甲状旁腺激素及甲状旁腺素相关肽在牙齿硬组织形成中的作用

李媛媛 陈俊宇 蔡和 万乾炳

口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心四川大学华西口腔医院修复科 成都610041

钙是牙体组织形成过程中组成矿物晶体所必需的离子，血清钙水平的变化可导致牙体组织的结构改变[1]。甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）是机体维持钙、磷稳态的基础激素，甲状旁腺素相关肽（parathyroid hormone-related peptide，PTHrP）作为PTH的同源类似物与其有着相似的生物学作用，都参与调控矿化组织的细胞外基质沉积和生物矿化过程[2]，体内PTH/PTHrP水平异常可导致牙齿发育不全和矿化不良[3-4]。此外，牙胚发育是上皮-间充质相互作用的经典模型，这种相互作用是牙齿萌出、形态发生所必需的[5]。PTHrP作为一种介导上皮-间充质相互作用的生长因子，广泛分布于成人和胎儿的多种组织器官[6]，在骨骼及牙齿硬组织形成中发挥重要作用[7]。

PTH和PTHrP因其强大的促进骨代谢的能力一直备受组织工程领域研究者关注。自2017年Abaloparatide（PTHrP类似物）被美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准用于治疗绝经后骨质疏松症[8]后，吸引了更多领域研究者的目光。它们在口腔领域的研究表现出良好的促进牙周组织再生[9]、种植体-骨结合[10]、颌面骨缺损修复[11]，以及提高正畸治疗稳定性[12]的效果。但对牙体组织形成影响的研究还相对较少。本文对国内外近年来有关PTH和PTHrP影响牙齿硬组织形成和矿化的研究作一综述，以期进一步阐明PTH和PTHrP在牙齿硬组织形成和再生过程中的调节作用，并为PTH类药物用于牙齿发育异常及牙体组织的修复治疗提供一定的参考。

1 PTH和PTHr P的基本结构和功能

PTH是由84个氨基酸残基构成的多肽，主要由甲状旁腺主细胞合成并分泌。PTH位于N端的1～34位氨基酸残基是决定其生物活性的主要分子结构，主要起调节机体血钙平衡的作用[13]。PTH对骨代谢具有双向调节作用，取决于剂量和作用方式。大剂量持续PTH给药会明显增加破骨细胞活性，促进骨吸收[14]。小剂量间歇性给药则明显增加成骨细胞介导的骨形成，使骨量增加[15]。PTHrP最初是在研究成骨细胞恶性肿瘤引起高钙血症的过程中发现的一种多肽，PTHrP和PTH在分子结构和信号传导方面有相同或相似之处，故称PTH相关肽，可以说是PTH家族的另一个成员[16-17]。它是由141个氨基酸残基组成的多肽，其氨基端36个氨基酸与PTH高度同源，主要发挥PTH样作用，参与调节体内钙磷平衡[18]，相对于PTH，PTHrP在多种组织器官中都有表达，如皮肤、乳腺、牙齿等[19]。

PTHrP和PTH通过作用于同一的受体，即1型PTH/PTHrP受体（type 1 PTH/PTHrPreceptor，PTH1R）发挥作用。PTH1R是G蛋白偶联受体超家族的一员，该受体激活一方面能活化环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）依赖的蛋白激酶A（protein kinase A，PKA），另一方面激活钙离子依赖的蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），通过这两条信号传导通路，调节成骨细胞增殖分化，影响骨骼代谢[20]。

因为牙齿和骨骼具有许多共同的特征，包括组织成分和理化性质等，所以研究人员逐渐开始探索PTH和PTHrP在牙体组织形成中发挥的作用。越来越多的研究[21-22]证实，PTH和PTHrP参与调控牙体组织形成，在牙再生及牙体修复方面存在潜在的临床应用前景。

