病原体相关分子模式与牙周炎的关系

辛颖 胡月 唐琪 布文奂 孙宏晨

吉林省口腔生物医学重点实验室，吉林大学口腔医院病理科，长春 130012



病原体相关分子模式与牙周炎的关系

辛颖 胡月 唐琪 布文奂 孙宏晨

吉林省口腔生物医学重点实验室，吉林大学口腔医院病理科，长春 130012

［摘要］病原体相关分子模式（PAMPs）是一类存在于病原体及其产物中的结构保守的分子。它能被相关受体识别，并通过信号级联反应诱导炎症因子的表达。近年来，PAMPs在牙周炎起始及发展中的作用逐渐得到关注。PAMPs在牙周被识别后，进而诱导组织表达炎症因子对牙周软组织及骨组织进行破坏，引发牙周炎。阻断PAMPs致病途径可能为牙周炎的治疗提供新的思路。

［关键词］病原体相关分子模式； 牙周炎； 细胞因子

牙周炎是牙菌斑微生物及其产物诱导的、以牙体支持组织破坏甚至牙体缺失为结局的慢性非特异性炎症。它的发生、发展受多种因素影响，其中病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）近年来受到广泛关注。PAMPs是表达在病原体及其产物中的相对非特异性、高度保守且有一定致病性的分子结构，如脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、肽聚糖、CpG-DNA。在牙周组织中，PAMPs被受体识别并在短时间内启动体内的固有免疫反应，如巨噬细胞和补体对病原体的清除。PAMPs诱导牙周组织细胞和免疫细胞产生白细胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6、肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、核转录因子κB受体活化因子配体（receptor activator of NF-κB ligand，RANKL）等因子，进而引起软组织炎症及骨代谢紊乱。进一步被激活的获得性免疫系统产生IL-17等细胞因子，协助上述细胞因子加速牙周炎的进程［1］。

1 与牙周炎相关的PAMPs

1.1 LPS

LPS是革兰阴性细菌细胞壁的特有成分，由脂质A、核心多糖和O特异性链组成。牙龈卟啉单胞菌是牙周炎最常见的致病菌之一，其LPS被巨噬细胞的Toll样受体（Toll-like receptor，TLRs）中的TLR2识别后，诱导细胞释放炎症细胞因子，这些因子能促进基质金属蛋白酶和破骨细胞因子的表达，进而引起软组织与骨的破坏［2］。此外，牙龈卟啉单胞菌还能拮抗其他细菌激活的TLR4通路［3］。在侵袭性牙周炎中，伴放线放线杆菌的LPS被TLR4识别［4］，能促进人类牙龈成纤维细胞（human gingival fibroblast，HGF）的胶原吞噬作用从而导致牙周结缔组织的降解［5］。

1.2 肽聚糖

肽聚糖是细菌细胞壁所共有的成分，它能被细胞膜上的TLR2和细胞内的NOD1受体、NOD2受体、含热蛋白结构域3富含亮氨酸重复序列的核苷酸结合寡聚化结构域（nucleotide-binding oligomerization domain-leucine-rich repeats containing pyrin domain 3，NLRP3）识别。NOD1识别二氨基庚二酸（diaminopimelic acid，DAP），DAP是存在于革兰阴性细菌的肽聚糖。而NOD2与NLRP3识别胞壁酰二肽（muramyl dipeptide，MDP），MDP是存在于所有细菌的肽聚糖［6］。实验证明，用DAP和MDP分别刺激NOD1和NOD2，能促进β-防御素2、IL-6和IL-8的表达［7］。此外，在人类牙周成纤维细胞中，NOD1和NOD2能介导牙龈卟啉单胞菌诱导的细胞间黏附分子-1（intracellular adhesion molecule-1，ICAM-1）的产生，ICAM-1的表达水平和牙周炎严重性相关［8］。

1.3 CpG-DNA

CpG-DNA是具有免疫激活功能的以未甲基化的CpG基序为核心的DNA序列，它包括含CpG的人工合成的寡聚脱氧核苷酸和自然界中细菌、病毒、无脊椎动物等低等生物的基因组DNA。巨噬细胞、成骨细胞的TLR9识别口腔细菌的非甲基化CpG-DNA后，TNF-α能促进破骨细胞分化［9］。显示非甲基化CpG-DNA能引起炎症和骨组织破坏，加剧牙周炎。

1.4 其他

除上述PAMPs外，细菌的鞭毛及细菌表面的甘露糖残基、磷酸胆碱在牙周炎的发展中起一定作用。鞭毛被TLR5识别能促进防御素、免疫细胞化学趋化物、热休克蛋白的表达［10］。研究［11］表明，鞭毛能诱导小鼠成骨细胞表达单核细胞趋化物蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1），MCP-1趋化炎症细胞并诱导破骨细胞分化。进一步研究［12］发现，血清MCP-1水平和牙周疾病严重性呈正相关。

