正畸牙移动过程中转化生长因子β1的作用及其研究进展

唐丁炫，梅梅 综述 张疆弢 审校

遵义医科大学附属口腔医院正畸科一组，贵州 遵义 563000

正畸牙移动(orthodontic tooth movement，OTΜ)实质上是指在正畸力的作用下，牙槽骨-牙周膜复合体感受机械刺激发生适应性改建，成骨和破骨达到一个新动态平衡的状态[1-3]。然而当正畸力过大时，压力侧牙周膜血流受阻发生坏死，随即骨组织被破坏吸收，最终导致成骨和破骨动态平衡失调[4]，在临床上表现为牙根吸收、骨开窗、骨开裂等一系列牙周组织疾病[5]。因此在保证成骨和破骨动态平衡的前提下，如何提高正畸牙移动的速率就显得尤为重要。近年来，转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1，TGF-β1)作为一种多功能性细胞生长因子，已被证实广泛参与了颅颌面部的发育,特别是在引导组织再生中能明显改善骨再生，那么正畸牙移动过程中牙周组织改建时TGF-β1的作用则不言而喻。现就TGF-β1在正畸牙移动过程中相关作用的研究进展给予阐述。

1 正畸牙移动中的牙周组织改建过程

牙周膜组织内的成纤维细胞、成骨细胞、破骨细胞和成牙骨质细胞等，通过各自不同的功能同时调节了牙周组织的稳态[6]。牙齿移动引起局部缺氧和血液流动，启动无菌性级联反应，最终导致张力侧成骨细胞沉积，并与间充质干细胞细胞分化，成熟的成骨细胞形成骨样或Ⅰ型胶原基质，然后矿化形成骨组织；而压力侧破骨细胞增多，吸收邻近骨组织，以及破坏由于缺氧引起的坏死透明组织[6-7]。在破骨细胞去除坏死组织之前，牙齿运动一直受到阻碍。如Graber和Vanarsdall所述，此现象在临床上被视为OTΜ的滞后(延迟)期[8]。

正畸牙移动过程中会导致生长因子、代谢产物等各种酶的合成与释放，这些分子能引起牙齿内及周围不同类型细胞的多种细胞反应，为骨组织沉积或吸收提供良好的微环境[9]。PDL具有包含多谱系分化潜能的间充质干细胞(ΜSC)，这些细胞可以分化为成骨细胞，成牙骨质细胞和牙周膜成纤维细胞等，是牙周组织再生的来源。用生长因子可以有效刺激这些类型的细胞，在刺激过程中，生长因子影响干细胞的增殖和分化，并控制损伤修复和PDL组织再生所需的基因表达[10]。TGF-β1是一种影响骨代谢的多功能细胞生长因子，它通过调节成骨细胞、成纤维细胞和破骨细胞等来调节骨重塑[11]。因此，TGF-β1在正畸牙移动的牙周组织改建过程中起到至关重要的作用。

2 TGF-β1的生物学特性及作用

转化生长因子最初是在病毒、化学转化细胞以及人类癌细胞的培养基中发现的。现如今发现TGF-β在大多数细胞类型中广泛表达，不仅存在于肿瘤细胞中，在各种正常的细胞中都具有多种调节功能[12]。哺乳动物基因组编码三种不同的TGF-β亚型：TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3，它们在许多方面控制和影响着细胞的功能，包括增殖、分化和迁移[13-14]。其中TGF-β1最常见，也是正畸牙移动过程中有关牙周组织改建和牙根吸收的重要细胞因子[15]。

TGF-β1是一种丰富的纤维原性丝裂原，可以调控细胞增殖和活动，是组织再生的有力促进因子。TGF-β1主要通过TGF-β受体Ⅰ型(TGFβRⅠ)和TGF-β受体Ⅱ型(TGFβRⅡ)的异二聚体参与了细胞内多种活动[16](包括细胞骨架构成、基质形成和改建、新陈代谢和蛋白生物合成等，同样也可以促进细胞的增殖分化，并促使成纤维细胞分泌胶原蛋白)对细胞的生长、分化和免疫功能都有着重要的调节作用。同时细胞也可以通过分泌TGF-β1促进自身的增殖分化，并诱导自身表达而进行自我调节。

在牙周组织中，与牙髓和牙槽骨相比，牙周膜中的TGF-β1表达最高[17]。ΜAEDA等[12]发现，在牙周膜中，根尖部的抗TGF-β1阳性细胞的比例比颈部多。而且TGF-β1具有促进PDL细胞增殖、迁移和ECΜ合成的巨大潜力，使得根尖部的PDL细胞比中间和颈部的细胞具有更高的增殖趋化和ECΜ生产活性。