2 PTH和PTHr P在牙齿硬组织形成中的作用

牙胚的发生、分化及牙体硬组织的形成，是通过上皮-间充质之间的一系列相互作用引起的，并受多种因素的调节[23]，进而决定牙齿的位置、大小、形态。若这一过程中发生矿物质、激素和维生素等的改变，都会使牙的生长发育及矿化发生异常。PTHrP表达于牙釉上皮，而PTH/PTHrP受体（PTH/PTHrPreceptor，PPR）表达于牙乳头和牙囊[24]，二者结合可以调节上皮和间充质的作用。另外，PTH和PTHrP通过钙敏感受体介导发挥作用，影响钙磷平衡，从而影响牙体组织的形成和矿化[25]，其中PTH主要通过内分泌的方式发挥作用，而PTHrP能通过旁分泌、自分泌或胞内分泌等多种方式起作用[26]。

2.1 PTH和PTHrP在牙本质形成中的作用

牙本质是牙齿的主要组成部分。牙本质的形成是由成牙本质细胞完成的。未分化的牙乳头间充质细胞在生长因子等信号分子的诱导下分化形成成牙本质细胞，随后形成牙本质的有机基质，继而矿化形成牙本质。此外，继发性牙本质及修复性牙本质的形成与牙髓干细胞密切相关[27]。

2.1.1 成牙本质细胞 由于PTHrP基因的缺失会阻碍牙齿萌出[28]，而缺少PTH/PTHrP受体的小鼠在刚出生牙体组织形成前就会死亡[29]，因此PTH/PTHrP-PPR系统在牙齿发育中的作用一直难以分析。研究[30]表明：小鼠α1(Ⅰ)胶原启动子［α1(Ⅰ)collagen promoter］的2.3 kb片段可特异性驱动成牙本质细胞组成性活化PTH/PTHrP受体（constitutively active PPR，caPPR）的表达。Calvi等[31]通过基因插入构建了Ⅰ型胶原蛋白（collagen typeⅠ，col1）-caPPR转基因模型，研究由PTH/PTHrP引起的PPR激活在牙齿发育后期以及牙本质形成中的生物学作用，结果显示：在这些转基因小鼠的成牙本质细胞中，PPR信号持续性激活引发了与成骨细胞类似的反应，包括成牙本质细胞数量增加、成熟延迟，以及牙本质基质蛋白的异常分泌。

体内PTH/PTHrP水平的改变可能会导致牙本质形成异常[32-33]。PTHrP是恶性肿瘤体液性高钙血症（humoral hypercalcemia of malignancy，HHM）的主要致病因素[34]。考虑到有关PTH/PTHrP和PPR在牙齿发育中的研究主要集中在胎儿和新生儿中，而在成年动物中较少，Kato等[4]通过建立大鼠HHM模型，研究成熟大鼠在体内PTHrP异常升高条件下对牙胚分化的作用，结果发现：PTHrP水平过高可直接影响牙本质细胞，主要导致高钙化牙本质、牙本质龛等病变，牙本质细胞高度降低，牙本质厚度降低，最终造成牙本质畸形，牙齿折断。利用免疫组织化学法研究该模型大鼠牙源性细胞中PTHrP及其受体PPR的表达模式，发现在HHM模型中，组织学异常的牙胚细胞蛋白表达模式发生了改变，进一步提示牙本质组织形态异常与PTH/PTHrP-PPR信号轴有直接关系[35]。除了组织形态方面，牙本质机械性能的改变可能提示其超微结构、生化成分及矿化机制发了变化。Guimar a~es等[36]探讨了对幼鼠行间歇性PTH处理后切牙牙本质机械性能的改变。该研究中，幼年小鼠每天注射40 mg·kg-1PTH，对照组注射安慰剂。结果显示：6 d后，与对照组相比，PTH处理组牙本质沉积率提高5%，碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP）水平提高25%，显微硬度提高11%；10 d后，经元素含量测试发现，PTH处理后牙本质中羟磷灰石的组成发生了很大变化，管周牙本质中P、Ca质量百分比及Ca/P比值较对照组均有增加，分别提高了23%、53%、24%。这些结果表明，间歇性PTH处理能促进切牙形成过程中牙本质的沉积和矿化。

