姜倩綜述張疆弢 審校

遵義醫(yī)科大學附屬口腔醫(yī)院正畸科，貴州 遵義 563003

自然界中存在多種多樣的節(jié)律模式，其中晝夜生物鐘節(jié)律是被研究最廣泛的生物節(jié)律之一。晝夜生物鐘節(jié)律是以近24 h為周期單位的內(nèi)源性系統(tǒng)，由生物鐘基因及受其調(diào)控的蛋白質(zhì)表達改變所介導的的晝夜節(jié)律振蕩。晝夜節(jié)律可由體內(nèi)外因素發(fā)生改變，機體再根據(jù)節(jié)律變化調(diào)控生理活動和行為進程。這些因素包括生物體進食時間及社會活動，以及外界環(huán)境中的光照、溫度循環(huán)等[1]。晝夜生物鐘節(jié)律與生物體的生理活動密不可分，在免疫、代謝包括骨改建等方面發(fā)揮著重要作用，這樣的節(jié)律性是哺乳動物生理學的基本特征。除此之外，正常的晝夜生物鐘節(jié)律對健康至關(guān)重要，當晝夜生物鐘節(jié)律紊亂時，更容易導致癌癥、心血管及內(nèi)分泌等疾病的發(fā)生[2]。

正畸是改善牙頜面關(guān)系不調(diào)的治療方式，其中骨改建是正畸治療的重要作用機制和生物學基礎(chǔ)。分別由成骨細胞及破骨細胞介導的骨形成和骨吸收，最終兩者相互協(xié)調(diào)達到動態(tài)平衡。近年來，越來越多的學者發(fā)現(xiàn)晝夜生物鐘節(jié)律與口腔的正畸治療存在著緊密聯(lián)系。晝夜生物鐘節(jié)律除了參與調(diào)控長骨骨代謝，也對正畸治療中牙槽骨改建、頜骨的生長發(fā)育等產(chǎn)生影響，但其具體的作用機制尚未明確[3-4]。本文就晝夜生物鐘節(jié)律在正畸治療中的作用、機制及臨床意義進行綜述，為晝夜節(jié)律指導正畸治療的臨床應(yīng)用提供科學的理論依據(jù)，加快推進晝夜生物鐘節(jié)律在正畸治療中的臨床應(yīng)用研究。

1 晝夜生物鐘節(jié)律對頜骨生長發(fā)育的影響

在顱頜面生長發(fā)育過程中，可因先天遺傳、后天環(huán)境因素出現(xiàn)錯畸形，表現(xiàn)為牙頜面的關(guān)系不調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)晝夜生物鐘基因在頜骨中表達，參與頜骨的生長發(fā)育[5-6]。周鑫等認為骨性下頜骨發(fā)育不良(Skeletal mandibular hypoplasia，SMH)青少年與下頜骨發(fā)育正常青少年的下頜骨中核心生物鐘基因的表達存在差異，并發(fā)現(xiàn)SMH患者的Clock、Bmal1、Per1、Cry2等生物鐘節(jié)律基因的mRNA及蛋白表達明顯降低，而Cry1的mRNA及蛋白表達增加，其中以節(jié)律基因Bmal1的表達改變最為顯著，初步證實了晝夜生物鐘節(jié)律與SMH之間存在緊密關(guān)聯(lián)性[5]。在隨后的驗證研究中，Bmal1-/-小鼠同樣出現(xiàn)下頜骨的發(fā)育不足[6]。

核心生物鐘Bmal1還調(diào)控軟骨細胞的生長、分化，髁突軟骨成骨是下頜骨生長發(fā)育的重要方式之一[7-10]。HIRAI發(fā)現(xiàn)Bmal1-/-小鼠的下頜骨髁突中同樣呈現(xiàn)為類似表型，表現(xiàn)為髁突發(fā)育不良及過早老化[7]。晝夜生物鐘節(jié)律紊亂導致核心生物鐘Bmal1表達降低、炎癥因子IL-6表達增加，最終顳下頜關(guān)節(jié)呈骨關(guān)節(jié)炎樣組織病理學改變，表現(xiàn)為不規(guī)則的髁突軟骨，細胞排列錯亂。其中COL2作為軟骨ECM中重要的組成蛋白，會隨著Bmal1的表達而變化[8]。但髁突軟骨中核心生物鐘Bmal1表達會隨著年齡增加逐漸下降，其轉(zhuǎn)錄作用也會隨著下頜骨髁突的發(fā)育而逐漸降低[9]。目前認為過表達的Bmal1有利于抑制顳下頜關(guān)節(jié)的骨關(guān)節(jié)炎[8]。同時，過表達Bmal1的骨髓間充質(zhì)干細胞在體外有著較好的遷移能力，在體內(nèi)局部移植后減少髁突破骨細胞的活性，對關(guān)節(jié)軟骨具有良好的再生作用[10]。一旦缺乏核心生物鐘Bmal1的表達，則不利于下頜骨髁突中軟骨形成及軟骨內(nèi)成骨。晝夜生物鐘節(jié)律及相關(guān)基因在頜骨生長發(fā)育中具有積極意義，也為錯畸形的防治增加了新的思路。

