活性氧類在慢性牙周炎所致骨吸收中的研究進(jìn)展

袁一方，陳曉濤

(1.新疆醫(yī)科大學(xué)，烏魯木齊 830002； 2.新疆維吾爾自治區(qū)人民醫(yī)院口腔科，烏魯木齊 830001)

牙周炎是一種以牙周組織炎癥反應(yīng)為特征的慢性感染性疾病，其發(fā)病無地域、民族和年齡差異，近年牙周炎的發(fā)病率逐年升高[1]。牙周炎主要由菌斑微生物引發(fā)的宿主免疫反應(yīng)引起，病情逐漸進(jìn)展，最終引起機(jī)體牙齒支持組織的漸進(jìn)性破壞[2]。牙周炎的發(fā)病機(jī)制主要與一些具有高蛋白酶和免疫抑制特性的宿主微生物有關(guān)，如常見的牙齦卟啉單胞菌。牙周炎的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，隨著近年口腔醫(yī)學(xué)的發(fā)展，認(rèn)為牙周炎還可通過一些復(fù)雜的生物及信號(hào)因子激活某種通路，最終損傷牙周組織。牙周炎是導(dǎo)致成人牙齒損傷甚至缺失的主要原因，在諸多牙周炎的發(fā)病機(jī)制中，過量活性氧類(reactive oxygen species,ROS)產(chǎn)生的氧化應(yīng)激而造成的骨破壞成為目前牙周炎骨吸收的研究熱點(diǎn)[3]。研究證實(shí)，牙周組織的損傷多由白細(xì)胞、補(bǔ)體和ROS參與的宿主免疫反應(yīng)導(dǎo)致，機(jī)體在啟動(dòng)宿主免疫反應(yīng)后，中性粒細(xì)胞成為牙周組織和齦溝中最常見的炎癥細(xì)胞，通過由還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)促進(jìn)的呼吸鏈代謝途徑產(chǎn)生過氧化氫、超氧陰離子和羥基自由基[4]，上述物質(zhì)統(tǒng)稱為ROS。在生理?xiàng)l件下，大部分ROS經(jīng)細(xì)胞內(nèi)線粒體呼吸鏈途徑產(chǎn)生，機(jī)體產(chǎn)生的抗氧化劑能有效中和ROS或修復(fù)ROS誘導(dǎo)的組織損傷，從而抵消氧化應(yīng)激的有害作用。當(dāng)炎癥發(fā)生時(shí)，ROS產(chǎn)生急劇增加，高水平或高活性的ROS不能被抗氧化防御系統(tǒng)平衡，過剩的ROS導(dǎo)致氧化應(yīng)激和組織損傷[5-6]。相關(guān)研究表明，過量ROS堆積對(duì)牙周組織的損傷過程主要分為兩個(gè)途徑：①ROS可直接引起組織損傷，涉及脂質(zhì)過氧化、DNA損傷、蛋白質(zhì)損傷和重要酶的氧化；②ROS可作為信號(hào)分子或炎癥介質(zhì)激活相關(guān)信號(hào)通路，引起炎癥反應(yīng)和組織損傷[6]。現(xiàn)就過量ROS產(chǎn)生的氧化應(yīng)激在牙周炎骨吸收中的相關(guān)信號(hào)通路予以綜述，以期為進(jìn)一步明確ROS與牙周炎的病理機(jī)制提供依據(jù)，并為牙周炎治療提供思路。

