GDF15 促進(jìn)牙周膜成纖維細(xì)胞的成骨細(xì)胞命運(yùn)影響其機(jī)械生物學(xué)反應(yīng)

正畸牙齒移動(dòng)（OTM）期間產(chǎn)生的機(jī)械刺激包括拉伸和壓縮應(yīng)變，它們觸發(fā)牙周膜成纖維細(xì)胞（PdLFs）的力特異性機(jī)械生物學(xué)反應(yīng)，為組織和骨重塑創(chuàng)造有利的微環(huán)境。拉伸力通過增加抗炎 IL-10 的分泌和刺激成骨細(xì)胞分化來促進(jìn)骨形成。由于 PdL 成纖維細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞的內(nèi)在潛力，在施加拉力時(shí)檢測(cè)到堿性磷酸酶（ALP）和 runt 相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（RUNX2）等成骨標(biāo)志物的表達(dá)以及鈣沉積物的增加。相反，壓縮力通過 PdLFs 誘導(dǎo)缺氧和促炎細(xì)胞因子，包括 IL-6、IL-8、PGE2 以及 RANKL 的分泌來促進(jìn)骨吸收微環(huán)境。
 

作為一種應(yīng)激響應(yīng)型多功能調(diào)節(jié)因子，最近發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)分化因子15（GDF15）在 PdLFs 對(duì)壓縮力的機(jī)械反應(yīng)中是重要的促炎調(diào)節(jié)劑。細(xì)胞外 GDF15 可以與細(xì)胞膜受體結(jié)合，此外，激活素受體樣激酶（ALK）家族的成員也結(jié)合 GDF15 并介導(dǎo)自分泌和旁分泌功能。除了其受體介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)外，據(jù)報(bào)道，未經(jīng)處理的 GDF15 在易位到細(xì)胞核后也能調(diào)節(jié)基因表達(dá)。
 

考慮到 GDF15 在 PdL 成纖維細(xì)胞機(jī)械反應(yīng)中的關(guān)鍵作用，長(zhǎng)期暴露于 GDF15 可能會(huì)損害其功能，從而增加這些患者在正畸治療中的風(fēng)險(xiǎn)。GDF15 已被證明可以調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞的分化和功能，從而可能改變細(xì)胞命運(yùn)和 PdLFs 的機(jī)械反應(yīng)，這之間似乎特別相關(guān)。因此，德國(guó)耶拿大學(xué)附屬醫(yī)院口腔正畸科的研究員在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中探討了長(zhǎng)時(shí)間暴露于 GDF15 對(duì) PdL 成纖維細(xì)胞特性和機(jī)械生物學(xué)功能的影響。研究成果發(fā)表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊題為“GDF15 Promotes the Osteogenic Cell Fate of Periodontal Ligament Fibroblasts, thus Affecting Their Mechanobiological Response”。
 

首先，為了評(píng)估長(zhǎng)時(shí)間暴露于 GDF15 對(duì) hPdLFs 的影響，分析了兩種濃度的重組人 GDF15（rhGDF15：5 ng/mL；20 ng/mL）刺激 12、24 和 36 天后的代謝活性（圖1 d），發(fā)現(xiàn) 12 天的刺激導(dǎo)致代謝活性降低，這種降低隨著刺激時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)。

隨后確定細(xì)胞密度（圖1 e、f），刺激 12 天后，細(xì)胞密度顯著降低，且隨著暴露時(shí)間的增加而變得更加明顯，但與應(yīng)用的 rhGDF15 濃度無關(guān)。為了確定增殖細(xì)胞的比例，在 rhGDF15 暴露 12、24 和 36 天后對(duì)增殖標(biāo)志物 Ki-67 進(jìn)行免疫熒光染色（圖1 e、g）。在所有條件下，觀察到 Ki67 陽性細(xì)胞的比例降低，這可能是由于空間有限導(dǎo)致生長(zhǎng)衰老或誘導(dǎo)的分化程序。在任何分析的時(shí)間點(diǎn)均未檢測(cè)到所應(yīng)用的兩種 rhGDF15 濃度之間的顯著差異。

由于 GDF15 被報(bào)道會(huì)影響細(xì)胞存活，因此還使用臺(tái)盼藍(lán)染色（圖1h）TUNEL 測(cè)定法（圖1 i、j）分析了受損細(xì)胞的比例。然而，既沒有檢測(cè)到與培養(yǎng)持續(xù)時(shí)間相關(guān)的細(xì)胞存活變化，也沒有檢測(cè)到由暴露于 rhGDF15 引起的變化。

