二型糖尿病与牙周炎微生物组的双向促进因素

晏彩霞 李 燕

牙周炎(Periodontitis，PD)是一种由口腔微生 物产生慢性的局部炎症反应导致的牙槽骨破坏和牙齿松动脱落的疾病，是我国成年人丧失牙齿的首位原因。越来越多的数据提示牙周炎与糖尿病、心血管疾病、呼吸道疾病、神经系统和肿瘤等全身系统疾病相关[1]，已经成为一个重大的医学和公共卫生问题。牙周炎的发生和发展与多种病因和危险因素有关，其中最重要的两种是局部微生物群和宿主免疫反应。糖尿病是一种引起脂肪、碳水化合物和蛋白质代谢异常的代谢性疾病，有两种基本类型，胰岛素依赖的1 型糖尿病(type 1 diabetes，T1D)和非胰岛素依赖的2 型糖尿病(type 2 diabetes，T2D)。大约有90%以上的糖尿病是T2D，截止2015 年，世界范围内T2D 患病人数达到4.15 亿人，预计到2040 年将达到6.42 亿人[2]。T2D的特点是胰岛素抵抗或胰岛素功能缺陷导致的高血糖、炎症和高氧化应激，并且可引起系统性并发症，包括糖尿病高血糖、心血管疾病、中风、肾功能障碍和眼睛损害，牙周炎被认为是糖尿病的第六并发症，牙周炎诱导的糖尿病风险更是增加了27%～53%[3]。T2D和牙周炎均是影响全民健康的重要慢性疾病。二者的相互促进关系和菌群－免疫调节机制一直是口腔医学研究的热点，普遍认为牙周微生物组在T2D的触发和恶化进程中对免疫系统和物质代谢等的调控有重要作用。

1.牙周炎微生物组的改变

在牙周病中，微生物群落通过相互之间的协同和失调的整体机制来诱导异常的宿主反应，这种微生物间的协同作用可以增强群落细菌的定植和致病性。与单一菌种感染相比，共生微生物群落的致病性更高[4]。牙周炎微生物组能够影响糖尿病患者的血糖控制水平，促进糖尿病及并发症的进展。

1.1 牙周炎微生物组对糖尿病进展的影响 目前对牙周炎微生物组促进糖尿病发生发展的研究主要是临床回顾性数据、纵向队列研究和动物实验。临床研究发现，牙周炎相关细菌会增加糖尿病患者血糖控制的难度，且糖化血红蛋白水平显著升高，行非手术牙周治疗后，糖化血红蛋白和全身炎症标志物C-反应蛋白(C-reactive protein，CRP)均降低[5]。Demmer 等发现龈下菌斑微生物组中的放线菌属、变形杆菌属和厚壁菌属均与T2D的胰岛素抵抗之间存在负相关关系[6]，焦磷酸深度测序发现二氧化碳噬纤维菌属的绝对计数在T2D 牙周炎患者的龈下菌群中也有显著改变[7]。另外，牙龈卟啉单胞菌、伴放线聚集杆菌、白色念珠菌等在糖尿病中有更高的检出率[8]。用牙龈卟啉单胞菌感染T2D小鼠之后，原有的葡萄糖耐受不良以及胰岛素抵抗加重，血糖浓度也随着感染时间的推移而升高[9]。牙周炎可通过增加糖化血红蛋白的水平，导致肾病和心血管疾病等糖尿病并发症发生，T2D 并发的牙周炎与心肌功能障碍加重显著相关[10]。然而，目前尚无足够的证据阐释牙周炎微生物组通过何种机制影响了糖尿病的疾病状态或血糖控制状况。可能是牙周微生物感染引起的众多炎症因子的分泌和免疫细胞的浸润，在系统疾病与牙周炎之间发挥着“桥梁”作用[11]；也可能是牙周微生物物种直接迁移和定植到远处器官引起的全身性炎症作用[12]。

