體外不同靜態(tài)拉伸應(yīng)變參數(shù)對(duì)模擬正畸牙移動(dòng)張力側(cè)人牙周韌帶細(xì)胞影響

正畸牙齒移動(dòng)（OTM）的目的是通過(guò)在牙齒上施加外力（“正畸力”）來(lái)對(duì)齊錯(cuò)位的牙齒，從而刺激骨骼重塑。人牙周韌帶（hPDL）及其所含細(xì)胞位于牙齒和牙槽骨之間，在生理、病理和治療條件下（例如正畸治療）中承受機(jī)械力方面起著至關(guān)重要的作用。

在OTM期間，機(jī)械刺激會(huì)觸發(fā)復(fù)雜的無(wú)菌性炎癥反應(yīng)和分子過(guò)程，導(dǎo)致周圍組織的重塑，最終導(dǎo)致壓力側(cè)的骨吸收和張力側(cè)的骨形成。適當(dāng)?shù)臋C(jī)械負(fù)荷對(duì)于穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。缺乏機(jī)械刺激會(huì)導(dǎo)致PDL和/或骨骼萎縮。相反，過(guò)度負(fù)荷以類似的方式影響PDL和骨，分別導(dǎo)致牙周附著缺失和/或牙槽骨缺失，最終導(dǎo)致牙齒移動(dòng)不受控制和/或牙根吸收。

為了更深入地了解治療所需的機(jī)械力對(duì)牙齒移動(dòng)和骨重塑相關(guān)基因表達(dá)和調(diào)節(jié)的影響，已經(jīng)提出了不同的體外機(jī)械力應(yīng)用模型，特別是在壓縮力方面。關(guān)于張力，已經(jīng)應(yīng)用了不同的體外模型來(lái)解決不同的問(wèn)題，即細(xì)胞凋亡、焦亡、血管生成、成骨和炎癥等，但大多數(shù)這些研究?jī)H關(guān)注特定的張力幅度。即使在那些考慮不同幅度的研究中，張力也只在單個(gè)時(shí)間段內(nèi)施加。

基于此，德國(guó)慕尼黑大學(xué)附屬醫(yī)院口腔頜面外科、牙齒保存和牙周病門診等科系的研究團(tuán)隊(duì)在一項(xiàng)研究中探討了不同拉伸應(yīng)變大小和持續(xù)時(shí)間對(duì)人牙周韌帶細(xì)胞（hPDLCs）的影響，特別強(qiáng)調(diào)與骨重塑、機(jī)械傳感和炎癥相關(guān)的基因表達(dá)。 實(shí)驗(yàn)對(duì) hPDLCs 施加不同幅度（0%=對(duì)照，3%，6%，10%，15%和20%）的靜態(tài)等雙軸拉伸應(yīng)變，持續(xù)1、2、3天。通過(guò)活/死細(xì)胞染色評(píng)估細(xì)胞活力，并使用逆轉(zhuǎn)錄定量實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)（RT-qPCR）和/或酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）量化與骨重塑，機(jī)械感應(yīng)和炎癥相關(guān)的靶基因的表達(dá)。

通過(guò)活/死細(xì)胞染色進(jìn)行活力測(cè)試（圖1）。結(jié)果表明，與未經(jīng)處理的對(duì)照組相比，hPDLCs的活力不受影響，與拉伸幅度和持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān)。 圖1   通過(guò)活/死細(xì)胞染色評(píng)估的人牙周韌帶細(xì)胞（hPDLCs）的細(xì)胞活力�；罴�(xì)胞用綠色染色表示，死細(xì)胞用紅色染色（黃色箭頭）表示。
使用六種不同的幅度（0%，3%，6%，10%，15%和20%）的拉伸應(yīng)變將hPDLCs持續(xù)拉伸長(zhǎng)達(dá)3天。之后，用RT-qPCR和/或ELISA分析靶基因的表達(dá)。骨重塑相關(guān)基因，包括ALPL、RUNX2、BGLAP、SP7、TNF和TNFRSF11B，機(jī)械刺激相關(guān)基因FOS和炎癥反應(yīng)相關(guān)基因，包括IL6、PTGS2、PGE2、IL1B、IL8和IL10。分析試驗(yàn)組與相應(yīng)對(duì)照組基因表達(dá)的差異，分別確定每個(gè)幅度的拉伸應(yīng)變持續(xù)時(shí)間依賴性，并評(píng)估每個(gè)持續(xù)時(shí)間的幅度依賴性。