Guimar a~es等[37]将成牙本质细胞MDPC-23置于50 ng·mL-1PTH中培养，并观察增殖、凋亡的细胞数量，结果发现：与PTH共培养1 h，成牙本质细胞增殖不受影响；24 h后细胞增殖能力下降；48 h后，细胞凋亡率高于对照组，且在此过程中PKC和PKA通路均参与了PTH的调节作用。在对比间歇性与持续性PTH作用的研究[38]中发现，在体外对牙本质细胞MDPC-23行间歇性PTH给药，可降低牙本质细胞矿物质沉积和ALP活性，增加基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）分泌量。持续性PTH给药增加了双链蛋白聚糖（biglycan，BGN）和col1 mRNA表达，降低了活性MMP-2的分泌水平。上述结果表明：PTH对成牙本质细胞的增殖、分化具有时间依赖性的调节作用，但连续或间歇性给药导致成牙本质细胞反应不同的原因尚不清楚。

2.1.2 牙乳头间充质干细胞 陈新梅等[39-41]将牙乳头间充质干细胞在不同浓度的PTH处理液中进行体外培养，结果发现：相对于对照组，PTH可以使细胞外ALP活性增加[39]，显著增强细胞BGN[40]和骨形态发生蛋白3[41]的合成；PTH的作用呈浓度和时间依赖性，提示适宜浓度的PTH能促进人牙乳头间充质细胞的分化和功能，在一定程度上影响牙本质形成和矿化。

2.1.3 牙髓干细胞 PTH可增强骨髓间充质干细胞的成骨分化和矿化。牙髓干细胞与骨髓间充质干细胞有着极为相似的免疫表型和形成矿化结节能力，具有自我更新和多向分化潜能，可以分化为成牙本质细胞[42]。与骨形成类似，PTH可促进人牙髓干细胞的成牙本质向分化。

Ge等[43]研究PTH对牙髓干细胞增殖能力和牙源性分化的影响，结果发现：10-9mol·L-1是PTH体外诱导牙髓干细胞分化的最佳浓度。10-9mol·L-1PTH对牙髓干细胞增殖率无明显影响，可上调牙本质涎磷蛋白（dentin Sialophosphoprotein，DSPP）、ALP、Runt相关转录因子2（runt-related transcription factor 2，Runx2）和成骨细胞特异性转录因子Osterix（Osx）等牙源性分化相关蛋白表达水平，介导牙本质的形成和矿化。Kim等[44]的研究结果与Ge等[43]一致。Kim等[44]使用不同浓度的PTHrP与人牙髓干细胞共培养，结果发现：1、10 nmol·L-1PTHrP处理的实验组表现为矿化结节的形成、ALP活性升高、DSPP和牙本质基质蛋白1（dentin matrix protein1，DMP-1）表达上调，由此推测，PTHrP通过激活蛋白激酶B（protein kinase B，PKB/AKT）、细胞外信号调节激酶（extracellular signal regulated kinase，ERK）、c-Jun N末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK）信号通路促进人牙髓干细胞的牙源性分化和矿化，在临床上可能有助于诱导牙本质形成。

综上所述，PTH和PTHrP可以通过激素本身或者调节血钙浓度影响成牙本质细胞及其前体细胞（牙乳头间充质干细胞/牙髓干细胞）的增殖和分化，进而影响牙本质的基质沉积和矿化，使得牙本质的组织形态和机械性能发生改变。利用PTH/PTHrP可能促进牙本质再生，但它们对牙本质形成所产生的具体效应是促进还是阻碍，取决于其浓度、作用时间和作用方式，有待进一步探索。