1.2 糖尿病对牙周炎微生物组的影响 糖尿病伴牙周炎患者的龈下微生物组也有着组成和比例的改变，进而影响机体的调控。与牙周健康的患者相比，伴发牙周炎的T2D 患者的口腔微生物多样性会进一步降低，在门的水平上，放线菌门、梭杆菌门和变形菌门有较高的丰度，而拟杆菌门、螺旋体和互养菌门丰度较低；在属的水平上，可发现多种菌属在两者间出现差异性富集：兼性双球菌属、艾肯菌属、月形单胞菌属、放线菌属、梭杆菌属在群落中的比例显著升高[6,13,14]；在种的水平上，Zhou 等采用16S rDNA 基因克隆测序技术研究了糖化血红蛋白＞6.5%，探诊深度为4mm 以上的牙周袋菌斑，发现T2D 牙周炎患者的龈下菌斑中检测出更高水平的“红色复合体”细菌、具核梭杆菌、伴放线聚集杆菌和生痰二氧化碳噬纤维菌，生痰二氧化碳噬纤维菌也是一种糖酵解菌，可以酵解龈沟液中的葡萄糖，故而在有T2D的牙周炎患者中含量较高[13]；Casarin 等选择了糖化血红蛋白＞8%的T2D 及严重和广泛性慢性牙周炎患者，采用16S rRNA 基因克隆测序技术检测牙周袋＞5mm处的龈下生物膜，发现牙龈卟啉单胞菌和福塞斯坦纳菌、Filifactoralocis的丰度在T2D 牙周炎中降低[14]。以上研究表明，糖尿病对口腔细菌丰度的影响有很大程度的差异，对于特定口腔细菌的变化几乎没有共识，考虑几个因素可能会影响这种变异性，如高血糖的程度和持续时间，环境因素比如饮食和口腔卫生，以及药物等混杂因素的影响[15]，还有测序方法的局限性如随机抽取序列进行测定，也会带来偏差。在不同血糖水平的情况下，T2D 对牙周炎微生物组的影响也有所差异，有研究将T2D牙周炎患者分为了血糖控制不良组和血糖控制较好组，收集其牙菌斑进行检测发现两者牙周微生物组种类差异不大，比例却有所不同，使得龈下能够酵解糖类的微生物数量增加，进一步分析发现血糖控制不良组主要有利于发酵糖类的微生物生存，尤其是与丙酸和琥珀酸产生相关的菌种，而形成丁酸和丙酮酸的菌种在血糖控制不良组中减少[16]。

糖尿病影响牙周菌群的具体机制目前尚未明确，有研究提出了三种不同可能性：第一，糖尿病患者唾液中的葡萄糖水平升高会促进某些细菌种类的生长；第二，糖尿病会导致口腔脱水使微生物多样性的减少；第三，高血糖可能导致口腔环境的酸化，扰乱口腔微生物群[17]。还有研究认为T2D与牙周炎相比，牙周微生物在属水平并没有差异，主要差异在于菌群致病性的变化，或是机体对于菌群的反应不同[18]。

2.牙周炎微生物组与糖尿病相互促进的多重因素

糖尿病和牙周炎的双向作用关系主要表现在未治疗的牙周炎可通过细菌刺激机体产生抗体，诱导促炎细胞因子的产生，激发系统的炎症状态，作用于机体免疫细胞、脂肪因子以及脂质和糖类的代谢，从而促进胰岛素抵抗；而未控制的糖尿病可通过改变牙周微生物群落、引起局部免疫功能紊乱、调节脂肪因子和物质代谢来加重骨及支持组织的破坏，削弱其修复，从而加重牙周炎的进展。本文我们综合论述了牙周炎微生物组－糖尿病之间的潜在联系可能涉及到的特异性免疫细胞的表达、局部和全身炎症状态的改变、血脂水平和物质代谢等多个方面。

2.1 固有免疫与适应性免疫 固有免疫是宿主防御的第一道防线。当感染或损伤发生时，中性粒细胞可定位入侵的微生物，清除死亡的宿主细胞和碎片，然后通过启动自发凋亡从炎症病灶中清除感染。Preshaw 等报道了牙周炎微生物组，如牙龈卟啉单胞菌可以延缓T2D 患者的中性粒细胞自发凋亡，从而导致感染持续存在，进一步破坏宿主组织。而T2D 存在时，可以显著增加牙周炎患者龈沟液中的中性粒细胞数量，引起牙周局部的高炎症反应。与血糖控制良好的T2D 牙周炎患者相比，血糖控制不良的T2D 牙周炎患者，外周血中可检测到更高水平的CD14+CD16+单核细胞；而牙周炎存在时，在两种血糖状态的T2D 患者中，均可以观察到外周血中CD14+CD16+单核细胞比例显著增加[19]。动物模型研究发现，在牙龈卟啉单胞菌的诱导下，巨噬细胞向M1 型极化，并通过触发炎症反应在T2D 患者的胰岛素抵抗中发挥作用。而且，在脂多糖的刺激下，巨噬细胞表面TLR2 表达减少，吞噬功能降低，形成了一个允许牙周菌感染蓬勃发展的环境[20]。树突状细胞具有预防糖尿病发病的潜力以及辅助维持机体免疫细胞平衡的作用，在伴发牙周炎的T2D 小鼠中，颈部淋巴结和脾脏的免疫细胞数量增加，但是CD11b+树突状细胞数量大幅减少[21]；与此同时，T2D 产生的晚期糖化产物(advanced glycation end products，AGEs)可以与细胞膜晚期糖化终产物受体(Receptor for AGE，RAGE)结合，激活单核细胞/ 巨噬细胞和内皮细胞，释放促炎细胞因子[22]。

