楊丕山

【述評】TNF-α/NF-κB信號通路對牙周炎發(fā)展和牙周再生的影響及其干預

專家介紹：楊丕山，教授，主任醫(yī)師，博士研究生導師。2015年受聘為山東大學口腔醫(yī)院知名專家,享受國務院津貼。現(xiàn)任中華口腔醫(yī)學會牙周病學專業(yè)委員會副主任委員，中華口腔醫(yī)學會口腔生物醫(yī)學專業(yè)委員會常務委員，山東省口腔醫(yī)學會牙周病學專委會主任委員。主要從事牙周再生基礎研究和牙周病臨床工作。擅長牙周、牙體疑難疾病的診斷和治療，復雜牙周疾病的多學科治療設計、綜合治療，重度牙周炎的基礎治療、再生手術治療、種植修復治療和維護。作為課題負責人，先后主持國家自然科學基金項目5項，省部級課題8項。在國內外期刊發(fā)表論文100余篇，其中SCI收錄論文50余篇。獲省科技進步二、三等獎各1項，國家發(fā)明專利1項。

［摘要］ 牙周病是以菌斑微生物為始動因子的感染性疾病，菌斑微生物可刺激宿主細胞產(chǎn)生炎性和免疫因子，其中腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor alpha,TNF-α）作為一個多向性的先導感染細胞因子,在牙周炎的發(fā)生、發(fā)展過程中起重要作用，同時也是牙周再生的重要影響因素。齦溝液中TNF-α水平的變化已經(jīng)被用來作為牙周炎治療的效果以及判斷預后的重要指標，越來越多的研究開始關注以TNF-α作用過程為靶點探討牙周炎發(fā)展控制和牙周再生促進的有效方法。本文就TNF-α/ NF-κB信號通路對牙周病發(fā)展和牙周再生的影響及其干預治療現(xiàn)狀作一綜述，以期為牙周病治療提供新思路。

［關鍵詞］  牙周炎；炎性因子；腫瘤壞死因子-α；抗炎治療；牙周再生

    牙周炎是以牙周軟硬組織的炎癥和破壞為特征的發(fā)病率較高的疾病，嚴重影響口腔健康，并且可能影響其他系統(tǒng)性疾病?，F(xiàn)代觀點認為，菌斑微生物及宿主對菌斑微生物的免疫應答反應是牙周炎發(fā)病的兩個關鍵因素。菌斑微生物是始動因素，宿主在應對微生物感染時所發(fā)生的免疫反應過程中產(chǎn)生的酶、細胞因子和炎癥介質等則導致牙周支持組織破壞。因此，越來越多的研究者認為抗炎治療同抗微生物治療在牙周病治療中同等重要［1-2］。牙周病的常規(guī)治療主要是通過機械的方法去除菌斑微生物，能在一定程度上減輕炎癥反應，降低炎癥因子的水平。然而，深牙周袋內由于菌斑生物膜的存在，仍處于慢性炎癥狀態(tài)。即使較低濃度的致炎因子，長期刺激下仍會影響牙周治療效果，特別是再生效果［3］。腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor alpha, TNF-α）是一種重要的炎性因子，可通過介導其它炎癥介質的產(chǎn)生、促進破骨細胞的形成和增強破骨細胞的活性等，在牙周組織破壞中擔任重要角色。同時，TNF-α也是牙周再生的重要影響因素。因此，了解TNF-α在牙周病發(fā)病和牙周再生中的作用及可能機制，進而以TNF-α為靶點進行相應的治療，有望成為牙周病輔助治療的重要策略。