2.2 PTH和PTHrP在釉质形成中的作用

釉质的发育分为两个阶段：第一阶段是牙本质基质作用于内釉上皮使其分化为功能性成釉细胞并分泌釉基质，第二阶段则是釉基质的矿化成熟[27]。

Kitahara等[45]发现：PTHrP敲除小鼠门牙的釉质缺损；组织化学和超微结构分析显示，在牙胚发育最初，小鼠成釉器的成釉细胞和其他细胞没有出现异常，但牙胚周围成骨细胞、破骨细胞形成和排列紊乱。由此推测，牙胚的破坏可能归因于胎儿时期的骨畸形，PTHrP缺失导致牙胚周围破骨细胞减少，骨刺生成压迫或穿透了成釉细胞层，进而使得牙胚的形态结构发生紊乱，牙齿发育畸形。Calvi等[31]的研究显示：col1-caPPR转基因小鼠可出现牙冠异常增宽。小鼠产后1周，成牙本质细胞中检测到col1-caPPR转基因表达，但在成釉细胞中未见转基因表达；组织学分析发现，牙乳头增宽，牙本质层紊乱，牙本质基质减少，牙尖数量异常增多，成釉器层次紊乱，釉质基质减少；原位杂交和电子显微镜研究显示，成釉细胞的细胞分化被破坏。这些结果表明：成牙本质细胞PPR的激活可能在终末成牙本质细胞形成中发挥重要作用，间接影响成釉细胞的分化。Tsutsui等[46]利用转基因小鼠HKrk-H223R进一步证实，突变PPR在矿化组织中产生的信号持续存在，不仅会在初期阻碍牙胚正常形成导致牙齿形态异常，还对其进一步发育也有深远影响，可导致牙本质和釉质表面不成熟，门牙的矿化程度较差。曲政等[47]探索了PTH1R对成釉细胞的作用，通过基因克隆和重组技术构建PTHR1的真核表达载体，检测PTH1R转染的成釉细胞，结果发现：PTH1R能上调成釉细胞MMP-20的表达水平，MMP-20可水解釉基质蛋白，促进羟磷灰石沉积，可见PTH/PTHrP激活PTH1R在釉质发育中有重要的作用。

PTH/PTHrP异常可引起釉质组织形态改变，Cheng等[48]研究了其对釉质生物矿化过程，特别是对釉质微结构改变及伴随的化学、机械性能变化等方面的影响，结果表明：col1-caPPR持续激活伴随釉原蛋白及成釉蛋白的异常会影响釉质晶体成核及组装模式，从而改变晶体的棱柱分布和机械性质。转基因小鼠切牙釉质中晶体排列紊乱，棱柱不对称，孔隙率增加，釉质结晶度较差，其中硬度降低了24.6%，弹性模量降低了12.3%[48]。

PTH对成釉细胞分泌代谢的影响相对成牙本质细胞较小[49]，目前有关PTH和PTHrP对成釉细胞作用的研究相对较少。但有研究[31]表明：PTH和PTHrP可通过调控成牙本质细胞的增殖分化，间接影响成釉细胞，导致釉质形成的分泌期和成熟期均受影响。人体PTH/PTHrP水平异常可导致釉质发育异常（如釉质发育不全、釉质混浊、釉质缺损等）[3]。改善PTH/PTHrP水平可能有助于治疗牙齿发育异常，但目前只有少数的个案报告或病例分析[50-51]，缺乏高质量的临床研究。

2.3 PTH和PTHrP在牙骨质形成中的作用

牙骨质是覆盖于牙根表面的一层硬结缔组织，当根部牙本质形成时，上皮根鞘断裂，牙囊细胞在根部牙本质的诱导下分化为成牙骨质细胞，在牙根表面分泌有机基质，最后矿化形成牙骨质[27]。

2.3.1 牙囊细胞 牙根形成与牙齿萌出是相互交织的两个过程[52]。PTHrP及其受体PPR在牙囊细胞中均有表达[53]，PTHrP可通过调节牙囊细胞中核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）和骨保护蛋白（osteoprotegerin，OPG）的表达来促进破骨细胞的形成，为牙齿萌出开辟道路[54]，PPR基因突变可以导致牙根和周围牙槽骨形成骨粘连抑制牙齿萌出[55]。PTHrP还可通过Wnt/β-catenin通路抑制牙囊细胞的成骨分化，调节牙囊的成牙骨质向分化[53]，提示PTH/PTHrP-PPR系统在牙齿萌出及牙骨质形成中发挥着重要作用。Ono等[56]通过构建“暂时条件性”PPR缺失的小鼠模型，发现PPR缺失的牙囊细胞向成牙骨质细胞分化加速，分化紊乱，不能形成无细胞牙骨质，而是在牙根表面形成了不规则的细胞牙骨质，最终导致牙根缩短。基于此，有学者[57]提出：间歇性PTH给药可能有助于避免牙齿过早萌出及牙根发育畸形。

