機(jī)械力應(yīng)力對(duì)人牙周膜細(xì)胞炎癥反應(yīng)的影響

Effect of Mechanical Force Stress on the Inflammatory Response in Human Periodontal Ligament Cells
Keywords: Bone remodelling, Cytokines, Mechanical stress, Mesenchymal stem cells, Periodontal ligament.

干細(xì)胞微環(huán)境中的生物物理因素，像硬度、表面納米形貌和機(jī)械力等，由于會(huì)影響干細(xì)胞的自我更新、遷移、歸巢及命運(yùn)決定等關(guān)鍵特性，近來(lái)受到極大關(guān)注，且干細(xì)胞會(huì)感知并響應(yīng)這些生物物理信號(hào)，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞骨架張力與細(xì)胞外基質(zhì)產(chǎn)生的反向力之間的相互作用。

間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）是成體干細(xì)胞，具有自我更新、多向分化潛能和低免疫原性反應(yīng)，而人牙周膜干細(xì)胞（hPDLSCs）是存在于牙周膜（PDL）中的主要多能間充質(zhì)干細(xì)胞。牙周膜是連接牙齒與牙槽骨的結(jié)締組織，能支撐牙齒并分散機(jī)械應(yīng)力。hPDLSCs 對(duì)維持牙周組織穩(wěn)態(tài)和再生至關(guān)重要。但這些細(xì)胞在咀嚼、正畸牙齒移動(dòng)和磨牙等過(guò)程中會(huì)持續(xù)受到機(jī)械力作用，這些機(jī)械應(yīng)力會(huì)在 hPDLSCs 內(nèi)引發(fā)復(fù)雜的炎癥信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，影響其細(xì)胞功能并參與牙周組織重塑。

基于此，曼谷朱拉隆功大學(xué)牙科學(xué)院牙科干細(xì)胞生物學(xué)卓越中心的研究團(tuán)隊(duì)探討了機(jī)械力對(duì) hPDLSCs 的影響，重點(diǎn)關(guān)注炎癥反應(yīng)及影響周?chē)�牙周組織的下游信號(hào)通路的激活。研究成果發(fā)表在International dental journal期刊，題為“Effect of Mechanical Force Stress on the Inflammatory Response in Human Periodontal Ligament Cells”。
 

機(jī)械力是人體多種組織普遍會(huì)受到的生理性刺激 

機(jī)械力是人體組織常見(jiàn)的生理性刺激，能通過(guò)改變細(xì)胞膜、細(xì)胞骨架等結(jié)構(gòu)影響細(xì)胞活力、炎癥等相關(guān)基因表達(dá)，對(duì)牙齒移動(dòng)十分關(guān)鍵。人牙周膜可緩沖咀嚼時(shí)的機(jī)械力，此類(lèi)力會(huì)促使牙周膜細(xì)胞分泌細(xì)胞因子等多種分子，但特定強(qiáng)度類(lèi)咀嚼力的具體影響尚不明確。早有研究證實(shí)牙周膜和牙齦細(xì)胞會(huì)對(duì)咀嚼、正畸等相關(guān)機(jī)械力產(chǎn)生反應(yīng)。機(jī)械力主要分為壓力、剪切力和張力，它們會(huì)依據(jù)自身類(lèi)型、頻率及強(qiáng)度，引發(fā)不同的免疫反應(yīng)、炎癥及骨吸收。 

壓力 

間歇性壓力（ICF）對(duì)hPDLSCs 有多重影響，不僅會(huì)作用于細(xì)胞增殖并調(diào)節(jié)其穩(wěn)態(tài)，還能通過(guò) IL-1β 激活 RANKL 來(lái)參與骨代謝和骨功能的激活，同時(shí)可能借助 TGF-β1 信號(hào)通路促進(jìn) hPDL 細(xì)胞中 SOST 和 POSTN 的表達(dá)，進(jìn)而誘導(dǎo)牙周組織變化。而持續(xù)壓力（CCF）處理會(huì)使 IL-6 的 mRNA 表達(dá)顯著上升，但會(huì)降低 ALP 的 mRNA 表達(dá)，還會(huì)抑制 hPDL 細(xì)胞的生長(zhǎng)和礦化。此外，壓力作用于 hPDL 細(xì)胞時(shí)，可通過(guò)整合素 - FAK 通路對(duì)炎癥相關(guān)分子和骨吸收相關(guān)分子的表達(dá)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