1、TNF-α概述

    TNF-α是一種細胞信號蛋白（細胞因子），參與各系統(tǒng)的炎癥反應，也是急性期反應的主要細胞因子之一。它主要由單核-巨噬細胞受到激活后產(chǎn)生［4］，菌斑微生物的脂多糖（lipopolysaccharides, LPS）是誘導其產(chǎn)生的較強刺激劑。另外γ-干擾素(interferon-γ, IFN-γ)、巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)、粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子（GM-CSF）等對單核/巨噬細胞產(chǎn)生TNF-α有刺激作用，而前列腺素E（prostaglandin E，PGE）則有抑制作用。T淋巴細胞、T細胞雜交瘤、T淋巴樣細胞系、NK細胞等在佛波酯（phorbol 12-myristate 13-acetate，PMA)刺激下也可分泌TNF-α。此外，中性粒細胞、淋巴因子激活的殺傷細胞（lymphokine-activated killer cell，LAK）、星狀細胞、內皮細胞、平滑肌細胞亦可產(chǎn)生TNF-α。TNF-α可促進中性粒細胞粘附到內皮細胞上，提高中性粒細胞的吞噬能力，從而刺激機體局部炎癥反應。TNF-α預先與內皮細胞培養(yǎng)可使其增加主要組織相容性復合體（major histocompatibility complex，MHC）Ⅰ類抗原、細胞間粘附分子-1(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)的表達及白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、GM-CSF和IL-8的分泌；TNF-α還可刺激單核細胞和巨噬細胞分泌IL-1。因此，TNF-α是一個多向性的先導感染細胞因子，可以通過激活下游的信號通路調節(jié)免疫反應、細胞凋亡、炎癥以及腫瘤等病理過程，從而在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中擔任重要角色［5］。

    TNF-α具有兩個不同的受體，即TNF受體-1（TNF receptor-1, TNFR1)和TNF受體-2(TNF receptor-2, TNFR2)。TNFR1在人體所有組織中均有表達，是TNF-α主要的信號受體，而TNFR2主要在免疫細胞或造血細胞中表達［6］。目前主要的觀點認為，TNFR1介導了核因子（nuclear factor-κB, NF-κB）信號通路的激活和成骨分化的抑制［7］，而TNFR2激活對成骨分化可能起促進作用［8］。

2、TNF-α促進牙周組織破壞的作用及可能機制

2.1 TNF-α在牙周病發(fā)病中的作用

    牙周病是細菌感染性疾病，沒有細菌就沒有牙周炎。口腔內致病菌產(chǎn)生的脂多糖（lipopolysaccha-ride, LPS)刺激巨噬細胞產(chǎn)生一些前炎癥因子，如IL-1β、IL-6、TNF-α［9-10］，這些因子可相互作用，共同參與牙周組織破壞過程。其中TNF-α被認為是牙周組織炎性微環(huán)境中重要的內源性促炎因子。研究表明，TNF-α參與了大鼠的破骨細胞生成，重組TNF-α會加重老鼠牙周炎的發(fā)展破壞［11］。Di等［12］研究表明，注射用依那西普（etanercept，Enbrel）作為一種TNF-α的拮抗劑，可顯著抑制大鼠牙周炎的發(fā)展。近年來，TNF-α基因多態(tài)性與牙周炎易感性的關系更受到關注，并顯示兩者之間具有相關性［13-14］。有些研究表明非手術牙周治療后，齦溝液中炎癥因子水平降低，因此推測炎癥因子如IL-1、TNF-α可能作為評價牙周病治療效果的生物學標志因子［15-16］。另有研究認為，可根據(jù)齦溝液中TNF-α的含量來判斷牙周疾病的嚴重程度或是否處于活動期［17］。亦有學者認為TNF-α也是判斷種植體周圍疾病狀態(tài)的重要炎癥因子之一［18］。

2.2 作用機制

2.2.1  TNF-α促進牙周組織的破壞  目前研究認為TNF-α發(fā)揮促進牙周組織破壞的作用機制與NF-κB途徑密切相關。TNF-α可以誘導成骨細胞／基質細胞、牙周原代細胞、T細胞、牙周膜細胞等表達核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)，通過結合核因子-κB受體活化因子（receptor activator of nuclear factor-κB，RANK），促進破骨細胞生成和增強破骨細胞活性進而促進牙槽骨吸收［19］。Brunetti等［20］研究認為T淋巴細胞可通過RANKL和TNF-α的過表達促進牙周炎時的破骨反應。另外，TNF-α還可促進基質金屬蛋白酶分泌，從而加速膠原纖維分解破壞和基質細胞凋亡，抑制牙周組織的修復再生等［21-22］。

