高糖水平下牙周组织的形态与免疫特征

孙乐章，王 琪

糖尿病是一种常见的以高血糖为特征的慢性代谢性疾病，牙周炎是其主要的口腔并发症，表现为牙周袋形成、牙龈红肿、牙槽骨吸收和牙齿松动等，是造成糖尿病患者失牙的主要原因。糖尿病患者中牙周疾病的发病率和严重程度往往较正常人更高，可能因局部免疫稳态失调导致组织破坏加重[1]。高糖条件下牙周组织的免疫特征变化情况较为复杂，本文将从高糖状态下牙周组织形态结构、局部免疫细胞的变化及其调控机制等方面进行综述，揭示高血糖对牙周免疫特征的影响并探索其在牙周组织破坏中的作用，从而为防治糖尿病相关性牙周炎提供思路。

1 高糖状态牙周组织形态结构变化

1.1 牙龈

高血糖引起的牙龈形态学变化主要体现在：①黏膜上皮增厚；②黏膜下结缔组织萎缩；③微血管病变[2]。有学者发现，糖尿病大鼠黏膜上皮增厚且细胞数量增加，上皮钉突缩短，其中角化层变厚，角质形成细胞变大，角蛋白增加，颗粒层和棘层细胞密度增大；而基底层的厚度和形态无明显变化[3]。也有研究显示糖尿病可导致黏膜下结缔组织变薄，成纤维细胞迁移能力下降，进而影响牙龈创面愈合及局部免疫功能，这可能与高糖环境抑制成纤维细胞增殖和胶原合成有关[4]。此外，糖尿病可能导致牙周组织中毛细血管数量减少及血管壁厚度减小，导致牙龈上皮免疫屏障受损，促进牙周疾病在糖尿病患者中的发生发展，这可能与高糖抑制血管内皮细胞增殖相关[5]。

1.2 牙周膜

牙周膜是位于牙根与牙槽骨之间的结缔组织，有固定牙根和缓解咀嚼压力的作用。研究发现体外模型中糖尿病可导致牙周膜结构薄弱，主要表现为胶原纤维排列紊乱和牙周膜成纤维细胞(periodontal ligament fibroblasts，PDLFs)的脱落[6]。同时，高糖引发PDLFs出现细胞形态及功能异常，导致结缔组织胶原化程度和对Ⅰ型胶原的黏附作用下降，最终影响PDLFs维持牙周屏障的功能。在肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)、白介素-6(interleukin 6，IL-6)、白介素-1β(interleukin 1β，IL-1β)等细胞因子的影响下，PDLFs胶原合成减少，降解增多，缓解咀嚼压力的能力下降，无法对抗细菌及其产物，牙周疾病易感性增加[7]。

1.3 骨组织

高血糖影响正常骨骼代谢过程，可增强破骨作用并抑制成骨，从而影响牙槽骨的吸收。糖尿病小鼠丝线结扎后釉牙骨质界到牙槽嵴顶距离增加，骨质吸收较多。高糖对骨组织的影响还体现在其结构的改变。糖尿病小鼠的骨小梁形态不规则，骨质较薄；牙槽嵴顶较窄，而且边缘参差不齐，骨组织形态缺陷可能也是其易患牙周炎的原因之一[8-9]。综上所述，高糖打破成骨-破骨间的动态平衡，进而引起骨质破坏并影响骨免疫系统，最终导致牙周骨组织的形态及结构变化，上述因素共同增加了糖尿病患者的牙周炎易感性。

2 高糖状态下牙周组织免疫细胞功能变化

2.1 固有免疫细胞功能变化

2.1.1 中性粒细胞 中性粒细胞是机体炎症反应和免疫应答的主要参与者。血糖升高可刺激骨髓增生，从而导致外周血中中性粒细胞数量增多，但机体抵御外界刺激能力下降，提示可能存在中性粒细胞功能不全[10]。由于在高糖水平下胶原合成障碍，中性粒细胞趋化和吞噬功能降低，还存在凋亡延迟等功能障碍。中性粒细胞趋化功能受损，对内皮细胞的黏附和迁移至炎症部位的能力下降[11]；吞噬功能不足引起病原菌积累和口腔微生物稳态失衡。中性粒细胞通过自发性凋亡来清除炎性病变，清除微生物后其自身也会被清除，有助于维持体内的稳态；而研究人员发现高糖状态下人体内中性粒细胞出现凋亡延迟，这会导致感染部位持续存在，局部组织破坏加重[12-13]。在高糖作用下，其他细胞如成纤维细胞中核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)表达被激活，可能引起中性粒细胞向牙周膜富集，使得局部处于过度免疫应答状态。作为龈沟液胶原酶的主要来源，中性粒细胞释放的抗菌物质和炎症介质增多，可促进牙周组织破坏[7,14]。

