骨細胞在正畸牙移動骨重塑中作用的研究進展

蔡小芳， 丁小軍

復旦大學附屬中山醫(yī)院口腔科，上海 200032

正畸力作用下，受壓側牙周膜的牙周間隙變窄、血流減少、膠原纖維和基質降解吸收、破骨細胞分化、牙槽骨吸收，而張力側牙周膜的牙周間隙增寬、膠原纖維和基質增生、成骨細胞分化、新骨沉積。這是一個多細胞參與的骨重塑過程。除了成骨細胞和破骨細胞的參與，骨細胞對正畸牙移動骨重塑也具有調控甚至主導作用。本文就機械應力刺激下骨細胞介導的骨吸收、骨形成及其機制作一綜述。

1 骨細胞在正畸牙移動過程中對機械應力的感應及傳導

骨細胞(osteocytes)位于骨陷窩內，鑲嵌在礦化的細胞外骨基質內，是牙槽骨骨組織內的細胞主體，約占90%以上。骨細胞起源于成骨細胞，在從成骨細胞到骨細胞分化期間保留了細胞的極性，如核在接近血管系統(tǒng)的位置，但在細胞體積分布上發(fā)生了變化。由梭形的具有活性的成骨細胞轉變成星形的或具有樹枝狀突起的骨細胞。與最初的成骨細胞體積相比，新生骨細胞的細胞體體積下降30%，成熟骨細胞的細胞體體積下降70%，但突起的體積相對增加。這種形態(tài)學上的變化，可增加其對機械刺激的敏感性[1]。此外，骨細胞的胞體與突起的陷窩小管相互連通形成星網狀陷窩小管系統(tǒng)，成為骨細胞代謝產物交流及互換的通道。骨細胞通過突起之間的縫隙連接將多個細胞連接在一起，形成一個多核的合胞體，骨基質的輕微形變都會觸動這個三維網狀結構，使得骨細胞能感知來自流體的各種力[2]。

基于上述結構特點，機械應力刺激下的骨細胞通過釋放生物活性因子及其信號通路將機械應力信號轉化為骨形成或骨吸收的生化信號，并將其傳遞至成骨細胞、破骨細胞等骨組織其他類型細胞并調控其功能活動，觸發(fā)牙槽骨壓力側的骨吸收及張力側的新骨形成，實現(xiàn)牙槽骨重塑及牙齒的移動[3-4]。

2 正畸牙移動過程中骨細胞調控骨吸收作用及機制

正畸牙齒運動過程中骨細胞對破骨細胞介導的骨吸收具有重要調控作用。一方面，骨細胞內含有的細胞器，分泌破骨細胞生成相關細胞因子，對破骨細胞的生成具有直接調控作用。另一方面，機械應力刺激骨細胞產生一系列蛋白，促進破骨細胞活化，對破骨細胞的功能具有調控作用[5-6]。

骨橋蛋白(osteopontin，OPN)是一種非膠原骨基質蛋白，在牙移動過程中，持續(xù)的機械應力刺激可上調骨細胞骨橋蛋白的表達，隨后壓力側牙槽骨內的破骨細胞增多及大量吸收凹坑出現(xiàn)。這是由于破骨細胞前體細胞內骨橋蛋白具有趨化活性，促進破骨細胞前體細胞向骨表面遷移[7]，表明機械應力負荷刺激骨細胞分泌的骨橋蛋白，將破骨細胞趨化至壓力側骨組織，從而實現(xiàn)壓力側的骨吸收。

基質細胞外磷酸糖蛋白(matrix extracellular phosphglycoprotein，MEPE)也稱為骨細胞因子45(osteocyte factor 45，OF45)，是一種新型的骨特異性細胞外基質蛋白，在牙和骨中均有表達。MEPE mRNA高度選擇性表達于骨細胞胞體內，而MEPE蛋白的表達則沿著骨細胞的樹突狀突起分布。將MEPE特異性敲除后，小鼠的骨量和礦化程度明顯升高[8]，表明MEPE在骨細胞對機械負荷的反應中發(fā)揮負向調節(jié)作用，刺激破骨細胞活性，促進骨吸收。

