AGEs及RAGE在糖尿病牙槽骨改建中的研究

陳斯穎，賈瑋琦(綜述)，劉春艷(審校)

(1.河北醫科大學口腔醫院2017級口腔醫學班，河北 石家莊 050017； 2.河北醫科大學口腔醫學院正畸科，河北 石家莊 050017)

近年來，糖尿病的患病率逐年上升，2000年糖尿病患者人數為1.71億，這一數字在2030年預計將達到3.66億[1]。糖尿病作為一種改變炎癥的代謝紊亂，對全身器官有不同影響，而牙周病是常見并發癥之一。晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)和晚期糖基化終末產物受體(receptor for advanced glycation end products，RAGE)結合調控骨生成及骨破壞過程中的細胞因子，影響骨細胞的活躍度，造成骨代謝紊亂，進而造成糖尿病患者的骨流失，同時兩者結合在糖尿病伴牙周病患者的牙槽骨改建過程中扮演著重要的角色。有研究證實，糖尿病患者進行正畸治療時，牙移動會進一步加重牙周組織的炎癥反應，增加牙槽骨丟失的風險。筆者就AGEs/RAGE在糖尿病牙槽骨改建中作用的研究進展進行綜述。

1 AGEs的來源和產生途徑

AGEs由還原糖主要是葡萄糖以及蛋白質或氨基酸在非酶促反應下形成的一種擁有復雜結構的化合物。正常生理狀態下，AGEs會在體內被單核巨噬細胞內吞降解或通過胞外蛋白水解系統進行降解，變為AGEs多肽被腎臟清除。而糖尿患者體內AGEs生成較多而不能及時清除，因此糖尿病患者體內常出現AGEs的積累。人體內AGEs主要有兩種：①內源性，個體代謝過程中的糖基化反應產生一定量的AGEs，而機體如果存在高血糖環境，將進一步加速AGEs的形成；②外源性，飲食和吸煙等方式可以使人體從外界攝入AGEs，外源性AGEs已經成為沉積在人體內的AGEs的重要來源。

2 AGEs致病機制

AGEs是多受體配體，需要通過與受體的結合發揮諸多效應。而AGEs與RAGE的結合在糖尿病的發生、發展中發揮重要的作用[2]。RAGE通過結合AGEs，產生氧自由基，進而在疾病的發生過程中起到信號轉導的作用。當AGEs與內皮細胞結合后，產生活性氧自由基，這些可以激活核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)并改變基因的表達[3]。研究表明，AGEs不僅可以直接影響細胞和組織的功能并參與疾病的產生，還可以通過與特定受體結合，改變蛋白質和細胞功能，從而導致機體的病理變化[4]。其中AGEs與RAGE相互作用后可激活一系列復雜的信號轉導通路，如ERK1/2MAPK、JAK/STAT、SAPK/JNK、MAPK、AKT、caspase-3/7和TGF-β-Smad，并誘導細胞內信號傳導通路產生活性氧、活性氮，進一步導致不同的病理反應[5]。

3 AGEs/RAGE對糖尿病患者牙槽骨改建的影響

糖尿病作為一種代謝疾病，已被證實與多種骨骼疾病有關，是牙槽骨破壞的危險因素之一。糖尿病患者常并發牙周炎，增加了牙槽骨破壞的風險。部分細胞因子由于糖尿病的代謝紊亂出現的異常對骨細胞、炎癥細胞等都有不同影響。事實上，不論骨轉換過程中各致病因素如何改變，糖尿病最終都將呈現牙槽骨破壞現象。骨轉換過程與骨細胞和炎癥反應密不可分，而AGEs及RAGE也通過影響這兩個過程對牙槽骨改建產生作用。

3.1AGEs/RAGE通過調節炎癥反應調控骨改建 糖尿病作為一種代謝性疾病可以改變炎癥反應并干擾組織修復，影響膠原蛋白的合成，減少血管生成過程。其中，炎癥反應的受控對骨骼重塑質量至關重要,這種代謝紊亂會增加牙周組織的炎癥，改變骨轉換，從而增加牙槽骨丟失的風險，也會影響骨骼重塑機制和牙齒運動[6]。據報道，糖尿病個體中炎癥生物標志物如腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素6(interleukin-6,IL-6)、轉化生長因子β1(transforming growth factor-β1,TGF-β1)和C-反應蛋白的水平升高會誘發牙周炎[7]。牙周炎的發展也會促進與牙齦組織中這些細胞因子的表達有關的侵襲部位的炎性細胞和免疫細胞的增加，這種演變加劇了骨質流失。在糖尿病中，AGEs與炎癥介質的產生密切相關。AGEs與細胞表面RAGE的結合增加了炎癥因子的水平。