适应性免疫对糖尿病和牙周炎的进展同样至关重要。初步证据表明牙周炎患者的血糖控制与患者龈沟液中IL-17 浓度相关，最近的一项免疫组织学研究也表明，与单纯牙周炎患者相比，T2D 合并牙周炎患者的Th17 和调节性T 细胞(Regulatory cells,Tregs)细胞比例较高[23]。在T2D 中患者中可发现高表达的Th17 细胞，当牙周病原菌入侵机体时刺激固有免疫系统，在TLR2/ 4的介导下被单核细胞识别，激活牙龈组织CD4+T 细胞内的Th17/IL-17 轴使IL-17的产生增加并且高于健康人，而Th17的激活可增强巨噬细胞和B 细胞的促炎反应，参与胰岛素抵抗和牙周炎发展[24]。此外，牙周炎的存在还可以增加T2D 小鼠牙龈组织和血液中T 细胞和B 细胞的数量，反过来，T2D的存在也会增加牙周炎小鼠的B 细胞数量，并且牙周炎患者的B 细胞分泌的促炎细胞因子谱与T2D 患者的B 细胞表达谱相似，如肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α) 和IL-1β，对牙周炎和糖尿病都存在着促进作用[22]。

2.2 细胞因子 牙周病发病机制中的细胞因子网络十分复杂，个体间炎症反应的性质也存在相当大的异质性，而炎症是糖尿病和牙周病相互影响机制中不可或缺的一环。白介素(interleukin,IL)是联系牙周炎和糖尿病的一种关键介质。牙周炎微生物组的存在可增加T2D 患者血清中IL-1β 和IL-6的含量，破坏细胞内胰岛素信号，而伴发T2D的牙周炎患者龈沟液中其含量也会进一步升高[25]。一项对130 名目标人群进行的研究发现，T2D 牙周炎患者与单纯的牙周炎相比时，IL-17 和TNF-α的含量无差异，而TNF-α/ IL-4 和IL-6/ IL-4 在并发T2D 时显著升高，提出血清细胞因子比值而非绝对细胞因子水平，可作为T2D 合并牙周炎患者全身炎症前状态的指标[26]。TNF-α 参与早期炎症反应，也是牙周炎发生的主要促炎细胞因子。T2D可以明显增加牙周炎患者血清中总TNF-α的含量，并且服用TNF-α 抑制剂可减轻患者的胰岛素抵抗，并且阻止了牙周炎的进一步加重，故也被认为是牙周炎和糖尿病发病机制中的关键信号调制器[27]；T2D 患者血脂异常可以促进牙周病患者TNF-a 和IL-6 水平升高，TNF-α 可以参与骨代谢的调节，通过调节NF-κB 受体活化因子配体(Receptor Activator of Nuclear Factor-κB Ligand，RANKL)和骨硬化蛋白的表达增加，促进破骨细胞的形成来介导牙槽骨的吸收[28]。其他细胞因子在两种疾病的存在下，也发生了一些变化，如牙周炎和糖尿病患者龈沟液中干扰素-γ 有相似的浓度；在合并糖尿病的牙周炎小鼠中，转化生长因子1 减少，而干扰素-γ、单核细胞趋化蛋白和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子含量增加，可以募集免疫细胞并产生一系列促炎介质[25]。

2.3 脂肪因子 脂肪因子是由脂肪细胞产生和分泌的分子，这些分子是由瘦素、脂联素、抵抗素、内酯素等组成的大家族。一方面，牙周感染释放广泛的促炎症细胞因子、脂肪因子，导致其他慢性疾病出现，如肥胖导致的糖尿病；另一方面，脂肪因子过多分泌到机体血液中有助于建立炎症状态，导致牙周组织中氧化终产物过度堆积[29]。瘦素作为被研究最多的脂肪因子之一，可通过负反馈回路抑制胰岛素的产生，而胰岛素可以刺激瘦素的产生。牙周组织炎症可导致血清瘦素水平升高，在并存T2D的情况下，其含量进一步增加，行非手术牙周治疗后瘦素水平显著下降，表明瘦素具有促炎的作用，可以诱导Th1 细胞产生CRP、TNF-α 和IL-6，并在牙周炎初期增加自然杀伤细胞和单核细胞的数量[30]。抵抗素也是一类具有促炎作用的脂肪因子，因具有抵抗胰岛素的功能而得名，在糖尿病合并牙周炎患者中，龈沟液抵抗素含量显著增加，行牙周治疗后减少[31]。与其他脂肪因子不同，脂联素具有抗炎和抗糖尿病的作用，高脂联素预示着胰岛素敏感性的增加，脂联素还可抑制肝脏糖异生并刺激胰岛素分泌，此外，牙周炎患者行牙周治疗后，血清脂联素水平升高，从而改善整体健康状况，代谢分析表示脂联素与血浆甘油三酯、低密度脂蛋白呈负相关，与高密度脂蛋白呈正相关，血清脂联素水平与空腹胰岛素和CRP 呈负相关[32]。内酯素可在身体多处发挥慢性炎症的作用，在T2D患者中，内酯素可损害血管内皮功能，和动脉粥样硬化和慢性肾病相关，牙周炎的存在可使T2D 患者脂肪组织高表达内酯素，且与牙周炎症程度呈正相关，激活NF-kB 通路，诱导炎症细胞因子表达[31,33]。