核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)是TNF配體超家族成員，RANKL與破骨細胞表面的RANK結合，啟動下游的一系列信號通路，誘導破骨細胞的分化、活化。在原代培養(yǎng)的骨細胞和骨細胞系MLO-Y4細胞均發(fā)現(xiàn)RANKL的分泌，若骨細胞RANKL特異性缺失，則導致小鼠嚴重的骨硬化表型[9]。這表明骨細胞是破骨細胞生成所需的RANKL的最重要的體內來源，調控骨細胞RANKL表達，可能是調節(jié)破骨細胞活性的重要手段[10]。

結締組織生長因子(connective tissue growth factor，CTGF)是富含半胱氨酸的細胞外基質蛋白。有研究在實驗性牙移動刺激后檢測到壓力側骨細胞中CTGF mRNA的表達上調并介導骨細胞凋亡，隨后壓力側牙槽骨的破骨細胞數(shù)量顯著增加，牙移動速度也隨之明顯增快[11]。這些發(fā)現(xiàn)表明，在牙移動過程中，機械應力刺激骨細胞CTGF表達及其介導的骨細胞凋亡，促進壓力側的破骨細胞活性及其介導的骨吸收。體外研究發(fā)現(xiàn)應力負荷可顯著上調骨細胞CTGF的表達，CTGF通過激活ERK1/2途徑誘導骨細胞凋亡，采用CTGF中和抗體或ERK1/2抑制劑PD98059均可抑制應力負荷下的骨細胞凋亡[12]。上述研究表明，CTGF不僅對破骨細胞的活性具有調節(jié)作用，還對骨細胞的機械應力感應功能具有調控作用。

3 正畸牙移動過程中骨細胞調控骨形成的作用及機制

正畸過程中，牙在機械應力負荷狀態(tài)下，骨基質微通道內的流體流動會刺激細胞膜，從而激活骨細胞產生刺激骨合成代謝活性的小分子，同時降低對成骨細胞具有抑制作用蛋白質的基礎水平。機械應力刺激骨細胞迅速釋放(幾秒鐘至幾分鐘)多種小信號分子，對成骨細胞具有強大的代謝合成作用。體外研究發(fā)現(xiàn)骨細胞釋放的NO促進成骨細胞分化[13]。體內研究進一步證實了應力負荷刺激骨細胞釋放的NO促進成骨細胞活性，同時抑制破骨細胞活性，調節(jié)骨量及促進骨形成[13]。

機械應力負荷可上調骨組織中前列腺素(prostaglandins)的表達，促進骨形成。給予外源性前列腺素具有類似的效果，進一步證實了前列腺素在骨形成中的作用。當采用抑制劑抑制前列腺素活性后，不僅骨形成減少，骨組織對機械刺激的感應和反應能力也顯著降低。而這一現(xiàn)象主要發(fā)生在正畸力負荷的張力側的骨組織內。進一步研究發(fā)現(xiàn)，由于正畸力負荷導致張力側骨組織小管內流體流動的增加，刺激骨細胞產生前列腺素，進而維持骨細胞活力并刺激成骨細胞產生新骨。相反，在壓力側骨組織內的流體剪切應力缺乏，前列腺素水平低下，骨細胞凋亡，促進破骨細胞活性，進而導致骨吸收的增加[14]。因此，前列腺素可能是正畸力應用過程中調控骨重塑的重要途徑。

牙本質基質蛋白1(dentin matrix protein 1，DMP1)屬于細胞基質蛋白小整合素結合配體N-連接糖蛋白(small integrin binding ligand N-linked glycoprotein，SIBLING)家族。DMP1在骨細胞中高表達，參與骨礦化和全身磷酸代謝[15]。在牙移動模型中，該基因對機械負荷反應迅速，產生的蛋白可直接調節(jié)骨細胞小管和腔隙壁內礦化。而DMP1敲除小鼠的骨礦化程度低、小管形態(tài)亦不規(guī)則。這表明DMP1可能在小管壁和骨細胞陷窩內礦化中起作用[16]。

