破骨细胞也被称为骨吸收细胞,与其它成分共同组成骨组织｡该细胞起源于骨髓造血系统的破骨细胞前体,在趋化因子作用下进入血液循环,继而到达骨吸收组织处｡在各类因子与酶的作用下,破骨细胞前体进入骨组织并分化成为成熟的破骨细胞｡破骨细胞是人体内唯一能够溶解骨组织的细胞,在骨吸收过程中发挥重要作用[1]｡

根尖周炎是一种根尖周组织内的炎症反应,常由牙髓起源的多种微生物感染所致｡根尖周炎可表现为急性或慢性[2]｡其中,慢性根尖周炎的主要病因是致病性刺激长期刺激根管｡刺激经由根尖孔和根管系统造成了根尖部的组织损伤｡慢性根尖周炎的特征是根尖周围的骨吸收｡随着破骨细胞及其影响因子在慢性根尖周炎发生发展中的重要作用被证实,针对破骨细胞的慢性根尖周炎的治疗方案逐渐引起关注｡慢性根尖周炎中的骨吸收主要是由成骨细胞和破骨细胞的形成和分化失衡引起[3]｡在慢性根尖周炎中,在根管中细菌和毒素的刺激下,淋巴细胞､肥大细胞和巨噬细胞在根尖周组织中释放并聚集,并且释放多种炎症物质[4]｡研究认为,这些细胞分泌的细胞因子可以促进破骨细胞的分化,启动并调节慢性根尖周炎过程[5]｡

本文综述了破骨细胞在慢性根尖周炎发生发展过程中的影响因素,并对其作用机制进行了阐述,旨在为慢性根尖周炎的靶向治疗提供参考｡

1、破骨细胞对慢性根尖周炎的影响及机制

1.1根尖周炎状态下破骨细胞活性增强

在根尖周炎动物模型中,Fan等[6]从健康小鼠与根尖周炎模型小鼠分别提取了下颌骨样本,通过scRNA-seq检测到破骨细胞标志物,包括组织蛋白酶K(cathepsinK,CTSK)､抗酒石酸酸性磷酸酶(acidphosphatase5,ACP5)､基质金属蛋白酶-9(matrixmetalloproteinases9,MMP-9)和活化T细胞核因子1(nuclearfactorofactivatedTcells1,NFATc1)｡亦检测了集落刺激因子-1受体(colonystimulatingfactor1receptor,CSF1R)､趋化因子C-X3-C基序配体1(C-X3-Cmotifchemokinereceptor1,CX3CR1)､整合素α-M(integrinalphaM,ITGAM)和肿瘤坏死因子受体超家族成员11a(tumornecrosisfactorreceptorsuperfamilymember11a,TNFRS11A)用于鉴定破骨细胞前体｡研究结果显示,破骨细胞和破骨细胞前体的标志物在单核细胞和巨噬细胞簇中高度表达｡此外,基因本体(geneontology,GO)分析结果显示,炎症相关的免疫反应和骨吸收活性在巨噬细胞簇中显著富集｡研究者为了进一步研究破骨细胞的分化轨迹,对巨噬细胞和单核细胞簇进行了拟时序分析,结果显示破骨细胞基因,如CTSK､ACP5､MMP-9､囊泡型质子三磷酸腺苷酶亚基D2(ATPaseH+transportingV0subunitD2,ATP6V0D2)和树突状细胞表达的七跨膜蛋白(dendrocyteexpressedseventransmembraneprotein,DCSTAMP)等表达水平逐渐升高,提示着成熟的破骨细胞与单核细胞/巨噬细胞谱系分化,并有助于根尖周炎期间的炎症性骨吸收｡以上研究结果证实了在根尖周炎等炎症相关骨病变中的破骨细胞活性增强｡

1.2破骨细胞活性增强可破坏根尖周组织

破骨细胞通过诱导骨吸收破坏根尖周组织｡破骨细胞分泌蛋白水解酶和盐酸,如CTSK和MMP-9,诱导矿物质溶解与骨降解,导致骨吸收[7,8]｡破骨细胞是一种多核细胞,在单核/巨噬细胞集落刺激因子(macrophagecolony-stimulatingfactor,M-CSF)和核因子受体激活因子(receptoractivatorofnuclearfactor-κB,RANK)及其配体(receptoractivatorfornuclearfactor-κBligand,RANKL)的刺激下,从造血干细胞(hematopoieticstemcells,HSCs)分化而来的｡在慢性根尖周炎进程中,破骨细胞黏附于牙槽骨上,引发骨吸收,继而在骨上形成孔洞,降解产生的钙被释放到血液中,根尖周牙槽骨被破坏[9]｡

