巨噬细胞在种植体骨结合及早期失败的研究进展*

严佳慧 郎欣蕊 章燕珍

作为人类的第三副牙，种植牙因其美观、舒适等优点已经成为缺牙修复的主流方法。目前种植牙10年的成功率已经达到了89%～96%［1］，然而在临床上种植失败仍有发生。其中，早期失败发生的主要原因为缺乏骨结合，而晚期失败则常由种植体周炎、合力负载过大或种植体折断等引起［2］。研究表明，种植体早期失败的风险要普遍高于晚期失败［3］。因此临床上应尽可能提高骨结合以减少早期失败的发生。

20 世纪60年代Branemark 曾提出骨结合的概念为“在骨界面和种植体之间直接形成的一种结构和功能性的连接，种植体和骨之间不介入任何非骨组织”［4］。而在2017年Albrektsson 等［5］则对骨结合进行了新的定义，从骨免疫学理论出发，他认为骨结合是由异物免疫反应驱动的，而非单纯的功能性和机械性变化。种植体植入后将触发以纤维包封和慢性炎症为特征的异物反应［6，7］，如果骨组织处于稳态，只有轻度的慢性炎症，即处于异物平衡状态，新生骨将不断形成于种植体周围。相反，一旦异物平衡被打破，炎症反应持续，则会阻碍骨结合。因此，调节异物反应对于减少早期失败的发生具有重要意义。迄今为止已经开展了许多种植体骨结合的相关研究，但是大部分仍集中在成骨细胞和成纤维细胞，只有小部分致力于免疫细胞在骨结合中的作用［8］。而巨噬细胞作为植入物周围环境的免疫哨兵，也是种植体周围主要的免疫细胞［9，10］，在不同的刺激下能够分化成M1型和M2型介导局部免疫环境，促进异物平衡的建立［11］。因此，本文就巨噬细胞对骨结合、纤维化、异物巨细胞形成的作用展开综述，从而指导临床通过调节巨噬细胞行为减少早期失败的发生。

1.种植体植入后的宿主免疫反应

当种植体植入到牙槽骨中时，宿主将启动一系列免疫反应，中性粒细胞、单核-巨噬细胞、成纤维细胞等将参与到骨结合的免疫调控机制中［7］。由种植窝洞准备造成的损伤将导致血液和种植体的直接接触，激活免疫级联系统，从而诱导血凝块形成和炎症的发生。此时，血液或组织液来源的蛋白质，如白蛋白、补体、纤维连接蛋白、球蛋白、纤维蛋白原等将粘附于种植体表面形成临时基质层［12］。在临时基质层中存在的有丝分裂因子、趋化因子、细胞因子、生长因子和其他生物活性物质［13］将促进与炎症或修复相关细胞的募集及活化。中性粒细胞首先被招募到植入部位，肥大细胞释放组胺和纤维蛋白原［12］，介导急性炎症反应。通常，这种急性炎症反应只持续数小时至几天［14］。

随后，血小板和血凝块释放的趋化因子将招募单核细胞到种植体周围，并在植入后一周分化形成巨噬细胞。肥大细胞所释放的组胺同样能诱导巨噬细胞在种植体表面的募集和黏附。此时，巨噬细胞通过释放各种细胞因子，如血小板衍生生长因子（Platelet derived growth factor， PDGF）、白细胞介素-6（Interleukin-6， IL-6）、巨噬细胞集落刺 激 因 子（Macrophage-stimulating factor，M-CSF）将更多巨噬细胞招募到植入区［15］。随着巨噬细胞在种植体表面的不断黏附，巨噬细胞将成为种植体周围的主要免疫细胞，并释放各种细胞因子，调节成骨和破骨。在IL-4、IL-13 作用下巨噬细胞还可上调甘露糖受体，融合形成异物巨细胞［16］，这些异物巨细胞也将参与到纤维组织的形成和种植体表面的腐蚀。

随着成纤维细胞、巨噬细胞在种植体周围的浸润以及新生血管的形成，肉芽组织形成并最终转变为纤维囊［13］，将种植体从周围环境中分离出来。然而，避免早期失败需要形成稳定的骨结合，即种植体与周围骨直接接触，二者之间不存在非骨组织，而过度的纤维包封阻碍了新骨的形成。鉴于巨噬细胞是异物反应中种植体周围主要的免疫细胞，且其作为中间细胞起着调节新骨以及纤维组织形成的作用，通过对巨噬细胞行为的调节，我们可以控制免疫系统向有利于骨结合的方向发展。

2.巨噬细胞在骨结合中的作用

稳定的骨结合需要建立成骨与破骨间的良好平衡，而巨噬细胞作为中间细胞能够调节骨平衡的建立。巨噬细胞直接影响了骨合成代谢。通过旁分泌产生抑瘤素M、前列腺素E2、和骨形态发生蛋白-2 等信号分子，巨噬细胞可以诱导成骨细胞分化和骨的形成，有利于骨矿化的发生［17，18］。Wang等［19］通过氯膦酸盐脂质体靶向消除巨噬细胞后发现种植体周围的成骨细胞数量出现了显著减少。体外研究也发现在去除巨噬细胞后成骨矿化将减少23倍［20］。

作为破骨细胞的前体，巨噬细胞在M-CSF 和RANKL的刺激下可以分化为破骨细胞［21］。不同表型的巨噬细胞也影响了破骨细胞的产生。在脂多糖或干扰素-γ的作用下，巨噬细胞可分化为M1型即促炎型巨噬细胞，产生促炎细胞因子和趋化因子，如肿瘤坏死因子-α（Tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-1、IL-6和一氧化氮诱导炎症反应；而M2型即抗炎型巨噬细胞则由IL-4诱导，释放抗炎细胞因子，包括转化生长因子-β（Transforming growth factor-β，TGF-β）和IL-10，促进组织愈合和再生［9，22］。其中与M1型相关的细胞因子如TNF-α，IL-6和IL-1β将促进破骨细胞产生［23］，与M2型相关的细胞因子IL-4以及IL-10，则可通过活化T细胞核因子-1蛋白抑制破骨细胞形成［24］。如果种植体周围不断有M1型巨噬细胞的浸润，使得炎症反应持续存在，将不利于新骨的形成。