剪切力

剪切力在胚胎干細(xì)胞、牙周膜細(xì)胞等多種細(xì)胞的分化中至關(guān)重要，也是咀嚼或牙齒移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的主要應(yīng)力之一。牙齒移動(dòng)時(shí)的組織間液剪切應(yīng)力會(huì)調(diào)節(jié)hPDLSCs 的成骨分化、細(xì)胞增殖、細(xì)胞外基質(zhì)重塑等特性，還能通過(guò) COX2/PGE2 表達(dá)調(diào)控間充質(zhì)干細(xì)胞免疫反應(yīng)，并調(diào)控 FGF-2、IL-6 等多種生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的表達(dá)。同時(shí)，剪切應(yīng)力可經(jīng) p38-AMOT-YAP 通路促進(jìn)hPDLSCs 增殖。另有研究顯示，剪切力能通過(guò) ERK1/2 信號(hào)通路誘導(dǎo)hPDLSCs 產(chǎn)生犬尿氨酸，進(jìn)而抑制 CD4+T 細(xì)胞增殖。 

張力

張力中，周期性張力能模擬咀嚼時(shí)的咬合力，它會(huì)使 hPDLSCs中 IL-1β 等炎癥細(xì)胞因子的表達(dá)上調(diào)，同時(shí)讓TGF-β1、TGF-β3、PDGFA、CSF1/GM-CSF 的基因表達(dá)增加、VEGF 表達(dá)下調(diào)。而且，周期性張力在作用于 hPDLSCs 后，可上調(diào) RUNX2、ALP、OCN 的表達(dá)，誘導(dǎo)機(jī)械響應(yīng)基因表達(dá)以引發(fā)炎癥反應(yīng)并為骨重塑（如正畸牙齒移動(dòng)）做準(zhǔn)備。研究還發(fā)現(xiàn)，周期性張力會(huì)通過(guò)F-actin、Girdin 蛋白及 Akt 蛋白的表達(dá)促進(jìn)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架重塑，助力正畸治療中牙齒的移動(dòng)調(diào)整�？傮w來(lái)看，不同機(jī)械力會(huì)使基因表達(dá)發(fā)生不同變化，從而向 hPDLSCs傳遞炎癥信號(hào)（表1）。

 表1    影響hPDLSCs 中炎癥細(xì)胞因子基因表達(dá)及信號(hào)分子的機(jī)械力應(yīng)力模型。 

炎癥反應(yīng)

在牙周組織中，機(jī)械力應(yīng)力不僅會(huì)影響 hPDLSCs，還會(huì)作用于成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞等，通過(guò)上調(diào)炎癥介質(zhì)表達(dá)引發(fā)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致 TNF-α、IL-1β 等細(xì)胞因子分泌失調(diào)，且細(xì)胞因子的水平和類(lèi)型與應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度相關(guān)。同時(shí)，機(jī)械力應(yīng)力雖會(huì)誘導(dǎo)炎癥和骨降解，卻也能觸發(fā)抗炎反應(yīng)（如減少單核細(xì)胞向破骨細(xì)胞分化），體現(xiàn)出促炎與抗炎機(jī)制的復(fù)雜相互作用。而炎癥（無(wú)論觸發(fā)因素為何）可能導(dǎo)致破骨細(xì)胞功能失調(diào)，進(jìn)而引發(fā)牙根吸收和牙周退化，因此明確機(jī)械力應(yīng)力、炎癥與細(xì)胞反應(yīng)的關(guān)系，對(duì)相關(guān)疾病治療策略的制定十分關(guān)鍵。 