2 识别PAMPs的受体

PAMPs的受体称作模式识别受体（pattern recognition receptors，PRRs）。存在于细胞表面或内涵体/溶酶体膜上的PRRs，也称膜型PRRs，包括TLRs、C型凝集素受体；存在于胞浆中的PRRs，包括NOD样受体（nucleotide binding oligomerization domainlike receptors，NLRs）、RIG-I样受体、DNA感受器；存在于血清中的PRRs为分泌型PRRs，又叫作调理素，包括甘露糖结合凝集素（mannose binding lectin，MBL）、C反应蛋白、纤维胶凝蛋白、血清淀粉样蛋白。

2.1 TLRs

TLRs广泛存在于免疫系统的细胞。至今，在人类中已发现10种TLRs。牙周组织的细胞也表达TLRs，TLRs的结构特点是胞外的亮氨酸重复序列和胞内的Toll/IL-1受体结构域（Toll/IL-1 receptor homologous region，TIR）。TLRs识别相应PAMPs后，形成二聚体且结构发生变化，并招募诱导干扰素（interferon，IFN）-β的含有TIR结构域的接头蛋白（TIR-domaincontaining adaptor inducing IFN-β，TRIF）或髓样分化蛋白 88（myeloid differentiation primary response protein 88，MyD88）。TRIF和TLRs结合后，通过肿瘤坏死因子受体作用因子3激活肿瘤坏死因子受体相关因子（TNF-receptor associated factor，TRAF）3家族成员相关的核转录因子κB（nuclear transcription factor kappa B，NF-κB）激动剂结合激酶1。该激酶包含的NF-κB抑制剂（inhibitor of NF-κB，IκB）激酶能直接磷酸化IFN-调节因子3和7，最终诱导Ⅰ型IFN和IFN可诱导基因的表达。MyD88和TLRs的胞浆部分结合后，招募IL-1R相关的激酶（interleukin-1 receptor-associated kinase，IRAK），主要是IRAK-4 和IRAK-1。同时，招募TRAF6，TRAF6和E2泛素蛋白连接酶复合体共同促进TRAF6上的K63连接多聚泛素链的形成，并催化NF-κB必要的调节剂。这个泛素化作用激活了由TGF-β激活性激酶1（TGF-betaactivated kinase 1，TAK1）和TAK1结合蛋白组成的复合体。之后，TAK1使IκB激酶β和丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases，MAPK）激酶6磷酸化，进而调节NF-κB和MAPK的激活［13］。

2.2 NLRs

NLRs和TLRs类似，都是信号传导型模式识别受体。已经在人体中发现23个NLR家族成员，包括NOD1、NOD2、NLRP3等。在健康的牙龈组织中，NOD1和NOD2比TLRs的表达更丰富。NOD1和NOD2是最先被发现的NLRs，它们包含N端半胱天冬酶招募结构域和C端富含亮氨酸重复序列。NOD1和NOD2被激活后，招募一系列下游分子，最终激活NF-κB和MAPK［7］。此外，小分子PAMPs通过细胞膜上的泛连接蛋白-1半通道进入细胞溶质并激活NLRP3。该过程促使炎症小体的组装。天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（cysteine-containing aspartate-specific proteases，caspase）前体1在炎症小体的效应分子里自主激活，形成caspase1并促进IL-1β和IL-18的加工［6］。

2.3 MBL

MBL不同于上述的TLRs和NLRs，它不能进行信号传导。MBL有一系列的配基，包括病毒、细菌和不正常的自身组织的分子。MBL利用其碳水化合物识别区域结合微生物表面的碳水化合物，如甘露糖残基、N-酰化-D-葡萄糖胺，并发挥调理素的效能。尽管没有直接证据显示牙龈卟啉单胞菌能被MBL识别，已有许多革兰阴性细菌如沙门氏菌和奈瑟菌［14］被证明能结合MBL，并被巨噬细胞清除。此外，MBL与MBL相关的丝氨酸蛋白酶形成复合物，能级联激活补体系统，促进牙周病原体的清除。

3 PAMPs对牙周的影响

TLR和NLR信号通路最终结果为NF-κB和MAPK的激活。NF-κB能促进IL-1β、IL-2、IL-6、IL-8、IL-10、IL-12和TNF-α等转录。MAPK包括p38、Jun-N末端激酶和细胞外信号调节蛋白激酶，它们和细胞的生长、发育、分裂、分化、死亡等细胞过程相关。

3.1 牙周软组织破坏

研究［15］发现，在慢性牙周炎和侵袭性牙周炎的龈沟液中，细胞因子/趋化因子水平没有显著差异。NF-κB能促进一系列促炎和抗炎因子的转录，这些细胞因子对牙周软组织有一定影响。伴放线放线杆菌的LPS通过TLR4信号通路促进炎症介质的释放，最终导致牙周组织的破坏［16］。调查显示，牙周炎患者龈沟液与健康人相比，IL-6和IL-2的表达降低，CXCL8和TGF-β1的表达升高［17］。其中，IL-2对T细胞的生长和分化是必要的。IL-2的低表达使细胞免疫活性下降，从而促进病原体对牙周组织的破坏。