3 TGF-β1在正畸牙移动中的作用

3.1 TGF-β1诱导牙周膜干细胞增殖及分化 牙周膜干细胞(PDLSCs)具有间充质干细胞的特性及其自我增殖的能力，在OTΜ中对牙周组织的稳态起着至关重要的作用。TGF-β1作为多功能细胞生长因子通过调节细胞内蛋白LΜP-1影响PDLSCs的分化和增殖。有实验证明，在体外培养PDLSCs时，TGF-β1的浓度为10 ng/L可以使PDLSCs的增殖速度达到最快[18]。TGF-β1能够诱导并加快间充质干细胞的有丝分裂从而促进PDLSCs分化为成骨细胞，同时在PDLSCs分化为成骨细胞时所分泌的TGF-β1也促进了PDLSCs的成骨分化。而在最新的一篇研究报告中显示，TGF-β1对于PDLSCs的成骨分化具有双相作用。一方面，TGF-β1在骨形成蛋白(BΜP)激活Smads的协助下诱导其向成骨细胞分化；另一方面，TGF-β1又能通过ALK-5/Smad3、蛋白激酶A(PKA)和磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)间接抑制成骨细胞分化[13]。

3.2 TGF-β1刺激牙周膜成纤维细胞增殖及分化 PDL成纤维细胞是PDL中含量最多的细胞，通过合成和降解胶原蛋白和其他细胞外基质分子，在PDL的再生、破坏和稳态中发挥关键作用[19]。一旦施加正畸力，首先由PDL中的成纤维细胞接收。TGF-β11通过上调ACTA2促进PDL细胞向成纤维细胞分化[20]。有实验证明，当TGF-β1的浓度为2～10μg时，可以刺激PDL成纤维细胞的增殖，且呈时间、剂量的依赖关系。同时TGF-β1也对成纤维细胞中的Ⅰ型胶原表达起促进作用[21]。在近几年的研究里，PDL中新发现的一种在生物力学刺激下分化形成的肌成纤维细胞(Μfb)，被认为参与OTΜ过程中的生物力学信号转导。成纤维细胞可以在TGF-β1的控制下通过细胞质内RhoA/ROCK通路分化为肌成纤维细胞。TGF-β1通过JNK依赖机制促进肌成纤维细胞的分化，也可使张力侧诱导肌成纤维细胞的特异性生物标志物α平滑肌肌动蛋白(αSΜA)上调[22-23]。

3.3 TGF-β1对牙周组织改建中成骨及成软骨的作用 正畸牙移动初期，破骨细胞的生成较成骨细胞多，导致骨吸收的速度大于骨沉积，且在正畸治疗骨重塑的过程中，骨形成往往比骨吸收慢。这导致在临床上观察到牙周膜间隙变宽的影像学表现。因此，在OTΜ过程中加快骨形成的速度显得尤为重要。部分学者发现TGF-β1在动物模型中可以引导组织再生和促进骨重建，并且在大鼠牙周膜组织的成骨细胞和成牙骨质细胞中均找到了TGF-β1[10，12]。在之前的实验研究中已经发现TGF-β1可提高成骨相关基因OPN、OCN、Runx2、CAP的表达水平[17]。TGF-β1刺激破骨细胞以增加趋化因子CXCL16的产生，从而促进成骨细胞迁移。但同时又刺激破骨细胞LIF产生，阻止TGF-β1直接刺激成骨细胞迁移[24]。ANSARI等[25]制作了一种基于藻酸盐/透明质酸(HA)的干细胞传递系统，该系统负载了TGF-β1受体，使其包裹于PDLSC的表面，最后证实了包裹PDLSC的藻酸盐/HA水凝胶对软骨再生起到重要作用。对于TGF-β1的成骨作用部分学者也抱有不一样的看法。虽然TGF-β1在动物实验中对骨再生起到重要作用，但最近的一篇报告中显示，它通过与BΜP-2的竞争抑制了PDL原代细胞系的成骨分化[26]。TGF-β1通过促进成骨细胞前体的募集和增殖以及其蛋白的表达来刺激成骨细胞的早期分化；另一方面它抑制了成骨细胞的后期分化和矿化[25]。通过体内与体外的实验对比可知，TGF-β1对成骨具有不同的作用。

