甲状旁腺激素相关蛋白调控下颌髁突软骨的研究进展

许琳 王如意 勾薪瑞 王晓莉 李宇

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正畸科 成都 610041

下颌髁突作为颞下颌关节（temporomandibular joint，TMJ）的重要组成部分，在下颌运动中起着关键作用，对于哺乳动物颌骨功能的正常发挥，如咀嚼、吞咽和说话至关重要[1]。覆盖髁突表面的下颌髁突软骨（mandibular condylar cartilage，MCC）是继发性纤维软骨，其起源、出现时间以及部分基质成分的表达模式与原发性软骨不同，具有特征性的发育和生长过程，包括对生物力学刺激特别强的适应性重塑能力。这些特性决定MCC既可以作为关节软骨又可以作为生长区。

甲状旁腺激素相关蛋白（parathyroid hormonerelated protein，PTHrP），最早在恶性高钙血症中被发现，与甲状旁腺激素（parathyroid hormone，PTH）的氨基末端有显著同源性，且二者均作用于甲状旁腺激素1型受体（parathyroid hormone 1 receptor，PTH1R）。研究[2]显示，PTHrP在软骨、骨骼以及血管平滑肌等许多组织中，是一种重要的旁分泌/自分泌调节因子，是软骨内成骨和骨重建的关键调节因子，影响软骨和骨的发育和成熟。本文重点关注PTHrP在MCC中的作用，就PTHrP在MCC的生长发育、改建以及退行性变的研究进展展开综述。

1 PTHrP与MCC的发育

1.1 MCC的组织结构

MCC根据细胞的形状和特性不同，由表及里分为4层[3]。1）面向关节盘、产生Ⅰ型胶原和滑液的关节层；2）主要表达Ⅰ型胶原的增殖层；3）表达Ⅱ型胶原、蛋白聚糖、壳聚糖等的成软骨层；4）与骨钙化区相邻、主要表达X型胶原的肥大层（图1）。在哺乳动物胚胎中，下颌髁突起源于单独的间充质组织凝结，凝结分化为MCC，后者以软骨内成骨方式形成下颌骨主要的升支部分[4]。小鼠胚胎第15.5天时，肥大软骨细胞开始表达X型胶原，下颌骨髁突体积立即明显增大，随后迅速开始钙化[5]。MCC是下颌骨在胚胎期和出生后发育的重要生长区[6]，髁突的纵向生长主要来自于其顶端的外加生长，增殖层细胞不断增殖并分化为软骨细胞，进而成熟肥大，最终肥大的软骨细胞和基质降解并被骨替代，下颌髁突逐渐伸长[7]。

图1 下颌髁突软骨结构示意图Fig 1 Schematic diagram of mandibular condylar cartilage

1.2 PTHrP在MCC中生长发育的必要性

MCC成骨方式属于软骨内成骨，软骨内成骨过程需要严格协调软骨细胞在时间和空间上的特异性分化，并且受全身及局部多种因子调控[8]。其中，PTHrP对MCC的发育和成熟至关重要。在野生型小鼠第17.5天胚胎中，即可于MCC近关节面的软骨祖细胞中检测到PTHrP的表达[9]。PTHrP早期定位在扁平层及肥大层，之后变为以扁平层为主[10]。

部分软骨细胞缺少PTH1R的嵌合小鼠可存活，以突变的软骨细胞过肥大为特征[11]。人类中功能性PTH1R缺失会造成软骨发育不良，其特征同样为软骨内骨成熟延迟[12]。PTH1R基因完全敲除的小鼠，也表现出髁突体积的减小，甚至严重的软骨发育不良，软骨内成骨发育不良在整个软骨内骨架（轴向和四肢）中都很明显，导致难以存活[13]。相反，外源性激活小鼠PTH1R会导致出生后不正常的髁突发育，此时的髁突软骨主要由不成熟的软骨细胞以及成纤维细胞构成，而肥大软骨细胞很少见[14]。类似的，MCC中PTHrP过表达会导致软骨发育不良和软骨内骨形成延迟[15]。