2.1.2 巨噬细胞 巨噬细胞在糖尿病引起的全身慢性炎症状态下分泌大量抗菌物质和细胞因子，引发宿主过度免疫反应，造成牙周组织损伤和血糖控制不佳。巨噬细胞在糖尿病牙周炎的发生发展中起关键作用，其功能和表型的调节可作为糖尿病患者防治牙周炎的靶点。巨噬细胞具有M1、M2两种表型，在高血糖患者牙周组织中M1促炎表型的丰度高于健康者，M1型巨噬细胞分泌多种炎性因子，在牙周病原体入侵后参与并维持局部炎症水平，导致牙周炎的发生发展[15-16]。有学者发现，在小鼠牙周炎模型中通过C-C基序趋化因子配体(C-C motif chemokine ligand 2，CCL2)调控巨噬细胞M2表型极化，降低M1和M2表型的比率，可有效减少牙槽骨的吸收[17]。近年来有研究发现，高糖可刺激巨噬细胞分泌炎性因子和衰老相关分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)增多，诱发巨噬细胞衰老，导致牙龈功能障碍[18]。巨噬细胞在高糖作用下调控牙龈成纤维细胞分泌基质金属蛋白酶破坏牙龈胶原纤维，焦亡的巨噬细胞可引起周围成纤维细胞衰老，加重牙周组织破坏[19-20]。

2.1.3 单核细胞 高糖诱导促炎单核细胞浸润增多，分泌炎性细胞因子(如TNF、IL-6等)和单核细胞趋化蛋白-1的水平显著增加，这一过程可能由CCL2介导，抑制CCL2不仅降低炎症部位单核细胞浸润程度，还可减少牙槽骨丢失并使牙周组织上皮层增厚，从而减轻炎症[21]。在高糖作用下，内毒素刺激的单核细胞内Toll样受体介导的NF-κB通路表达增强，而NF-κB参与多种慢性炎症性疾病的发生，这与高糖水平下牙周炎的发生也有一定联系[22]。

Flynn等[23]发现间歇性高血糖也可诱导骨髓造血祖细胞增殖，引起外周循环中单核细胞数量增多。这一过程由葡萄糖转运蛋白GLUT-1介导，调控中性粒细胞摄取葡萄糖和糖酵解作用增强并诱导S100A8/A9的分泌，后者可与骨髓前体细胞上的晚期糖基化终产物受体结合并促进循环中单核细胞数量增加，尤其是促炎型单核细胞比例上升。这与既往研究一致，慢性牙周炎患者牙龈内促炎型单核细胞所占比例更高，这可能是高糖引发并维持牙周组织炎性状态的原因之一[24-25]。

2.1.4 其他固有免疫细胞 树突状细胞在高糖环境下，通过激活淋巴细胞调节适应性免疫反应，包括上调辅助性T细胞1(T helper cell 1，Th1)和辅助性T细胞17(T helper cell 17，Th17)的表达和减少调节性T细胞的形成[26]。自然杀伤细胞(NK细胞)在高糖环境下，尤其是在血糖控制不佳的环境下细胞活性降低导致NK细胞维持免疫稳态的功能下降，对病原微生物抵抗力变弱，易感性增强[27]。感染发生后，NK细胞在炎症微环境中产生大量细胞因子和趋化因子，如TNF-α、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子等，激活树突状细胞、巨噬细胞和其他免疫细胞；活化的树突状细胞、巨噬细胞及炎性因子反过来可以促进NK细胞的细胞毒作用，通过反馈环放大局部炎性级联反应[28]。作为组织驻留淋巴细胞存在的γδT细胞，是IL-17的重要来源之一，位于上皮基底层，不仅有调节牙龈上皮细胞免疫特性的能力，在维持牙龈完整性方面也有不可或缺的作用。肥大细胞在高糖下分泌的IL-1和IL-33等，可以激活自身产生更多炎性因子加重炎症水平，还可激活激酶促进胰岛素抵抗[29]。