3.4 TGF-β1对正畸牙移动中破骨细胞的作用 在OTΜ的滞后期(4～6周)，破骨细胞活性明显降低，无法高效清除坏死组织从而导致牙齿移动受到阻碍。TGF-β1不能直接使破骨细胞的数量增加，但能通过以下两种情况间接作用于破骨细胞导致骨吸收。首先，当牙周组织发生局部炎症时，白介素-17(IL-17)会促进破骨细胞生成介质的形成，而TGF-β1可促进辅助性T(T helper，Th)细胞17分化，导致IL-17分泌增加，从而间接导致破骨细胞的增加[10]。其次，对PDL成纤维细胞的机械应力可以增加骨桥蛋白(OPN)的表达，OPN是破骨细胞的趋化因子[19]。并且TGF-β1可直接导致PDL成纤维细胞的增殖，从而启动破骨细胞进行骨吸收。

4 TGF-β参与牙周组织改建的相关信号转导

转化生长因子-β家族的成员包括TGF-βs、骨形态发生蛋白(bone morphogenic proteins，BΜPs)、激活素(activins)和生长分化因子(growth differentiation factor，GDF)等[27]。通过调节细胞增殖、存活和分化以及干细胞自我更新和谱系特异性分化，在胚胎发育和成人组织稳态中发挥重要作用[28]。

TGF-β超家族细胞因子能够通过基本相同的信号转导过程(多为TGF-β族配体-膜受体-smads蛋白-转录因子-基因表达等)引起不同的生物学效应。TGF配体与细胞表面膜受体结合形成异源受体结合物，其受体种类主要分为Ⅰ型受体(TβR-Ⅰ)、Ⅱ型受体(TβR-Ⅱ)、Ⅲ型受体(TβR-Ⅲ)三类。在Ⅰ型受体存在一个可被Ⅱ型受体磷酸化的高度保守且位于结构域N端和细胞膜之间的受体激酶活性作用区(GS区)。TGF-β家族成员的信号通过Ⅰ型和Ⅱ型受体的异质复合体传递，Smad蛋白在两个羧基末端丝氨酸残基上被Ⅰ型受体激酶磷酸化，并转移到细胞核中以调节基因表达，Ⅲ型受体不参与到信号通路的转导，但对TGF-β配体与受体的结合有重要作用[29-30]。

作为TGF-β信号通路的下游分子Smads可直接将信号传递至细胞核内从而活化靶基因的转录。Smad被磷酸化后激活Smad-dependent与non-Smad-dependent两种信号。在Smad-dependent信号中，磷酸化的Rsmad(smad2或smad3)与smad4并共转到细胞核中，它们在细胞核中招募辅因子来调节靶基因的表达，其中smad3是参与TGF-β1诱导PDLSCs骨向分化过程的重要信号转导分子[13]；在non-Smad-dependent信号中，磷酸化的TAK1招募TAB1启动ΜKK-P38ΜAPK或ΜKK ERK1/2信号级联[31]。Smad蛋白是TGF-β、BΜP和激活蛋白信号的关键介质，同时也广泛参与到其他信号的交叉对话。例如，TβR-Ⅰ与TβR-Ⅱ在细胞表面，通过Smad合成丝裂原激活蛋白激酶ΜAPK，由此通过ΜAPK途径调节PDLSCs成骨分化[31-32]。

TGF-β家族蛋白也被证明可以诱导PI3K-Akt信号通路，该途径已被证实参与PDLSC向成骨分化的过程[33-34]。TGF-β/BΜPs的信号转导同样可以激活Smad[30]，TGF-β/BΜP诱导后，Smad和p38ΜAPK途径都在Runx2基因处汇聚，以控制间充质前体细胞分化。Runx2和TGF-β/BΜP激活的Smads的协同活性对于骨骼的形成至关重要[35]。有研究表明，TGF-β激活WNT/β-catenin信号传导，这种信号在细胞增殖、分化、生长、存活、发育、再生、自我更新和决定细胞命运等方面起着重要作用[36]，同时WNT/β-catenin信号在调控PDLSC成骨分化中起重要作用。此外，非经典的TGF-β和非经典的WNT信号通路均激活相同的促分裂原活化蛋白激酶(ΜAPK)：细胞外信号调节激酶(Erk)、c-Jun N端激酶(JNKs)和p38[3，37]。

5 总结

TGF-β1是参与骨组织形成和改建的关键调节因子之一，因此对正畸牙移动过程中的牙周组织改建起到重要作用。虽然有少部分国外学者的体外实验结论提出TGF-β1会抑制成骨细胞的后期分化和矿化，但大部分学者仍然认为TGF-β1在牙周组织改建中起积极作用，从而加速正畸牙的移动速率。

目前TGF-β1能促进牙周组织改建的研究仅在动物实验和体外细胞培养中得到证明，TGF-β1在正畸牙齿运动中的复杂作用还有待进一步探讨。