2.4 糖尿病对牙周炎骨代谢的调控 牙周炎的牙槽骨吸收是通过将RANKL与成熟破骨细胞及其前体表面的RANKL 结合而引起的，导致破骨细胞分化和活化，骨保护素可与RANKL 竞争RANK 结合位点，导致破骨细胞生成过程的减少。在牙周病患者龈沟液中可检测到RANKL 升高，骨保护素下降，骨吸收形成。动物研究发现，糖尿病患者破骨细胞分化因子/ 破骨细胞抑制因子比值和炎症介质的表达水平均增加，且经牙周结扎感染细菌后的T2D 大鼠，牙周破骨细胞数量增加2～4倍，产生的RANKL 浓度较高，与破骨细胞数量和活性增加相吻合[30,34]。分析原因一方面可能是因为糖尿病改变了口腔微生物组，使其更具致病性，并能够诱导更高的RANKL 表达，另一方面可能是因为糖尿病的存在可以上调和延长炎症，产生更多的RANKL，导致由细菌性病原体引起的牙周病丢失更多的牙槽骨。

2.5 牙周炎和T2D 之间糖脂代谢的联系 血脂异常是T2D的一个主要危险因素，以高总胆固醇、高甘油三酯、低密度脂蛋白升高以及高密度脂蛋白降低为特征。在牙周炎患者中，龈出血部位探查率与总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白呈正相关，我们可以推测T2D 可以通过脂肪代谢增加牙周炎的严重程度。慢性牙周炎可通过NF-kB 途径提高脂肪组织中Nampt 基因(编码脂肪因子)的表达，致血清中TNF-α 和IL-1β 水平升高，随着牙周炎严重程度的增加，控制不良的糖尿病患者血清总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白和游离脂肪酸也增加[31,32]，高水平的脂质和/ 或促炎细胞因子通过抑制胰岛素信号传导或破坏胰腺β 细胞而导致胰岛素抵抗[35]。当牙龈卟啉单胞菌进入机体后，可诱导高密度脂蛋白的氧化，提高脂肪组织表达的磷酸核糖转移酶，影响脂肪组织代谢，氧化的高密度脂蛋白还可刺激单核细胞释放TNF-α[36]。

在无糖尿病的牙周炎大鼠体内可检测到AGE沉积和晚期糖基化终产物受体RAGE的表达较健康者高，AGE-RAGE 轴可能是糖尿病相关牙周炎组织破坏和受损修复的重要途径[22]。T2D 患者的高血糖状态可使牙周组织的AGEs 增加，与在巨噬细胞、单核细胞和内皮细胞表面的RAGEs 结合，炎性细胞因子(IL-1、IL-6、TNF-α)释放增加，从而提高牙周破坏过程[37-38]。而且，持续高血糖状态和AGEs的聚集可使内皮细胞以及血管的通透性发生改变，黏附分子表达增加，有利于炎症过程，加速破坏结缔组织和牙槽骨。另外，AGEs的聚集可引起牙周炎患者β-防御素增多，并且与牙周参数负相关[38]。

3.小结

糖尿病和牙周炎之间的相互关系突出了早期诊断在后期治疗方案中的重要性，控制血糖可以改善糖尿病患者的牙周状况，治疗牙周感染可以降低糖尿病并发症的发生率。虽然在过去的几年中，我们已经了解了这两种疾病的相互影响，但这些知识大多是描述性的。目前，牙周炎与糖尿病的关系主要集中在鉴别微生物群的筛选、免疫调节的改变和物质代谢的改变。牙周炎对糖尿病的促进可能涉及炎症因子/ 受体、氧化应激、microRNA 等机制有待阐明；糖尿病对牙周炎的作用可能涉及脂肪因子通路、AGE/ RAGE、RANK/ RANKL 通路等。总之，牙周病糖尿病对微生态-上皮相互作用、软组织降解、骨偶联紊乱、免疫调节机制、基因转录机制的影响有待进一步研究，以期在未来能够准确控制特异性免疫细胞或炎症因子。在未来，对其机制的深入研究将使我们能够准确定位治疗目标，减轻代谢性疾病患者的负担。