2.2 获得性免疫细胞功能变化

2.2.1 T淋巴细胞 有研究显示伴有2型糖尿病的慢性牙周炎患者牙周组织免疫生态位中T淋巴细胞水平较高，主要为Th-17和调节性T细胞[30]。这类患者龈沟液中检出较高的IL-17浓度，与血糖控制不佳有一定关系[31]。既往研究证明，Th-17淋巴细胞及IL-17水平与牙周疾病严重程度呈正相关，与牙周破坏的临床参数也呈正相关[32]。作为IL-17的主要分泌者之一，Th-17在高糖水平并发牙周疾病中起重要作用。有研究发现糖尿病患者正常牙周组织中促炎细胞因子和趋化因子水平与单纯牙周炎患者相当，这可能与T细胞功能和IL-17水平变化相关[33]。这不仅反映了高糖水平下牙周组织中活跃的炎症过程，更提示T细胞可能在高糖引发牙周组织炎症中起一定作用，但其具体作用机制仍需进一步研究明确。

2.2.2 B淋巴细胞 在伴有糖尿病的牙周炎患者中，B细胞的功能变化可加重牙周组织破坏。研究表明，在牙周炎患者中高达90% B细胞表达核因子κB受体活化因子配体(receptor activator for nuclear factor-κ B ligand，RANKL)，而健康牙龈中RANKL阳性的B细胞很少。增殖诱导配体和B淋巴细胞刺激因子介导B细胞的生存、分化和成熟，在糖尿病合并牙周炎患者牙周组织中，B淋巴细胞刺激因子与RANKL的表达呈正相关。RANKL的过表达诱导破骨细胞的形成，从而加重牙周损伤。高糖环境下牙周组织中B淋巴细胞刺激因子过度表达，可能是糖尿病相关性牙周炎发病的关键[34]。

2.3 其他发挥免疫功能的细胞

牙龈上皮在防御细菌侵入、抵抗感染性炎症中发挥不可或缺的屏障作用。炎症是糖尿病并发症的重要发病机制，研究发现，高糖可能通过炎性小体促进牙龈上皮细胞(human gingival epithelial cells，HGECs)分泌SASP，从而诱发牙龈上皮炎性衰老[35]。同时，维持牙龈上皮完整性的多蛋白细胞连接复合物水平下降，导致上皮屏障受损，多因素引发的IL-6、TNF-α、IL-1β等水平升高导致牙龈组织功能障碍，从而增加牙周炎易感性。

牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cell，PDLSC)在牙周组织再生中起重要作用，体外研究表明PDLSC暴露在高糖环境中增殖能力下降并向破骨细胞分化，使用二甲双胍可促进PDLSC增殖、迁移和成骨分化，在降低血糖的同时还可促进牙周组织再生[36]。

在高糖的刺激下，人牙周膜成纤维细胞(human periodontal ligament fibroblast，hPDLF)内NF-κB通路被激活，诱导RANKL的生成，促进破骨细胞的形成，从而促进分解代谢，胶原纤维数量减少；与此同时凋亡的hPDLF增加，牙周膜屏障功能受损[37]。

3 高血糖影响牙周组织局部免疫的调控机制

3.1 高血糖可能引发牙周菌群稳态失衡

近年来，关于牙周炎的病因学说逐渐倾向于牙周菌群失调，即口腔菌群平衡被打破，从而引起免疫失调。局部炎症介质升高影响细菌的代谢，从而引起菌群多样性和稳定性下降[38]。但目前关于糖尿病患者牙周损伤是否可归因为宿主反应的变化、细菌致病性的改变或二者的结合尚未形成共识。从宿主反应来看，高糖水平下中性粒细胞的趋化、黏附和吞噬功能受损，免疫稳态失衡，无法防御致病菌的入侵，结缔组织中破骨细胞分化引起骨缺损并引发免疫性损伤。另一方面，牙周菌群致病性增强，将糖尿病小鼠口腔细菌移植到对照组小鼠口腔内，可诱导大量中性粒细胞聚集，IL-6、RANKL表达增多。有学者发现，IL-17在糖尿病小鼠牙龈中浓度增长幅度最大，对其进行IL-17抗体注射治疗后口腔菌群组成与正常小鼠趋于一致，致病性下降[39]。值得注意的是，尚未发现确凿的证据表明糖尿病对口腔微生物群有显著影响。

3.2 高血糖引发牙周组织炎性衰老

炎性衰老是指全身性疾病如糖尿病患者体内衰老伴随慢性低度炎症的状态[40]。患者体内促炎和抗炎反应的平衡被打破，长期处于促炎状态，促进牙周炎的发生发展。由于糖尿病患者体内活性氧/自由基水平增加，同时抗氧化能力下降，诱导破骨细胞的形成。通过级联放大反应产生更多自由基，从而加速牙周组织衰老，增加牙周炎易感性[41]。