IL 

在參與機(jī)械力應(yīng)力的促炎細(xì)胞因子中，白細(xì)胞介素 - 1（IL-1）作用關(guān)鍵。它能促進(jìn)破骨細(xì)胞相關(guān)活動(dòng)以推動(dòng)骨吸收，其兩種形式 IL-1α 和 IL-1β 可由機(jī)械應(yīng)力等多種因素刺激產(chǎn)生，且生理狀態(tài)下動(dòng)物牙周膜中均存在。IL-1β 作為重要促炎細(xì)胞因子，是骨代謝早期標(biāo)志物，還與牙齒移動(dòng)疼痛、骨吸收刺激及骨形成抑制相關(guān)。在周期性張力下，人牙周膜干細(xì)胞中 IL-1β 表達(dá)隨力的強(qiáng)度增加而升高，骨吸收活性也隨之增強(qiáng)。臨床研究顯示，持續(xù)和間斷性牽引力均會(huì)使齦溝液中 IL-1β 在 24 小時(shí)內(nèi)上升，而間斷性力會(huì)讓其水平持續(xù)上調(diào)，導(dǎo)致受壓部位骨吸收更顯著�？傊�，IL-1β 水平可由施加力的時(shí)間和強(qiáng)度調(diào)節(jié)。

白細(xì)胞介素 – 6（IL-6）在骨重塑和骨吸收中作用關(guān)鍵，機(jī)械力可使其在牙周組織中水平升高。它能通過(guò)作用于破骨細(xì)胞前體及成骨細(xì)胞譜系，增強(qiáng)破骨細(xì)胞生成，這一點(diǎn)在相關(guān)研究中已得到證實(shí)。例如，靜水壓力會(huì)以強(qiáng)度依賴(lài)的方式上調(diào) hPDLSCs  中 IL-6 的 mRNA 水平，同時(shí)也會(huì)上調(diào) IL-8、RANKL 及 OPG 的 mRNA 水平 。靜態(tài)張應(yīng)變則會(huì)增加其 mRNA 水平及 MMP-8 的生成。另有大鼠研究顯示，在機(jī)械應(yīng)力結(jié)合靜磁場(chǎng)的正畸模型中，壓力側(cè)的 IL-6 表達(dá)升高，且其抑制劑能減少牙齒移動(dòng)距離。這表明了 IL-6 在促進(jìn)破骨細(xì)胞生成中的關(guān)鍵作用 ，因?yàn)殪o磁場(chǎng)會(huì)刺激受力的牙周膜干細(xì)胞分泌 IL-6，從而加速牙齒移動(dòng)。 

TNF-α

腫瘤壞死因子 -α（TNF-α）是多功能促炎細(xì)胞因子，在力誘導(dǎo)下參與細(xì)胞分化等過(guò)程，也是破骨細(xì)胞生成和骨吸收的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子，能直接或間接調(diào)控破骨細(xì)胞生成，且在機(jī)械應(yīng)力下的 hPDLSCs 中作用復(fù)雜。它通過(guò) NF-κB 等信號(hào)通路發(fā)揮作用，可經(jīng)自分泌機(jī)制促進(jìn)破骨細(xì)胞分化并抑制成骨細(xì)胞活性。正畸牙齒移動(dòng)時(shí) TNF-α 水平會(huì)升高，且壓力下的hPDLSCs 釋放量多于張力下。同時(shí)，它與 IL-1β 通過(guò)調(diào)控相關(guān)分子影響骨吸收與成骨，機(jī)械應(yīng)力會(huì)放大該效應(yīng)。機(jī)械力還會(huì)差異性調(diào)控 TNF-α 誘導(dǎo)的炎癥相關(guān)分子表達(dá)，骨細(xì)胞也會(huì)因機(jī)械力產(chǎn)生 TNF-α 進(jìn)而影響骨重塑。 