1 ROS與氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激是指體內(nèi)游離基代謝障礙導(dǎo)致的氧化與抗氧化系統(tǒng)失衡[7]，該失衡狀態(tài)更趨向于氧化作用。氧化應(yīng)激可導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生大量的氧化中間產(chǎn)物，從而引起組織損傷。相關(guān)研究證實(shí)，過量ROS累積是導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激的直接因素，ROS在氧化應(yīng)激過程中是調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、衰老和凋亡的信號(hào)分子[8]。ROS作為體內(nèi)氧的還原代謝產(chǎn)物，具有強(qiáng)氧化能力，在正常生理?xiàng)l件下，ROS和抗氧化劑之間呈平衡狀態(tài)，兩者共同構(gòu)成完整的抗氧化系統(tǒng)。機(jī)體因炎癥刺激等因素持續(xù)產(chǎn)生過量的ROS，進(jìn)而導(dǎo)致抗氧化系統(tǒng)失衡，引起氧化應(yīng)激，造成機(jī)體細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)過氧化、DNA和蛋白質(zhì)損傷以及相關(guān)的酶氧化[9]，從而激活相關(guān)信號(hào)通路，加重炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致組織損傷。目前已知的ROS激活氧化應(yīng)激的相關(guān)途徑主要有核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號(hào)通路、核轉(zhuǎn)錄因子紅系2相關(guān)因子2(nuclear factor-erythroid2-related factor 2，Nrf2)/Kelch樣ECH相關(guān)蛋白1(Kelch-like ECH-associated protein-1，Keap1)信號(hào)通路、促分裂原活化的蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號(hào)通路等。目前關(guān)于ROS與氧化應(yīng)激之間機(jī)制的研究較多，但是缺乏大量循證醫(yī)學(xué)證據(jù)。機(jī)體的氧化還原平衡處于不穩(wěn)定狀態(tài)導(dǎo)致ROS過量累積，促使機(jī)體出現(xiàn)氧化應(yīng)激反應(yīng)，而牙周組織中的氧化應(yīng)激反應(yīng)也基于上述信號(hào)通路，因此，進(jìn)一步探究牙周組織中ROS與氧化應(yīng)激之間的病理機(jī)制，可為牙周炎治療奠定理論基礎(chǔ)。

2 牙周炎與ROS

近年來，ROS與牙周炎的關(guān)系逐漸受到關(guān)注。在牙周炎的病理進(jìn)程中，中性粒細(xì)胞是抗牙周致病菌的第一道防線[10-11]，在病原體的刺激下，中性粒細(xì)胞通過NOX促進(jìn)的呼吸鏈代謝途徑產(chǎn)生超氧陰離子，并將其釋放到噬菌體和細(xì)胞外環(huán)境中，轉(zhuǎn)化為不同的自由基和非自由基衍生物，如過氧化氫、羥基自由基、次氯酸和單線態(tài)氧；在病原生物膜啟動(dòng)宿主反應(yīng)后，中性粒細(xì)胞是牙周組織和齦溝中最常見的炎癥細(xì)胞，被認(rèn)為是牙周炎中ROS的主要來源[12]。因此，牙周組織中炎癥反應(yīng)與ROS之間的關(guān)系受到關(guān)注，研究發(fā)現(xiàn)，牙周炎患者血清、唾液以及齦溝液中ROS代謝物含量增加，總氧化狀態(tài)水平升高[13]，且牙周炎患者外周血中性粒細(xì)胞中ROS的活性高于健康個(gè)體[14]。另有研究表明，即使沒有任何刺激，牙周炎患者中性粒細(xì)胞釋放的細(xì)胞外ROS亦多于健康對(duì)照組[15]。Shaheen等[16]發(fā)現(xiàn)，牙周炎患者齦溝液中的氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平與牙周袋探診深度、齦溝出血指數(shù)及附著水平呈正相關(guān)，經(jīng)牙周治療后，患者機(jī)體的氧化應(yīng)激標(biāo)志物水平改善。Tamaki等[17]指出，經(jīng)牙周基礎(chǔ)治療后，牙周炎患者血清ROS水平及牙周指標(biāo)均較治療前明顯降低，證實(shí)牙周炎相關(guān)臨床參數(shù)與ROS存在相關(guān)性。Zeidán-Chuliá等[18]對(duì)健康人、牙周炎以及牙周炎并發(fā)糖尿病患者牙齦組織的免疫組織化學(xué)分析顯示，牙周炎患者牙齦組織中基質(zhì)金屬蛋白酶7的表達(dá)與ROS活性升高相關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，ROS可以提高基質(zhì)金屬蛋白酶的活性，并進(jìn)一步刺激牙周膜成纖維細(xì)胞分泌白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6、IL-1β等產(chǎn)生相關(guān)炎癥反應(yīng)，加劇破骨細(xì)胞分化，最終破壞牙周組織，甚至導(dǎo)致牙齒脫落[19]。綜上，ROS與牙周炎發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，進(jìn)一步完善牙周炎與ROS之間的機(jī)制研究能夠?yàn)檠乐苎椎念A(yù)防和治療提供一定的理論依據(jù)。

