力誘導(dǎo)的 Caspase-1 依賴性焦亡調(diào)控正畸牙齒移動(dòng)

Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement

Subject terms: Cell death, Mesenchymal stem cells, Bone remodelling

細(xì)胞焦亡是一種裂解性程序性細(xì)胞死亡，由炎性半胱天冬酶（Caspases）啟動(dòng)，其特征是gasdermin（GSDM）介導(dǎo)的細(xì)胞膜穿孔和細(xì)胞內(nèi)容物的釋放。細(xì)胞外或細(xì)胞內(nèi)刺激可激活細(xì)胞焦亡，包括病原體感染、炎癥、腫瘤和機(jī)械力。根據(jù)不同的環(huán)境刺激和炎性半胱天冬酶，焦亡可分為典型途徑和非典型途徑。在典型細(xì)胞焦亡中，Nod樣受體蛋白3（NLRP3）等炎癥小體激活Caspase-1以裂解gasdermin D（GSDMD）并將pro-IL-1β加工成成熟的IL-1β。在非典型焦亡中，Caspase-11/4/5 在識(shí)別細(xì)胞溶質(zhì)脂多糖時(shí)被激活以裂解 GSDMD，其獨(dú)立于炎癥小體和 Caspase-1。

正畸牙齒移動(dòng)（OTM）是一種由機(jī)械力刺激誘導(dǎo)的無菌炎癥性骨重塑過程。牙周膜（PDL）干細(xì)胞/祖細(xì)胞是牙周組織中的主要細(xì)胞成分，在OTM過程中不斷受到力刺激，參與炎癥反應(yīng)和骨重塑過程。研究報(bào)道了炎癥因子、趨化因子和氣體分子（如硫化氫）的表達(dá)在力刺激的 PDL 干細(xì)胞/祖細(xì)胞中增加。此外，體外循環(huán)拉伸可以通過 Caspase-1 相關(guān)機(jī)制激活PDL 細(xì)胞的 NLRP 炎癥小體并誘導(dǎo) IL-1β 的釋放。然而，機(jī)械力是否以及如何誘導(dǎo) PDL 干細(xì)胞/祖細(xì)胞焦亡，從而影響 OTM 和牙槽骨重塑仍然未知。

瞬時(shí)感受器電位離子通道香草素受體4（TRPV4）可以調(diào)節(jié)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)、炎癥激活和機(jī)械力誘導(dǎo)的牙槽骨重塑。此前，體內(nèi)和體外的研究發(fā)現(xiàn)TRPV4 參與OTM 期間 PDL 干細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)，TRPV4還可以介導(dǎo)慢性阻塞性肺疾病中的氣道上皮細(xì)胞焦亡。因此，有理由假設(shè) TRPV4 參與 PDL 祖細(xì)胞中力誘導(dǎo)的焦亡。

最近，北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科研究團(tuán)隊(duì)在International Journal of Oral Science 上發(fā)表了題為“Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement”的文章。該研究旨在說明機(jī)械力是否以及如何誘導(dǎo)牙周膜祖細(xì)胞（PDLPs）焦亡并影響 OTM 和牙槽骨重塑，通過使用 OTM 動(dòng)物模型、力誘導(dǎo)的離體人 PDL 祖細(xì)胞和體外壓縮力負(fù)荷模型，發(fā)現(xiàn)機(jī)械力誘導(dǎo) PDL 祖細(xì)胞 Caspase-1 依賴性焦亡，促進(jìn)了 OTM 和牙槽骨重塑。這項(xiàng)研究揭示了 OTM 的新機(jī)制，并表明靶向 Caspase-1 可能是加速 OTM 的一種有前途的方法。

首先，為了研究機(jī)械力誘導(dǎo)的焦亡是否調(diào)節(jié)體內(nèi)牙槽骨重塑，建立了力誘導(dǎo)OTM和牙槽骨重塑模型。在3 d、7 d和14 d的力負(fù)荷（50-60g）下，大鼠的OTM距離逐漸增加。CD90 是大鼠PDLPs的標(biāo)志物，免疫熒光顯示，經(jīng)力負(fù)荷3 d后，牙周組織壓力側(cè)Caspase-1+CD90+ 細(xì)胞、GSDMD+CD90+ 細(xì)胞、IL-1β+CD90+ 細(xì)胞數(shù)量均增加。然而，在張力側(cè)，與對(duì)照組相比，焦亡相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)沒有變化。此外，在力刺激7 d后，牙周組織中Caspase-1、Gsdmd和IL-1β等焦亡相關(guān)基因的表達(dá)顯著上調(diào)。這說明，機(jī)械力在體內(nèi) OTM 和牙槽骨重塑過程中誘導(dǎo)PDLPs焦亡。

