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        OPG/RANKL/RANK信號通路在牙槽骨代謝中研究進(jìn)展

        2022-11-15 06:33:14趙嬌陽李文晉
        臨床軍醫(yī)雜志 2022年2期
        關(guān)鍵詞:牙周膜牙槽骨骨細(xì)胞

        趙嬌陽, 時 靜, 李文晉,3

        1.山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,山西 太原 030000;2.天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔科,天津 300211;3.山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院 口腔科,山西 太原 030000

        近年來,許多細(xì)胞因子被發(fā)現(xiàn)在調(diào)節(jié)骨代謝方面起著重要作用。其中,以骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)、核因子-κb受體活化因子配體(receptor activator of NF-κb ligand,RANKL)、核因子-κb受體活化因子(receptor activator of NF-κb,RANK)3部分組成的OPG/RANKL/RANK信號通路是眾多因子活化破骨細(xì)胞的最終環(huán)節(jié),在牙槽骨代謝中發(fā)揮著重要作用。牙齒萌出、正畸牙齒移動和牙周炎疾病發(fā)生發(fā)展引起的牙槽骨改建為典型的生理性及病理性骨代謝。因此,本文對OPG/RANKL/RANK信號通路相關(guān)影響因子的生物學(xué)效應(yīng)及其在牙齒萌出、正畸牙齒移動、牙周炎疾病進(jìn)程中牙槽骨代謝中的作用作一綜述,為臨床解決牙齒萌出異常、縮短正畸療程及牙周炎治療提供參考。

        1 OPG/RANKL/RANK信號通路

        OPG又稱破骨細(xì)胞生成抑制因子,其由許多類型的細(xì)胞產(chǎn)生,如成骨細(xì)胞、心臟、肝和脾細(xì)胞。有研究報道,B淋巴細(xì)胞是小鼠骨髓中OPG的主要來源,占骨髓總OPG產(chǎn)量的64%[1]。在過表達(dá)OPG的轉(zhuǎn)基因小鼠中,由于缺乏破骨細(xì)胞,可觀察到骨硬化病,而OPG基因敲除小鼠破骨細(xì)胞數(shù)量增加,可出現(xiàn)明顯的骨質(zhì)疏松[2]。OPG作為一種誘餌受體,可與RANKL結(jié)合,阻斷RANK和RANKL的結(jié)合與激活,因此,破骨細(xì)胞分化和激活的主要信號通路被阻斷。成骨細(xì)胞中,OPG的表達(dá)受激素、細(xì)胞因子、生長因子和腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)等的調(diào)節(jié)[3]。此外,Chamoux等[4]研究結(jié)果表明,OPG可通過抑制TNF相關(guān)凋亡因子抑制人的破骨細(xì)胞凋亡。

        RANKL又稱破骨細(xì)胞分化因子、TNF相關(guān)的活化因子和OPG配體。多種細(xì)胞因子、激素和生長因子可以調(diào)節(jié)RANKL的表達(dá),包括甲狀旁腺激素、雌激素和炎癥細(xì)胞因子[5]。RANKL在成骨細(xì)胞、活化的T淋巴細(xì)胞、淋巴結(jié)中呈高表達(dá),在骨髓中低表達(dá)。RANKL是二型同源三聚體跨膜蛋白,可以通過蛋白裂解或選擇性剪接而形成膜性結(jié)合在成骨細(xì)胞上[6]。RANKL可與破骨祖細(xì)胞上表達(dá)的RANK受體結(jié)合,激活與破骨細(xì)胞生長、分化相關(guān)的下行信號通路。

        RANK是TNF受體超家族的Ⅰ型跨膜蛋白,在破骨祖細(xì)胞、成熟破骨細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞膜上高表達(dá)[7]。RANK與其配體RANKL結(jié)合,然后激活TNF受體相關(guān)因子(TNF receptor associated factor,TRAF)家族,包括TRAF2、TRAF5和TRAF6。RANK/TRAF通過不同的信號通路調(diào)控破骨細(xì)胞的形成、激活及存活。有研究發(fā)現(xiàn),破壞小鼠的RANK基因會出現(xiàn)破骨細(xì)胞的缺失,造成牙齒萌出障礙、骨硬化等癥狀;將RANK基因再次導(dǎo)入小鼠體內(nèi)后,會重新誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成[8]。而RANK過度表達(dá)會導(dǎo)致破骨細(xì)胞數(shù)量增多,造成大量的骨吸收,在臨床上可能表現(xiàn)為畸形性骨炎[9]。