2、影响破骨细胞在慢性根尖周炎中作用的因素

2.1核因子E2相关因子2(nuclearfactorerythroidderived2-like2,Nrf2)抑制破骨细胞分化与吸收,控制慢性根尖周炎发展

Nrf2是一种抗氧化基因的中枢调节因子,是一种抗炎分子｡Nrf2缺乏会加重炎症性疾病[10],而Nrf2激活则抑制炎症反应,降低组织损伤[11]｡2016年,Kobayashi等[12]研究证实Nrf2抑制促炎因子的上调,提出了Nrf2作为炎症抑制剂分子基础这一新见解｡Zhu等[10]的进一步研究表明:Nrf2能够启动抗氧化酶的表达,降低细胞内活性氧自由基的水平,抑制破骨细胞的分化和凋亡;Nrf2也可通过抑制NF-κB､活化T细胞核因子(nuclearfactor-activatedTcell1,NFATc1)抑制破骨细胞的分化,控制慢性根尖周炎的进展｡

2.2成纤维细胞激活蛋白α(fibroblastactivationprotein-α,FAPα)和整合素α5(integrinalpha5,ITGA5)促进破骨细胞生成

FAPα是一种Ⅱ型跨膜整合糖蛋白,位于成纤维细胞细胞膜上[13]｡近年来研究表明,FAPα亦表达于胚胎细胞和牙齿干细胞,参与慢性炎症[14]｡整合素是广泛表达在各种细胞的细胞膜表面的粘附分子｡ITGA5在肿瘤､心血管疾病和关节炎等疾病的发生和发展中发挥着重要作用[15-17]｡当身体被致病菌感染时,一旦组织细胞被破坏,细胞膜上的整合素就会暴露,参与细胞信号传导和功能调节[18]｡Liu等[19]研究发现,FAPα和ITGA5在慢性根尖周炎患者的组织中高度表达｡当沉默和抑制FAPα或ITGA5表达时,破骨细胞分化降低｡该研究证明FAPα和ITGA5通过在炎症微环境中形成蛋白复合物参与破骨细胞分化的调控,进而调控慢性根尖周炎的发生发展｡

2.3布鲁顿酪氨酸激酶-磷脂酶Cγ2(Bruton'styrosinekinase-phospholipaseCγ2,Btk-PLCγ2)是骨破坏的关键因素

Btk是非受体Tec酪氨酸激酶家族的一员,主要在淋巴细胞和骨髓细胞中表达[20]｡2008年,Shinohara等[21]首次发现缺乏Btk的小鼠由于骨吸收缺陷而表现出严重的骨硬化病,表明了Btk与骨吸收有关｡而磷脂酶C(phospholipaseC,PLC)在生物体的许多生理和病理过程中也发挥着重要作用｡PLC可分为6类,其中PLCγ的一个亚型即为PLCγ2[22]｡当PLCγ2-Ca2+-NFATc-1信号转导下调时,破骨细胞分化受到抑制,骨吸收也受到抑制[23]｡近年来,Wang等[24]研究发现Btk-PLCγ2在小鼠根尖周炎和骨吸收的过程中高度表达,体外实验证实,沉默Btk表达后,破骨细胞的分化及PLCγ2和NFATc-1的表达均受到明显抑制,证明Btk-PLCγ2的存在促进了破骨细胞分化,是骨破坏的关键因素｡

2.4颗粒酶A(granzymeA,GZMA)显著促进破骨细胞生成

GZMA是一种丝氨酸蛋白酶[25]｡在结肠炎､类风湿性关节炎和病毒性关节炎等疾病过程中,GZMA起到促进炎症进展的作用[26,27]｡先前的研究表明,生长转化因子-β(transforminggrowthfactorbeta,TGF-β)诱导参与PARs途径的蛋白酶激活受体1(protease-activatedreceptor1,PAR-1)的表达,并促进破骨细胞分化[28]｡Jia等[29]为证实GZMA在慢性根尖周炎中的作用,使用了成簇规律间隔短回文重复序列及其相关蛋白13d(clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats/clusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats-associated13d,CRISPR/Cas13d)系统来抑制GZMA的表达｡研究结果显示,抑制GZMA,会抑制TGF-β的表达,进而抑制PAR1表达,破骨细胞的分化也随之减少｡证实了GZMA的活跃能够显著促进破骨细胞生成,表明GZMA在慢性根尖周炎的骨破坏过程中发挥着关键作用｡