1.3 印第安刺猬蛋白（Indian hedgehog，Ihh） -PTHrP信号轴

PTHrP在长骨和下颌骨的发育中都具有重要作用。如图2所示，PTHrP与Ihh构成经典的“Ihh-PTHrP负反馈轴”，在依赖软骨内成骨的骨发育过程中具有重要的的作用[16]。

图2 Ihh-PTHrP 信号轴调控下颌髁突软骨细胞增殖和肥大的作用示意图Fig 2 Illustration of mechanism of Ihh-PTHrP axis on the proliferation and hypertrophy of mandibular condylar cartilage cells

早期肥大软骨细胞表达Ihh，信号传递至MCC顶部的关节周围区域和早期增生的软骨细胞，诱导PTHrP表达，PTHrP一方面作用于表达PTH1R的软骨细胞，以使它们保持在增殖且分化程度较小的状态，另一方面作用于肥大层细胞，抑制其生成Ihh。而PTHrP信号不能到达的部位的软骨细胞得以脱离PTHrP的调控作用，进而继续分化成早期肥大软骨细胞，并且表达Ihh来促进软骨细胞的肥大和相邻骨细胞的矿化[17]。研究[18]证实，PI3K/Akt信号通路作为PTHrP信号的下游，通过激活Wnt/β-catenin信号通路来发挥对软骨肥大分化的调节作用。

Ihh-PTHrP信号轴在髁突软骨生长和代谢中同样发挥了重要的作用。该反馈系统用于调节软骨细胞分化的速度，确定软骨细胞增殖层的厚度以及软骨膜细胞首次分化为成骨细胞的位置。在Ihh基因敲除胚胎的MCC的相应细胞群中，PTHrP表达急剧降低或缺失，增殖的软骨细胞数量急剧减少（约50%），软骨细胞肥大，提示由Ihh信号诱导的PTHrP可能：1）调节软骨细胞的增殖；2）维持新分化的软骨细胞在低分化阶段[9]。野生型小鼠MCC顶端PTHrP的表达仅在胚胎期和出生后早期较高，在幼年髁突中几乎无法检测到，需注意的是，成年小鼠的MCC大小，即前后轴和后外侧轴的长度，比产前小鼠大3倍，即软骨祖细胞仍在不断增殖和分化；而在青少年和成年MCC中，Ihh信号以不依赖PTHrP的方式调节软骨细胞的增殖和成熟[19]。目前，大多数研究以PTHrP 作为Ihh-PTHrP信号轴的下游信号分子的观点来论述其在出生前调节MCC发育方面的重要性。PTHrP在出生后期不同阶段的作用，以及与多种信号通路之间的联系需要更多的探究。

2 PTHrP与MCC的改建

MCC是生长改建活跃的部位，其形态发生、发育、再生、维持和退化与受到的机械载荷息息相关[20]。动态机械载荷（发生在牙齿磨耗、说话和咀嚼期间）是下颌骨生长和维持TMJ软骨稳态的重要刺激因素，适度的动态负荷可以在MCC生长和改建过程中维持组织的完整性，而过度负荷会导致软骨退化[21]。MCC由多层结构组成，每层细胞群种类和细胞外基质走行方向不同，软骨组织对生化和机械信号刺激的联合反应来维持MCC的正常形态功能和适应性改建[22]，从而塑造负荷运动解剖生理的复杂表面形状。

2.1 机械刺激对MCC的改建效果

MCC局部产生的PTHrP可使关节层和增殖层的细胞维持在一个低分化的状态，并且介导MCC的适应性改建，被认为是机械传感器[23]。体外静态液压力作用下，MCC细胞中PTHrP的表达增加[24]。适当的机械刺激（150 kPa）可通过机械敏感基因如PTHrP的作用促进软骨细胞增殖，促进软骨形成和软骨细胞肥大[25]。

