核因子-κB受体活化因子及其配体与骨保护素在正畸牙齿移动中的研究进展

安 乐,郭宝雄,金 梦,王婷婷,杨 乐,张 佐,樊永杰

牙槽骨改建是维持正常牙槽骨结构的关键,也是正畸牙齿移动的生物学基础。牙齿受到机械应力时,炎症介质和细胞因子等分子随之增加,调控着牙槽骨改建的动态平衡,例如肿瘤坏死因子(TNF)及其受体(TNF-R)可以通过调控成骨细胞和破骨细胞的平衡来影响骨改建。作为TNF和TNF-R超家族的成员,核因子-κB受体活化因子(RANK),核因子-κB受体活化因子配体(RANKL)及骨保护素(OPG)构成的环路是骨形成和骨吸收的主要调节系统,为表述方便,下文统一简称其为RANKL/RANK/OPG环路。

RANKL是破骨细胞形成和活化的下游调节因子,许多生长因子、趋化因子等可以通过RANKL表达骨吸收作用,其对人体内破骨细胞的激活、分化、成熟、吸收及功能的维持具有重要意义。RANK是RANKL的受体激活剂,其与RANKL结合后可使造血破骨细胞前体快速分化为成熟破骨细胞。OPG基质细胞分泌的诱饵受体,可与RANKL特异性结合,从而竞争性抑制RANK与RANKL结合,导致RANKL活性被抑制[1]。本文就RANK/RANKL/OPG环路的来源及衍化,在调控正畸牙齿移动中的作用机制及影响该环路表达的因素做一综述。

1 环路的来源及形成

1.1 核因子-κB受体活化因子配体:RANKL是一种Ⅱ型同源三聚体跨膜蛋白,被称为膜保证蛋白,是蛋白质水解分裂而从膜中分泌的蛋白衍生物。人体的RANKL基因位于13号染色体上,编码一种含有317个氨基酸的糖蛋白[2]。RANKL以可溶和膜状的形式存在,能对破骨细胞的生成进行不同程度的调节,并促进成骨细胞和基质细胞的表达。通常情况下,可溶形式的RANKL生成破骨细胞的能力较弱。

1.2 核因子-κB受体活化因子:人体的RANK基因位于18号染色体上,编码一个含有616个氨基酸的蛋白分子[1]。RANK最初在树突状细胞上被发现,属于TNF-R超家族。在人体如骨骼肌、胸腺、肝脏等组织中RANK可在破骨细胞、树突状细胞等表面广泛表达,由此合成I型同源三聚体跨膜蛋白。

1.3 骨保护素:人类OPG基因位于第8号染色体上,编码一个由401个氨基酸构成的蛋白[1]。OPG是TNF受体超家族的重要一员,存在于人体许多具有成骨细胞的组织中,包括心脏、脾脏、肝脏和肾脏等组织,可作为可溶性诱饵受体输出到细胞外空间,且不需要任何跨膜结构。OPG的骨保护作用已被深入研究。

1.4 RANK/RANKL/OPG环路的形成:早在1997年,Simonet[3]等就在小鼠体内克隆并定义了一种潜在的破骨细胞生成抑制剂——OPG,几乎同一时间,Immunex公司的研究人员将人体免疫系统中的T细胞CD40的配体及其受体对命名为RANKL和RANK[4],1年后,日本学者通过1项体外实验证明OPG配体和人体内破骨细胞抑制因子(OCIF)是同类分子,作为可溶性诱饵受体的OPG可以抑制体内RANKL与RANK的结合[5],之后研究[6]证实,OPGL和OCIF与RANKL均是相同类型的细胞因子,至此,学者们将这一配体/信号受体/诱饵受体的复合体命名为RANKL/RANK/OPG环路。在随后的20余年,研究人员通过体外细胞培养及动物体内实验研究论证了Simonet等人的结论,即RANK/RANKL/OPG通路是人体的骨代谢过程中调控骨平衡的一个重要信号杠杆。