為進(jìn)一步探討焦亡水平對(duì)OTM的影響，使用焦亡激活劑PPVI或抑制劑MCC950來增強(qiáng)或阻斷焦亡水平，發(fā)現(xiàn)PPVI注射后OTM距離增加，MCC950注射后OTM距離減小。同時(shí)，PPVI注射后，牙周組織中力誘導(dǎo)的Caspase-1、GSDMD和IL-1β表達(dá)進(jìn)一步升高，而MCC950部分逆轉(zhuǎn)了焦亡相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)。

Caspase-1 是典型焦亡途徑中裂解 GSDMD 的關(guān)鍵因素，因此進(jìn)一步確認(rèn)力誘導(dǎo)的焦亡是否需要 Caspase-1 的激活。力負(fù)荷7d后，Caspase-1−/− 小鼠的OTM距離顯著縮短（圖1 a）。相應(yīng)地，Caspase-1−/− 小鼠牙周組織中Caspase-1、GSDMD、IL-1β的表達(dá)顯著降低（圖1 b）。這些數(shù)據(jù)表明，機(jī)械力可以誘導(dǎo)Caspase-1-依賴性細(xì)胞焦亡，從而進(jìn)一步促進(jìn)OTM和牙槽骨重塑。

此外，在力誘導(dǎo)的牙齒移動(dòng)過程中，每隔一天將Caspase-1抑制劑Belnacasan（VX765）注射到小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)牙齒移動(dòng)距離明顯減�。▓D1 c）。且力誘導(dǎo)的Caspase-1、GSDMD和IL-1β表達(dá)的上調(diào)被部分逆轉(zhuǎn)（圖1 d）。

圖1 機(jī)械力誘導(dǎo)的焦亡以 Caspase-1 依賴性方式調(diào)節(jié) OTM 和牙槽骨重塑。

PDL干細(xì)胞/祖細(xì)胞是響應(yīng)機(jī)械力并促進(jìn)OTM的主要細(xì)胞，因此實(shí)驗(yàn)接下來檢測(cè)機(jī)械力是否在力刺激下誘導(dǎo)PDL祖細(xì)胞焦亡。在有或沒有力負(fù)荷的離體h-PDLPs中檢測(cè)焦亡相關(guān)標(biāo)志物的表達(dá)（圖2 a），發(fā)現(xiàn)力負(fù)荷7 d后，在NLRP3炎癥小體、裂解的Caspase-1（Cl-Casp-1）、GSDMD、裂解的GSDMD（N-GSDMD）以及IL-1β和裂解的IL-1β（Cl-IL-1β）等焦亡相關(guān)標(biāo)志物的蛋白和mRNA表達(dá)均顯著增加（圖2 b）。

然后驗(yàn)證了PDLPs焦亡與破骨細(xì)胞活性之間的關(guān)系，將離體h-PDLPs與外周血單核細(xì)胞（PBMCs）共培養(yǎng)，進(jìn)行或不進(jìn)行正畸力預(yù)處理。hF7d（正畸力）組RANKL蛋白表達(dá)顯著增強(qiáng)，而OPG表達(dá)保持不變（圖2 c），RANKL/OPG比值上調(diào)（圖2 d），RANKL分泌也增加（圖2 e）。此外，hF7d組的TRAP+ 破骨細(xì)胞數(shù)量顯著增加（圖2 f），破骨細(xì)胞中組織蛋白酶K（CTSK）和TRAP的mRNA表達(dá)也顯著增加（圖2 g）。這些數(shù)據(jù)表明，機(jī)械力誘導(dǎo)人離體PDLPs焦亡并影響破骨細(xì)胞活性。

在體外進(jìn)一步對(duì)PDLPs施加壓縮力。蛋白質(zhì)印跡顯示低于 1.5 g/cm2的力刺激下，焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)從3 h開始增加持續(xù)24 h，在6 h達(dá)到峰值（圖2 h）。此外，在6 h不同強(qiáng)度力刺激下（0.5 g/cm2、1.5 g/cm2、2.0 g/cm2），焦亡相關(guān)標(biāo)志物的蛋白表達(dá)持續(xù)增加（圖2 i）。

OM圖像中觀察到細(xì)胞輪廓模糊，腫脹膨大，并且有許多氣泡狀突出物的焦亡形態(tài)。此外，PDLPs細(xì)胞膜在1.0 g/cm2的壓縮力刺激下形成孔隙，1.5 g/cm2下出現(xiàn)更明顯的膜破裂、細(xì)胞腫脹和溶解（圖2 j）。這些發(fā)現(xiàn)表明，機(jī)械力在體內(nèi)和體外誘導(dǎo)PDLPs的焦亡。