2 晝夜生物鐘節(jié)律對正畸治療的影響

在不同時間段進行正畸治療，牙齒移動量及牙周組織改建的變化也有所不同。IGARASHI等[11]進行了為期21 d的大鼠正畸牙近中移動實驗，根據(jù)正畸治療時間段將其分全天組、白天組及夜晚組，發(fā)現(xiàn)大鼠正畸療效因所選擇的治療時間段發(fā)生改變。首先，白天組的牙齒移動距離不僅是黑夜組的近兩倍，其壓力區(qū)破骨細胞數(shù)量及張力側(cè)骨形成也較黑夜組多，表明正畸力作用下的骨吸收及骨形成在白天組更為活躍；其次，雖然全天組和白天組的牙齒移動距離差距不大，但白天組中牙周膜透明樣變的范圍及牙根吸收較少[11]。在不同時間段施加矯形力牽引下頜向后移動的大鼠正畸實驗?zāi)Ｐ椭?，同樣也觀察到了類似現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)白天組較黑夜組更有效地抑制髁突生長及軟骨細胞的分化及增殖[12]。由于大鼠是夜間動物，即白天屬于休息時間，提示在休息時間施加矯治力，不僅能獲得良好的正畸療效，還可減少牙周膜透明樣變、牙根吸收等牙周損害的發(fā)生，這將對臨床正畸時間的選擇具有重要的指導意義。除此之外，研究還發(fā)現(xiàn)進行牽張成骨的山羊成骨細胞增殖活性呈現(xiàn)晝夜節(jié)律波動，峰值均出現(xiàn)于晚19：44～19：47，而谷值出現(xiàn)于早7：44～7：47[13]，成骨相關(guān)基因峰值也呈現(xiàn)晝高夜低的節(jié)律性[6]。這是否意味著骨形成在夜間更為活躍，因此在此基礎(chǔ)上或許可探索出正畸治療的恰當時間點。

正畸患者常感覺到疼痛，是因為正畸力作用引起炎癥因子釋放，同時這一主觀癥狀與性別及年齡有關(guān)[14]。目前已有研究證明正畸疼痛也與晝夜節(jié)律有關(guān)，在進行上頜快速擴弓的青春發(fā)育高峰期患者中，顯示疼痛值峰值出現(xiàn)于24：00左右，谷值出現(xiàn)于12：00左右。由此建議正畸擴弓加力在午間進行，此時疼痛值為最低[15]。除此，在固定矯治使用弓絲排齊牙列時，正畸疼痛感有著顯著的晝夜變化，特別是在施加正畸力后的前2 d[16]。當早上施加正畸力后，疼痛最劇烈的時期發(fā)生在下午和夜晚之間[16]。因此，了解晝夜生物鐘節(jié)律有助于獲得更好的生物療效及疼痛控制，甚至縮短正畸時間，對正畸臨床治療有著指導意義。

3 晝夜生物鐘節(jié)律在正畸治療中作用機制

骨組織的代謝過程復雜，受到多種激素、多種因子和交互關(guān)聯(lián)的信號通路的調(diào)控。骨改建作為重要的骨代謝過程，主要受到旁分泌和遠距分泌作用影響。即成骨細胞及破骨細胞等受到旁分泌產(chǎn)生的局部效應(yīng)影響，以及通過遠距分泌的全身性激素如瘦素、甲狀旁腺激素、褪黑素等產(chǎn)生全身性系統(tǒng)效應(yīng)影響。因此，接下來將重點闡述局部因素和全身性因素對晝夜生物鐘節(jié)律介導正畸骨改建的具體機制。