        OPG、RANKL、RANK形成的信號通路是調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞分化成熟的最終因子,可影響正常的骨重建。RANKL通過與RANK結(jié)合刺激下游的關(guān)鍵接頭分子TRAF6,刺激7個信號級聯(lián)反應(yīng),激活NF-κb、c-jun氨基末端激酶/激活蛋白-1、c-Myc蛋白、鈣調(diào)磷酸酶/活化T細(xì)胞核因子、Src激酶、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)/p38的細(xì)胞內(nèi)信號和細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(extracellular regulated kinase,ERK),調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化、功能和凋亡[10]。而OPG則充當(dāng)誘餌受體,通過其N端富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域與RANKL結(jié)合,阻斷RANKL的作用,從而暫停破骨細(xì)胞的分化和激活[11]。同時,在成骨細(xì)胞中,OPG的表達(dá)會受Wnt/β-catenin系統(tǒng)調(diào)控[12]。

        2 OPG/RANKL/RANK信號通路與生理性牙槽骨代謝

        2.1 OPG/RANKL/RANK信號通路與牙齒萌出 牙齒萌出是指牙齒穿透口腔黏膜,從頜骨內(nèi)向口腔移動,然后接觸對頜牙到達(dá)功能位置的復(fù)雜過程,其作用機(jī)制之一是牙槽骨的生理性改建。牙槽骨生理性改建需要破骨細(xì)胞分化及激活[13],來自牙齒和牙周組織的信號因子會刺激牙槽骨改建。破骨細(xì)胞形成是一個特征明確的過程,有3個連續(xù)的步驟,包括前體細(xì)胞的募集,然后融合成多核破骨細(xì)胞,最后這些成熟的破骨細(xì)胞被激活[14]。這些分化步驟中主要涉及的信號因子包括巨噬細(xì)胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor,M-CSF)、RANKL、RANK等。M-CSF是破骨前細(xì)胞表面RANK募集、表達(dá)所必需的因子。RANKL可使破骨前體細(xì)胞在多核細(xì)胞中融合,并在成熟破骨細(xì)胞中最終分化。Lézot等[15]建立小鼠模型,利用RANKL封閉抗體發(fā)現(xiàn),在牙齒和牙周組織發(fā)生過程中骨吸收暫時被抑制,導(dǎo)致牙齒萌出時間較長,表明牙齒和牙周組織中所表達(dá)的信號因子RANKL與誘導(dǎo)牙齒萌出延遲相關(guān)。Duheron等[16]對破骨細(xì)胞前體中過表達(dá)RANK的轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),RANK過度表達(dá)會導(dǎo)致牙齒萌出異常、牙根直徑減小及牙根伸長。這種牙根伸長可能與HERS細(xì)胞和鄰近的濾泡囊間充質(zhì)細(xì)胞增殖有關(guān)。這些研究建立的骨吸收水平和牙根直徑之間的反向關(guān)系可以解釋破骨細(xì)胞功能紊亂的疾病中出現(xiàn)的部分牙根缺損。此外,在畸形性骨炎中,功能突變的RANK基因增加,這些突變增加了RANK信號肽的長度,改變了其正常切割,這被認(rèn)為是導(dǎo)致NF-κb途徑過度激活的原因。這種RANK信號通路的過度激活導(dǎo)致了過度的破骨活性,從而增加了骨的轉(zhuǎn)換。因此,調(diào)節(jié)OPG/RANKL/RANK信號通路中各個因子的表達(dá)來抑制或增強(qiáng)破骨細(xì)胞的形成及活性,有助于為預(yù)防和治療牙齒萌出異常提供理論依據(jù)。