骨化蛋白(sclerostin，SOST)是骨細胞特異性分泌的蛋白，是SOST基因編碼產生，對骨形成具有抑制作用，是骨重塑過程中重要的負調控蛋白。一方面，SOST通過骨細胞突觸傳遞至骨表面，并作用于周圍的成骨細胞，降低成骨速度[17]。另一方面，SOST是Wnt/β-catenin信號通路的胞外抑制劑，與Wnt蛋白競爭性地結合輔助受體LRP5/6促進β-catenin磷酸化，降低胞質內β-catenin水平，下調相應靶基因，抑制成骨細胞分化及活性，從而抑制OPG、提高RANKL的表達，促進破骨細胞活化[18]。而機械應力作用下，骨細胞SOST基因表達水平下調，SOST分泌水平也相應降低，進而促進成骨速度[19]。

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)是一種刺激成骨細胞膠原和DNA合成的細胞因子，其作用是促進骨形成。研究發(fā)現(xiàn)，骨細胞IGF-1參與了大鼠脛骨機械刺激介導的成骨轉化，而機械應力刺激又能促進骨細胞IGF-1的表達[20]。這提示，IGF-1也可能是正畸牙移動過程中骨組織重塑的重要參與者。

4 正畸牙移動過程中的骨細胞凋亡與骨重塑

機械應力負荷狀態(tài)下，骨細胞通過主動合成和分泌一系列蛋白和細胞因子，觸發(fā)一系列生化級聯(lián)反應，調控骨重塑進而適應機械負荷。除此之外，骨細胞還有一種特殊的適應方式，即骨細胞凋亡[21]。

有研究在體內外模型中均觀察到了機械刺激導致的骨細胞凋亡這一病理現(xiàn)象[22]。凋亡的骨細胞在組織形態(tài)學上出現(xiàn)核碎片化、凋亡小體形成，生物化學上表現(xiàn)為caspase-3、8、9和Bcl-2等凋亡基因的表達顯著增加，表明在機械應力負荷狀態(tài)下骨細胞內的死亡受體途徑和線粒體途徑同時被激活，從而導致骨細胞的凋亡[12， 23]。

細胞凋亡是由基因控制的細胞自主的有序的死亡。這一過程并非簡單的細胞清除，其產生的信號分子，對凋亡局部甚至周圍細胞活動都具有調控作用。在正畸牙移動模型中，負荷當天牙槽骨壓力側即出現(xiàn)骨細胞凋亡，隨著負荷時間延長，牙槽骨壓力側的破骨細胞逐漸增加，牙移動速度也逐漸增快[24]。此外，在疲勞微損傷引起的吸收坑周圍也發(fā)現(xiàn)大量的凋亡骨細胞，且骨細胞凋亡有助于微損傷后特定區(qū)域的靶向吸收[25]。這些現(xiàn)象提示骨細胞凋亡參與了牙移動骨重塑過程中破骨細胞生成和激活。機制研究發(fā)現(xiàn)，凋亡的骨細胞及其胞內的凋亡小體，以及瀕死骨細胞內的細胞碎片，可釋放多種細胞因子促進破骨細胞的生成，如核因子κB配體、IL-6、可溶性IL-6受體、CTGF的可溶性受體激活因子等[26-27]。這表明機械應力負荷導致的骨細胞死亡/凋亡促進趨化破骨細胞導致相應部位骨吸收的發(fā)生，從而調節(jié)局部骨重塑。因此，有必要深入探討骨細胞凋亡相關的破骨細胞生成，從而闡明應力負荷狀態(tài)下骨細胞調節(jié)破骨細胞生成和募集的機制。

綜上所述，骨細胞不僅是骨組織的機械感受器，而且是一種生化信號的反應效應器，它將機械刺激轉化為調節(jié)成骨細胞活性、破骨細胞活性的信號，從而協(xié)調骨重塑進而適應機械負荷。了解骨細胞功能可能對未來的正畸治療和創(chuàng)新具有深遠的意義。骨細胞對不同類型機械應力的刺激的反應不同，可能向不同的效應細胞傳導生化信號，最后表現(xiàn)為骨吸收還是骨形成，是目前有待進一步研究的難點。