此研究亦表明,使用CRISPR/Cas13d系统进行相关的RNA敲除,抑制GZMA的表达,是一种具有前景的慢性根尖周炎治疗方向｡CRISPR/Cas13d是理想的调节基因表达的RNA靶向平台[30,31]｡此前已有学者证实了Cas13d系统能够靶向敲除哺乳动物相关基因,进而治疗代谢疾病､抑制肿瘤生长｡He等[32]使用活性来自黄化瘤胃球菌的RNA靶向核酸酶(ruminococcusflavefaciensclusteredregularlyinterspacedshortpalindromicrepeats-associated13d,RfxCas13d)靶向小鼠肝细胞中的代谢基因,结果显示其mRNA转录水平下降,小鼠体内血清胆固醇水平相应降低｡这一研究结果表明,Cas13d系统可用于代谢基因的调节性敲除,有效地治疗代谢性疾病｡在Cas13d系统中,CasRx表现出了更高的作用效率[33]｡在Jiang等[34]的实验中,CasRx能够敲低小鼠突变体KrasG12D的转录物,并进一步减弱下游信号通路的不规则激活,从而抑制肿瘤生长,进一步论证了Cas13d系统用于治疗肿瘤疾病的可行性｡

2.5骨桥蛋白(osteopontin,OPN)促进破骨细胞黏附,提高破骨细胞的骨细胞活性

OPN是一种多功能基质蛋白,广泛参与骨相关疾病的进展[35]｡NF-κB途径的激活可以诱导产生多种致病性自身抗体､表达促炎基因以及促进破骨细胞的形成和分化,从而导致骨吸收[36]｡近年来,Dong等[37]体外研究证明,OPN等相关酶可以激活NF-κB信号通路,进而调控骨破坏的发展｡聚合酶链反应结果显示,慢性根尖周炎患者中OPN､NF-κB､MMP-9和CTSK的表达显著增加｡同时,破骨细胞的运动和聚集增强,促进了破骨细胞与骨基质的粘附｡该研究结果证实OPN作用于NF-κB途径,抑制了成骨细胞的形成与分化,而促进破骨细胞的分化与粘附,促进慢性根尖周炎中骨破坏的进展｡

2.6前蛋白转化酶枯草杆菌蛋白酶9(proproteinconvertasesubtilisin/kexintype9,PCSK9)缺乏促进破骨细胞生成

PCSK9是前蛋白转化酶家族的第9位成员,近年来已成为动脉粥样硬化治疗与干预的前沿靶点[38]｡Ruscica等[39]的研究结果表明,PCSK9基因干扰和抑制剂具有一定程度的抗炎作用,提示PCSK9可能是一种炎症介质｡Huang等[40]进行了进一步研究,实验中采用PCSK9基因敲除小鼠来研究PCSK9在实验性慢性根尖周炎中的作用和潜在机制｡结果显示,敲除PCSK9基因可上调低密度脂蛋白受体(lowdensitylipoproteinreceptor,LDLR)表达,增加根尖周区域的炎症,促进破骨细胞生成,加重了小鼠实验性慢性根尖周炎｡证明PCSK9慢性根尖周炎中具有保护作用｡

2.7组蛋白去甲基化酶(theJumonjidomaincontainingprotein-3,Jmjd3)特异性去甲基化,促进破骨细胞生成

Jmjd3隶属JumonjiC(JmjC)组蛋白去甲基化酶家族,具有特异性去甲基化功能,作用于H3K27me3的三甲基化赖氨酸,调节相关基因的表达[41]｡在Wang等[42]的研究中,将破骨细胞与沉默了Jmjd3的成骨细胞共同培养,破骨细胞的生成和标记蛋白的表达水平升高｡进一步研究证实,沉默成骨细胞中Jmjd3可降低B型肝配蛋白受体-4(ephrintype-Breceptor4,EphB4)的表达,而上调RANKL的表达｡已知成骨细胞中EphB4的过表达可抑制破骨细胞生成和RANKL表达[43]｡Wang等[42]的进一步研究证实:通过调控EphB4-ephrinB2､RANKL-RANK和EphB4-RANKL信号轴,成骨细胞中的Jmjd3成为了成骨细胞-破骨细胞通讯的关键调节因子,见表1｡表明Jmjd3能够促进破骨细胞生成,在骨破坏疾病如慢性根尖周炎的骨重塑过程中发挥着关键作用｡