3 ROS與牙槽骨吸收

牙槽骨是牙周組織的重要成分，當(dāng)各種病理因素導(dǎo)致牙槽骨吸收時(shí)，牙齒的支持組織喪失，進(jìn)而出現(xiàn)牙齒松動(dòng)，最終導(dǎo)致牙齒脫落。過量ROS堆積被認(rèn)為是牙周炎中骨破壞性疾病的促進(jìn)因素之一，ROS介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子生成破骨細(xì)胞是牙槽骨吸收的關(guān)鍵。骨穩(wěn)態(tài)可維持成骨細(xì)胞骨形成和破骨細(xì)胞骨吸收之間的平衡，來源于骨髓單核/巨噬細(xì)胞系的破骨細(xì)胞，通過一系列增殖、分化和融合，最終發(fā)育為成熟且唯一能吸收礦化骨的多核巨細(xì)胞。成骨細(xì)胞骨形成和破骨細(xì)胞骨吸收之間的平衡主要經(jīng)核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)/核因子κB受體活化因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)/骨保護(hù)素信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而維持骨穩(wěn)態(tài)；作為環(huán)路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，RANKL/RANK/OPG信號(hào)通路通過調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞活化參與骨重建，發(fā)揮關(guān)鍵作用[20]。另有研究發(fā)現(xiàn)，ROS可激活NF-κB信號(hào)通路并促進(jìn)IL-6、IL-1β、IL-1、IL-2、腫瘤壞死因子-α、前列腺素E2和淋巴毒素等的分泌，上述細(xì)胞因子及趨化因子與牙周組織的骨吸收有關(guān)，其中前列腺素E2是牙周骨吸收最有力的刺激因素；IL-1和腫瘤壞死因子-α在牙周炎中能啟動(dòng)組織破壞和骨吸收；IL-1是骨脫礦的最有效誘導(dǎo)因素；IL-6可刺激破骨細(xì)胞分化和骨吸收，并抑制骨形成；而涉及破骨細(xì)胞形成的關(guān)鍵因子包括RANKL、腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6和NOX等，且NOX同源物NOX1和NOX2可在破骨細(xì)胞形成過程中相互作用并產(chǎn)生ROS[21]。綜上，ROS除可直接引起組織損傷外，還可在破骨細(xì)胞形成過程中發(fā)揮間接作用，導(dǎo)致牙周骨組織變性。

ROS可通過激活NF-κB信號(hào)通路導(dǎo)致牙槽骨吸收，在牙周炎病程進(jìn)展中起重要作用。ROS信號(hào)通路還可促成MAPK、磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase，PI3K)和NF-κB的活化[22]，NF-κB是第一個(gè)對(duì)ROS應(yīng)答的轉(zhuǎn)錄因子[23]，可介導(dǎo)NF-κB抑制蛋白α的磷酸化及降解。使用抗氧化劑預(yù)處理破骨細(xì)胞可抑制其氧化，并降低由RANKL誘導(dǎo)的蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)、NF-κB、胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal-regulated kinase，ERK)的活化[24]，證實(shí)ROS在牙周骨破壞中起關(guān)鍵作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用抗氧化劑激活MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)可抑制破骨細(xì)胞前體對(duì)RANKL的反應(yīng)[25]，由RANKL介導(dǎo)的ROS可誘導(dǎo)Ca2+的持續(xù)振蕩，從而激活活化T細(xì)胞核因子c1[26]，促使破骨細(xì)胞形成，進(jìn)一步導(dǎo)致牙周骨破壞。此外，Nrf2可啟動(dòng)多種抗氧化酶，從而降低ROS引起的牙周損傷。由此可見，ROS在牙周炎進(jìn)程中發(fā)揮重要作用，可通過NF-κB、MAPK以及Nrf2等信號(hào)通路介導(dǎo)破骨細(xì)胞活化，進(jìn)而導(dǎo)致牙周骨組織及軟組織破壞。