在高血糖的影响下，龈沟液中炎性因子水平增高，抗炎和促炎细胞因子网络失衡，导致牙周组织产生病理性炎症，其特征为IL-1β、IL-6、IL-15、IL-18等基因水平表达增高[42]。炎性因子水平增高与组织衰老互为因果，促炎因子可诱导细胞衰老、激活SASP，从而促进炎性因子的转录和表达，这一恶性循环加速了衰老的进程，进而驱动了牙周组织损伤的发生发展。

此外，糖尿病患者体内自由基水平升高，引起端粒DNA和线粒体DNA损伤，血清中8-羟基脱氧鸟苷水平增高[43]，进而诱导DNA复制和翻译的错误，引起点突变或染色体重排。细胞内DNA损伤可引起细胞衰老，从而激活细胞SASP，引发相邻细胞的DNA损伤反应和SASP的释放，导致局部炎症逐渐转为高血糖相关的全身慢性炎症。随着促炎因子表达的增加，细胞衰老后分泌蛋白酶可加速自身衰老，循环往复，促进并维持牙周组织衰老状态[44]。

自噬是一种细胞内降解系统，将受损或过剩的细胞质传递给溶酶，在维持体内炎性平衡和延缓衰老中起关键作用，对体内的炎症反应有负调控作用。而在糖尿病动物模型体内，自噬作用被抑制，其对炎症的负调控作用下调，导致内源性和外源性激活物的聚集，炎症介质过度表达，促进细胞炎性衰老，最终加重牙周组织炎症破坏[45]。

3.3 高血糖对骨免疫系统的影响

骨免疫系统由骨细胞、T细胞、成骨细胞、破骨细胞和骨髓巨噬细胞等参与，以核因子κ B受体活化因子(receptor activator for nuclear factor-κ B, RANK)/RANKL/骨保护素(osteoprotegerin,OPG)系统为桥梁相互联系。糖尿病小鼠体内骨代谢受损，牙龈组织中OPG表达水平显著低于野生型小鼠；受机械刺激，抗酒石酸酸性磷酸酶阳性多核细胞数增加，尤其是在牙周韧带和骨膜区，骨吸收增多。高糖培养的骨细胞成骨相关标志物表达水平显著降低[46]，而增多的TNF、IL-1β和IL-17等炎性因子，促进成骨细胞分泌RANKL，促进破骨细胞形成，与免疫系统相互作用共同促进骨吸收[47]。目前对于伴糖尿病性牙周炎的治疗策略仍以牙周洁治、龈下刮治等机械方法为主，促进牙周组织再生的问题亟待解决，骨免疫系统的提出从免疫调节的角度为防治牙周炎带来新的思路，如TNF抑制剂、IL-17抗体治疗的应用可改善骨再生，减少骨丢失[26]。

3.4 高糖水平下表观遗传对牙周炎易感性的影响

表观遗传是独立于DNA序列基因功能的遗传和生物学变化，主要包括DNA修饰、组蛋白修饰和micro RNA的表达[48]。有学者发现hPDLSC在高糖下DNA甲基化程度增加，成骨分化能力下降，导致牙槽骨丧失和牙周组织再生能力受损，增加了牙周炎易感性[49]。高糖水平调控组蛋白修饰部分DNA可改变其转录活性，在宿主受到病原微生物刺激后体内促炎因子转录增强，这一现象在血糖恢复正常一段时间后也存在，即“代谢记忆”[50]。目前已有较多关于高糖水平的代谢记忆增加糖尿病并发症发病率的研究，但其与牙周炎易感性的关系仍未见报道[51]。未来可以此为方向，探究组蛋白修饰在糖尿病相关性牙周炎发病中的作用机制。高糖通过micro RNA的表达调控IL-6、CCL2等炎性因子水平增高，可能引起局部炎性破坏加重。研究发现，外周循环中miR-146a和miR-155可作为检测糖尿病相关性牙周炎的生物标志物[52]。糖尿病患者体内表观遗传学变化进一步阐述了相关并发症的发病机制，还可作为潜在的治疗靶点。

4 小结与展望

随着技术的发展和研究的深入，糖尿病并发牙周炎的发病机制不断被揭示。高糖水平引发免疫细胞功能改变、局部菌群失调、牙周组织炎性衰老和表观遗传变化等，继而引发组织形态学的改变，上述因素均会在一定程度上增加牙周疾病的易感性，造成牙周组织损伤。高糖状态下牙周组织局部炎症细胞积聚，不仅会加重胰岛素抵抗，还会加重牙周组织局部炎症。因此，针对高糖状态下免疫细胞功能缺陷、清除炎症细胞因子的治疗方法可能是防治糖尿病患者并发牙周炎的潜在治疗策略。