巨噬细胞极化参与正畸牙移动的研究进展

赵玉洁 管晓燕,2 李小兰 陈琦君,2 王倩 刘建国,

1.遵义医科大学口腔医学院 遵义 563006；

2.遵义医科大学附属口腔医院正畸科 遵义 563099；

3.贵州省普通高等学校口腔疾病研究特色重点实验室 遵义 563006

巨噬细胞作为单核-巨噬细胞系统成员在一定条件下参与了破骨发生的调控[1]。根据活化状态和发挥功能的不同，巨噬细胞主要分为经典活化（classically activated）的M1型和选择性活化（alternatively activated）的M2型[2]。其中，M1型巨噬细胞通过分泌促炎细胞因子和趋化因子，并专职提呈抗原，参与正向免疫应答；而M2型巨噬细胞仅有较弱抗原提呈能力，并通过分泌抗炎细胞因子白细胞介素-10（interleukin-10，IL-10）、精氨酸酶-1（arginase-1，Arg-1）等下调免疫应答[3]。巨噬细胞是一种异质性细胞群体，不同组织甚至同一组织的巨噬细胞在表型和功能方面也存在较大差异。活化的巨噬细胞产生不同的细胞因子可以调控或刺激破骨细胞介导相关骨丢失的发生[2]。正畸治疗过程中，正畸力改变了牙周局部微环境促进了巨噬细胞向不同表型极化，极化的巨噬细胞产生细胞因子又进一步去影响正畸牙移动（orthodontic tooth movement，OTM）过程中的炎症反应和组织修复。

1 巨噬细胞极化参与炎症反应及免疫调节

巨噬细胞的M1和M2型在炎症反应和免疫反应中发挥着不同的调节作用。在干扰素-γ（interferon-γ，IFN-γ）或杀菌微生物脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）的刺激下，引发巨噬细胞向M1型极化[4]。M1型巨噬细胞可诱导活性氧的产生，促进一氧化氮的合成，并释放各种炎症因子如肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）、IL-6、IL-1、巨噬细胞炎性蛋白-1（macrophage inflammatory protein-1）和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1），在炎症早期启动炎症反应募集单核细胞清除坏死细胞和纤维蛋白血栓[5]。在IL-l0、转化生长因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、Th-2细胞因子（如IL-4、IL-13）等作用下，巨噬细胞向选择性活化的M2型巨噬细胞极化，其中，IL-4或IL-13诱导巨噬细胞极化为M2a，免疫复合物诱导其极化为M2b，抗炎细胞因子IL-10诱导其极化为M2c[6-7]。M2型巨噬细胞在血管生成、抗炎因子分泌以及促进组织修复和伤口愈合方面起到了重要作用。在炎症反应后期，M2型巨噬细胞被募集到损伤部位并分泌组织修复信号，例如IL-10、TGF-β、骨形态发生蛋白-2（bone morphogenetic protein 2，BMP-2）和血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF），以抗炎及募集间充质祖细胞，诱导骨软骨分化增强、血管生成[8-9]，清道夫受体A（class A scavenger receptor，SR-A）通过抑制巨噬细胞向M1型极化，减少了IL-lβ、IL-6 和TNF-α的分泌，减弱M1型巨噬细胞诱导的炎症反应[10]。OTM是在正畸力作用下，牙周组织发生局部可逆性损伤和修复相结合的过程，巨噬细胞在此过程中扮演着重要角色。

2 巨噬细胞极化参与OTM反应

正畸治疗中，正畸力作用于牙齿并传递至牙周组织，牙周膜细胞释放炎性介质改变牙周局部的生物环境信号，而此信号能够与免疫系统相互作用促进巨噬细胞极化，极化的巨噬细胞参与OTM的生物反应，最终通过牙槽骨的重塑为牙齿在牙周修复过程中移动到一个新的位置做准备。研究表明，周期性正畸力刺激使IL-lβ、TNF-α等炎性因子[11]，人牙周膜细胞中的趋化因子（IL-11、IL-8）[12]和成骨细胞中的趋化因子受体（IL-8受体）[13]表达增强，这些内源性介质参与了适应性和先天性免疫，并促使牙周局部微环境发生暂时性、无菌性炎症反应[14-15]。在这种微环境的作用下，巨噬细胞向不同表型分化以促进或抑制炎症反应。研究[16]发现，在小鼠实验中，正畸力使牙周局部微环境中TNF-α表达增加，而TNF-α是M1型巨噬细胞活化的关键信号，促使巨噬细胞向M1型极化并集聚在牙周组织受压侧，这有助于牙槽骨吸收和随后的OTM。OTM是一个牵张侧成骨而压力侧骨吸收的无菌性炎症过程，正畸力导致牙周膜受压侧的细胞死亡和坏死组织发生退行性变，从而导致牙周膜中成纤维细胞分泌大量的促炎细胞因子引起无菌性炎症反应，促进单核细胞进入受损的牙周膜，分化为巨噬细胞和破骨细胞，参与清除牙周膜中的坏死成分[15,17]。在此过程中，不同极化类型的巨噬细胞在OTM中的表达存在阶段性优势，发挥不同的调节作用。