這些數(shù)據(jù)表明，GDF15 限制了 hPdLFs 的增殖能力，而不影響細(xì)胞存活。

圖1 GDF15限制hPdLFs的細(xì)胞增殖，但不影響細(xì)胞的長(zhǎng)期存活。

由于細(xì)胞存活不受影響，hPdLFs 增殖減少可能是由細(xì)胞衰老或成骨分化增加引起的，這兩者都可能受到 GDF15 的影響。對(duì)早期衰老標(biāo)志物 p21 的免疫熒光染色強(qiáng)度進(jìn)行定量分析顯示，在兩種濃度 rhGDF15 刺激 12 天和 24 天后，其表達(dá)水平顯著升高，在刺激的最高時(shí)間點(diǎn)無法檢測(cè)到這種增加。這表明，rhGDF15 刺激 12 天后，細(xì)胞衰老激活增強(qiáng)，而長(zhǎng)時(shí)間暴露后沒有觀察到顯著變化。

接下來，實(shí)驗(yàn)旨在解決 GDF15 的成骨分化和潛在改變，這可能是除衰老外，刺激 hPdLFs 增殖能力降低的重要因素。對(duì)成骨標(biāo)志基因 ALPL 和 RUNX2 進(jìn)行定量表達(dá)分析，結(jié)果顯示，其在 rhGDF15 暴露 12 天和 24 天后水平升高（圖2 a、b）。作為成骨分化特征的堿性磷酸酶活性的進(jìn)一步分析清楚地表明，其在 rhGDF15 暴露 36 天后水平升高（圖2 c、d）。值得注意的是，RNA 轉(zhuǎn)錄水平不一定與各自的蛋白質(zhì)水平相關(guān)，翻譯后調(diào)控可能還會(huì)額外調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性。

考慮到 ALP 活性對(duì)礦化至關(guān)重要，研究員進(jìn)一步分析了鈣沉積的形成，作為 rhGDF15 刺激 36 天時(shí)成骨細(xì)胞活性的標(biāo)志物（圖2 e、f）。結(jié)果觀察到，在 rhGDF15 的長(zhǎng)期刺激下，礦化沉積物的形成略有增加，但似乎也與濃度無關(guān)，然而，在成骨分化對(duì)照中這一增幅明顯更高。

這些數(shù)據(jù)表明，GDF15 在長(zhǎng)期暴露后促進(jìn) hPdLFs 的成骨分化，而細(xì)胞衰老隨著刺激時(shí)間的縮短而更加突出。
 

圖2 長(zhǎng)期暴露于GDF15可促進(jìn)hPdLFs的成骨分化。
 

在后續(xù)研究中，實(shí)驗(yàn)旨在確定通過 36 天的長(zhǎng)時(shí)間 rhGDF15 暴露向成骨細(xì)胞命運(yùn)的轉(zhuǎn)變?cè)诙啻蟪潭壬嫌绊懥藢?duì)機(jī)械刺激做出反應(yīng)的 hPdLFs 的功能。為此，應(yīng)用雙軸拉伸力（15.9%），抗炎標(biāo)志物IL-10（圖3 a）和 IL-1RA （圖3 b）水平升高，并沒有因先前長(zhǎng)期暴露于 rhGDF15 而產(chǎn)生相關(guān)的變化。然后分析貼壁THP1細(xì)胞，通過確定單核免疫細(xì)胞的激活來可視化炎癥反應(yīng)（圖3 c、d），發(fā)現(xiàn)雖然拉伸力促進(jìn)了抗炎反應(yīng)，減少了 THP1 的激活，但先前的 rhGDF15 暴露阻斷了這種反應(yīng)。

由于骨形成和成骨細(xì)胞活性的激活是拉伸部位的關(guān)鍵特征，因此進(jìn)一步分析了雙軸拉伸應(yīng)力 24 h 后 hPdLFs 中 ALP 活性的誘導(dǎo)（圖3 e、f）。雖然對(duì)照組由于施加拉伸力而顯示出增加的 ALP 活性，但在 rhGDF15 刺激的 hPdLFs 中沒有檢測(cè)到這一點(diǎn)，這表明拉伸應(yīng)力對(duì)進(jìn)一步成骨細(xì)胞的激活有限。值得注意的是，由于基線水平增加，rhGDF15 暴露下拉伸刺激的 hPdLFs 中的 ALP 活性仍顯著高于應(yīng)力對(duì)照細(xì)胞（圖3 f）。此外，還研究了施加拉伸應(yīng)力后鈣沉積的形成（圖3 g、h）。雖然先前檢測(cè)到的 GDF15-依賴性鈣沉積形成的增加在力應(yīng)激細(xì)胞中也被檢測(cè)到，但與未刺激的hPdLFs相比，對(duì)照培養(yǎng)組和 rhGDF15-刺激的 hPdLFs 組都沒有顯示出與拉伸力相關(guān)的差異。