2 环路在正畸牙齿移动中的作用

正畸牙齿移动过程中的牙槽骨改建是由破骨细胞和成骨细胞共同构成的动态循环过程,二者缺一不可。在这一过程中,RANK/RANKL/OPG环路的重要调节作用已得到广泛证实,近年来RANK/RANKL/OPG环路在以骨改建为基础的正畸牙齿移动中的作用引起学术界的普遍关注。

2.1 活化破骨细胞,促进骨吸收:牙槽骨表面的破骨细胞与牙槽骨基质接触,通过释放蛋白水解酶,发挥降解骨组织的作用。与此同时,成熟的成骨细胞也可以分泌RANKL,与破骨细胞的前体细胞或表面受体RANK结合,此时RANKL/OPG增大,破骨细胞的分化与融合作用增强,牙槽骨改建趋于负平衡[7]。研究表明,大鼠牙齿移动期间,RANKL在牙周组织中充分表达,RANKL基因的转移使牙齿移动加快,相反由于OPG基因的转移使牙齿移动速度受到限制。

2.2 控制成骨细胞,影响骨形成:RANK/RANKL/OPG环路除了主要作用于破骨细胞外,对成骨细胞也有一定的作用。RANK的适度表达能促进成骨细胞分化,而过度表达则会产生抑制作用。正畸牙齿移动过程中RANK在牙槽骨的成骨分化过程中显著降低。对成骨细胞分化和骨形成起负调节作用。

还有研究发现,RANK/RANKL/OPG环路可同时促进破骨细胞和成骨细胞的分化。如破骨细胞分化后可表达RANK,与成骨细胞上的RANKL相互作用,通过RANK-RANKL这样的反向作用加快骨组织的形成[8]。

2.3 牙骨质吸收:除直接影响成骨细胞和破骨细胞外,RANK/RANKL/OPG环路还与破牙细胞的分化有关,其诱导的牙骨质吸收是正畸牙齿移动中常见的并发症。已有研究[9]表明,过高的RANKL/OPG的比率会导致正畸牙齿移动期间的牙根吸收(EARR)。Kapoor等[10]证实,过大的正畸力下牙周膜PDL细胞受压后RANKL显著上调,OPG下调,产生严重的EARR,且RANKL/OPG比值越大,EARR越严重。因此,RANKL/OPG比值的大幅上调除了会抑制成骨细胞的分化,影响骨重建外,更重要的是会产生不利的EARR。

RANK/RANKL/OPG环路在正畸治疗中的积极作用体现在刺激破骨及成骨细胞的分化,在发挥刺激骨吸收作用的同时促进骨形成,为加速正畸牙齿移动提供了新的治疗前景。但同时也有研究表明RANK/RANKL/OPG环路的过度表达与抑制骨吸收、造成EARR有关。目前,有关该环路在正畸牙齿移动中发挥积极的加速牙齿移动作用或是产生EARR等负面影响的临界值还尚不清楚,未来还需进一步研究,以期为RANK/RANKL/OPG环路在加速正畸牙齿移动中的积极应用提供证据。

3 影响环路表达的因素

RANK/RANKL/OPG环路的表达受多种因素的影响,从而直接或间接地影响牙槽骨的吸收、改建。了解RANK/RANKL/OPG环路表达的影响因素有利于RANK/RANKL/OPG环路在正畸牙齿移动中的正确应用。

3.1 激素:RANK/RANKL/OPG环路参与的骨改建是人体新陈代谢中重要的组成部分,因此可推断影响新陈代谢的激素如生长激素(GH)、甲状旁腺激素(PTH)及雌激素等也会对RANK/RANKL/OPG环路的表达起作用。