骨重塑相關(guān)靶基因

使用RT-qPCR評(píng)估骨重塑相關(guān)基因ALPL、RUNX2、BGLAP和SP7的表達(dá)。結(jié)果顯示在圖2。

通常，RUNX2和ALPL的基因表達(dá)對(duì)細(xì)胞拉伸的持續(xù)時(shí)間和幅度表現(xiàn)出相似的依賴性。細(xì)胞拉伸1天后，兩個(gè)基因的轉(zhuǎn)錄均顯著增加，在第2天和第3天下降，最終達(dá)到對(duì)照水平（圖2 a、c）。這兩個(gè)基因，在第1天3% 的細(xì)胞拉伸后基因表達(dá)最高，與其他測(cè)試組相比有顯著差異。拉伸強(qiáng)度越高，兩種基因的轉(zhuǎn)錄活性越低，與對(duì)照組相比無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。與拉伸幅度無(wú)關(guān)，在第2天和第3天，兩個(gè)靶基因的表達(dá)要么恢復(fù)到對(duì)照水平，要么更低。

與RUNX2和ALPL相同，SP7表達(dá)也與拉伸刺激持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)（圖2 b）。不同拉伸幅度的細(xì)胞對(duì)SP7基因表達(dá)的影響不一致。雖然較低的拉伸應(yīng)變水平（6%，10%和15%）導(dǎo)致SP7表達(dá)顯著上調(diào)，但最大細(xì)胞拉伸（20%）誘導(dǎo)SP7表達(dá)下調(diào)，但不具有顯著性。

除3% 拉伸幅度外，BGLAP基因也存在差異表達(dá)，主要取決于機(jī)械刺激的持續(xù)時(shí)間（圖2 d）。1天后，其基因表達(dá)與對(duì)照組沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。2天后，除外10%外，其余的拉伸應(yīng)變幅度均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的下調(diào)。施用10% 和15% 拉伸應(yīng)變3天后，BGLAP上調(diào)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3% 的細(xì)胞拉伸僅在第 2 天導(dǎo)致暫時(shí)性的顯著下調(diào)。10% 的細(xì)胞拉伸在第3天顯示出最大的BGLAP基因表達(dá)。 圖2   靜態(tài)拉伸應(yīng)變應(yīng)用1至3天后與骨重塑相關(guān)基因的RT-qPCR結(jié)果：（a）RUNX2，（b）SP7，（c）ALPL和（d）BGLAP。對(duì)照的基因表達(dá)用灰色虛線表示。

機(jī)械感覺相關(guān)靶基因

主體上，F(xiàn)OS基因表達(dá)在第1天和第2天保持不變，且與拉伸應(yīng)變大小無(wú)關(guān)（圖3）。細(xì)胞拉伸3天后，F(xiàn)OS基因表達(dá)上調(diào)，而且不同強(qiáng)度拉伸間無(wú)差異。 圖3   機(jī)械感覺相關(guān)基因FOS的RT-qPCR結(jié)果。對(duì)照的基因表達(dá)用灰色虛線表示。

