牙周炎氧化應激水平與鐵代謝的研究進展

田士霖,陳曉濤

牙周炎是世界范圍內高發的口腔疾病之一[1]。由于機體免疫防御系統受牙齦卟啉單胞菌等牙周病原菌長期影響,牙齦、牙周膜、牙槽骨及牙骨質等牙齒支持組織逐漸遭受破壞,最終導致牙列缺損甚至缺失[2]。在炎癥發生時,機體持續產生活性氧(reactive oxygen species,ROS)致使氧化與抗氧化防御系統失衡,過量的ROS導致氧化應激和組織損傷[3]。而鐵在不同程度上與氧代謝的控制有關,可能是因為鐵的毒性完全依賴于有氧環境。因此,了解鐵代謝在牙周炎中的作用機制,對預防及治療牙周炎具有重要意義。

1 牙周炎與ROS

2 ROS與氧化應激

ROS主要來源于細胞內線粒體的呼吸鏈代謝途徑,即細胞呼吸,也可通過細胞器及細胞質的代謝活動產生,甚至可能來源于輻射[12]。它被認為是一把“雙刃劍”。在正常生理狀態下,線粒體通過氧化磷酸化反應產生ROS,機體抗氧化防御系統受刺激后,釋放抗氧化劑降低ROS水平并修復ROS造成的損傷,維持體內ROS水平的動態平衡。當這種平衡轉向有利于ROS時,如抗氧化防御系統能力減弱或機體遭受炎癥等因素刺激時,ROS含量或活性增強導致平衡被打破,破壞線粒體的結構和功能,將會導致氧化應激[15]。從而促進caspase-3的cleaved表達,激活線粒體凋亡通路,造成氧化應激和組織損傷。雖然ROS在高濃度下對機體有害,但在低濃度下具有復雜的信號傳導功能。在細胞水平上,ROS可以作為第二信使參與細胞信號傳導,基因調控,調節細胞生長、凋亡和其他信號傳導等;在系統水平上,可以參與機體認知、免疫以及血壓調節等部分生理功能。研究表明[16],ROS主要通過兩方面對牙周組織造成損害:第一,ROS可以直接引起組織損傷,涉及DNA損傷、蛋白質損傷、脂質過氧化、重要酶的氧化及促炎因子的釋放;第二,它們可以作為信號分子引發炎性反應并激活相關信號通路導致組織損傷。

3 鐵穩態與氧化應激

3.1 鐵、鐵蛋白與轉鐵蛋白

鐵是大多數生命形式的必需微量元素之一[17]。機體之所以處于鐵穩態平衡狀態,主要是因為鐵的運輸、儲存和調控在細胞和系統水平上受到嚴格的機制調控[18-19]。而維持鐵穩態的關鍵是維持體內一定的游離鐵水平。細胞保持正常的生理生化功能,離不開鐵穩態的調節作用。其具有參與機體的ATP生成、呼吸、DNA 合成及修復、維持細胞生長分裂增殖等生命代謝活動。

鐵以離子形式存在于肝、脾、骨髓及胃腸黏膜上皮等組織中,在血清、血細胞等中也有發現。在機體內主要儲存形式是鐵蛋白(serum ferritin,SF),鐵含量與血清鐵蛋白濃度成正比。在鐵代謝過程中,為避免鐵超載產生的毒性作用,所有使用鐵的生命形式都將鐵儲存在一個與鐵結合蛋白(如鐵蛋白)結合的無害復合物中。鐵穩態的平衡取決于鐵蛋白、轉鐵蛋白(transferrin,Tf)等的表達水平和活性,鐵在細胞系統中的毒性在很大程度上被鐵蛋白所否定。鐵蛋白通過維持體內鐵代謝平衡,進而保護細胞免受氧化應激損傷。在鐵介導的細胞鐵穩態調節經典模型中,細胞內鐵含量過高通常誘導鐵蛋白翻譯,以此降低細胞內鐵含量。相反,則會阻止TrfR mRNA的降解,同時阻斷鐵蛋白翻譯,從而試圖增加細胞內鐵的濃度。體內鐵蛋白過高則表明鐵含量增高。因此,鐵蛋白可用作檢測細胞中鐵水平的標志物[20-21]。