许多学者发现GH及PTH可刺激RANKL的表达。张耀元等[11]回顾了PTH在口腔正畸领域的应用后发现,PTH可激活牙周组织中RANKL的表达,促进牙槽骨吸收,对加速牙齿移动有着重要意义。鞠华龙[12]的研究发现,当在牙周组织注射GH达到0.01～0.15 IU/(kg·d)的有效浓度后,破骨细胞的数量显著增加。由此可以推断在有效浓度内刺激RANKL的表达,而超出有效浓度或频繁刺激,可能会抑制牙齿移动,但目前对于GH及PTH的有效刺激频率尚不清楚,仍需进一步研究。

在正畸治疗中,雌激素可通过牙周组织细胞中的雌激素受体增加OPG的表达,依托RANK/RANKL/OPG环路中的OPG与RANKL比率的调整,抑制破骨细胞的分化,从而限制正畸牙齿的移动速度。有研究[13]发现,临床中一些因身体原因手术切除卵巢及正处于绝经期的女性正畸患者,由于体内雌激素分泌较少,从而使体内RANKL呈现高表达,导致牙槽骨丢失,牙齿移动率更高,其矫治周期与年轻女性相比更短。

3.2 生物因子:RANK/RANKL/OPG环路诱导骨吸收及骨形成,并受多种生长因子的综合调控。研究表明白细胞介素(IL)、肿瘤坏死因子-α(TNF-α),趋化因子等均参与了骨改建的过程。

白细胞介素-4(IL-4)是RANKL诱导的破骨细胞生成过程的有效抑制剂。研究证实IL-4可以诱导破骨细胞和内皮细胞表达OPG,并抑制RANKL基因的产生,从而抑制破骨细胞分化和骨吸收。Hakami等[14]使用小鼠实验性牙齿移动模型,通过局部注射IL-4,观察到IL-4可以抑制RANKL的表达,从而减少压力侧破骨细胞的数量。与IL-4的作用不同,白细胞介素-20(IL-20)能促进RANKL的分泌和抑制OPG的表达。

除白细胞介素家族的IL-20外,有报告[15]表明TNF-α在正畸牙齿移动的过程中也会增强牙周组织细胞中RANKL的表达。同时发现TNF-α与RANKL表达具有协同促进作用。但有关TNF-α和RANKL发挥协同作用的具体浓度值,研究尚未提及,有待进一步的实验确定。

趋化因子受体-2(CCR2)缺陷会抑制RANK表达[16],从而减少破骨细胞介导的骨吸收。但上述实验仍停留在动物模型阶段,缺乏采用局部注射细胞因子影响正畸牙齿移动的人体实验来证实。未来在可能的人体试验中,应重点关注其有效浓度及可能的副作用等。

3.3 药物:一些激素类药物,如1,25-二羟基维生素D[1,25-(OH)2D],在刺激牙周组织中RANKL的表达、激活破骨细胞、增加正畸牙齿移动速度方面也具有一定的作用。有研究[17]表明,维生素D的代谢产物中,1,25-(OH)2D的活跃度最高,能调控人体血清中钙和磷酸盐的平衡。同时,有效剂量的1,25-(OH)2D可促进成骨细胞表面RANKL的表达,从而参与破骨细胞的形成及活化过程。此外,在对实验大鼠局部注射1,25-(OH)2D后,Kale等[18]发现,它在活化破骨细胞的同时,还可以促进压力侧成骨细胞的表达,即在加速正畸牙齿移动的过程中平衡骨改建;在牙槽骨改建的过程中,还有一些炎性物质如PGE2,可以通过增加RANKL表达,促进破骨细胞的分化与成熟。

黄佳倩等[19]梳理了他汀类药物在骨代谢调控方面的体内外研究后,发现他汀类药物在正畸牙齿移动过程中发挥了促进骨形成和抑制骨吸收的双重作用,服用他汀类药物后,人体牙周组织中OPG表达明显增加,而RANKL没有任何变化,因而局部OPG/RANKL的比率升高,促进了牙槽骨的形成,同时抑制破骨细胞的表达。