圖3 長(zhǎng)期暴露于 GDF15 的 hPdLFs 顯示出對(duì)拉伸應(yīng)力的抗炎和促成骨機(jī)械反應(yīng)降低。
 

基于其在調(diào)節(jié)對(duì)壓縮刺激的促炎反應(yīng)中的關(guān)鍵作用，最后，實(shí)驗(yàn)研究了先前的長(zhǎng)期暴露對(duì)壓縮應(yīng)力（2 g/cm2）下 hPdLFs 機(jī)械反應(yīng)的影響。壓縮力促進(jìn) hPdLFs 的促炎反應(yīng)，并通過增加 RANKL 水平和激活破骨細(xì)胞來促進(jìn)骨降解。

對(duì)促炎細(xì)胞因子 IL-6 和 COX2（圖4 a、b）進(jìn)行定量分析，雖然沒有檢測(cè)到 GDF15 依賴性的 COX2 表達(dá)，但在壓縮力下的 rhGDF15 刺激的 hPdLFs 中 IL6 水平顯著增加。值得注意的是，基線水平不會(huì)隨著 rhGDF15 暴露而改變。為了研究 IL6 表達(dá)的變化是否也會(huì)導(dǎo)致炎癥反應(yīng)的改變，從而導(dǎo)致免疫細(xì)胞的激活，研究相應(yīng)地分析了 THP1 單核細(xì)胞的粘附（圖4 c、d），發(fā)現(xiàn) rhGDF15 長(zhǎng)期刺激期間壓縮力刺激的 hPdLFs 對(duì)單核細(xì)胞的激活增加。

通過分析應(yīng)力刺激下的 hPdLFs 的 RANKL 和 OPG 表達(dá)，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)骨吸收破骨細(xì)胞激活的可能影響（圖4 e、f）。在對(duì)照組中，壓縮力促進(jìn)了 RANKL 水平的顯著增加和 OPG 水平的顯著降低，在這種情況下，通常通過增加 RANKL-RANK 結(jié)合來促進(jìn)破骨細(xì)胞分化。然而，在 rhGDF15 刺激的 hPdLFs 中沒有觀察到這些變化。

為了進(jìn)一步解決破骨細(xì)胞激活在功能上的變化，將預(yù)刺激的THP1單核細(xì)胞產(chǎn)生的巨噬細(xì)胞用壓縮應(yīng)力刺激的 hPdLFs 的培養(yǎng)上清液培養(yǎng)（圖4 f、g）。與未受壓縮應(yīng)力的對(duì)照組相比，壓縮對(duì)照成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)基上清刺激后，檢測(cè)到向單核前破骨細(xì)胞和成熟多核破骨細(xì)胞的分化增強(qiáng)。然而，與 RANKL 和 OPG 表達(dá)數(shù)據(jù)一致，在廣泛暴露于 rhGDF15 的壓縮 hPdLFs 中觀察到破骨細(xì)胞活化減少。

這些數(shù)據(jù)表明，GDF15 的長(zhǎng)期刺激對(duì)人 PdL 成纖維細(xì)胞的細(xì)胞特性和促炎機(jī)械生物學(xué)反應(yīng)具有相關(guān)影響，導(dǎo)致由于壓縮力誘導(dǎo)的炎癥增加，但破骨細(xì)胞活化減少，可能是通過調(diào)節(jié) RANKL/OPG。
 

圖4 長(zhǎng)期暴露于 GDF15 的 hPdLFs 對(duì)壓縮刺激的促炎反應(yīng)增加，對(duì)破骨細(xì)胞的激活有限。

總之，該研究結(jié)果強(qiáng)烈表明，GDF15 對(duì) PdL 成纖維細(xì)胞的細(xì)胞命運(yùn)具有相關(guān)影響，從而在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)促進(jìn)成骨分化。此外，GDF15 似乎影響這些細(xì)胞的力相關(guān)炎癥機(jī)械反應(yīng)，并隨后影響它們對(duì)破骨細(xì)胞的激活。由于研究使用簡(jiǎn)化的體外加載模型來模擬具有壓縮和拉伸應(yīng)變的正畸牙齒移動(dòng)，因此未來的研究應(yīng)側(cè)重于體內(nèi)的這些發(fā)現(xiàn)�？偠�言之，以上研究提供了證據(jù)表明，長(zhǎng)期升高的 GDF15 水平（例如與特定疾病和衰老相關(guān)的水平）確實(shí)會(huì)影響 PdL 細(xì)胞的機(jī)械反應(yīng)性，因此可能與這些患者的正畸治療有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：Lösch L, Stemmler A, Fischer A, Steinmetz J, Schuldt L, Hennig CL, Symmank J, Jacobs C. GDF15 Promotes the Osteogenic Cell Fate of Periodontal Ligament Fibroblasts, thus Affecting Their Mechanobiological Response. Int J Mol Sci. 2023 Jun 11;24(12):10011. doi: 10.3390/ijms241210011. PMID: 37373159; PMCID: PMC10298702.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37373159/

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