Piezo1 參與張力驅(qū)動的牙周膜干細胞成骨分化-牽張應變細胞培養(yǎng)儀應用

正畸牙移動（OTM）是一個復雜的生物學過程，核心在于牙周膜干細胞（PDLSCs）的成骨分化，這是骨重塑的關(guān)鍵。PDLSCs 具備克隆擴增和多向分化能力，其核心作用是感知機械刺激并將其轉(zhuǎn)化為生化信號，進而推動牙周組織再生，最終實現(xiàn)正畸牙移動。

Piezo1 是機械激活通道，它在機械力或 Yoda1 作用下激活，可誘導 Ca²⁺內(nèi)流并觸發(fā)下游鈣信號。Piezo1 不僅參與骨形成與發(fā)育調(diào)控，與骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎等骨疾病相關(guān)，敲低后還會抑制成骨分化、降低骨量并引發(fā)骨折；同時，其在牙周膜和牙髓 - 牙本質(zhì)復合體中高表達，參與顱面生長、牙周骨重塑等多種生理過程。 已有體內(nèi)研究證實 Piezo1 參與正畸牙移動過程中的牙槽骨重塑。

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因此，首都醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院正畸科的研究團隊通過培養(yǎng)并鑒定 hPDLSCs ，施加周期性張應力后，探究 Piezo1 在張力作用下是否以及如何參與 PDLSCs 的成骨分化。研究成果發(fā)表在 BMC Oral Health 期刊，題為“Piezo1 participates in the tension-driven osteogenic differentiation of periodontal ligament stem cells”。

首先，研究人員對第三代培養(yǎng)的 hPDLSCs 進行了鑒定。發(fā)現(xiàn)其形態(tài)為梭形（圖 1A） ，生長曲線呈 “S” 形（圖 1E）。經(jīng)成骨誘導和成脂誘導 2-4 周后，分別可見鈣化結(jié)節(jié)和紅色染色（圖 1B、C），表明 hPDLSCs 具有成骨和成脂分化潛能。流式細胞術(shù)顯示其高表達 Strol-1、CD44、CD146 和 CD90 陽性標志物，低表達 CD45、CD34 陰性標志物（圖 1D） ，符合干細胞特性。在施加 0.1Hz、12% 伸長率的張力后，CCK-8 檢測表明，不同時間點（1、3、6、9、12 小時）的細胞活力與對照組無差異（圖 1F）。而 F - 肌動蛋白細胞骨架染色顯示，受張力作用的 hPDLSCs 鋪展形態(tài)更廣泛（圖 1G）。

圖1    hPDLSCs 的鑒定及施加張力后細胞骨架與活力的變化

接下來，研究人員在對 hPDLSCs 施加周期性張力后，對 Piezo1的表達進行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，hPDLSCs 中機械敏感通道 Piezo1 的表達會上調(diào)（圖 2A-D）。6 小時和 9 小時組的 Piezo1 mRNA 表達量顯著高于對照組（圖 2C），1、3、6、9、12 小時組的 Piezo1 蛋白水平均高于對照組（圖 2B、D）。

圖 2     張力作用下 Piezo1 表達上調(diào)

接著，研究人員研究了在周期性張力作用下，hPDLSCs 的成骨相關(guān)因子表達及成骨能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Runx2 的 mRNA 在 1、9、12 小時組顯著升高（圖 3A），Runx2 的 蛋白在 6、9 小時組明顯增加（圖 3B、D），且施加張力后 Runx2 陽性細胞數(shù)量增多（圖 3C）。ALP染色也證實了成骨能力的增強（圖 3E）。1、3、6、9、12 小時組中 ALP 的 mRNA 、蛋白表達及ALP活性均顯著高于對照組（圖 3D-H）。這些結(jié)果表明張力可促進 hPDLSCs 的成骨分化相關(guān)過程。

圖3     張力作用下 hPDLSCs 的成骨能力增強。

隨后，研究人員探究了張力作用對 hPDLSCs 的鈣內(nèi)流的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)鈣敏感染料標記和共聚焦檢測顯示，Yoda1 處理后，0-12 小時組的 hPDLSCs 均出現(xiàn)顯著鈣內(nèi)流（圖 4A），其中 3 小時組的鈣內(nèi)流zuimingxian，細胞內(nèi) Ca²⁺濃度也最高（圖 4B）。這表明張力可能通過激活 Piezo1 通道促進了 hPDLSCs 的鈣內(nèi)流。

為了進一步研究在張力作用下，鈣內(nèi)流是否通過激活 CaMKII 傳遞信號，參與 hPDLSCs 的成骨分化過程，研究人員對CaMKII 的表達進行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，mRNA 層面，相較于 0 小時組，1 小時組的 CaMKII mRNA 表達顯著升高，而 6 小時組和 12 小時組則有所降低（圖 4D）。蛋白層面，其水平隨時間上升，12 小時組較 0 小時組顯著升高（圖 4C、E），且 1-9 小時組中磷酸化 CaMKII 與總 CaMKII 的比值均高于 0 小時組（圖 4F）。這些結(jié)果表明，在張力作用下，CaMKII 在 hPDLSCs 中呈現(xiàn)出動態(tài)的表達及激活變化。

圖4     鈣成像結(jié)果及 CaMKII 的表達。

最后，為了研究 β-catenin 和 YAP 這兩種機械敏感信號分子否參與張力誘導的 hPDLSCs 相關(guān)生物學過程，研究人員對這兩種分子的表達進行了檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn) β-catenin 的蛋白表達在 3、6、9、12 小時組顯著高于對照組（圖 5A、C），YAP 的蛋白表達則在 9、12 小時組顯著高于對照組（圖 5B、D）。表明這兩種蛋白可能參與了張力誘導的 hPDLSCs 相關(guān)生物學過程。

圖 5    YAP 和 β-catenin 的表達水平。

總之，在這項研究中證實了張力可以促進 PDLSCs 中 Piezo1 的表達及成骨分化，還能增強鈣內(nèi)流、CaMKII 的表達與磷酸化，以及 YAP 和 β- 連環(huán)蛋白的表達。Piezo1 在張力誘導的 hPDLSCs 成骨分化中發(fā)揮作用，這一發(fā)現(xiàn)不僅為解析 PDLSCs 成骨分化的分子機制帶來新視角，還為找到調(diào)控正畸牙移動時骨重塑的潛在治療靶點提供了方向。

參考文獻：Du Y, Zheng J, Xu B, Peng C, Yang K. Piezo1 participates in the tension-driven osteogenic differentiation of periodontal ligament stem cells. BMC Oral Health. 2025 Jul 13;25(1):1155. doi: 10.1186/s12903-025-06427-y. PMID: 40653466; PMCID: PMC12257747.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40653466/

圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻 

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