3.1 晝夜生物鐘節(jié)律對局部作用調(diào)控骨改建的影響研究表明局部的作用因素可以通過影響成骨細胞、破骨細胞及牙周膜成纖維細胞等介導正畸治療過程。有學者在體外以地塞米松模擬生物鐘傳出信號，研究牙周膜細胞在機械負荷下成骨相關(guān)基因如Ⅰ型膠原蛋白、骨橋蛋白、骨涎蛋白的表達水平變化。研究發(fā)現(xiàn)，空白對照組即無應(yīng)力作用下的牙周膜細胞中成骨相關(guān)基因的表達增加，并且表達變化極大程度地與生物鐘基因Per1保持一致[17]。

晝夜生物鐘節(jié)律同樣對破骨細胞產(chǎn)生影響，通過改變光照起始時間的方法構(gòu)建時差晝夜節(jié)律紊亂動物模型，結(jié)果顯示小鼠的下頜骨發(fā)育水平低于正常晝夜節(jié)律的野生型小鼠，其中骨量及骨細胞數(shù)目下降且破骨細胞數(shù)目增加[5]。在Bmal1-/-小鼠中同樣證實上述結(jié)果，并在下頜骨中顯著地上調(diào)了基質(zhì)金屬蛋白酶3(Matrix metallopeptidase 3，MMP3)的表達。特別是當Bmal1表達的缺乏時，不僅可通過影響p65的磷酸化來間接上調(diào)MMP3的表達，還能下調(diào)骨保護素(Osteoprotegerin，OPG)的表達增加破骨細胞的分化，從而導致抑制下頜骨的發(fā)育[5-6]。

另外，牙周膜細胞中也檢測出核心生物鐘基因Clock、Bmal1、Per1、Per2的mRNA表達[4]。近期研究表明，牙周膜細胞中的Bmal1參與正畸機械力的傳導，促進破骨細胞前體細胞遷移和分化的功能[18]。初步推測晝夜生物鐘節(jié)律可以通過調(diào)控牙周膜細胞中節(jié)律基因的表達來影響正畸過程。以上實驗結(jié)果均為晝夜生物鐘節(jié)律參與正畸骨改建進程的可能提供了直接證據(jù)，同時晝夜生物鐘節(jié)律正常與否關(guān)系著骨的生理活動。當晝夜生物鐘節(jié)律發(fā)生紊亂時，可引起成骨細胞及破骨細胞的功能改變，其增殖、分化能力受損，導致骨形成與骨吸收失衡，最終對正畸的骨改建產(chǎn)生不利影響，阻礙了正畸的正常進展[17，19]。

3.2 晝夜生物鐘節(jié)律對全身作用調(diào)控骨改建的影響

3.2.1 瘦素瘦素是來源于脂肪組織的多功能激素，具有調(diào)控食物攝取、新陳代謝及內(nèi)分泌等功能[20]。瘦素對骨組織有雙重作用，影響成骨和破骨細胞的增殖和分化，在骨形成和骨吸收中發(fā)揮作用[20-21]。晝夜生物鐘節(jié)律紊亂會引發(fā)代謝紊亂，出現(xiàn)肥胖、代謝綜合征等，肥胖患者的瘦素水平高于非肥胖患者[20-21]。在正畸治療中，唾液中的瘦素水平與正畸牙移動速率呈正相關(guān)，但齦溝液中的瘦素水平會隨著牙齒的移動降低[22-23]。肥胖患者的血清中瘦素水平高于非肥胖患者，肥胖患者的平均正畸牙移動速率較低[23]。瘦素與破骨細胞中瘦素受體作用后，通過下調(diào)RANKL表達抑制了破骨細胞的生成及功能[24]。另一方面，BOTERO等[25]認為肥胖加重了正畸力下的骨改建炎癥反應(yīng)，促進了正畸牙周圍牙槽骨的喪失，表現(xiàn)為肥胖患者正畸牙周圍牙槽骨的骨體積和骨密度低于非肥胖患者。肥胖不僅影響顱頜面的生長發(fā)育，且通過瘦素對骨組織的雙重作用及炎癥反應(yīng)參與正畸骨改建，影響正畸牙移動的速率。

