透明質酸在牙周炎中的作用

吳煒涵,仝春實,李博華,馬欣

(1.河南大學口腔醫學院,河南 開封 475004;2.河南大學人民醫院 口腔科,河南 鄭州 450003)

透明質酸(hyaluronic acid,HA)作為細胞外間質(extracellular matrix,ECM)中的主要成分,以游離形式或非共價復合體形式存在,同時也存在于各種體液中,例如滑液、唾液和齦溝液以及礦化和非礦化組織中[1]。由于HA獨特的理化特性,所以被用于皮膚病、眼病、骨關節炎治療以及各種生物醫學應用中[2]。牙周炎是以牙菌斑為始動因子,發生于牙周支持組織中的慢性感染性疾病,該病的特征主要是牙周組織的破壞、牙周袋形成和牙槽骨的漸進式吸收。牙周炎病變部位的HA可被降解為不同大小HA片段,碎片化HA在組織損傷過程中積累并以不同于天然聚合物的方式發揮作用[3]。本文圍繞不同大小的HA對牙周炎的作用以及應用前景作一綜述。

1 HA

1.1 結構

HA是直鏈糖胺聚糖聚合物,由N-乙酰葡糖胺和D-葡萄糖醛酸組成的重復二糖。它不僅結構最簡單,也是唯一不限于動物組織也可于細菌中產生的糖胺聚糖[4]。HA在生理條件下分子量超過1 000 kDa,故被稱為高分子量透明質酸(high molecular weight- hyaluronic acid,HMW-HA)[5]。炎癥狀態下HA通過透明質酸酶、β-葡糖苷酸酶、己糖氨基苷酶和活性氧的活性被降解為小于500 kDa的低分子量透明質酸(low molecular weight- hyaluronic acid,LMW-HA)[6]。不同分子量的HA通過不同的作用模式影響細胞行為,HA片段能夠增強或減弱HA受體介導的信號通路,因為它們可與內源性HA競爭和受體結合[7]。

1.2 功能

HMW-HA主要存在于正常組織中,由于其具有吸濕性和彈性,故有助于組織中的水分潴留以及保護結構完整性[8]。在從炎癥到傷口愈合過程中的各個階段,HMW-HA都可發揮作用。它通常具有抗炎作用[9],可以參與組織修復和再生、抑制血管生成、減少 腫瘤壞死因子-α,前列腺素E2和白細胞介素(interleukin,IL)中IL-21b,IL-6的產生[10]。傷口愈合再上皮化時,HA可以促進角質形成細胞的增殖;在組織重塑過程中,富含HA的基質可以減少膠原蛋白沉積同時減少疤痕產生[11]。LMW-HA一般具有促炎作用,參與傷口愈合過程中血管生成和組織重構。LMW-HA能刺激細胞增長/遷移和新生血管來有效促進傷口愈合[12-14]。但最近關于LMW-HA的促炎性質受到質疑,因為除了損傷后組織代謝產生的HA片段外,被HA包裹的A組鏈球菌等細菌可分泌透明質酸酶將HA降解為HA片段,HA片段既可以來自宿主也可以來自細菌,無法單獨區分[8]。許多歸因于LMW-HA的發現,如觸發并激活免疫細胞可能是由于細菌透明質酸酶的作用,基于此HA片段作為損傷相關的分子模式(damage-related molecular patterns,DAMP)的作用受到質疑[15-16],不過這些質疑還有待進一步驗證。HA不同功能所帶來的作用有時不同甚至相反,而HA的具體功能不僅取決于其分子量大小,還取決于與細胞受體結合或與ECM聯合產物的相互作用[17]。