3.1ROS和NF-κB信號(hào)通路 NF-κB是炎癥的主要調(diào)節(jié)因子，也是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的對(duì)ROS應(yīng)答的轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控?cái)?shù)百個(gè)與免疫反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，在氧化應(yīng)激與炎癥的調(diào)節(jié)中具有重要地位。在牙周炎導(dǎo)致的骨炎癥狀態(tài)下，淋巴細(xì)胞大量產(chǎn)生RANKL[27]，RANKL是破骨細(xì)胞生成必不可少的因素之一，可作用于RANK受體，誘導(dǎo)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6募集，進(jìn)而激活多個(gè)下游靶點(diǎn)，包括MAPK和NF-κB通路，導(dǎo)致活化T細(xì)胞核因子c1的c-Fos和核因子活化[28]。被激活的NF-κB還能促進(jìn)趨化因子及促炎因子的分泌，進(jìn)而導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和牙周破骨細(xì)胞分化，最終造成牙周組織破壞[19]。在破骨細(xì)胞形成和骨吸收過程中，細(xì)胞內(nèi)ROS起到至關(guān)重要的作用，RANKL刺激破骨細(xì)胞前體發(fā)生腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6/Ras相關(guān)C3肉毒毒素亞基1/NOX1級(jí)聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ROS生成[26]。Lee等[25]研究發(fā)現(xiàn)，抗氧化劑(如乙酰半胱氨酸)或NOX抑制劑(如二苯碘銨)可通過抑制RANKL介導(dǎo)的ROS生成抑制破骨細(xì)胞生成，表明ROS是破骨細(xì)胞分化所必需的。綜上，牙周組織中過量的ROS通過激活NF-κB信號(hào)通路過度表達(dá)相關(guān)細(xì)胞因子，進(jìn)而上調(diào)破骨細(xì)胞活性，最終導(dǎo)致牙周骨質(zhì)破壞。

3.2ROS和MAPK信號(hào)通路 MAPK信號(hào)通路由ERK1/2、c-Jun氨基端激酶、p38激酶和大MAPK1/ERK5通路組成，是細(xì)胞各種生命進(jìn)程中發(fā)揮重要作用的主要細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[29]。Lee等[25]研究表明，ROS、c-Jun氨基端激酶、p38、ERK1/2的激活可介導(dǎo)RANKL刺激的破骨細(xì)胞分化，表明NOX1產(chǎn)生的超氧化物陰離子也參與了破骨細(xì)胞分化過程。過氧化氫處理的原代成骨細(xì)胞和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可刺激ERK1/2磷酸化以及磷脂酶Cγ1和ERK依賴的NF-κB活化，導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化受損[30]。Bai等[31]的研究表明，ERK激活可介導(dǎo)ROS誘導(dǎo)的RANKL表達(dá)。而Ohyama等[32]研究證明，RANKL能誘導(dǎo)ERK和c-Jun氨基端激酶的活化并促進(jìn)ROS的生成，且ROS可激活c-Jun氨基端激酶信號(hào)通路，促進(jìn)炎癥因子生成，造成牙周組織破壞。由此可見，ROS參與MAPK信號(hào)通路，在牙周組織炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。