        2.2 OPG/RANKL/RANK信號通路與正畸牙齒移動 正畸牙齒移動是在機(jī)械刺激作用下牙槽骨改建、牙周膜重塑的過程。骨改建是壓力部位的骨吸收及張力部位的骨形成過程。正畸牙齒移動可以根據(jù)外力大小和牙周膜的生物反應(yīng)進(jìn)行控制。施加在牙齒上的力會由于血流改變而改變牙周膜周圍的微環(huán)境,導(dǎo)致不同炎癥介質(zhì)的分泌,如細(xì)胞因子、生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)、集落刺激因子等[17]。牙齒移動的早期階段涉及急性炎癥反應(yīng),其特征是白細(xì)胞從毛細(xì)血管中遷移出來并產(chǎn)生細(xì)胞因子,刺激分泌前列腺素(phenyl glycidyl ether,PGE)和生長因子[18]。急性期之后為慢性期,涉及成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的骨重建過程。有研究在貓的牙齒上建立正畸模型,施加80 g的力量逐漸向遠(yuǎn)中移動,正畸治療引起的機(jī)械應(yīng)力增加了牙周膜中PGE和白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-1β的產(chǎn)生,張力側(cè)PGE、IL-1β水平最高[19]。Nakao等[20]對牙齒施加間歇性機(jī)械力發(fā)現(xiàn),牙周膜細(xì)胞會產(chǎn)生局部炎癥因子PGE2、IL-1β等;在牙周膜受牽引側(cè),炎癥因子通過誘導(dǎo)OPG在牙周膜細(xì)胞中表達(dá),成骨細(xì)胞大量增殖分化,沿牙槽骨產(chǎn)生并沉積新生骨組織;而在牙周膜受壓側(cè),RANKL基因和蛋白表達(dá)明顯增加,破骨細(xì)胞數(shù)目上升,出現(xiàn)牙槽骨吸收;此外,隨著機(jī)械力刺激不斷增加,人牙周膜受牽引側(cè)的細(xì)胞中OPG表達(dá)不斷上調(diào),而牙周膜受壓側(cè)細(xì)胞RANKL表達(dá)逐漸下降,并且呈現(xiàn)出一定的時間和強(qiáng)度依賴性。Wu等[21]研究也發(fā)現(xiàn),通過靜脈注射MicroRNA-21可調(diào)節(jié)牙周膜細(xì)胞RANKL/OPG的比值,進(jìn)而控制正畸牙齒移動。在正畸牙齒移動過程中,RANKL和牙根吸收之間也存在相關(guān)性,并且牙根吸收的患者在受壓部位產(chǎn)生了大量RANKL[22]。

        在牙槽骨組織中,OPG/RANKL/RANK信號通路的相關(guān)因子表達(dá)受多通路調(diào)節(jié),其中Wnt/β-catenin經(jīng)典通路在其調(diào)節(jié)牙槽骨改建過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Wnt是一種分泌脂質(zhì)修飾信號的糖蛋白,當(dāng)存在刺激信號時,可與跨膜受體卷曲蛋白,低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白5/6特異性結(jié)合,減弱β-catenin的磷酸化降解,使細(xì)胞質(zhì)內(nèi)β-catenin含量增加。當(dāng)β-catenin蛋白積累到一定量時,可進(jìn)入細(xì)胞核與TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合,直接激活下游靶基因OPG發(fā)生轉(zhuǎn)錄,使其蛋白表達(dá)上調(diào),促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化[23]。

        由此可見,正畸牙齒移動是牙周膜反應(yīng)和牙槽骨適應(yīng)性改建的結(jié)果,與成骨和破骨細(xì)胞分化密切相關(guān)。OPG/RANKL/RANK信號通路構(gòu)成調(diào)節(jié)成骨和破骨細(xì)胞分化和功能的平衡系統(tǒng),在適當(dāng)?shù)恼ψ饔孟拢w內(nèi)各種骨代謝調(diào)節(jié)因子通過多通路調(diào)控RANKL和/或OPG的表達(dá),影響成骨細(xì)胞、基質(zhì)細(xì)胞和破骨細(xì)胞等分化和成熟,對牙槽骨代謝產(chǎn)生影響,進(jìn)而促進(jìn)牙齒移動并重新獲得穩(wěn)固。