胚胎期和出生后下颌骨运动、TMJ组织间相互作用或咬合等机械刺激均可引起MCC中PTHrP表达的改变，从而影响髁突的形态改变。小鼠胚胎期的颌骨运动会促进在动态负荷区域内MCC的形成，而限制下颌运动会导致MCC体积减小，同时伴有PTHrP表达的降低[26]；在出生后对髁突适当加载则会促进MCC的增厚和细胞增殖[27]。Li等[28]发现，TMJ关节囊先天缺失的胚胎期小鼠MCC的发生和分化受到影响，PTHrP的表达增强。此外，适当的咀嚼负荷可能通过PTHrP来维持MCC的正常发育。Shi等[29]通过提供软饮食或咬肌内注射肉毒杆菌毒素使大鼠咬合负荷降低，4周后观察到大鼠咀嚼肌萎缩，MCC轮廓缩小且其中PTHrP表达受到抑制，提示机械载荷不足可能通过下调MCC中PTHrP的表达抑制软骨生长，使软骨逐步降解从而影响TMJ的形态。然而，目前大多数研究缺乏在基因和分子平面的研究，PTHrP在MCC改建中介导机械刺激信号的具体机制尚不明确。

2.2 力学刺激促进MCC改建的临床意义

力学刺激在TMJ中的作用一直是临床研究的重点。对于下颌后缩的青少年患者，可通过正畸功能矫形治疗前导下颌。其作用机制是通过功能矫治器让下颌处于前伸位，力学刺激诱导MCC生长[30]。动物实验[31-32]表明，功能矫治前导下颌后，髁突软骨中PTHrP的表达明显上调，下颌前导可能通过触发PTHrP来上调性别决定区Y框蛋白9（sex-determining region Y-box 9，Sox9）及Ⅱ型胶原的表达，进而促进MCC中间充质细胞的成软骨向分化及软骨基质的形成，从而获得更多的下颌骨生长。然而，单纯使用功能矫治器的临床疗效尚不足够，亟需研发辅助手段进一步促进其作用。PTHrP可能是功能矫形力学刺激诱导MCC生长中的重要调控分子和潜在干预靶点。

3 PTHrP与髁突退行性变

退行性骨关节病又称骨关节炎，是一种由于外伤、增龄、肥胖、关节畸形等因素引起的关节软骨慢性炎症和退化性变。发生在TMJ的骨关节病称为颞下颌关节骨关节炎（temporomandibular joint-osteoarthritis，TMJ-OA）。临床表现为关节区疼痛、压痛、关节畸形、咀嚼困难以及张口受限等。其病理表现为髁突软骨关节面破坏，同时伴有下段骨增厚、囊肿和骨赘的形成。值得注意的是，对于骨关节病的早期，常会发生颞下颌关节紊乱综合症。但是多数TMJ紊乱综合症系关节功能性失调，一般预后良好；只有少数病例也会发生器质性改变而进展为TMJ-OA。

MCC新生与凋亡的失衡是TMJ-OA的重要特征，其再生和破坏的机制与多种信号通路有关，包括Ihh/PTHrP通路、Wnt/β-catenin通路、转化生长因子-β/Smad信号通路、Notch通路、STAT通路以及PI3K/Akt通路等[33-34]。其中，Ihh和其相关信号分子——跨膜受体Smo和Gli锌指转录因子-1被发现可能通过介导软骨细胞肥大来激活TMJ-OA的发生[35]。MCC中轴抑制蛋白缺失可能会激活βcatenin和成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）信号传导，从而共同促进软骨退化，影响产后和成年后软骨的生长和发育[36]。

正常情况下，PTHrP与细胞表面受体PTH1R结合，启动下游cAMP/PKC和PLC/PKC/MAPK通路，促进Ⅱ型原和软骨基质合成，进行软骨下成骨的生理过程。在病理状态（例如异常咬合刺激）下，PTHrP表达减少，进而Sox9、Ⅱ型胶原、蛋白聚糖的表达降低，Runt相关转录因子2（Runtrelated transcription factor 2，Runx2）、X型胶原、基质金属蛋白酶13（matrix metalloproteinase-13，MMP-13）的表达增加，导致软骨肥大化、软骨基质降解以及骨降解，最终导致TMJ-OA的形成（图3）[37-39]。