一方面,鐵蛋白可儲存機體中過量鐵以免受鐵超載所產生的毒性作用,使鐵保持在安全的狀態;另一方面,鐵蛋白還可釋放鐵用于合成體內含鐵蛋白質,滿足細胞的正常生理功能,對維持鐵穩態至關重要。因此,它是氧化還原中活性鐵的直接防御分子[22]。Torti等[23]發現,它不僅在蛋白質籠中維持鐵氧化還原活性狀態,而且還能被包裹在CD63陽性囊泡的充滿鐵的細胞分泌到細胞外空間。然而,如果細胞缺鐵,則由鐵蛋白供給轉運鐵池(transfer iron pool,TIP)。在這種條件下,鐵蛋白可能是一個炸彈,并作為氧化還原活性鐵的供應商[24]。

鐵在體內運輸的主要載體是轉鐵蛋白,通過血液循環將鐵運輸到各個靶器官、靶細胞及靶組織中。在靶細胞中,轉鐵蛋白與細胞膜上的轉鐵蛋白受體1 (transferrin receptor 1,TfR1)結合,然后TfR1-Tf-Fe復合物被內吞到細胞中釋放鐵[25]。游離鐵一部分進入線粒體,在代謝過程中被利用,如合成血紅蛋白和鐵-硫(Fe-S)團簇;一部分被納入胞質鐵儲存蛋白中,作為鐵的細胞儲存。過多的鐵可以通過位于細胞膜上的膜鐵轉運蛋白1(ferroportin 1,FPN1)運輸出細胞[26]。在炎癥期間,轉鐵蛋白水平降低,導致鐵運輸到骨髓促紅細胞生成減少。從而導致炎癥性貧血。因此,并不是絕對缺鐵,而是鐵含量低造成的[27]。Boyer等[28]認為,轉鐵蛋白與牙周炎嚴重程度有關,當轉鐵蛋白飽和度升高時,鐵的生物利用度增加,從而加重牙周炎,并促進周圍致病菌如密螺旋體進一步破壞牙周組織。

3.2 鐵代謝與ROS

鐵是ROS形成所必需的元素[29],是“呼吸爆發”發生過程中關鍵酶的關鍵組成部分[30]。然而,過量的游離鐵可以參與氧化還原反應產生ROS,對機體存在潛在危害。在鐵代謝過程中,細胞內的二價鐵離子作為助氧化劑,通過Fenton反應產生過量ROS,增強組織中不穩定鐵的氧化應激性,導致生物大分子損傷[31]。Fenton化學反應表明,鐵可以直接催化高活性自由基的形成,而依賴鐵的ROS可以通過破壞多種生物分子發揮細胞毒性。

在體內,鐵代謝可以通過上調p38和p53的表達,下調細胞外信號調節激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)激活的表達,誘導ROS生成,促進腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體(tumor necrosis factor-relatedapoptosis-inducing ligand,TRAIL)敏感性[32]。Sp等[33]發現,在NCCIT和NTERA-2細胞上添加甲基磺酰甲烷(methyl sulfonyl methane, MSM)后,細胞中Fe2+的數量減少,總鐵從細胞內釋放到培養基中,表明MSM抑制了NCCIT和NTERA-2細胞中鐵的運輸。因此,ROS的生成和鐵代謝的抑制可能參與了MSM誘導TRAIL的過程。鐵代謝還可以通過生成ROS誘導TRAIL表達,從而調控p38/p53/ERK信號通路,調控miR-130a、miR-221和miR-222的表達。

鐵還是酶活性的重要微量元素,存在于多種酶和氧載體蛋白的活性中心[19]。一些含鐵蛋白能夠通過生物過程產生大量ROS。例如,黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)、細胞色素P450酶(cytochromeP450 ,CYP450)、NADPH氧化酶(NADPH Oxidase,NOX)、一氧化氮合酶(nitricoxide synthase,NOS)、脂氧合酶(lipoxidase,LOX)和線粒體電子傳遞鏈的亞基等,這些均是產生ROS重要的酶[34]。正常情況下,這些ROS被許多抗氧化酶分解,如谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、過氧化氫酶(catalase,CAT)和硫氧還蛋白(thioredoxin,Trx)等[35]。因為這些酶的相互調節,從而使機體內ROS水平維持動態平衡。