2.2.2  TNF-α對牙周組織再生的影響及可能的機制  炎癥初期的炎性因子是機體對損傷因素刺激所產(chǎn)生的最常見的防御性反應。然而，一旦這種刺激過強或時間過久，除導致牙槽骨喪失外，亦可對間充質干細胞的增殖和成骨分化產(chǎn)生抑制作用。研究表明，牙周炎患牙來源的牙周膜干細胞（periodontal ligament stem cells，PDLSCs）的成骨能力較牙周健康來源者顯著降低［23-24］。許多炎性介質，如IL-1、IL-6、IL-11、IL-17和TNF-α等在干細胞成骨過程中起抑制作用。其中，TNF-α被認為是牙周炎炎癥反應的主控調節(jié)者［25］，可通過激活多個信號通路而抑制PDLSCs成骨分化。Tan等［26］研究表明，TNF-α可通過激活蛋白激酶R樣內質網(wǎng)激酶（protein kinase R-like ER kinase, PERK)信號通路而抑制PDLSCs成骨分化。Kong等［24］研究顯示，TNF-α通過糖原合成激酶3β(glycogen synthase kinase-3β, GSK3β)抑制PDLSCs成骨分化，即TNF-α介導的成骨分化抑制與Wnt信號通路有關。此外，TNF-α還可通過激活NF-κB信號通路，進而抑制EphB4信號通路和成骨前體細胞成骨分化［27］或加速成骨細胞凋亡，抑制骨髓基質干細胞（bone marrow stromal cells, BMSCs）移植后的骨再生［28］。除抑制PDLSCs外，TNF-α可抑制多種其他間充質干細胞的成骨分化：如BMSCs［29］、牙髓干細胞［30-31］以及脂肪干細胞［32］等。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，多種炎性因子中僅TNF-α能促進BMSCs的凋亡［28］。然而，亦有研究表明，低劑量短期的TNF-α處理可促進BMSCs成骨分化，而長期慢性的炎性刺激，無論濃度高低，均可對BMSCs成骨分化產(chǎn)生抑制作用［3］。高劑量TNF-α對BMSCs成骨分化的抑制作用除了與核心結合因子α1（runt-related transcription factor 2, Runx2）的表達抑制有關外，還與Runx2對其下游骨涎蛋白啟動子的激活被抑制有關［33］。

3、與TNF-α作用有關的潛在治療方法在牙周炎治療中的應用

3.1 抗TNF-α治療對炎性骨吸收的抑制作用

    鑒于TNF-α對骨吸收的促進及對MSCs成骨分化和骨再生的抑制作用，針對TNF-α的拮抗治療對炎性骨吸收應該有抑制作用，對炎性環(huán)境下的骨再生應該有間接促進作用。此方面的研究越來越多，并且取得了一定療效。Oates等在實驗性牙周炎中，使用TNF-α的拮抗劑可使骨喪失減少50％［22］?？筎NF-α抗體，如依那西普(etanercept, Enbrel)、英夫利昔單抗(infliximab, Remicade)和阿達木單抗(adalimumab, Humira)已被證明具有強有力的抗炎治療作用，常被用于類風濕性關節(jié)炎和自身免疫病的治療。另外這些抗TNF-α治療同時能使牙周臨床指標得以改善［34-35］。Infliximab亦被證實能減少大鼠牙周炎模型的牙槽骨吸收［36］。進一步的觀察發(fā)現(xiàn)，這些抗TNF-α抗體治療能間接促進炎性環(huán)境下的骨再生［37-38］?？筎NF-α治療能提高糖尿病大鼠的糖耐受水平，從而降低對大鼠牙周組織的破壞［39］。

3.2 NF-κB信號抑制劑對炎性骨吸收的抑制及對骨再生的促進

    NF-κB信號激活是TNF-α誘導破骨細胞形成和抑制成骨細胞分化的主要機制，那么，NF-κB信號抑制劑有望能發(fā)揮對炎性骨吸收的抑制及對骨再生的促進之雙重作用。膠霉毒素是多種真菌的代謝產(chǎn)物，具有抗菌、抗病毒和免疫抑制等生物學活性，還可作為NF-κB信號抑制劑。已有研究表明，膠霉毒素既能阻斷TNF-α誘導的成骨分化的抑制，又能直接促進骨形成蛋白-2（bone morphogenic protein-2, BMP-2）誘導的骨再生［40］。龍膽紫是一種傳統(tǒng)的抗菌消毒劑，但近年來的研究發(fā)現(xiàn)，龍膽紫還具有NF-κB信號抑制劑樣的作用［41］，除了能直接促進成骨前體細胞的成骨分化和礦化，還能逆轉TNF-α對成骨前體細胞成骨分化和礦化的抑制，同時能抑制破骨細胞的激活。其他某些自然化合物，如類黃酮［42］、維生素K2［43］可能有類似的作用。然而，這些藥物在臨床中的應用潛能還有待進一步研究。