2.1 巨噬细胞向M1型极化促进正畸牙齿移动

在OTM过程中的不同阶段，不同极化类型的巨噬细胞发挥的作用效果有差异。在早期阶段，巨噬细胞被招募到炎症部位，各种炎性因子促使其向M1型极化，并聚集在牙周组织受压侧[16,18]。同时，M1型巨噬细胞又通过高表达TNF-α和诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase，iNOS）促进炎症的发生来加速OTM[16]。巨噬细胞表面抗原-1（macrophage sur-face antigen-1，Mac-1），如CD11b参与了破骨发生的调控，TNF-α能够促进骨溶解，被证明是破骨细胞前体中CD11b的正向调节剂[1]。研究[16]发现，在对小鼠牙齿加力的早期阶段，M1型巨噬细胞表达增加，且在一段时间内保持较高水平，而M2型巨噬细胞几乎未检测到。Wang等[18]也报道，在加力早期阶段，M1型巨噬细胞和骨吸收的相关因子IL-1β和TNF-α表达上调；然而，促进骨形成的Arg-1直到晚期阶段才显著升高。两者的研究均支持不同表型的巨噬细胞在OTM中存在的阶段性优势，在OTM早期，M1型巨噬细胞占优势，而到晚期阶段M2型巨噬细胞才明显聚集，这对于骨吸收的停止和组织修复的开始是至关重要的。在此基础上，有研究进一步表明，M1型巨噬细胞加速了OTM，且通过注射脂质体包裹的氯膦酸盐消耗M1巨噬细胞并阻断其集聚和表达后，OTM的距离和破骨细胞数量减少[16,18]。然而，氯膦酸盐脂质体也可以抑制破骨细胞生成[19]，提示需要进一步研究以确定M1型巨噬细胞对OTM的直接影响。

2.2 巨噬细胞极化调控正畸牙根吸收

正畸治疗使牙齿排列在功能和美学上更有利的位置，正畸牙根吸收是正畸治疗的主要病理不良反应之一[14]。与生理性牙根吸收不同，正畸牙根吸收是一个复杂的机械生物学过程[14]，是在正畸力的诱导下，无菌性炎症引起的浅表牙骨质的吸收，严重者可导致牙本质的吸收，最终使牙根变短[20]。

正畸力作用下，组织液的静水压力限制了牙周组织的营养传递，一系列生物信号招募单核细胞和巨噬细胞进入牙周局部微环境并分化为破骨细胞，使矿化的牙根表面发生吸收[14]。有体外研究[21]表明，高压应力通过招募更多的巨噬细胞到达吸收位点，分化成破骨细胞，导致严重的牙根吸收。而新近研究[14]显示，机械刺激主要增强细胞的吸收活性，而不是募集更多的破骨细胞，并且在张应力区的吸收强度无明显变化，表明破骨细胞可能对拉伸机械刺激无反应。在牙周组织受压侧，靠近牙槽骨和牙根表面M1型巨噬细胞和促炎细胞因子TNF-α表达增加，同时伴有轻微的牙根吸收[16]。巨噬细胞可以调节炎症和组织稳态，在从M1到M2的转换中，巨噬细胞的极化状态取决于细胞微环境，M1型与M2型巨噬细胞的比率增加与牙根吸收有关[22-23]。进一步的研究[23-24]表明，巨噬细胞介导的炎症性牙根吸收，可以通过终止施加正畸力使牙根吸收处于静止状态或使吸收的牙根得到部分修复。在牙槽骨活动性吸收过程中TNF-α高表达[16,18,24]，当正畸力被移除后M1型与M2型巨噬细胞比率下降，IL-4、IL-10抗炎细胞因子表达上调，根吸收的严重程度部分减弱或吸收的牙根得到部分修复[23]。牙根的部分修复与M2型巨噬细胞产生IL-10和Arg-1抑制炎症促进牙骨质细胞激活密切相关[22,25]。当正畸力被移除后，M1型与M2型巨噬细胞比率下降，提示正畸力改变的牙周微环境可能影响巨噬细胞极化。