3.2 破骨效应

牙周炎导致牙槽骨的破坏可被分为以下几个过程：1）破骨细胞前体细胞从外周血迁移到炎症部位；2）形成成熟的破骨细胞。基质细胞衍生因子1 （stromal cell-derived factor 1，SDF-1）能够高度趋化人类破骨细胞前体，并刺激其融合。TNF-α能够抑制骨髓基质细胞表达SDF-1，并促进破骨细胞前体迁移到炎症部位。此外，TNF-α和破骨细胞前体上的受体结合，诱导破骨细胞的形成。目前，认为NF-κB受体活化因子（receptor activator of NF-κB，RANK）与其配体RANKL的识别对诱导破骨细胞形成起主要作用。RANKL和破骨细胞前体的RANK识别后，招募TRAF6，并使NF-κB进入细胞核促进破骨细胞基因的转录。RANKL的表达受促炎和抗炎细胞因子的调节。在成骨细胞和牙周膜细胞中，RANKL的表达可以被促炎因子提高。研究［18］表明，TNF-α还能提高牙龈上皮细胞RANKL的表达。此外，伴放线放线杆菌的LPS能激活MAPK途径的全部通路，其中MAPK激活蛋白激酶2和MAKP磷酸酶1在牙周疾病中调节炎症性骨丧失［19］。

4 阻断PAMPs致病机制治疗牙周炎

由于TLR和NLR信号通路最终激活NF-κB和MAPK，而NF-κB和炎症、破骨的关系更为密切，因此阻断NF-κB可能会阻止牙周炎的发展。最新研究［20］表明，NLRP6能抑制NF-κB和MAPK通路，并抑制免疫细胞的迁移和分泌功能。TRAF6是TLR信号通路重要的传导分子，并且也是RANKL-RANK信号的关键分子。研究［21］表明，去除RANK的TRAF6结合区域，将完全阻断RANK激活的NF-κB活性。因此，抑制TRAF6能够同时抑制炎症细胞因子的表达和破骨细胞的形成。已经发现细胞内存在去泛素化酶［13］，它们作用于TRAF6，进而抑制NF-κB通路。因此，其可被用于牙周炎的治疗。目前，学者［22］提出miR-146a是一种治疗关节炎的新手段。他们将双链的miR-146a注射入关节炎小鼠的静脉，发现TNF-α、IL-1β和IL-6的表达下降，并且骨和软骨的破坏受到抑制。近期发现，miR-451能够削弱中性粒细胞的趋化作用，从而减少炎性细胞的浸润并缓解小鼠关节炎［23］。牙周炎和关节炎类似，均表现为软组织的炎症和骨组织的破坏。因此，microRNA的靶向治疗可能为牙周炎的治疗提供一种全新的手段。

5 小结

PAMPs在牙周炎的发生和发展中起着重要作用。在牙周炎初期，可能是细菌表面的PAMPs如LPS、肽聚糖发挥作用。随着免疫细胞对细菌的清除，细菌的CpG-DNA被牙周组织中的受体识别从而加剧牙周炎的进程。值得注意的是，并非PAMPs的种类越多牙周炎就越严重。临床调查发现，只有1种牙周致病菌的患者比有2种或3种致病菌的患者牙周疾病更加严重［24］。实验也证明，牙龈卟啉单胞菌的LPS在一定条件下可作为TLR4的拮抗剂，并拮抗其他牙周病原体诱导产生的炎症细胞因子如IL-1α［25］。因此，随着龈下菌斑微生物种类的减少，菌群间的拮抗作用也减少，这可能引起更为严重的牙周炎。所以在牙周炎治疗过程中，应分析牙周中主要的PAMPs及其致病机制，并针对该机制进行疾病的阻断以达到治疗效果。

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（本文编辑 杜冰）

［中图分类号］R 781.4

［文献标志码］A ［doi］ 10.7518/hxkq.2016.01.019

［收稿日期］2015-04-23； ［修回日期］ 2015-09-07

［作者简介］辛颖，硕士，E-mail：1211007606@qq.com

［通信作者］孙宏晨，教授，博士，E-mail：1270240797@qq.com

Correlation between pathogen-associated molecular patterns and periodontitis

Xin Ying， Hu Yue， Tang Qi， Bu Wenhuan，Sun Hongchen.
（Key Laboratory of Oral Biology Medicine of Jilin Province， Dept. of Pathology， School of Stomatology，Jilin University， Changchun 130012， China）

Correspondence: Sun Hongchen， E-mail: 1270240797@qq.com.

［Abstract］Pathogen-associated molecular patterns （PAMPs） are conservative molecules associated with groups of pathogens or their products. These molecules are recognized by relevant receptors. PAMPs induce the expression of inflammatory cytokines through the signal cascade. The role of PAMPs in the initiation and development of periodontitis is recently attracting attention. PAMPs induce the expression of inflammatory mediators after they are recognized in the periodontium. This process damages the periodontal soft tissue and osseous tissue， thus resulting in periodontitis. The results of this study will provide an excellent resolution for the treatment of periodontitis by blocking the pathogenic pathway of PAMPs.

［Key words］pathogen-associated molecular patterns； periodontitis； cytokine