机械力刺激下牙周膜细胞对破骨细胞调控作用研究进展
牙周膜是位于牙骨质与牙槽骨之间的致密结缔组织，由纤维、基质和细胞组成，具有维持牙周组织间隙、传递牙齿在口腔中受到的机械力刺激、组成牙周组织生物屏障及为牙槽骨提供血液供应和营养支持的作用。
牙周膜细胞（periodontal ligament cells，PDLCs）是牙周组织中常见的细胞，在维持牙周组织形态与功能完整性、分散牙周组织受力及维持牙周组织稳态中发挥重要作用；其也是一种独特的力学感受细胞，可感受牙齿在口腔中受到的机械力刺激，并将机械力信号转换为生物学信号，进而调控下游细胞的生物学行为。
破骨细胞（osteoclasts，OCs）是牙根吸收过程中的主要细胞。受损的PDLCs通过释放肿瘤坏死因子-α、干扰素-γ和一氧化氮等炎症因子，募集单核细胞至受损区域，使其成熟并融合为多核OCs，从而启动骨吸收过程。OCs的活性和数量与PDLCs的调控作用密切相关。机械力刺激下，PDLCs可分泌多种细胞因子来调节OCs的成熟与活化。本文就机械力刺激下PDLCs对OCs调控作用的研究进展做一阐述，以期为牙根吸收的预防和治疗提供新的思路和方法。
1.不同机械力作用于牙周膜细胞的体外研究力学模型
PDLCs对不同机械力刺激产生差异性反应，进而对OCs产生差异性调控作用而影响其成熟与活化。PDLCs受到的不同机械力刺激主要包括周期性牵张力、压力、流体剪切力和机械振动力等。周期性牵张力是生理性咀嚼时与正畸治疗受拉侧PDLCs所受机械力的表现形式，而压力主要发生在正畸治疗的受压侧；流体剪切力是细胞所处组织环境中的血液和组织液流动时力的表现形式；机械振动力主要用于辅助正畸治疗，也有研究将其用于模拟咬合力或正畸力，但模拟效果不甚理想。选择合适的体外研究力学模型，通过力学加载体系模拟口内PDLCs受到的不同机械力刺激，对明确机械力刺激下PDLCs对OCs的调控作用具有重要意义。
1.1 周期性牵张力
咀嚼过程中的周期性咬合作用和正畸治疗过程中张力侧对牙周膜的牵拉作用是PDLCs受到周期性牵张力的主要来源。当牙齿受到咀嚼力作用时，坚韧的牙周膜可瞬时稳定牙齿，并使牙槽骨微形弯曲、牙齿沿牙槽骨少量位移，这种间歇性机械力刺激对维持牙周组织稳态至关重要。
在体外模拟生理性咀嚼力对PDLCs作用的研究中，目前多采用在弹性基底膜上接种细胞并施加周期性单轴或双轴拉伸应变的力学模型；此外，也有研究采用四点弯曲应变力学模型，即通过在长方形细胞培养板顶角的四点施加周期性弯曲应变，来精确调控细胞受到的拉伸应力。基材的形变程度（振幅）和力的频率对细胞的生物学行为有着极为重要的影响；其中，以对PDLCs施加10%振幅、0.5 Hz的周期性牵张力来模拟PDLCs受到的生理性咀嚼力与正畸力较为常见。
1.2 压力
在正畸治疗过程中，压力侧PDLCs受压后可促进牙槽骨吸收，这对正畸牙齿移动有重要意义。在体外模拟正畸力对PDLCs作用的研究中，主要通过将无菌玻璃圆柱体或铅粒施加至PDLCs细胞层，或在胶原蛋白-藻酸盐复合物水凝胶中三维培养PDLCs来实现；通常采用147 ~353 Pa的静态压力来研究压力作用下PDLCs的免疫调节功能和生物学特性的变化。
1.3 流体剪切力
牙周膜中存在大量的血管网络及组织液；当牙周膜行使功能时，这些液体在细胞间流动并对PDLCs产生流体源性剪切力。在体外研究中，恒流泵运转使培养基匀速通过平行板流室，从而将流体剪切力施加至载玻片上的细胞；其中，以0.1 ~ 1.2 Pa的流体剪切力较为常见。
2.机械力刺激下牙周膜细胞对破骨细胞的调控作用
OCs来源于造血系统的单核-巨噬细胞系，其受到巨噬细胞集落刺激因子和核因子κB受体活化因子配体（receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL）的刺激最终成为具有骨吸收功能的成熟OCs；该细胞可通过降解硬组织中的羟基磷灰石矿物成分和有机骨基质来行使其吸收功能。
骨保护素（osteoprotegerin，OPG）是一种可溶性诱饵蛋白，由牙龈成纤维细胞、成牙骨质细胞和PDLCs 等分泌；其可通过与RANKL 竞争性结合，抑制RANKL与核因子κB受体活化因子的相互作用，进而抑制骨吸收过程。PDLCs受到机械力刺激后可通过多种方式影响RANKL与OPG比值来调节OCs的成熟与活化。此外，PDLCs也可通过影响炎症因子表达和局部免疫稳态等对OCs产生调控作用。
2.1 机械力刺激下PDLCs促进OCs分化
破骨细胞性骨吸收是正畸治疗牙齿移动的生物学基础。在正畸力加载过程中，OCs前体细胞被募集至压力侧并分化、活化，发挥其硬组织吸收功能；但过大的正畸力可能会造成OCs数量和活性的进一步增加，最终导致牙根吸收。探究PDLCs对正畸力刺激的反应，以及这一过程中PDLCs对OCs的调控机制对减少牙根吸收的发生十分重要。
2.1.1 机械敏感离子通道