這些炎癥因子中， TNF-α的數量與牙周炎的嚴重程度有關，其激活白細胞并改變血管通透性，從而促進骨吸收。Jie等[8]對2型糖尿病患者的晚期糖基化終末產物水平與炎癥進行調查顯示,AGEs與RAGE同CD4+、干擾素γ(interferon-γ，IFN-γ)和TNF-α之間呈正相關，表明AGEs與RAGE結合可以促進炎性因子IFN-γ和TNF-α的分泌。

同時，AGEs 促進骨細胞中IL-6和血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)的分泌[9]。IL-6是炎癥因子中骨骼重塑的重要調節劑，對骨轉換有雙重影響，被認為在類風濕性關節炎、骨質疏松癥和骨癌中起關鍵性的破壞作用[10]。VEGF也是炎性過程被刺激產生的最重要的促血管生成因子之一[11]。在骨骼重塑的過程中，血管內皮生長因子A因子(vascular endothelial growth factor-A，VEGF-A)與骨血管生成、成骨細胞分化、破骨細胞募集和NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of necrosis factor-κB，RANKL)在牙周膜中的表達有關。在牙周炎中，炎性細胞的流入導致內皮損傷和微循環衰竭，從而導致氧濃度降低和VEGF表達改變。當同時存在糖尿病、牙周炎和牙齒移動的情況下，這些異常因素對骨密度和骨質流失的影響極其嚴重[6]。而RAGE 對于AGEs誘導的IL-6和VEGF分泌的上調至關重要。AGEs可以通過RAGE激活細胞外調節蛋白激酶(extrallular signal regulated protein kinase，ERK1/2)、絲裂原活化蛋白激酶信號通路(mitogen activated protein kinases，P38)和信號轉導以及轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3，STAT3)信號通路，促使AGEs誘導的IL-6 和VEGF-A上調以及骨細胞的凋亡[11]。

3.2AGEs/RAGE對成骨細胞/破骨細胞的調控 骨的正常代謝有賴于成骨細胞和破骨細胞(骨吸收細胞)之間的平衡。而糖尿病患者的高血糖等異常生理環境對成骨細胞、破骨細胞的活性及功能均有影響，從而造成骨代謝障礙。研究表明，患有2型糖尿病的動物和人類的骨骼存在質量受損、轉換率低的問題，且骨骼形成有明顯缺陷[12]。

糖尿病患者體內常出現AGEs累積現象，其受體RAGE含量也會增加，AGEs與RAGE相互作用，通過激活炎癥信號通路和細胞凋亡通路等，影響成骨細胞功能、誘導成骨細胞凋亡、抑制成骨細胞增殖分化。Yang等[13]認為，在體內骨基質AGEs高濃度的情況下，骨形成的部位處成骨細胞數目減少，這對骨形成過程的影響更顯著。成骨細胞來源之一是骨髓間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)，骨髓間充質干細胞中膠原蛋白 Iα1(collagen Iα1，COLIα1)、堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)和骨鈣蛋白(osteocalcin，BGP)基因的表達，在成骨細胞的分化過程中產生重要作用。在這一分化過程中，這些特異性基因的含量與成骨細胞是否增殖分化密切相關，是成骨細胞的特異性標記物。有研究表明，AGEs的標志物戊糖苷會對這些特異性標記物產生抑制作用[14]，體外試驗檢測骨形成標志物發現，ALP、COLIα1和骨鈣蛋白等的基因表達均受戊糖苷抑制，且戊糖苷在實驗中對成骨細胞分化起劑量依賴性抑制作用[14]。AGEs還可通過自噬作用對成骨細胞增殖產生雙重影響。正常的自噬功能對于細胞具有回收細胞器和長壽蛋白的作用，過度自噬則對細胞有害，易造成細胞的損傷及死亡。而在實驗中，低濃度的AGE牛血清白蛋白通過細胞自噬增強成骨細胞活性，促進成骨細胞增殖；高濃度時則上調成骨細胞自噬水平誘導細胞凋亡。在誘導凋亡過程中，則是依賴RAGE上調的與自噬作用關系密切的 Raf/MEK/ERK信號通路[15]。RAGE的表達同樣受AGEs的影響，AGEs對RAGE的表達有促進作用。體外實驗中，RAGE過量表達時通過減少或降低Wnt、PI3K/Akt和ERK信號傳導抑制成骨細胞的增殖[16]。另外，2型糖尿病患者體內分離出的RAGE活化閾值較低，細胞較高的RAGE敏感性也可導致成骨細胞分化缺陷。AGEs對于破骨細胞的作用尚不明確，部分學者認為AGEs對于破骨細胞起到促進作用，進而造成了骨丟失增多等異常骨代謝的現象[17]，但也有學者認為AGEs對破骨細胞起抑制作用[18-19]。破骨細胞來源于巨噬細胞系，其形成與RANK、RANKL、巨噬細胞集落刺激因子等有關。而RANK的表達對破骨細胞的分化 、激活和生存均有重要意義。有研究證明，AGEs對破骨細胞的作用具有雙相作用。當處于細胞融合階段時，AGEs通過抑制破骨細胞前體中RANK表達，介導骨吸收過程，減少骨礦物質吸收，抑制新破骨細胞形成。當破骨細胞處于成熟階段時，AGEs也經過RANK介導，使骨礦物質吸收增加，破骨細胞形成增多[20]。RAGE在破骨細胞中作用體現在調節其分化和功能，Zhou等[21]研究證明，AGEs的受體RAGE缺乏的破骨細胞具有受損現象和骨吸收活性下降的表現。健康條件下RAGE以低水平在細胞中表達，但體內AGEs水平上升可以通過正反饋作用提高RAGE水平，AGEs與RAGE結合后，會上調轉錄因子NF-κB釋放，而增加的NF-κB又會再次上調RAGE的含量，這一正反饋作用同時可一定程度增強AGEs的生物學作用。