        3 OPG/RANKL/RANK信號通路與病理性牙槽骨代謝

        牙周炎是一種常見的骨質(zhì)破壞性疾病,在我國成年人中的患病率>50%[24],最終可導(dǎo)致破骨細(xì)胞增加及牙槽骨吸收。有研究發(fā)現(xiàn),感染牙周炎的小鼠出現(xiàn)進(jìn)行性骨吸收,首先是中性粒細(xì)胞浸潤,然后是Th1和Th2細(xì)胞浸潤,以及Th17細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞結(jié)束[25]。牙齦炎被認(rèn)為是無骨質(zhì)流失的牙周炎的前期階段。與牙齦炎相比,牙周炎病變中有更多的巨噬細(xì)胞和漿細(xì)胞[26]。典型的牙周炎是浸潤的結(jié)締組織面積增加,這個區(qū)域含有更多分泌IL-17的Th17細(xì)胞。IL-17是一種典型的晚期牙周炎細(xì)胞因子,在激活破骨細(xì)胞方面起重要作用。RANKL被認(rèn)為是破骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵分化因子[27]。浸潤的T細(xì)胞和B細(xì)胞表達(dá)RANKL。RANKL胞外的受體結(jié)合結(jié)構(gòu)域與破骨前體細(xì)胞膜上的RANK結(jié)合后,NF-κB抑制物激酶被激活,使NF-κB特異性抑制因子IκB發(fā)生絲氨酸磷酸化降解,NF-κB、p50和p65隨之活化轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi),引起下游c-Fos表達(dá)的增加,c-Fos進(jìn)一步與活化的T細(xì)胞核因子結(jié)合并相互作用,啟動破骨細(xì)胞基因轉(zhuǎn)錄,最終誘導(dǎo)成熟的破骨細(xì)胞形成,導(dǎo)致牙槽骨吸收。此外,RANK和RANKL結(jié)合也可激活TRAF6,通過活化ASK1激酶使ERK、JNK和p38發(fā)生磷酸化,激活MAPKs信號通路,從而調(diào)節(jié)激活蛋白-1的表達(dá),最后促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成[28]。有研究檢測RANKL在實(shí)驗性牙周炎牙槽骨骨細(xì)胞中的蛋白表達(dá)水平,結(jié)果顯示,表達(dá)RANKL的骨細(xì)胞在早期(1~3 d)比例增加,與破骨細(xì)胞的誘導(dǎo)相似;在培養(yǎng)后期,表達(dá)RANKL的骨細(xì)胞比例隨著破骨細(xì)胞數(shù)量的減少而減少[29]。體內(nèi)RANKL的這種上調(diào)可能受到細(xì)菌產(chǎn)物(如脂多糖)的直接影響,這些細(xì)菌產(chǎn)物可能穿透牙周組織,深至含有骨細(xì)胞的牙槽骨。另有研究表明,脂多糖上調(diào)了骨樣細(xì)胞系MLO-Y4中RANKL的表達(dá)[30]。由于DMP-1啟動子對骨細(xì)胞具有相對特異性,利用Cre重組酶有條件地刪除RANKL,可以在骨細(xì)胞中特異性地刪除RANKL。值得注意的是,這個缺乏RANKL的模型會顯示出生長遲緩和骨化,表明骨細(xì)胞誘導(dǎo)的RANKL在骨重建中的特定作用[31]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),JNK抑制劑(JNK-IN-IX)也可通過RANKL/OPG通路來抑制破骨細(xì)胞的作用,對大鼠牙周炎引起的牙槽骨吸收有治療作用,有關(guān)其對臨床牙周炎患者的有效性需進(jìn)一步研究證實(shí)[32]。因此,局部靶向控制骨細(xì)胞RANKL的表達(dá)可能是干擾牙周炎進(jìn)展的一種方法。

        OPG是RANKL的誘餌受體,在骨穩(wěn)態(tài)中起著重要的骨保護(hù)作用。在體外,口腔細(xì)菌和破骨細(xì)胞衍生的蛋白酶被證明能夠裂解OPG并促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。OPG基因缺陷小鼠自發(fā)發(fā)生嚴(yán)重的牙槽骨丟失,表明牙槽骨丟失不僅與RANKL的上調(diào)有關(guān),而且與OPG的下調(diào)和/或降解有關(guān)[33]。免疫細(xì)胞來源的炎癥細(xì)胞因子,如IL-17、TNF、IL-1β以及細(xì)菌成分(如脂多糖)可上調(diào)成骨細(xì)胞的RANKL/OPG比值。因此,這些因素可能通過在牙周炎過程中誘導(dǎo)牙槽骨中破骨細(xì)胞形成而導(dǎo)致骨損傷。因此,降低RANKL的高表達(dá)或調(diào)節(jié)RANKL/OPG的比值,同時進(jìn)行適當(dāng)?shù)母腥究刂?,可能是預(yù)防牙周炎骨損傷的一種有效策略。

        4 小結(jié)

        OPG/RANKL/RANK信號通路是骨質(zhì)破壞的最終通路,RANKL與RANK結(jié)合后可刺激下游的多個信號級聯(lián)反應(yīng)和關(guān)鍵因子促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成、分化和功能,而OPG可通過阻斷RANK和RANKL的結(jié)合從而抑制破骨細(xì)胞的分化和激活,在牙槽骨代謝中起著重要作用。對OPG/RANKL/RANK信號通路的生物學(xué)效應(yīng)及其在生理性牙槽骨代謝,如牙齒萌出、正畸牙齒移動和病理性牙槽骨代謝如牙周炎疾病中的作用進(jìn)行研究,可為預(yù)防和治療牙齒萌出異常、促進(jìn)正畸牙齒移動和重新獲得穩(wěn)固及預(yù)防牙周炎骨損傷提供理論依據(jù),同時也有助于更好地理解牙槽骨生理性和病理性改建的機(jī)制。

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