3.3 TNF-α受體結合劑對炎性骨吸收的抑制及對骨再生的促進作用

    TNF-α具有TNFR1和TNFR2兩個受體，而TNF-α抑制成骨的功能主要通過TNFR1介導［7］。因此， TNFR1結合劑可競爭性拮抗TNF-α的成骨抑制作用。

    多功能生長因子顆粒蛋白前體（progranulin，PGRN）是一種自分泌生長因子，高表達于上皮細胞、免疫細胞、神經(jīng)元、軟骨細胞和腫瘤細胞，在早期的胚胎發(fā)生、創(chuàng)傷愈合、炎癥、機體防御、軟骨發(fā)育等過程中起重要作用。PGRN可以與TNFR1和TNFR2結合，且與TNF-α相比，PGRN與TNF的受體，特別是TNFR2具有更高的親和性，因而能阻斷TNF-α與其受體的結合。PGRN具有三個與骨代謝和骨再生有關的作用：（1）拮抗TNF-α的致炎作用：PGRN對膠原誘導的鼠關節(jié)炎和TNF轉基因鼠的自發(fā)性關節(jié)炎有抑制作用。在PGRN敲除鼠，軟骨降解和骨關節(jié)炎進展加速［6,44］；在TNF-α轉基因鼠，PGRN能阻斷TNF-α誘導的破骨細胞分化［8］。（2）拮抗TNF-α介導的成骨或成軟骨抑制作用：Zhao等［44］從骨關節(jié)炎患者分離培養(yǎng)軟骨標本，TNF-α顯著促進其粘蛋白的喪失，能誘導軟骨細胞產(chǎn)生誘導型一氧化氮合酶（iNOS），而PGRN能逆轉TNF-α的這些效應 。Wang等［45］研究了工程蛋白Atsttrin（由PGRN衍生而來的“最小化”TNFRs結合蛋白）體內外的成骨效應，發(fā)現(xiàn)TNF-α能抑制BMP-2誘導的體外成骨分化，而Atsttrin能逆轉這一效應；3D打印的Atsttrin-Alg/nHAp支架能減少動物顱骨缺損內TNF-α陽性細胞的數(shù)量，同時促進骨再生；(3）直接促進成骨分化及骨缺損愈合，并參與BMP-2誘導的骨再生：Zhao等［8］表明，PGRN缺陷鼠骨缺損的再生能力比野生鼠差，而重組PGRN能顯著促進野生鼠骨缺損的再生。PGRN介導的骨形成依賴于TNFR2而并非TNFR1，在TNFR2敲除小鼠中 PGRN喪失其促進骨再生的作用。作為BMP-2的下游信號，PGRN在BMP-2的促成骨分化過程中起關鍵作用，而其本身的下游信號是細胞外信號調節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase, ERK）1/2磷酸化和Runx2表達。PGRN 亦能通過激活ERK1/2信號通路增強軟骨細胞的合成代謝，且該作用與TNFR2有關［45-46］。

    以上研究表明，PGRN既可以阻斷TNF-α介導的破骨活性增強和成骨抑制效應，又能直接刺激成骨。更有意義的是，PGRN顯示的TNF-α受體阻斷作用比傳統(tǒng)的抗TNF-α治療(與TNF-α結合，而不是與其受體結合)更有優(yōu)勢［47］。PGRN這些綜合作用提示其在TNF-α主控的慢性炎癥性疾病的治療和炎性環(huán)境下的骨再生方面可能具有獨特的作用，有望用于牙周炎的抗炎和再生治療。

    牙周病從本質上講是由細菌引起的炎癥和免疫反應造成骨改建內穩(wěn)態(tài)破壞的結果。炎性介質，特別是TNF-α介導的破骨活性增強、MSCs和成骨細胞成骨活性抑制等可能是牙周炎癥和牙槽骨喪失的主要機制，亦是影響牙周再生的重要因素。因此，針對TNF-α作用環(huán)節(jié)的拮抗治療在牙周病的治療（包括牙周再生治療）中可能會有重要價值。能阻斷NF-κB信號激活的自然化合物和能與TNF-α受體結合的拮抗劑有望成為牙周病抗炎治療和炎性環(huán)境下的牙周再生治療的新方向。隨著Atsttrin的成功研制及進一步上市，基于PGRN的TNF-α拮抗治療將具有良好的應用前景，有望成為牙周再生的重要治療劑。 

文章來源：《口腔醫(yī)學》2019年，39卷1期：1-5.