表1破骨细胞在慢性根尖周炎中作用的影响因素

3、治疗方向

3.1抑制骨破坏相关通路NF-κB是一种经典的转录因子,通过与特定的DNA结合,影响着各种免疫和炎症过程[44]｡NF-κB途径的激活可以诱导产生多种致病性自身抗体､表达促炎基因以及促进破骨细胞的形成和分化,从而导致骨吸收[36]｡Wei等[45]证实G蛋白信号转导蛋白10的调节因子(regulatorofGproteinsignaling10,RGS10)可下调NF-κB促炎信号,并参与骨重建｡因此,RGS10可能成为调节慢性根尖周炎的新靶点｡此外,如前文所述,RANK/RANKL/OPG轴系统是调节破骨细胞和骨吸收的关键因素,Dong等[37]体外研究亦证明,OPN等相关酶可以激活NF-κB信号通路,进而调控骨破坏的发展,见图1｡因此降低OPN相关酶的活性可成为治疗慢性根尖周炎的研究方向｡

在慢性根尖周炎发展过程中,除NF-κB途径激活外,PI3K信号通路在促进破骨细胞形成中也发挥重要作用[46]｡丝氨酸/苏氨酸激酶(serine/threoninekinase,AKT)也称为蛋白激酶B(proteinkinaseB,PKB),是PI3K信号通路中重要的下游靶激酶[47]｡近年来,对PI3K/AKT信号通路的研究发现,该通路与骨质疏松症､骨关节炎和骨肉瘤等病理性骨病的发生发展有关[48]｡Kang等[46]在小鼠实验中,研究者发现PI3K位于细胞内,PI3Kγ缺乏会减少体内破骨细胞的数量,并在体外损害破骨细胞的形成,继而导致小鼠的骨量增多｡这表明PI3K可能在促进破骨细胞形成中发挥重要作用｡且PI3K和AKT在根尖周炎进展期间表达显著增加,特别是在骨吸收的活跃期,PI3K和AKT的表达达到了峰值｡这些证据表明,PI3K/AKT信号通路在促进炎症状态下的骨吸收中起着至关重要的作用｡而Wang等[49]亦证实了在炎症状态下,PI3K在破骨细胞中高表达｡因此阻断PI3K信号通路可能是治疗根尖周炎骨破坏的有效方案｡

图1核因子受体激活因子及其配体/骨保护素作用机制

3.2作用于骨破坏相关因子

除此之外,基于相关因子的慢性根尖周炎治疗方案也具有研究前景｡Gong等[50]在根尖牙周炎的体内模型中发现,胸腺素α(prothymosinalpha,PTMA)的全身和局部给药都可降低患有根尖周炎的小鼠和大鼠的根尖周骨吸收程度｡PTMA蛋白的氨基末端蛋白水解裂解产物PTMA-1存在下,炎性细胞因子肿瘤坏死因子α､白细胞介素18､白细胞介素1β和白细胞介素6的表达较低,这可能是缓解根尖牙周炎的机制之一｡此外,抗酒石酸酸性磷酸酶染色和破骨细胞基因ACP5､CTSK和Fos原癌基因,AP-1转录因子亚基(Fosproto-oncogene,AP-1transcriptionfactorsubunit,C-Fos)和破骨细胞熔变基因(DCSTAMP和ATP6V0D2)表达测定显示:PTMA-1降低了巨噬细胞的破骨细胞分化｡证实了PTMA调节炎症反应并阻止破骨细胞生成,为未来慢性根尖周炎的靶向治疗提供基础｡而如2.4中所述,GZMA在慢性根尖周炎的骨破坏过程中起着关键作用[29]｡因此采用CRISPR/Cas13d系统进行相关的RNA敲除,抑制慢性根尖周炎破骨细胞中GZMA的表达,是一种具有前景的治疗方向｡

4、总结与展望

骨细胞在慢性炎症性骨丧失中发挥关键作用,其中成骨细胞与破骨细胞的影响因素及其在骨再生中的作用受到广泛关注｡慢性根尖周炎是一种典型的慢性炎症性骨丧失疾病,研究骨细胞在慢性根尖周炎发展及消退中的作用有助于深入理解成骨细胞､破骨细胞的作用机制,有助于设计靶向骨细胞的药物或生物材料,辅助临床控制慢性根尖周炎｡目前骨细胞在慢性根尖周炎中作用仍存在较多未知领域,作用于骨细胞的相关靶点的治疗方案有待向临床转化｡

基金资助:四川省自然科学基金(编号:24NSFSC3519);

文章来源:卫晓萱,李博磊.破骨细胞在慢性根尖周炎中作用的研究进展[J].口腔医学研究,2025,41(05):363-368.