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骨膜蛋白与牙周病关系的研究进展

2019-05-01 00:00:58
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作者:刘倩,黄萍,郭淑娟,四川大学华西口腔医院牙周病科

骨膜蛋白(periostin),是一种细胞外基质蛋白,特异性表达于骨膜与牙周膜组织,在心脏、肺、肿瘤组织中也有表达。骨膜蛋白不仅与牙齿及骨组织的形成、矿化、重建密切相关,与癌症、心血管疾病、肺脏疾病等也有关联,在机体生理病理等各方面都发挥着重要作用。骨膜蛋白与牙周组织的发育、结构和功能的稳定性、牙周炎的发生发展都密切相关。近年来发现骨膜蛋白能促进牙周来源的干细胞的黏附,对牙周炎的治疗、牙周组织修复再生有潜在的积极作用。本文对骨膜蛋白与牙周组织及牙周炎的关系进行综述。

1. 骨膜蛋白的概况

骨膜蛋白由Takeshita在MC3T1-E1细胞系中发现和鉴定,命名为成骨细胞特异性因子-2(osteoblast specific factor-2,OSF-2),因其特异性分布于牙周膜与骨膜,为了避免混淆,更名为periostin,简称POSTN。骨膜蛋白含811个氨基酸,相对分子质量约为9×104,为二硫键连接的高分子糖蛋白,分为4个区域:含信号序列的氨基端;富半胱氨酸区(CRD或EMI结构域);由4个重复的氨基酸序列组成的区域(FAS结构域);羧基末端区域。骨膜蛋白缺乏跨膜区域,FAS结构域与昆虫的成束蛋白-1(fasciclin 1,FAS-1)相似,FAS-1是神经元细胞的相关黏附分子。鼠类骨膜蛋白基因位于17号染色体,人类骨膜蛋白基因定位于6p21。

骨膜蛋白在成人和胚胎的多种组织中均有不同程度表达,主要表达于骨膜和牙周膜,在心脏瓣膜、角膜、肺等亦有表达。心脏疾病、癌症组织、损伤组织中骨膜蛋白表达较高。骨膜中骨膜蛋白主要由前成骨细胞分泌,调节成骨细胞的黏附、迁移及分化等,参与骨形成和重建。

风湿性心脏病或心肌缺血后修复过程中骨膜蛋白表达增加,参与调控心脏原始细胞的分化,有利于受损心脏组织的修复与重建,可作为心脏疾病标记物。骨膜蛋白在多种癌症中高表达,表达水平越高预后越差,可促进肿瘤组织的转移和上皮-间叶转化,但同时又可促进成纤维细胞分泌细胞外基质形成包膜抑制肿瘤,其作用机制有待深入研究。骨膜蛋白与组织受损及修复相关,骨折、风湿性心脏病、牙周炎等过程中骨膜蛋白表达增加。

骨膜蛋白的表达受多种因素的调节,如机械力、炎症、高糖环境、雌激素、生长因子等。在机械应力大、富含胶原的组织中,骨膜蛋白高表达且随着机械应力的增加而增加。外力作用下牙周膜中骨膜蛋白表达增加,缺乏机械应力时骨膜蛋白表达大幅下降,循环应力可通过FAK-依赖的通路上调骨膜蛋白表达。

牙周炎中骨膜蛋白表达随疾病发展和炎症加重而逐渐降低,但牙周炎患者来源的牙周膜干细胞(periodontal ligament stem cells,PDLSCs)的骨膜蛋白表达明显高于非牙周炎患者,其在炎症环境下表达规律有待研究。高糖微环境可以激活PI3K/Akt通路使骨膜蛋白过表达,促进人PDLSCs迁移能力增强。雌激素能够使PDLSCs中骨膜蛋白表达升高,促进细胞的增殖、分化、成骨等活性。转化生长因子-β(transforming growth factor beta,TGF-β)、骨形态发生蛋白-2(bone morphogenetic protein-2,BMP-2)能强有力诱导多种细胞表达骨膜蛋白,促进新骨形成。此外,血管紧张素Ⅱ(angiotensinⅡ)、成纤维细胞生长因子(fibroblast growth factor,FGF)、血小板衍生生长因子-BB(platelet derived growth factor-BB,PDGF-BB)、白细胞介素-4(interleukin-4,IL-4)、白细胞介素-13(interleukin-13,IL-13)等均可增加骨膜蛋白的表达,而表皮细胞生长因子(epidermal growth factor,EGF)和1,25-(OH)2D3等可降低MC3T3-E1细胞系中骨膜蛋白的表达。