当细胞的脂质双层或相关非膜成分（如细胞骨架）受到机械力刺激时，机械敏感离子通道可被直接激活并将该物理刺激转换为电信号，使感觉细胞迅速做出反应。Piezo1是一种机械敏感离子通道，广泛存在于可受到机械力作用的非感觉组织中，是PDLCs传递机械力信号并调控OCs作用的关键。体内研究表明，正畸力可激活大鼠PDLCs中Piezo1表达，进而通过上调RANKL与OPG比值来增加抗酒石酸酸性磷酸酶阳性OCs数量，促进OCs分化。
2.1.2 转录因子
转录因子可通过直接或间接与顺式作用元件结合来调控靶基因转录效率，对细胞生命活动具有重要作用。TEA结构域家族成员1（TEA domain family member 1，TEAD1）是一种具有机械传导功能的转录因子，在维持细胞正常功能中发挥重要作用。有学者发现，压力作用下PDLCs 中OPG 的表达量与TEAD1具有高度相关性；压力可使TEAD1与OPG增强子结合减弱，进而抑制OPG转录，促进OCs分化。
叉头框蛋白M1（forkhead box M1，FOXM1）是FOX 家族中具有增殖特异性的机械敏感转录因子，其参与细胞增殖、分化、迁移及DNA修复等生物学过程。Li 等研究表明，压力可下调PDLCs 中FOXM1 的表达，进而上调RANKL 与OPG比值，促进OCs分化。
2.1.3 微小RNA（microRNA，miRNA）
miRNA是一种非编码小RNA，其可通过调节转录后调控机制来影响细胞的生物学功能。Zhang等发现，压力可通过上调PDLCs中的分化拮抗非蛋白编码RNA 来增强Jagged1 基因表达，进而上调IL-6 和RANKL表达，促进OCs分化；其通过进一步研究发现，压力作用下的PDLCs也可通过下调miRNA-26a表达来促进Jagged1诱导的OCs生成。另外，压力也可使PDLCs细胞外囊泡中的miRNA-28表达量增加，并通过负向调节Runt相关转录因子1来促进OCs分化。
2.1.4 细胞因子
细胞因子具有多种生物学功能，并可介导细胞间的相互作用。核心昼夜节律蛋白芳烃受体核易位样蛋白1（core circadian protein aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator like protein 1，BMAL1）可感知并传递机械力刺激；Xie 等研究发现，正畸力可使PDLCs 中BMAL1的表达量增加，进而上调C-C基序趋化因子2和RANKL的表达，促进OCs前体细胞募集和OCs分化。
Li等首次鉴定出一种压力响应细胞因子生长分化因子15，压力刺激下其在PDLCs中的表达量增加，进而上调IL-6、IL-8和环氧化酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）表达及RANKL与OPG比值，促进OCs分化。此外，由于OCs与巨噬细胞具有相同的细胞来源，机体局部的免疫反应可能会影响OCs的募集与分化。研究发现，压力作用下PDLCs可通过促进辅助性T 细胞17（T-helper 17 cells，Th17）的分化及IL-6的表达来促进OCs分化。
由此可见，PDLCs可通过机械敏感离子通道、转录因子、miRNA及细胞因子等途径对机械力刺激产生不同的应答反应，进而促进OCs分化和骨吸收过程。
2.2 机械力刺激下PDLCs抑制OCs分化
当牙根表面牙周膜受到严重的机械性创伤时，牙周屏障受损使根部牙本质暴露并被骨组织替代，牙根与牙槽骨发生固连，最终导致替代性吸收的发生。研究发现，适当的咬合力刺激能够促进牙周膜再生，有助于预防替代性吸收的发生。咬合力经牙体加载至PDLCs时，可引发PDLCs的一系列生物学行为，进而抑制OCs分化。因此，探究机械力刺激下PDLCs抑制OCs分化的条件与机制，对保护牙周组织、预防牙周组织的丧失具有重要意义。
Chen等发现，正畸治疗可诱导PDLCs中自噬标志物LC3高表达，并通过自噬作用下调IL-1、IL-6与TNF-α表达及RANKL 与OPG 比值，抑制OCs分化。Kanzaki等通过周期性牵张力模拟咀嚼时口内PDLCs受到的咬合力，发现PDLCs上清液中OPG表达量增加，而中和转化生长因子-β1可下调其表达；这提示周期性牵张力可通过促进转化生长因子-β1的表达来上调OPG表达，进而抑制OCs分化。
近期有研究显示，将147 Pa压力作用于PDLCs 24 h后，PDLCs培养基中IL-33表达量增加，并通过调控成牙骨质细胞的分泌下调RANKL与OPG比值，进而使OCs的数量及活性下降。因此，适当条件下，PDLCs可通过抑制OCs分化来减少牙槽骨或牙根吸收，但其具体机制尚需深入研究。
3.结语
不同机械力刺激下，PDLCs 对OCs 生物学行为的调控作用有所不同；压力作用下，PDLCs常可表现出对OCs分化的促进作用，而周期性牵张力可通过PDLCs对OCs分化的抑制作用来保护牙周硬组织。此外，选择合适的体内、体外模型，通过力学加载体系模拟口内PDLCs 受到的机械力刺激，对明确机械力刺激下PDLCs对OCs分化作用的影响十分关键。机械力刺激下PDLCs对OCs的调控作用机制复杂，深入探讨其机制对牙根吸收的预防及治疗具有重要的理论意义和潜在的临床应用价值。