圖2 機(jī)械力誘導(dǎo)人PDL祖細(xì)胞焦亡并影響破骨細(xì)胞活性。

進(jìn)一步地，利用PPVI 和MCC950 在體外處理力負(fù)荷的 PDLPs。蛋白質(zhì)印跡分析顯示，力負(fù)荷能提高細(xì)胞焦亡相關(guān)蛋白的表達(dá)水平，PPVI 應(yīng)用后進(jìn)一步增強(qiáng)，MCC950 應(yīng)用后部分抑制。此外，應(yīng)用PPVI后GSDMD+CD90+ 細(xì)胞、Caspase-1+CD90+ 細(xì)胞和IL-1β+CD90+ 細(xì)胞的數(shù)量均增加，MCC950處理后減少。此外，PPVI處理后RANKL/OPG比率上調(diào)，RANKL分泌增加，MCC950處理則相反。

此外，Belnacasan（VX765）也被用于體外處理力負(fù)荷PDLPs，發(fā)現(xiàn)力誘導(dǎo)的焦亡相關(guān)蛋白表達(dá)降低（圖3 a）。此外，應(yīng)用VX765后Caspase-1+CD90+ 細(xì)胞、GSDMD+CD90+ 細(xì)胞和IL-1β+CD90+ 細(xì)胞的數(shù)量均減少（圖3 b），但VX765顯著逆轉(zhuǎn)了RANKL蛋白和RANKL/OPG比值的上調(diào)（圖3 c），基因表達(dá)水平上也類似（圖3 d），RANKL的分泌也減少（圖3 e）。這些數(shù)據(jù)表明，PDLPs中力誘導(dǎo)的焦亡需要Caspase-1的激活，這進(jìn)一步促進(jìn)了破骨細(xì)胞生成。

圖3 體外調(diào)控Caspase-1影響PDL祖細(xì)胞中RANKL/OPG的表達(dá)。

蛋白質(zhì)印跡和免疫熒光染色顯示，hF7d組離體h-PDLPs中TRPV4的表達(dá)增強(qiáng)（圖4 b）。在大鼠OTM模型中，Caspase-1+TRPV4+ 細(xì)胞和GSDMD+TRPV4+ 細(xì)胞的數(shù)量呈時(shí)間依賴性增加（圖4 c）。此外，應(yīng)用TRPV4抑制劑GSK2193874（GSK219）后，力誘導(dǎo)的焦亡相關(guān)標(biāo)志物表達(dá)的增加被部分抑制（圖4 d）。

TRPV4 通過介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi) Ca 2+ 內(nèi)流調(diào)節(jié)多種細(xì)胞功能。最后，實(shí)驗(yàn)假設(shè) TRPV4 通過 Ca2+ 內(nèi)流調(diào)控 PDLPs焦亡，進(jìn)而誘導(dǎo)活性氧（ROS）升高和線粒體損傷。結(jié)果表明，力負(fù)荷增加PDLPs中 Ca2+ 內(nèi)流和ROS水平，這可被GSK219阻斷（圖4 e）。此外，線粒體在力處理的PDLPs中腫脹和破裂，GSK219處理后形態(tài)趨于正常，線粒體膜電位的下降和ATP生成受損也被逆轉(zhuǎn)（圖4 e）。這些發(fā)現(xiàn)表明，TRPV4信號(hào)在調(diào)節(jié)PDLPs中力誘導(dǎo)的Caspase-1-依賴性焦亡中起著重要作用（圖4 a）。

圖4 TRPV4信號(hào)參與了PDL祖細(xì)胞的焦亡。
 

圖5 示意圖顯示PDL 祖細(xì)胞中力誘導(dǎo)的 Caspase-1-依賴性焦亡需要通過 TRPV4 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終促進(jìn)激活破骨細(xì)胞生成和牙槽骨重塑

總之，該研究表明，機(jī)械力在大鼠、小鼠和人類模型的 PDL 祖細(xì)胞中誘導(dǎo) Caspase-1-依賴性焦亡。這種 Caspase-1-依賴性焦亡有助于 OTM 和牙槽骨重塑。這項(xiàng)研究為機(jī)械刺激下破骨細(xì)胞生成的調(diào)控提供了新的見解，表明靶向 Caspase-1-依賴性焦亡可能是加速 OTM 的一種有前途的策略。

參考文獻(xiàn)：Chen L, Yu H, Li Z, Wang Y, Jin S, Yu M, Zhu L, Ding C, Wu X, Wu T, Xun C, Zhou Y, He D, Liu Y. Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement. Int J Oral Sci. 2024 Jan 15;16(1):3. doi: 10.1038/s41368-023-00268-7. PMID: 38221531; PMCID: PMC10788340.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38221531/

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ISSN：1674-2818, eISSN：2049-3169

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