2. 骨膜蛋白与牙周组织的关系

牙周膜是围绕牙根并连接牙根和牙槽骨的富含血管、细胞的致密结缔组织,含丰富的胶原纤维和细胞外基质。牙周膜将牙齿锚定在牙槽骨内,吸收和分散应力,保护牙齿,并在外力作用下适应性改建。胶原纤维正常的结构、排布是牙周膜发挥生理功能的基础。细胞外基质对维持牙周膜的代谢、结构的稳定、细胞分化、迁移及存活等有重要作用。

2.1 骨膜蛋白在牙周组织中的表达

骨膜蛋白最初在胚胎E9.5 d第一腮弓上皮表达,然后转移到底层的外胚间充质;早期上皮-间质相互作用中骨膜蛋白不对称地定位于舌/腭侧和颊侧;牙胚钟状期和硬组织形成阶段牙乳头细胞和有分化潜能的成牙本质细胞中也有骨膜蛋白表达。小鼠牙胚帽状期骨膜蛋白主要在内釉上皮与前期成牙本质细胞交界处和牙颈环周围的间叶组织中表达;牙胚钟状期骨膜蛋白还可以出现在牙胚周围的牙囊;出生后局限表达于牙周膜纤维束中并与牙周膜的排布一致。

牙周膜中骨膜蛋白由成纤维细胞和成骨细胞分泌,分布于细胞外基质以及邻近的胶原纤维,在牙根近远中的牙周膜中均匀一致分布,在根分叉处较少。骨膜蛋白还表达于上皮结缔组织连接处或含牙周膜纤维的牙龈,可能介导生理、病理状态下结缔组织和上皮细胞之间相互作用。牙周膜血管内皮也可以表达骨膜蛋白,可能与血管再生等功能相关。

2.2 骨膜蛋白在牙周组织中的作用

骨膜蛋白在牙周组织发育过程中起到重要作用。新生骨膜蛋白(-/-)小鼠牙及牙周组织基本正常;第4周萌出的磨牙牙周膜间隙增宽;第3月牙周膜受到显著影响,影像学显示牙槽骨破坏显著,组织切片显示牙周膜中破骨细胞活跃、中性粒细胞浸润明显,局部牙周膜组织向肉芽组织转变。随时间进展,骨膜蛋白(-/-)小鼠牙周支持组织显著丧失,牙齿过早发生病理性移位或脱落。发育成熟的牙周组织中骨膜蛋白可维持牙周膜稳定性。

细胞外基质是细胞赖以生存的微环境,影响细胞形态、功能,调节其分化、黏附、迁移等。作为细胞外基质蛋白家族的一员,骨膜蛋白可能通过与整合素受体αvβ3、αvβ5结合,来促进成骨细胞、成纤维细胞等多种细胞的募集、黏附和迁移;骨膜蛋白还能调节牙周膜与骨膜中前成骨细胞、成纤维细胞的分化;压力条件下骨膜蛋白与Notch1前体结合上调B淋巴细胞瘤-xL(B-cell lymphoma-extralarge,Bcl-xL)表达从而抑制细胞死亡,且骨膜蛋白能通过AKT/PKB/mTOR通路促进细胞存活。

缺乏骨膜蛋白会导致重要的细胞外基质蛋白如纤连蛋白(fibronectin,FN)、肌腱蛋白C(tenascin C)等的分布发生改变,使细胞外基质微环境紊乱,影响牙周膜稳态。牙周膜中胶原纤维的发生及结构的稳定是维持牙周膜稳态的基础。

研究证实,骨膜蛋白能与Ⅰ型胶原直接作用,调节胶原纤维发生和纤维化过程,是牙周膜生物力学性能的重要调节分子。去除小鼠磨牙咬合力后,随着牙周膜中骨膜蛋白水平减少,胶原纤维变薄、数量减少,排列混乱,最终失去网状结构。骨膜蛋白(-/-)小鼠牙周膜胶原纤维排布杂乱,Ⅰ型胶原、纤连蛋白不均匀分布。

由此可见,骨膜蛋白与牙周膜胶原纤维的发生及稳定关系密切。心脏中骨膜蛋白能与整合素αVβ3、αVβ1结合,通过Rho和PI3K依赖的通路启动胶原交联或压力传导信号,牙周膜中骨膜蛋白可能通过类似的信号通路发挥作用。牙周膜的主要功能是吸收分散咬合应力并在应力下进行适应性改建,骨膜蛋白(-/-)小鼠牙齿一旦承受咬合力会发生快速进展性牙周炎样变化,牙周膜的正常功能及其完整性受损,去除咬合应力后牙周损害进程减慢,牙周状况明显改善。同时,牙齿移动过程中压力侧细胞死亡增加,但骨膜蛋白的表达在牙根的压力侧高于张力侧,且骨膜蛋白能抑制细胞死亡,因此对压力侧细胞起到保护作用。这对于牙周膜进行适应新改建有积极作用。有效的牙周附着需要穿通纤维的形成。