3.3ROS和Nrf2信號(hào)通路 Nrf2可與靶基因啟動(dòng)子近端的抗氧化反應(yīng)元件結(jié)合，調(diào)控轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)多種抗氧化酶的表達(dá)，以抵抗ROS堆積導(dǎo)致的牙周損傷，保護(hù)細(xì)胞功能。組織發(fā)生應(yīng)激損傷后，被激活的Nrf2易位到細(xì)胞核并上調(diào)抗氧化酶的表達(dá)，包括過氧化氫酶、谷氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基以及超氧化物歧化酶。隨后，Nrf2通過啟動(dòng)抗氧化酶表達(dá)，降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平，進(jìn)而抑制MAPK通路和PI3K/Akt通路以及破骨細(xì)胞分化[33]。如Nrf2通過調(diào)節(jié)抗氧化酶的表達(dá)降低細(xì)胞內(nèi)ROS水平，進(jìn)而抑制RANKL介導(dǎo)的小鼠破骨細(xì)胞生成及骨破壞[34]。Zhu等[35]的體內(nèi)及體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黃芩素(具有抗氧化和免疫調(diào)節(jié)作用)可通過Nrf2信號(hào)通路減輕氧化應(yīng)激損傷，并改善牙周炎所致的牙槽骨吸收。在RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化過程中，RANKL通過上調(diào)Keap1降低Nrf2/Keap1表達(dá)水平，進(jìn)而提高細(xì)胞內(nèi)ROS水平，促進(jìn)破骨細(xì)胞的分化和功能[36]。故推測(cè)，抗氧化劑可作用于ROS/Nrf2/Keap1信號(hào)通路，發(fā)揮維持骨穩(wěn)態(tài)的作用。

3.4其他信號(hào)通路 在牙周炎的骨吸收反應(yīng)機(jī)制中，除NF-κB、MAPK、Nrf2等信號(hào)通路外，ROS還參與其他信號(hào)通路的調(diào)控。Mukherjee和Rotwein[37]發(fā)現(xiàn)，PI3K下游Akt信號(hào)通路是骨骼代謝中的重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在細(xì)胞增殖、分化和礦化中均起關(guān)鍵作用，且Akt的磷酸化水平是成骨細(xì)胞成骨分化的指標(biāo)[38]。此外，PI3K/Akt通路的激活也可作為氧化應(yīng)激的負(fù)性調(diào)節(jié)劑[39]，從而導(dǎo)致牙周骨炎癥進(jìn)一步發(fā)展。研究表明，糖尿病患者更易并發(fā)牙周炎，可能與高葡萄糖誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激抑制了成骨分化及PI3K和Akt磷酸化的表達(dá)相關(guān)[40]。牙周炎的發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，ROS可干擾細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間的多種信號(hào)通路，并涉及多種機(jī)制，如炎癥調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)代謝、細(xì)胞增殖分化，仍需要進(jìn)一步的研究探討。

4 小 結(jié)

牙周炎的骨組織破壞與過量ROS堆積引起的氧化應(yīng)激相關(guān)，ROS參與了多種牙周骨吸收信號(hào)通路，被認(rèn)為是牙周炎等疾病的驅(qū)動(dòng)因素之一。牙周組織內(nèi)ROS過度堆積會(huì)產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)，刺激多種細(xì)胞因子及趨化相關(guān)因子產(chǎn)生，通過激活NF-κB、MAPK以及Nrf2等信號(hào)通路，導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙，最終促使牙周骨破壞，甚至出現(xiàn)牙齒脫落。因此，研究ROS調(diào)節(jié)牙周炎介導(dǎo)骨吸收相關(guān)信號(hào)通路的機(jī)制對(duì)于明確相關(guān)靶點(diǎn)有效治療策略至關(guān)重要。然而，ROS在介導(dǎo)骨代謝中有多種功能，且無法單獨(dú)評(píng)估骨骼中成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的ROS水平，故需通過了解骨細(xì)胞分化過程中ROS的水平認(rèn)識(shí)ROS在骨骼中的作用。ROS參與的相關(guān)信號(hào)通路具有高度復(fù)雜性，現(xiàn)有研究并未闡明ROS在牙周炎導(dǎo)致的骨吸收機(jī)制中的確切作用，隨著研究的不斷深入，ROS在牙周炎中的作用及機(jī)制逐漸清晰，將為牙周炎的防治提供更多方法。