3 正畸力改变牙周局部微环境并影响巨噬细胞极化

牙周膜细胞作为牙周组织中的重要细胞，在正常和炎症条件下可与巨噬细胞相互作用[26]。在OTM过程中，正畸力应激介导牙周膜细胞通过释放包括高迁移率族蛋白B1（high mobility group box 1，HMGB1）在内的介质去改变牙周局部微环境，该介质具有牙周修复的功能，且能促进巨噬细胞的迁移和分化[27-28]。此外，牙周膜细胞释放IL-1、IL-6、IL-8、IL-11和TNF-α等细胞因子，从而促进巨噬细胞向M1型极化，M1型巨噬细胞通过高表达TNF-α和iNOS等细胞因子，促进炎症的发生来加速OTM[16]（图1）。有研究[18]发现，在正畸建模中取经正畸力处理的牙周膜细胞和单核巨噬细胞共同培养，从加力组细胞中检测到M1型巨噬细胞；相反，M2型巨噬细胞的表达无变化。据研究[25,29]报道，由M1型巨噬细胞产生的促炎细胞因子TNF-α和IL-6可抑制成骨细胞分化，从而抑制成骨细胞的胶原蛋白生成和矿化；而M2型巨噬细胞表达的TGF-β和IL-10可以抑制破骨细胞的形成，支持骨沉积。正畸力改变了牙周局部微环境，促进巨噬细胞向M1型极化。然而，正畸力是否直接影响巨噬细胞极化还有待进一步验证。

正畸力引起的生物反应并不局限于局部细胞的补充。在牙周局部微环境中巨噬细胞增加的同时，取而代之的是外周血和脾脏单核细胞储存库中的单核吞噬细胞数量减少[18,30]。有研究[16]发现，在OTM期间，通过向大鼠体内注入增强绿色荧光蛋白（enhanced green fl uorescent protein，EGFP）标记巨噬细胞，第7d，在牙周组织中发现了EGFP标记的细胞，表明输入的部分巨噬细胞被募集到牙周组织中并可能直接促进OTM；向大鼠体内输注的巨噬细胞也可能诱导全身反应，促进循环单核细胞或巨噬细胞集聚在牙周组织中并加快骨吸收和OTM。

图1 巨噬细胞参与OTM的相关生物学机制Fig 1 The biological mechanism of macrophages involved in OTM

4 巨噬细胞与骨代谢

巨噬细胞几乎存在于所有组织中，对维持组织内稳态起着关键作用。最初有文献[16,25,29]报道，M1型巨噬细胞通过产生TNF-α促进破骨细胞生成，从而发挥加速骨代谢的作用。与He等[16]报道的M1型巨噬细胞促进炎症的发生，加速骨代谢相比，Yamaguchi等[31]报道M1巨噬细胞可以抑制破骨细胞的形成。在体外研究中发现，M1型巨噬细胞分泌的细胞因子中存在抗破骨细胞成分，抑制破骨细胞的形成和功能活性。例如，IL-12能直接作用于破骨细胞并诱导其凋亡，导致破骨细胞数量减少；敲除IFN-γ基因的小鼠形成的巨噬细胞丧失了下调破骨细胞生成的能力[31]。结合M1型巨噬细胞在炎症早期的促炎和促破骨作用，似乎能够合理地解释IFN-γ和IL-12介导的抑制破骨作用弱于TNF-α介导的促破骨活性。综上所述，可以看出M1型巨噬细胞通过各细胞因子表达的优势，抑制或促进破骨，从而影响骨代谢。

与此同时，巨噬细胞在骨折愈合中也扮演着重要角色。成功的骨折愈合是基于炎症细胞与骨形成细胞之间的相互协调作用，特别是在骨再生期间，巨噬细胞在募集和调节间充质干细胞的分化中发挥关键作用，对于骨折愈合的膜内和软骨内成骨路径都必不可少[32]。对于M1和M2型巨噬细胞在骨折愈合过程中所起的主导作用，各学者的观点并不统一。有文献[33-34]报道，M1型巨噬细胞主要存在于骨愈合的早期，在软骨内骨化期M1型被M2型巨噬细胞取代；Sinder等[35]报道，M1型巨噬细胞是骨修复的关键，而不是M2型。M1型对骨髓间充质干细胞在促炎期的招募和成骨启动中起重要作用[35]，在骨损伤前耗竭M1型巨噬细胞，会使新生骨的密度和强度降低一半[36]。然而，也有报道表明情况并非如此，如Schlundt等[33]发现，M2型巨噬细胞在骨折修复过程中起着更重要的作用，M1型转化为M2型对于进一步增强巨噬细胞促进体外成骨的能力是必要的[37]。

5 总结与展望

正畸力使牙周局部微环境发生改变促使巨噬细胞向M1型极化，M1型巨噬细胞通过分泌炎性因子加速OTM。牙周局部微环境中没有M1、M2型巨噬细胞的绝对优势，人为无限加强M1型巨噬细胞介导的促炎效应，会使M1型与M2型巨噬细胞的平衡失调，从而导致牙根吸收等不良反应。由于M1、M2型巨噬细胞在体内处于动态平衡且表型可以相互转换，这使通过调节巨噬细胞向M1型极化加速骨代谢缩短正畸疗程成为难点。

目前，关于巨噬细胞在OTM中的研究大部分停留在与其极化相关的因素以及M1、M2型巨噬细胞分泌的细胞因子表达水平上，影响巨噬细胞极化和其加速OTM的具体信号通路的研究还较少。因此，深入研究具体信号通路等问题亟待解决。