血浆中升高，还在BMSCs和种植周围骨组织中显著过表达。用甘草甜素抑制HMGB1的上调可削弱氧化应激反应和脂过氧化物生成，逆转成骨标志物的下调并改善受损的小梁结构从而改善骨结合。同时HMGB1作为促炎中介在种植体周围沟液（PICF）及唾液中广泛存在［49］，滤纸条法、酶联免疫吸附法（ELISA)、Luminex等技术为相关蛋白标记物的提取与检测提供了便捷方式［6］。综上，抑制HMGB1是缓解糖尿病环境下骨髓基质细胞功能障碍、增强种植体成骨分化与骨结合的有效途径，HMGB1可视为一种与糖尿病骨结合障碍相关的重要病理细胞因子［45，50］。

3.其它生物标记物

晚期糖基化终产物（AGEs):Ⅱ型糖尿病患者细胞外血糖水平持续存在，血液蛋白质经历非糖基化转化为晚期糖基化终产物（AGEs）从而与不同类型细胞上的AGEs 受体（RAGE）结合促进局部炎症状态。Ohara等人［51］证明血糖波动的改善可能减轻Ⅱ型糖尿病患者的氧化应激，从而降低AGEs水平。AGEs可在血清和种植体裂隙液中升高，AGEs与RAGE的相互作用不仅可以产生刺激骨吸收的炎性细胞因子，从而触发破骨细胞的诱导，还能抑制成骨细胞的增殖与分化，并使一些蛋白质非酶糖基化，导致胶原结构改变，使Ⅱ型糖尿病患者种植体形成的有机骨基质质量受损［52］。这些机制可能是Ⅱ型糖尿病患者种植体周围参数恶化的原因，因此AGEs可被视为评估糖尿病患者骨结合状态的潜在标记物。

4.小结

Ⅱ型糖尿病患者种植环境的氧化应激水平显著升高，可能会影响骨结合过程中的血供、炎症反应、胶原合成与矿化以及骨再吸收和沉积间的平衡，进而延迟骨愈合，损害新骨质量。由于Ⅱ型糖尿病种植体骨结合的主要标记物参与了炎症和骨破坏过程，这些活性成分和相关机制即成为了这一领域的重要研究方向。影像学及和临床参数等只能提供过去疾病的历史记录，并不提示当前疾病活动状态，而生物标记技术的发展提供了实时诊断疾病的可能性。理想的生物标记物应易于获取检测并具有高度稳定性和特异性。当前对于单一生物标记物的研究较多，尚缺乏多个生物标记物对糖尿病骨结合状态的研究。现有实验由于多缺乏敏感性和特异性的生物标记物数据，出现了假阳性或假阴性的概率，因此单独分析密切标志物可能表现低敏感性或混合结果，进而削弱疾病预测价值。且由于不同标记物在骨结合的不同阶段出现、消失并发生着浓度变化，多种生物标记物联合应用预测骨结合状态可能更加敏感高效，但如何界定标记物的参考值范围及不同标记物间是否存在干扰等问题仍需更多充分的随机临床试验。据此，Ⅱ型糖尿病种植体骨结合相关生物标记物的研究在帮助医生监测骨结合状态、降低种植失败率，阐明复杂的生物学机理以及开发宿主调节疗法等方面具有重要意义，同时未来在其他有前景的研究领域如遗传学、非靶向代谢组学和介入性纵向试验等可能出现更多独特的易感性指标来加深我们对这一课题的认识。