此外,有研究[20]指出,二甲双胍可上调成骨细胞中的OPG和RANKL,减少破骨细胞生成,并能防止大鼠卵巢切除后的骨丢失,而将洛索洛芬应用到大鼠细胞中,发现受到正畸力后细胞中的TNF-α、RANKL等基因表达和蛋白浓度显著升高,但随着洛索洛芬剂量的增加,RANKL等细胞因子的蛋白质浓度逐渐降低。

3.4 激光、振动及超声:运用激光、振动及超声等物理手段刺激RANK/RANKL/OPG环路,促进破骨细胞的活化来加速牙齿移动也是近年的研究热点之一。

已有学者[21]证实低水平激光照射(LLLT)在正畸牙齿移动期间能刺激压迫侧的破骨细胞生成刺激RANK/RANKL,使RANKL与OPG的比值显著下调,直接促进了成骨细胞增殖和分化,间接抑制了破骨细胞的分化,表明LLLT在骨改建中发挥重要作用。

另一种物理治疗方法——周期性力装置可通过对正畸牙齿施加适宜频率的机械振动,加速牙周膜受压侧的骨吸收及张力侧的骨沉积。研究[22]发现大鼠在振动刺激下,体内RANKL分泌水平均有所提高,振动刺激通过RANK/RANKL信号通路促进了破骨细胞的分化成熟,明显增强了破骨作用,最终加速了牙槽骨改建和正畸牙齿的移动。

除激光、振动外,低强度脉冲超声(LIPUS)可以通过声波增加牙周组织中破骨细胞的数量或促进压力侧RANKL的表达来快速移动正畸牙齿。有学者[23]以大鼠的牙齿为研究对象,通过建立正畸牙齿的实验性移动模型发现,LIPUS能明显促进实验组RANKL表达,加速牙槽骨的吸收和改建,证明了其对正畸牙齿移动的加速作用。另有学者[24]回顾近年来的相关文献后,同样证明了这一结论。

3.5 手术:近年来很多实验研究和病例报告证实手术方法可以加速正畸牙齿的移动。当牙槽骨受到手术刺激后,间充质细胞、牙周组织细胞等启动细胞调节机制,细胞水平的升高会增加牙周膜中RANKL的表达,诱导前体细胞向活化的破骨细胞分化,从而加速牙槽骨的骨改建,增加正畸牙齿运动的速度。

朱绍跃等[25]以SD大鼠为研究对象,将其随机分成骨皮质切开手术组和对照组,建立正畸牙齿移动模型,研究表明骨皮质切开术通过促进牙周组织中RANKL高表达刺激破骨细胞的作用加速大鼠正畸牙齿移动。孟耀等[26]的研究则发现另一种手术术式——牙槽嵴上纤维环切术(CSF)可以通过减弱牙龈纤维的牵拉作用激活RANKL/OPG途径,活化破骨细胞,诱导牙槽骨吸收,加速正畸牙齿移动。

近年来随着基因相关技术的不断完善,Kanzaki等[27-28]在进行动物研究时先后提出可以将RANKL或OPG基因直接注射到实验动物体内发挥作用。将RANKL基因转移到动物体内可加速牙齿移动,且与上文提及的标准手术方法相比疗效更佳。此外,在一些需要抑制正畸牙齿移动的实验中[19]也用到了基因治疗。

综上所述,RANK/RANKL/OPG环路与正畸牙齿移动有密切的关系,因此在临床上,明确其在正畸牙齿移动中的作用机制及影响因素是非常重要的。关于RANK/RANKL/OPG环路发挥作用的具体浓度及影响因素目前尚未达成共识,尽管部分研究目前仍处于动物实验阶段,但这为后续的临床探究开辟了新的路线,随着对RANK/RANKL/OPG环路作用的不断探索,相信未来在正畸牙齿的移动过程中其扮演的角色将愈发重要。