TLRs

Toll 樣受體（TLRs）作為模式識(shí)別受體家族的跨膜受體，在免疫反應(yīng)中起關(guān)鍵作用，且在機(jī)械力應(yīng)力與骨重塑的關(guān)系中作用復(fù)雜且相互關(guān)聯(lián)。它能識(shí)別 “危險(xiǎn)信號(hào)”，在骨骼中可感知機(jī)械應(yīng)力等信號(hào)，激活后會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)及相關(guān)轉(zhuǎn)錄激活，進(jìn)而參與自噬等多種過(guò)程。TLRs 可進(jìn)一步分為兩類(lèi)：細(xì)胞膜 TLRs（如 TLR1、2、4、5、6 和10）和細(xì)胞內(nèi) TLRs（如 TLR3、7、8 和 9 ）。研究顯示，TLR4 在hPDLSCs 的機(jī)械刺激信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中很關(guān)鍵，機(jī)械應(yīng)力會(huì)誘導(dǎo)其 mRNA 表達(dá)，TLR4 抗體可抑制 IL-6 和 IL-8 的產(chǎn)生和機(jī)械力誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化。其下游通過(guò)調(diào)控磷酸化 AKT 參與機(jī)械力相關(guān)細(xì)胞因子調(diào)控。同時(shí)，機(jī)械應(yīng)力對(duì)人牙周膜細(xì)胞 TLR 產(chǎn)生的影響與施加力的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和穩(wěn)定性等因素相關(guān)。 
IL-4

抗炎細(xì)胞因子 IL-4 由多種細(xì)胞分泌，可強(qiáng)效調(diào)節(jié)炎癥免疫反應(yīng)，且能抑制破骨細(xì)胞生成，例如通過(guò)影響相關(guān)細(xì)胞減少 TNF-α 介導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成。在機(jī)械力相關(guān)研究中，小鼠模型顯示 IL-4 可減少正畸牙齒移動(dòng)距離、破骨細(xì)胞數(shù)量及牙根吸收等。雖有觀點(diǎn)認(rèn)為其可能在受壓側(cè)阻斷相關(guān)破骨細(xì)胞生成，但它在正畸牙齒移動(dòng)中對(duì) TNF-α 和 RANKL 表達(dá)的影響仍不明確。此外，人牙周膜干細(xì)胞在機(jī)械力作用下的 IL-4 生成機(jī)制尚未明晰，已有研究未在周期性張應(yīng)變下的該細(xì)胞中檢測(cè)到 IL-4 的 mRNA 表達(dá)，未來(lái)需進(jìn)一步研究以深入了解其在機(jī)械應(yīng)力相關(guān)骨免疫學(xué)中的作用。

IL-10

IL-10 作為重要的抗炎細(xì)胞因子，在人牙周膜組織中參與骨免疫調(diào)節(jié)，可抑制 IL-1、TNF-α 等促炎因子合成，并通過(guò)促進(jìn) OPG 表達(dá)、抑制 RANKL 來(lái)抑制破骨細(xì)胞分化。研究顯示，低強(qiáng)度張應(yīng)變能在施加后的 4小時(shí)-48 小時(shí)內(nèi)誘導(dǎo)hPDLSCs 中 IL-10 的 mRNA 表達(dá)，且在 IL-1β 存在時(shí)，可抵消其對(duì) IL-10 生成的抑制，在初期增加 IL-10的 mRNA 表達(dá)。低強(qiáng)度張應(yīng)變可能在局部炎癥環(huán)境中促進(jìn)骨誘導(dǎo) 。由此可見(jiàn)，特定強(qiáng)度的機(jī)械力可通過(guò)誘導(dǎo)人牙周膜細(xì)胞產(chǎn)生 IL-10 等細(xì)胞因子，影響周?chē)�骨骼重塑�?nbsp;

ANKL和OPG

核因子 κB 受體活化因子配體（RANKL）與骨保護(hù)素（OPG）是骨重塑的關(guān)鍵調(diào)控分子：RANKL 由成骨細(xì)胞釋放，通過(guò)結(jié)合破骨細(xì)胞表面的 RANK 促進(jìn)其活化與骨吸收；OPG 則競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合 RANKL 以抑制該過(guò)程，二者的平衡直接決定骨重塑速率。牙周膜細(xì)胞可通過(guò)上調(diào) RANKL、下調(diào) OPG 促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，進(jìn)而引發(fā)骨吸收。生理性咬合力能通過(guò)相關(guān)機(jī)制維持骨量，而過(guò)度咬合力或正畸力會(huì)升高 RANKL/OPG 比值，導(dǎo)致骨丟失或牙根吸收。同時(shí)，機(jī)械力會(huì)促使牙周膜相關(guān)細(xì)胞啟動(dòng)炎癥反應(yīng)，炎癥細(xì)胞因子與 RANK/RANKL/OPG 系統(tǒng)的相互作用會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)骨重塑（圖 1 和圖 2）。
 