因此，骨结合的实现需要巨噬细胞的参与和调控。通过减少M1型巨噬细胞并促进其向M2型的极化，可以调节相关细胞因子产生，使最终结果向有利于新骨形成的方向发展。

3.巨噬细胞与成纤维细胞的相互作用

巨噬细胞与成纤维细胞的相互作用一直是人类纤维化疾病的研究热点［25-27］。作为抵御口腔微生物的生物学屏障，种植体周围软组织愈合对于实现牙种植体的长期稳定性尤为重要［28］。但是过度的纤维化又导致骨结合的失败。因此，需要通过对免疫反应的调控诱导适当的纤维组织形成。

成纤维细胞在种植体植入后的三天开始出现在植入部位，并在一周左右被活化成肌成纤维细胞，此时细胞外基质开始合成［29］。巨噬细胞则在成纤维细胞的活性调控起着重要的作用。M2型巨噬细胞分泌的TGF-β 可以通过Smad途径加快成纤维细胞的增殖及活化，抑制肌成纤维细胞的凋亡［30，31］。另一方面，肌成纤维细胞高表达组织金属蛋白酶抑制剂［32］，抑制细胞外基质的降解，促进了纤维组织形成。在M2型巨噬细胞的培养基中发现了更多的胶原分泌［33，34］。此外，巨噬细胞和肌成纤维细胞之间还存在着正反馈回路。M2型巨噬细胞可以通过分泌TGF-β 促进肌成纤维细胞的产生，而肌成纤维细胞则可以通过SDF-1、CXCR4、PI3K、AKT1等途径诱导巨噬细胞向M2型极化，进一步提高TGF-β水平［35］。

为了既保证种植体的软组织愈合又避免过度纤维化，需要适度地诱导M2 表型的分化。对于免疫反应的调节或许可以更多地集中在促进M2型巨噬细胞的极化并适当抑制TGF-β 产生来减少纤维包封，避免早期失败。

4.巨噬细胞与异物巨细胞的形成

异物巨细胞作为异物反应的标志常常出现在种植体与组织的界面上，这些细胞参与纤维包封［36］，且会导致生物材料的降解，不利于新骨的形成。该细胞的表面标记物与巨噬细胞相似，且多数异物巨细胞表达ED1 抗原，而ED2 抗原表现为阴性，这也表明这些异物巨细胞极有可能来源于M1型巨噬细胞的融合［37］。

Xia等［38］总结了巨噬细胞吞噬反应与生物材料粒径的关系：当粒径小于单个巨噬细胞（直径为“10 μm”）时，材料将被巨噬细胞吞噬并降解；如果粒径在10～100 μm，此时巨噬细胞将融合形成异物巨细胞，进而吞噬并消化；如果粒径较大，则融合形成的异物巨细胞将通过释放酶或降低pH 等机制进行细胞外降解。牙科种植体作为一种不可降解的块状材料，当巨噬细胞在其表面不断浸润时将融合并形成异物巨细胞［39］。相较于巨噬细胞，异物巨细胞的细胞外降解能力大大提高，它能释放多种介质如活性氧中间体、酶和酸导致种植体表面的腐蚀，使得金属颗粒或离子释放到周围组织产生细胞毒性作用。骨科研究发现这些磨损颗粒能够通过各种分子信号通路上调炎症，促进破骨发生［40］。Wang 等［41］也证实牙种植体的钛磨损颗粒可以诱导组织的无菌性炎症，在种植体周围发现了大量M1型巨噬细胞浸润，TNF-α、IL-1β、IL-6 等炎性细胞因子的水平显著升高，激活了种植体周围的溶骨过程。这些因物理摩擦及化学腐蚀形成的钛磨损颗粒的释放，破坏了骨稳态的维持，是造成种植体无菌性松动的原因之一［42］。

由于异物巨细胞可通过释放降解物质导致牙科种植体的腐蚀，进一步诱导炎症的发生，阻碍新骨的形成，通过抑制巨噬细胞尤其是M1型巨噬细胞的融合可以有效减少异物巨细胞的形成，从而减少早期失败发生。目前研究发现，阻断DAP12、DC-STAMP、RAC1 等受体分子是限制巨噬细胞融合的有效方法［43-45］，而减少M1型浸润或促进M1型向M2型极化则主要通过具有免疫调节功能的生物材料实现。

5.小结和展望

作为一种外源性异物，牙种植体在植入宿主体内时可发生异物反应，从而将种植体与周围组织分离出来。然而过度异物反应引起的纤维包封和种植体表面的腐蚀，将不利于骨结合，引起早期失败的发生。作为参与异物反应的主要免疫细胞，巨噬细胞能够调控异物反应和新骨的形成。本文总结了巨噬细胞在与早期失败相关的骨结合、纤维化以及异物巨细胞形成中的作用，以指导临床创造有利于骨结合的免疫微环境：通过减少M1型巨噬细胞浸润并促进其向M2型的极化来促进成骨反应，通过适当抑制TGF-β 水平避免过度纤维化，通过阻断相关受体及M1型巨噬细胞的浸润限制异物巨细胞的形成从而减少种植体表面的腐蚀。未来研究或许可以更多地集中在生物学材料方面，设计和研发新型种植体来调节巨噬细胞的上述行为，从而减少种植体早期失败的发生。