1.3 臨床應用

HA廣泛應用于臨床中,目前其最主要的應用領域是皮膚保養與修復。HA具有良好的保水性和滲透性,能夠增加皮膚的水分含量,改善皮膚干燥,保持皮膚的彈性[18]。HA還可以用于治療關節疾病,注射HA可以緩解關節疼痛,改善關節功能,提高關節活動度,是治療關節炎和其他關節疾病的重要手段之一。HA也逐漸應用于眼科,主要用于白內障手術,也用于其他眼科手術如玻璃體視網膜手術等[19]。此外,HA還能局部應用口腔潰瘍,促進創口愈合,緩解癥狀[20]。對HA以及其衍生物的性質與功能的未來研究或許應側重于將HA功能轉化為實際臨床功效以及根據疾病分期和特定治療目標精確HA片段的分子量、優化HA制劑的濃度。

2 HA對牙周組織再生的作用

2.1 HA對牙周骨組織再生的作用

2.1.1HMW-HA

HMW-HA能在不喪失干細胞復制和分化能力的情況下增加骨祖細胞數量,維持干細胞分化潛能,其功能主要通過:(1)促使Smad和Wnt信號通路下調,導致成骨分化進程受到抑制,Runx2等中晚期成骨分化標記基因表達減少;(2)誘導轉錄因子Sox2及其直接靶標Yap1和Bmi1的表達來維持骨祖細胞的分化潛能;(3)抑制礦化骨基質基因[21]。HMW-HA還能與CD44結合介導造血干細胞的增殖并可促進骨髓植入[22]。HMW-HA成骨分化的實驗多是在體外進行,而體外實驗時間太短,并且一些生物活性物質交聯的效果可能僅僅在體內顯現,盡管存在一些明顯的局限性,但獲得的體外結果有助于了解HMW-HA用于牙周骨組織再生的臨床潛力。

2.1.2LMW-HA

單獨使用適當濃度的LMW-HA可誘導成骨細胞分化和骨形成[23],LMW-HA誘導的骨再生機制因分子量大小而異。例如,分子量為5～20 kDa的LMW-HA表現出細胞因子表達誘導的骨再生;30 kDa和60 kDa的LMW-HA通過促進間充質細胞分化和上調骨鈣素mRNA表達來增加成骨作用;50～200 kDa的LMW-HA通過激活干細胞實現骨再生;390 kDa的LMW-HA通過增加細胞黏附率和細胞增殖來增強成骨[24-25]。LMW-HA將是進行引導骨再生手術時提高骨愈合效率的潛在候選者。

2.2 HA對牙周軟組織再生的作用

HA可以促進細胞增殖和分化,增強細胞黏附和遷移能力;還能保護生長因子不被降解,增加其穩定性和生物活性,故常常將HA制成支架與生長因子結合用來加速組織的再生和修復[26]。此外,Colangelo等[27]發現,仿生多核苷酸(polynucleotide,PN)聯合HA的水凝膠可以促進口腔軟組織傷口愈合,PN + HA顯著增加了膠原蛋白1a1和3a1的表達,膠原蛋白3a1是傷口愈合的早期產物,而持續的膠原蛋白3a1產生預示著傷口異常愈合的風險降低?，F有的大多數研究都側重于HA傷口愈合期間的作用,人們關于HA對牙周組織再生的貢獻亟待進一步探索。

3 HA對牙周炎的作用

3.1 HMW-HA

HMW-HA的應用對牙周炎病變的改善有積極作用。HMW-HA能抑制牙齦卟啉單胞菌產生炎癥介質并可通過抑制NF-κβ表達以及ERK和P38 MAPK通路來緩解炎癥,促進傷口愈合[28]。HMW-HA本身也可以直接阻止微生物增殖來防止牙周炎病原體定植,還可以通過防止炎癥細胞產生的絲氨酸蛋白酶在愈合過程中降解ECM蛋白間接減緩炎癥反應[29]。位于炎癥部位的HMW-HA能形成纜索結構,這些HA“電纜”起源于高爾基體周圍,其存在與結合蛋白有關,能夠跨越多個細胞,并且可由多個細胞擠壓后相互交織。該結構通過CD44介導與未被激活的白細胞(包括單核細胞、T和B淋巴細胞)結合后可以捕獲炎癥細胞,使其保持不活躍的狀態,抑制單核細胞的吞噬作用,對淋巴細胞活化有阻礙作用[30-32]。同時此種結構的形成也能隔離促炎介質,限制抗原-抗體相互作用,從而抑制整個炎癥過程[33]。此外,HMW-HA可以通過與CD44結合增強調節性T細胞(Regulatory T cell,Treg)的表達,促進Treg的持久性和功能,從而保持牙周組織的穩態,減輕免疫系統過度反應導致的牙周組織破壞[34]。