图3 正常关节和TMJ-OA中PTHrP变化示意图Fig 3 Illustration of changes of PTHrP in normal TMJ and TMJ-OA

3.1 PTHrP在TMJ-OA中的表达

不同的TMJ-OA模型中PTHrP呈现出特定的表达模式。在单侧前牙反诱导的TMJ-OA中，PTHrP在MCC浅层细胞层（包括关节层和增殖层）中阳性率明显增加，同时PTH1R在深层细胞层（包括成软骨层和肥大层）表达减少，从而促进了深层软骨细胞的终末分化而导致TMJ-OA的发生[40]。此外，不同大小的咬合负荷会引发PTHrP不同的表达模式。在软食或咀嚼肌内肉毒杆菌毒素处理下的小鼠中MCC轮廓缩小，PTHrP、Ihh以及Ⅱ型胶原的表达受抑制[29]；而在强制张口增加负荷的小鼠中PTHrP、Ⅱ型胶原的表达增加[41]。

大鼠通过关节内手术诱导TMJ-OA后的4周及8周，仅出现结构形态的轻度病变，此时PTHrP表现出高表达；而在12周时，已经形成软骨病理性改变，此时PTHrP的表达减小[42]。Chen等[43]在双链蛋白聚糖和纤维调控蛋白双缺陷小鼠模型中发现，PTHrP的表达显著降低，并且MCC中胶原纤维的直径增加，进而导致明显的TMJ-OA和软骨下骨的微结构改变。这表明，PTHrP的变化可能是OA发展的潜在标志物。TMJ-OA不同建模方式中PTHrP具有不同的改变，目前原因尚不清楚，但郭敏等[44]认为，晚期增殖软骨细胞减少、成熟软骨细胞增加可能导致PTHrP早期表达的下降，而后期高表达的出现则是机体的一种代偿性反应。

3.2 PTHrP对TMJ-OA的治疗意义

髁突软骨退化是TMJ-OA的主要表现，促进软骨再生的组织工程技术成为TMJ-OA的治疗方向之一。但是，软骨细胞的定向分化和肥大限制了其应用[45]。PTHrP在MCC退行性变中有重要的作用，能够促进软骨内软骨细胞增殖、抑制软骨细胞肥大和抑制细胞凋亡的作用，能够弥补软骨细胞过早肥大化的缺陷。PTHrP可促进骨髓来源和脂肪来源的间充质干细胞成软骨向分化，促进软骨形成并抑制肥大[46]。此外，通过蛋白处理技术，可以有效地避免对细胞产生毒性和致瘤性[47]。10~100 pmol·L-1PTHrP（1-40）的间歇性应用可作为软骨组织工程中抑制肥大的潜在治疗范围[48]。随着PTHrP调控TMJ-OA的机制的研究不断深入，着眼于调控Ihh/PTHrP/PTH1R的研究为组织工程提供了新思路。

4 总结

PTHrP是Ihh-PTHrP负反馈信号轴的下游因子，其在胚胎期TMJ的发生以及出生后髁突的生长改建过程中，可以通过控制软骨细胞分化和成熟来调节软骨内成骨的过程。生化因素和机械环境对TMJ的形态发生和改建至关重要，PTHrP作为机械转导介质，在MCC的发育、维持、改建中具有重要作用，未来可考虑应用于下颌后缩青少年患者的功能矫形治疗。

PTHrP可能通过细胞外基质的降解和软骨细胞的肥大诱发TMJ-OA，并且在不同TMJ-OA模型中，呈现出不同的表达模式。这提示PTHrP可能是TMJ-OA形成的关键因素。PTHrP对于软骨组织工程的软骨再生具有重要的潜在应用价值，可通过促进软骨细胞形成，抑制其肥大化而应用于治疗TMJ-OA的组织工程，弥补了间充质干细胞骨再生工程中软骨细胞肥大的缺陷。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。