3.2.2 甲狀旁腺激素甲狀旁腺激素主要由甲狀旁腺合成分泌，是調(diào)節(jié)細胞外鈣及磷酸鹽水平的主要內(nèi)分泌分子。甲狀旁腺激素對骨組織有雙重作用，可調(diào)節(jié)軟骨的生物鐘[26]。甲狀旁腺激素呈晝夜節(jié)律表達，峰值出現(xiàn)在12:00左右[27]。在近期研究發(fā)現(xiàn)甲狀旁腺中也存在生物鐘，晝夜生物鐘基因在甲狀旁腺中呈有規(guī)律的晝夜節(jié)律表達[28]。HANYU等[29]認為Per1可作為骨中甲狀旁腺激素信號傳導的特殊靶點，因甲狀旁腺激素促進晝夜生物鐘基因Per1表達水平，增加股骨、脛骨等長骨的骨密度值和骨小梁厚度及數(shù)量。甲狀旁腺激素促進正畸骨改建進程，可加快正畸牙移動速率[30-31]。甲狀腺激素常用于治療骨質(zhì)疏松，雖然不能促進骨質(zhì)疏松大鼠的正畸牙移動速率，但有利于降低正畸治療的復發(fā)率[32]。正畸治療大鼠經(jīng)短期局部注射甲狀旁腺激素后，通過增加RANKL表達以促進破骨細胞的增殖分化，并且增加胰島素樣生長因子-1表達以促進成骨細胞的增殖分化，表明甲狀旁腺激素同時對破骨細胞和成骨細胞具有促進作用[31，33]。

3.2.3 褪黑素褪黑素主要由腦松果體分泌，受到光照循環(huán)的影響呈現(xiàn)晝低夜高的節(jié)律性，參與促進良好的睡眠和穩(wěn)定的晝夜生物鐘節(jié)律[34]。缺乏褪黑素不利于骨組織的健康。褪黑素通過減少RANKL的合成以抑制破骨細胞的形成，直接抑制破骨細胞前體向成熟破骨細胞的分化，促進成熟破骨細胞的細胞凋亡以抑制骨吸收；通過增加OPG的合成以促進成骨細胞分化以促進骨形成[35-37]。褪黑素有助于牙周膜干細胞在長期傳代中恢復自噬，減弱細胞衰老機制，使其恢復干細胞活性[38]。在大鼠上頜快速擴弓研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)腹腔注射褪黑素后，導致血清中堿性磷酸酶水平的增加且降低了IL-1、IL-6的表達，推測褪黑素可能有助于加速骨形成及防止快速擴弓后的復發(fā)[32]。當睡眠不規(guī)律導致晝夜生物鐘節(jié)律發(fā)生紊亂時，褪黑素的表達水平也隨之降低。研究發(fā)現(xiàn)夜班人員的唾液褪黑素低于非夜班人員，其口腔牙周組織炎癥較也高于非夜班人員[33]。這提示了褪黑素可在一定程度上減輕炎癥反應(yīng)，在牙周組織改建及健康中有著重要意義。

綜上所述，這些激素分別受晝夜生物鐘節(jié)律的調(diào)控，并且在正畸治療中發(fā)揮著不可或缺的作用。這意味著規(guī)律的晝夜生物鐘節(jié)律使正畸骨改建在健康的狀態(tài)下發(fā)生，促進骨吸收和骨形成，影響著正畸牙移動的速率，并有益于正畸治療后骨組織的穩(wěn)定與保持。

4 展望

晝夜生物鐘節(jié)律與正畸治療之間存在著密切關(guān)聯(lián)，但目前關(guān)于晝夜生物鐘節(jié)律與骨改建的研究中，多數(shù)以脛骨、股骨等長骨為研究對象，缺乏晝夜生物鐘節(jié)律與牙槽骨改建廣泛而深入的直接研究。其中僅有細胞水平的體外實驗具有一定的局限性，為了更好地探討晝夜生物鐘節(jié)律在正畸骨改建中的作用及分子機制，在體外實驗的基礎(chǔ)上還需要結(jié)合體內(nèi)實驗，并且進一步考慮轉(zhuǎn)錄及翻譯后調(diào)控對其蛋白表達的影響，以明確其具體的調(diào)控作用。晝夜生物鐘節(jié)律作為正畸骨改建的新方向，其介導骨改建或?qū)⒊蔀榻窈笳委熤械难芯繜狳c和最具發(fā)展?jié)摿Φ难芯恐弧?/p>