4 鐵超載

4.1 鐵超載與牙周炎

牙周炎的發生發展與鐵之間存在一定的關系,主要集中在鐵和牙周致病菌種類之間的關系以及對牙槽骨等牙周組織造成的損害。它不僅是牙齦卟啉單胞菌等牙周病原菌的重要生長因子和毒力調節因子[36],還可促進人類牙周膜干細胞正常分化[20]。相關研究表明,在牙周炎患者中,由于牙齦卟啉單胞菌等牙周致病菌引起的溶血,可能會增加牙周組織中鐵離子水平,導致高鐵水平的毒性作用抑制成骨細胞的增殖分化[37-38]。鐵超載也可促進牙周組織中自由基的氧化,增加齦下菌斑中微生物的生長和毒力,導致牙周組織特別是牙槽骨環境的惡化,對牙槽骨重塑有負面影響。牙周炎患者中,牙周鐵超載狀態可能會抑制牙槽骨中成骨細胞的生長。因此,骨生成率低于吸收率,對正畸治療有不良影響[39]。并且在牙齦炎或牙周炎部位采集的齦溝液和血清中發現鐵的濃度明顯高于健康部位[40]。因此,鐵可能在牙周膜干細胞和牙槽骨穩態和功能中發揮重要作用。

4.2 鐵超載與骨吸收

研究表明,鐵對成骨積極或消極的影響,取決于鐵離子的濃度。鐵離子在濃度低時可促進成骨細胞的分化增殖能力。而鐵超載則會導致骨代謝紊亂。它可以通過增加ROS的產生和誘導線粒體膜電位(mitochondrial membrane potential,MMP)的下降,損害骨髓間充質干細胞線粒體的正常結構和功能,破壞骨微結構及骨髓微環境,導致骨小梁減少、分離變寬,骨皮質變薄,擾亂骨髓間充質干細胞的增殖分化能力[39,41-42]。不僅抑制成骨細胞增殖、分化以及鈣鹽沉積,還可誘導成骨細胞凋亡,并促進破骨細胞分化以及骨吸收[43]。而這也是牙周炎的主要特征之一。

PI3K/AKT/mTOR信號級聯靶標是細胞功能和細胞存活與凋亡之間平衡的關鍵調控因子。鐵超載可以通過激活成骨細胞ASK1-p38信號通路,抑制PI3K/AKT/mTOR信號通路,從而抑制骨髓間充質干細胞的增殖分化,改變成骨細胞代謝,降低成骨細胞活性,抑制細胞的分化和功能,并與細胞凋亡有關,最終導致骨質疏松[43]。

4.3 鐵代謝與其他疾病

鐵超載還會降低Th和Tc淋巴細胞的增殖能力,增加Treg淋巴細胞的活性,從而產生免疫抑制;血漿鐵含量升高也會干擾細胞因子干擾素γ (interferon-γ,IFN-γ)的產生[44]。鐵代謝紊亂還可引起腦出血、局部缺血/再灌注損傷、急性腎衰竭、神經系統疾病以及腫瘤性疾患等機體各類組織器官病變[45]。在腫瘤進展中也起著至關重要的作用。因此控制鐵代謝可能是抗癌活性的關鍵[46]。

5 小 結

綜上所述,鐵穩態不僅可以維持機體細胞的正常生理功能,還可預防氧化應激的產生,并與全身疾病的發生發展緊密聯系。根據目前報道的鐵代謝相關研究,鐵代謝異常導致的氧化應激與牙周炎的發生發展是否密切相關,以及在牙周炎的發展過程中怎樣平衡細胞內鐵代謝與氧化應激的關系仍待進一步研究。因此,有必要進行進一步的鐵代謝實驗來探討氧化應激在牙周炎中的損傷。