2.3.2 成牙骨质细胞 Ouyang等[58]在体外研究中进行了PTHrP和成牙骨质细胞永生细胞系共培养，以此探讨PTHrP对成牙骨质细胞的作用，结果发现：PTHrP下调了牙骨质形成和分化相关生物标志物在这些细胞中的合成分泌，如牙本质涎蛋白（dentin sialoprotein，DSP）、BGN、Col1，抑制成牙骨质细胞介导的生物矿化。进一步探讨PTHrP体外抑制牙骨质生成的相关机制可以发现，这些抑制作用主要是通过cAMP/PKA途径介导，而非通过PKC途径[59]。Wang等[60]的研究进一步支持了Ouyang等[58-59]的实验结果，他们用PTH处理永生化小鼠成牙骨质细胞OCCM-30，发现PTH通过cAMP/PKA途径下调小鼠成牙骨质细胞中DMP-1的表达，DMP-1可在矿物稳态中发挥重要作用[61]，从而影响牙骨质矿化。Li等[62]利用相同的成牙骨质细胞OCCM-30进行PTH间歇性处理，结果发现：与对照组相比，DSP、BGN、Col1和Osx水平升高，ALP活性、矿化结节形成增加。机械应变可抑制与牙骨质发生和分化相关的基因表达，诱导牙根形态发生明显变化，而间歇性给予PTH可以部分抵消机械应变对成牙骨质细胞发生和分化的抑制，推测间歇PTH治疗可能是促进牙骨质再生的一种新方法，可用于改善正畸导致的牙根吸收。PTH这种促进成牙骨质细胞合成代谢的作用，可能与包括cAMP/PKA、鼠肉瘤病毒癌基因（rat sarcoma virus，RAS）/ERK和Wnt在内的多条信号通路有关[63]，但有关Wnt通路对牙骨质形成的调控作用尚存争议[64-65]。

2.3.3 牙周膜干细胞（periodontal stem ligament cells，PDLSCs） PDLSCs具有未分化间充质干细胞的特点，能分化形成牙骨质、牙槽骨和牙周膜样组织，与牙骨质再生密切相关[66]。Vasconcelos等[67]在大鼠下颌第一磨牙远中根造成骨开窗缺损，同时去除牙周膜和牙骨质，间歇性给予PTH，结果发现：与给予安慰剂的对照组相比，PTH组出现了明显的牙槽骨和牙周新附着，以及新生牙骨质结构，牙周组织愈合加速，由此推测这与间歇性PTH刺激导致PDLSCs的功能活化有关。Wang等[68]发现：PDLSCs表达较高水平的PTH1R，可以像成骨细胞一样对PTH作出反应。小剂量间歇性PTH处理后，PDLSCs的ALP活性和矿化能力升高，Runx2和Sp7基因表达显著上调，有利于牙槽骨及牙骨质的再生。Lyu等[69]发现，PTH可通过Wnt信号通路介导，促进牙周膜细胞增殖及成骨/成牙骨质向分化，ALP活性和BGN生成增加。

由上述研究分析可知，PTH和PTHrP是牙齿正常萌出及牙骨质形成和矿化所必需的。小剂量PTH/PTHrP间歇性给药在避免牙齿过早萌出，修复正畸及牙周创伤等导致的牙骨质缺损等方面表现出积极作用，但仍需更多高质量的动物实验及临床研究进行验证。

3 总结与展望

PTH和PTHrP通过作用于相同的受体PTH1R/PPR，调节机体钙磷代谢，并且参与调控牙体硬组织形成相关细胞的增殖和分化，进而影响牙体硬组织的形态发生及矿化。它们对牙齿硬组织形成的调节与对骨代谢类似，是一个精确的、多水平的系统网络，具有正负双向性的特点，具体效应与其剂量和作用方式、细胞种类、分化状态及其他调控因素有着密切关系。PTH类药物在防治釉质发育不全、诱导牙本质再生、治疗牙骨质吸收等方面都显示出良好的应用前景；然而，药物过量、作用时间过长也可能会引起不良反应。未来需要针对给药剂量、给药时间和局部用药的有效载体进行深入全面的研究。此外，牙齿硬组织的形成是一个涉及多种细胞和多因素介入的复杂过程，PTH和PTHrP影响牙体组织形成的机制还未完全明确，也将是以后研究的重点。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。