 圖1    機(jī)械力作用下的牙齒移動(dòng)過(guò)程：牙齒一側(cè)的牙周膜受到壓迫（受壓側(cè)），而對(duì)側(cè)的牙周膜則被拉伸（受拉側(cè)）。

  圖2    骨重塑過(guò)程中細(xì)胞與細(xì)胞因子之間的復(fù)雜相互作用。 

NF-κB

核因子 -κB（NF-κB）作為轉(zhuǎn)錄因子，可調(diào)控多種促炎細(xì)胞因子和趨化因子的基因表達(dá)。在正畸牙齒移動(dòng)中，機(jī)械力通過(guò)引發(fā)局部缺氧等啟動(dòng)無(wú)菌性炎癥反應(yīng)，激活 NF-κB 等信號(hào)通路。NF-κB 在機(jī)械應(yīng)力和缺氧下被激活，不僅能促進(jìn)骨重塑相關(guān)介質(zhì)表達(dá)，還能調(diào)控 RANKL 的表達(dá)以影響破骨細(xì)胞功能，進(jìn)而通過(guò)破骨細(xì)胞的骨吸收助力牙齒移動(dòng)。NF-κB  同時(shí)參與 IL-1、TNF-α 等炎癥介質(zhì)的生成調(diào)控。圖 3 展示了 NF-κB 在機(jī)械力作用下調(diào)控炎癥及成骨相關(guān)基因表達(dá)的作用。 
 

圖3    在機(jī)械力、RANKL-RANK 信號(hào)和 TLR 激活驅(qū)動(dòng)下以 NF-κB 激活結(jié)束的信號(hào)傳導(dǎo)。

離子通道

離子通道作為機(jī)械傳感器的一部分，負(fù)責(zé)牙周膜干細(xì)胞的機(jī)械感知，能將外界機(jī)械力刺激轉(zhuǎn)化為生物學(xué)反應(yīng)。其中 Piezo1 和 TRPV4 是關(guān)鍵離子通道，機(jī)械負(fù)荷會(huì)激活這些通道，導(dǎo)致骨細(xì)胞和牙周膜成纖維細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度升高，并激活信號(hào)通路。動(dòng)物研究顯示，Piezo1 的缺失會(huì)減少骨量，激活則能增加骨量。流體剪切應(yīng)力激活 RPV4 后，會(huì)升高鈣離子水平并激活 CaMKII，下調(diào)硬化蛋白（sclerostin），從而促進(jìn)骨重塑。 

總之，機(jī)械力應(yīng)力與人牙周膜細(xì)胞炎癥反應(yīng)的復(fù)雜關(guān)系對(duì)牙周組織重塑研究和疾病治療至關(guān)重要。人牙周膜干細(xì)胞會(huì)對(duì)壓力、剪切力、張力等不同機(jī)械力產(chǎn)生特異性基因表達(dá)變化，這些變化會(huì)引導(dǎo)炎癥和骨重塑信號(hào)，從而增強(qiáng)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性。 NF-κB 等炎癥通路的激活及  IL-1β、IL-6、TNF-α 等促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生是機(jī)械應(yīng)力作用的重要介導(dǎo)因素，而促炎與抗炎反應(yīng)的平衡及 TLRs（尤其是 TLR4）的作用更添其復(fù)雜性。 

參考文獻(xiàn)：Rojasawasthien T, Srithanyarat SS, Bulanawichit W, Osathanon T. Effect of Mechanical Force Stress on the Inflammatory Response in Human Periodontal Ligament Cells. Int Dent J. 2025 Feb;75(1):117-126. doi: 10.1016/j.identj.2024.12.001. Epub 2024 Dec 26. PMID: 39730290; PMCID: PMC11806315. 
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39730290/
Impact Factor: 3.7
ISSN:0020-6539 (Print); 1875-595X (Electronic)

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