3.3AGEs/RAGE在正畸牙移動中牙槽骨改建的作用 牙周組織包括牙骨質、牙周膜、牙槽骨和牙齦，其主要功能是固定、支持和營養牙齒。牙齒通過牙周膜懸吊在牙槽窩中，當牙齒承受咀嚼力時，首先受到影響的就是牙周膜，牙周膜具有一定的彈性，能夠緩沖牙齒承受的咀嚼力。經典的正畸牙移動理論認為，當施加力量于牙齒，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，膠原纖維和基質増生，成骨細胞分化，新骨沉積。在動物實驗過程中，李洋[22]研究顯示，在將正畸運動應用于糖尿病動物時存在明顯快速的骨吸收和牙周膜破壞的現象。對于受到正畸力作用的健康動物，這種骨吸收不會造成重大損害。然而，糖尿病動物中破骨細胞的數目增多就可能導致大量的骨破壞。有研究證明，正畸力的施加后，糖尿病狀態下與破骨細胞的募集有關的Rank、Csf1的 mRNA 表達增加[23]。但截止目前，破骨細胞相關情況仍有爭議，由于使用模型不同等原因，有些實驗顯示破骨細胞數目并不增加。實驗中成骨細胞標志物如Runx2、ALP、Ocn、Coll的表達降低，證明成骨細胞分化減少。對比成骨細胞、破骨細胞的標志物含量Braga推斷，糖尿病狀態下，成骨細胞分化減少對破骨細胞抑制信號減少產生影響[24]。前文提到，AGEs與RAGE相互作用，對破骨細胞產生影響，最終使骨丟失、骨吸收作用增加。成骨細胞及成骨細胞激活通路則被抑制，導致成骨細胞數目減少，骨形成受損。AGEs、RAGE對骨細胞的作用均將加重糖尿病患者原有的牙移動危險因素，如骨丟失增加、骨形成速度變慢、牙移動增加等。

正畸會加劇牙周組織的炎癥反應，導致牙周組織的廣泛破壞。作為存在于骨基質中的重要炎癥因子，TGF-β1的表達在正畸牙齒移動過程中會增加，并在白細胞募集和誘導組織的炎癥階段中發揮關鍵作用。研究顯示，糖尿病動物牙周組織中TGF-β1的增加促進了炎癥過程的持久性，甚至可能造成骨丟失[25]。而作為這個炎癥過程中的重要調節因素， AGEs/RAGE在其中扮演重要角色。研究顯示，AGEs-RAGE信號通路參與TGFβ1的表達增強，同時RAGE也可通過激活蛋白激酶C使TGF-β1和結締組織生長因子表達增多，進一步加重炎癥反應，增加骨流失程度，增大牙移動風險[26]。

RAGE是AGEs的常見受體之一，AGEs的累積及與RAGE的結合常出現在糖尿病患者中，并對其健康造成不良影響，牙周病則是其常見并發癥。一方面，RAGE與AGEs的結合通過產生自由基或直接改變激活的信號通路增加糖尿病風險從而影響牙周病進展。另一方面，AGEs/RAGE通過對炎癥過程的調節、對成骨細胞破骨細胞平衡的影響以及糖尿病患者本身RAGE細胞敏感性的改變，使伴糖尿病的牙周病患者發生出現牙槽骨骨質流失的現象。此外，考慮到正畸治療過程中的牙移動可能會加劇這一過程，因此對AGEs/RAGE結合的研究對于預防糖尿病患者正畸牙齒松動具有重要意義。綜上所述，盡管RAGE、AGEs對牙槽骨改建的相關機制已逐步深入，但如何使研究成果在臨床得到充分利用，仍需科研人員與醫師通力合作，共同探索。