3.2 LMW-HA

牙周炎患者與健康人相比,牙齦樣本中透明質酸酶的表達和活性均有增加,同時LMW-HA的含量隨之增加并且其增加程度與疾病的嚴重程度相關[3]。LMW-HA可以作為DAMPs促進樹突狀細胞的活化和成熟,驅動促炎細胞因子如IL-1β、IL-6、IL-12和腫瘤壞死因子-α的釋放[35-36];LMW-HA還可以通過Toll樣受體(Toll like receptors,TLR)中的TLR2或TLR4增強免疫細胞增殖、遷移和黏附,加強下游免疫反應[37-38],如其能通過激活TLR2或TLR4和啟動MyD88/NF-κβ信號通路誘導炎癥,從而產生促炎細胞因子和趨化因子[39];LMW-HA還是巨噬細胞的有效激活劑,可以誘導巨噬細胞炎癥蛋白、巨噬細胞趨化蛋白-1等促炎基因的表達[32]。在正常生理狀況下,免疫系統細胞的激活對傷口的正常愈合至關重要,在急性傷口中LMW-HA可積聚在傷處激活免疫系統從而保護受傷組織,然而在慢性傷口中持續過度的炎癥反應將會阻止傷口愈合。

4 HA在牙周炎的應用前景

牙周炎的發生和發展與口腔微生物感染有關,而HA作為一種具有黏附性的生物高分子,能夠與口腔微生物緊密結合,形成一種保護性的屏障,從而防止微生物進一步侵襲牙周組織,預防牙周炎的發生[40]。牙周炎的治療主要包括機械潔治、局部藥物治療和手術等方法。HA能保持局部組織水分,增加組織的黏附性和彈性,促進組織愈合,并且具有抗炎、抗菌和止痛等作用。治療牙周病時若聯合使用HA可減少炎癥反應[41],改變牙周袋深度和臨床附著水平[42-43],促進軟組織愈合[44-45],故其已被提議作為非手術或手術牙周治療的輔助治療[46]?？傊?HA在牙周炎的發生及治療中發揮著重要的作用,能夠減少牙周炎的發生,促進牙周軟組織愈合,誘導牙周組織再生,從而提高治療效果。因此,HA在牙周炎的預防和治療中有著廣闊的應用前景。

5 總結和展望

HA合成和降解的代謝途徑是高度有序的,由嚴格控制的反應組成,這些反應依賴于個別酶活性的調節。生成的不同分子量HA片段在牙周炎中產生的作用不同,HMW-HA能抑制炎癥,具有維持免疫穩態的作用;LMW-HA可以促進炎癥因子過表達,具有促炎作用。HA合成和降解的調節是如何完成的,以及其是否與特定大小的HA片段參與都有待深入研究。傳統牙周炎治療被認為是牙周炎的首選治療方法,它包括齦上和齦下牙齒的機械清創,目的是減少不良的細菌負荷,并將其調整為與健康牙周組織相適應的微生物群,以確保牙周組織內的免疫穩態[47]。然而,目前尚無明確證據表明傳統的牙周治療可以充分控制因牙周炎而產生的局部抗原。在這種情況下,檢測牙周炎影響的組織中產生的DAMPs,如LMW-HA,其可以作為評估牙周治療成功的一個關注焦點。根據HA促進牙周組織再生的特性,在種植或牙周重建手術中,可以將HA添加到有缺陷的骨或骨缺損中,這可能是擴展成體干細胞而不喪失其復制和分化能力的一種有效方法,從而為牙周重建和種植手術中的骨再生提供一個解決方案。HA將是恢復牙周完整性材料中極具潛力的后備軍。