正常小鼠成牙骨质细胞黏附于牙根表面,有效促进牙周附着形成,而骨膜蛋白(-/-)小鼠成牙骨质细胞难以附着于牙根表面,从而难以形成有效的牙周附着。剪切区(shear zone)位于牙周膜中间区域,呈绞剪状,与牙周膜重塑及改建密切相关。骨膜蛋白限制性分布于剪切区,其与剪切区的胶原基质的重塑密切相关,但骨膜蛋白(-/-)小鼠缺乏剪切区,其牙周膜稳态的维持也受到威胁。

3. 骨膜蛋白与牙周炎的关系

骨膜蛋白影响着牙周组织结构及功能的完整性,与牙周病的发生发展密切相关,有望应用于牙周炎的诊断与治疗。牙周炎患者龈沟液的骨膜蛋白水平低于健康组(P<0.05),且随牙周炎进展和严重程度的增加而进一步降低。侵袭性牙周炎患者龈沟液的骨膜蛋白水平较慢性牙周炎组及健康组更低(P<0.001)。动物实验显示:随牙周炎病程进展,牙槽骨吸收增加,骨膜蛋白水平逐渐降低(P<0.001),骨膜蛋白水平与骨丧失程度呈负相关(P=-0.545,P<0.001),进一步研究发现肿瘤坏死因子-α(tumor necrosisfactor-α,TNF-α)、牙龈卟啉单胞菌脂多糖能降低骨膜蛋白的表达。

由于牙周炎过程中骨膜蛋白水平下降,牙周膜稳定性降低,因此在正常咬合力作用下更易发生炎性浸润、骨丧失和牙周膜破坏。骨膜蛋白减少可能是由于炎症环境下成纤维细胞数量不足,或者炎症抑制了蛋白分泌。对牙周病进行积极干预后,龈沟液骨膜蛋白水平出现一过性增加。Kumaresan等的实验结果也显示牙周治疗后骨膜蛋白持续显著升高(P<0.001)。骨膜蛋白可能在牙周组织的损伤应答与重建中发挥着积极作用,有望成为评价牙周炎诊断与治疗的生物学指标。

牙周炎患者的牙周膜常呈低氧环境,Aukkarasongsup等研究显示,低氧环境下骨膜蛋白能够抑制TGF-β/SMAD2-β蛋白信号通路,减少缺氧诱导因子(hypoxia induible factor,HIF)-1α,从而减少细胞的凋亡,这对牙周炎的治疗具有积极的意义。

4. 骨膜蛋白与牙周再生的关系

牙周病的治疗目标不仅是控制牙周疾病的发生发展,更要促进已破坏丧失的牙周支持组织再生,即形成新牙周附着。新附着的形成有赖于牙周来源的间充质干细胞的作用,近年来研究发现骨膜蛋白对牙周膜干细胞有积极作用。骨膜蛋白在牙周来源的间充质干细胞促进牙周再生的过程中高表达,研究发现:正常及炎症环境下骨膜蛋白可以促进人牙周膜干细胞的增殖活性、成骨分化、迁移等。

Tang等研究表明,在10 ng·mL-1 TNF-α作用下骨膜蛋白基因敲除的PDLSCs的迁移、骨向分化能力下降,75 ng·mL-1人重组骨膜蛋白可以显著促进其碱性磷酸酶活性水平,以及细胞的迁移、骨向分化等能力。Guo等研究表明:体外诱导炎症环境下骨膜蛋白能通过JNK通路促进PDLSCs的迁移和成骨分化潜能,与Tang的实验结果一致。研究表明,20 mg·L-1骨膜蛋白可以明显增强PDLSCs碱性磷酸酶的活性,40 mg·L-1骨膜蛋白可以明显促进PDLSCs的增殖,且可以显著促进PDLSCs的黏附、伸展和移动。

Galli等研究表明:10 ng·mL-1小鼠重组骨膜蛋白可以促进MC3T3细胞在钛金属表面的黏附能力,并使碱性磷酸酶、骨保护蛋白、结缔组织生长因子、Ⅰ型胶原-α1等表达增加。骨膜蛋白有望应用于牙周组织再生,对牙周炎的治疗有积极意义。

5. 展望

骨膜蛋白与牙周炎的发生发展密切相关并对其治疗有潜在的积极作用,有望应用于牙周疾病的诊断或治疗。现有研究缺乏动物实验及人体试验,难以评价骨膜蛋白在活体中的功能,且在牙周炎患者牙周局部炎症微环境下骨膜蛋白是否能发挥效果仍未可知。将来骨膜蛋白可能作为涂层或以其他形式应用于牙周组织工程治疗牙周炎,但是其来源、剂量、应用形式等问题仍然有待进一步研究。

来源:刘倩,黄萍,郭淑娟.骨膜蛋白与牙周病关系的研究进展[J].华西口腔医学杂志,2018,36(06):681-685.


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