炎癥相關(guān)靶基因

IL6和PTGS2在轉(zhuǎn)錄水平上的基因表達(dá)，以及相應(yīng)的ELISA結(jié)果，如圖4。

與對(duì)照組相比，暴露于拉伸應(yīng)變的細(xì)胞中的IL6基因表達(dá)在第1天增加，但在第2天顯著減弱，最終在第3天恢復(fù)到對(duì)照水平（圖4 a）。在應(yīng)用15% 細(xì)胞拉伸后的第1天觀察到最大的IL6基因表達(dá)，而較低的 3% 和 6% 的幅度誘導(dǎo)了不太明顯的上調(diào)。IL6基因表達(dá)在 10% 和 20% 拉伸應(yīng)變中均不受影響。兩天的細(xì)胞拉伸導(dǎo)致IL6基因表達(dá)下調(diào)，6% 和 15% 拉伸應(yīng)變組與相應(yīng)的對(duì)照組相比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。拉伸應(yīng)變3 天后，IL6基因表達(dá)達(dá)到相應(yīng)對(duì)照水平。

關(guān)于轉(zhuǎn)化水平，細(xì)胞培養(yǎng)上清液中的IL6濃度取決于細(xì)胞拉伸的持續(xù)時(shí)間（圖4 b）。與未處理的對(duì)照組相比，它在前兩天升高，然后在細(xì)胞拉伸3天后進(jìn)一步升高，與其幅度無(wú)關(guān)。IL6濃度最高時(shí)是 3% 和 20% 的拉伸應(yīng)變幅度，與持續(xù)時(shí)間無(wú)關(guān)。在所有時(shí)間點(diǎn)，10% 的細(xì)胞拉伸后發(fā)現(xiàn)最低的IL6濃度。

PTGS2基因表達(dá)最初上調(diào)（第1天）（圖4 c），在 15% 拉伸應(yīng)變下，PTGS2 基因表達(dá)上調(diào)幅度最大。在第2天，PTGS2基因表達(dá)保持不變，而在第3天，幾乎沒有觀察到基因表達(dá)的影響。

在整個(gè)觀察期間，hPDLCs暴露于拉伸應(yīng)變導(dǎo)致PGE2顯著上調(diào)，在第1天達(dá)到最大值（圖4 d）。在較低水平的拉伸應(yīng)變（3%，6%和10%）下，與未暴露的對(duì)照相比，PGE2表達(dá)水平?jīng)]有差異。只有 15% 和 20% 的幅度顯著增加了PGE2濃度。 圖4   炎癥相關(guān)基因和代謝物的表達(dá)：（a）IL6基因，（b）上清液中的IL6，（c）PTGS2基因，（d）上清液中的PGE2。對(duì)照的基因表達(dá)用灰色虛線表示。

綜上所述，這項(xiàng)研究涵蓋了拉伸應(yīng)變幅度和持續(xù)時(shí)間，重點(diǎn)是骨重塑、機(jī)械感應(yīng)和炎癥。一般來(lái)說(shuō)，較低的幅度有利于成骨，導(dǎo)致炎癥減少甚至抑制。較高的幅度會(huì)抑制成骨并誘導(dǎo)更高水平的炎癥。在所有應(yīng)用幅度中，10% 是最佳的，成骨水平較高，同時(shí)不會(huì)引起明顯的炎癥反應(yīng)。研究結(jié)果表明，暴露于不同幅度的拉伸應(yīng)變最多3天后，對(duì)hPDLCs的生物學(xué)規(guī)律有了更好的了解。輕微的正畸力量似乎有利于協(xié)調(diào)的骨骼重塑和牙周組織穩(wěn)態(tài)的維持，最終實(shí)現(xiàn)有效的牙齒移動(dòng)。目前的結(jié)果表明，不同的力大小可能會(huì)對(duì)炎癥和骨骼重塑相關(guān)因素的表達(dá)產(chǎn)生不同的影響，研究數(shù)據(jù)可能有助于定義臨床情況下OTM的適當(dāng)力量。

參考文獻(xiàn)：Sun C, Janjic Rankovic M, Folwaczny M, Stocker T, Otto S, Wichelhaus A, Baumert U. Effect of Different Parameters of In Vitro Static Tensile Strain on Human Periodontal Ligament Cells Simulating the Tension Side of Orthodontic Tooth Movement. Int J Mol Sci. 2022 Jan 28;23(3):1525. doi: 10.3390/ijms23031525. PMID: 35163446; PMCID: PMC8835937.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35163446/

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