牙周炎氧化应激水平与铁代谢的研究进展

田士霖,陈晓涛

牙周炎是世界范围内高发的口腔疾病之一[1]。由于机体免疫防御系统受牙龈卟啉单胞菌等牙周病原菌长期影响,牙龈、牙周膜、牙槽骨及牙骨质等牙齿支持组织逐渐遭受破坏,最终导致牙列缺损甚至缺失[2]。在炎症发生时,机体持续产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)致使氧化与抗氧化防御系统失衡,过量的ROS导致氧化应激和组织损伤[3]。而铁在不同程度上与氧代谢的控制有关,可能是因为铁的毒性完全依赖于有氧环境。因此,了解铁代谢在牙周炎中的作用机制,对预防及治疗牙周炎具有重要意义。

1 牙周炎与ROS

2 ROS与氧化应激

ROS主要来源于细胞内线粒体的呼吸链代谢途径,即细胞呼吸,也可通过细胞器及细胞质的代谢活动产生,甚至可能来源于辐射[12]。它被认为是一把“双刃剑”。在正常生理状态下,线粒体通过氧化磷酸化反应产生ROS,机体抗氧化防御系统受刺激后,释放抗氧化剂降低ROS水平并修复ROS造成的损伤,维持体内ROS水平的动态平衡。当这种平衡转向有利于ROS时,如抗氧化防御系统能力减弱或机体遭受炎症等因素刺激时,ROS含量或活性增强导致平衡被打破,破坏线粒体的结构和功能,将会导致氧化应激[15]。从而促进caspase-3的cleaved表达,激活线粒体凋亡通路,造成氧化应激和组织损伤。虽然ROS在高浓度下对机体有害,但在低浓度下具有复杂的信号传导功能。在细胞水平上,ROS可以作为第二信使参与细胞信号传导,基因调控,调节细胞生长、凋亡和其他信号传导等;在系统水平上,可以参与机体认知、免疫以及血压调节等部分生理功能。研究表明[16],ROS主要通过两方面对牙周组织造成损害:第一,ROS可以直接引起组织损伤,涉及DNA损伤、蛋白质损伤、脂质过氧化、重要酶的氧化及促炎因子的释放;第二,它们可以作为信号分子引发炎性反应并激活相关信号通路导致组织损伤。

3 铁稳态与氧化应激

3.1 铁、铁蛋白与转铁蛋白

铁是大多数生命形式的必需微量元素之一[17]。机体之所以处于铁稳态平衡状态,主要是因为铁的运输、储存和调控在细胞和系统水平上受到严格的机制调控[18-19]。而维持铁稳态的关键是维持体内一定的游离铁水平。细胞保持正常的生理生化功能,离不开铁稳态的调节作用。其具有参与机体的ATP生成、呼吸、DNA 合成及修复、维持细胞生长分裂增殖等生命代谢活动。

铁以离子形式存在于肝、脾、骨髓及胃肠黏膜上皮等组织中,在血清、血细胞等中也有发现。在机体内主要储存形式是铁蛋白(serum ferritin,SF),铁含量与血清铁蛋白浓度成正比。在铁代谢过程中,为避免铁超载产生的毒性作用,所有使用铁的生命形式都将铁储存在一个与铁结合蛋白(如铁蛋白)结合的无害复合物中。铁稳态的平衡取决于铁蛋白、转铁蛋白(transferrin,Tf)等的表达水平和活性,铁在细胞系统中的毒性在很大程度上被铁蛋白所否定。铁蛋白通过维持体内铁代谢平衡,进而保护细胞免受氧化应激损伤。在铁介导的细胞铁稳态调节经典模型中,细胞内铁含量过高通常诱导铁蛋白翻译,以此降低细胞内铁含量。相反,则会阻止TrfR mRNA的降解,同时阻断铁蛋白翻译,从而试图增加细胞内铁的浓度。体内铁蛋白过高则表明铁含量增高。因此,铁蛋白可用作检测细胞中铁水平的标志物[20-21]。

一方面,铁蛋白可储存机体中过量铁以免受铁超载所产生的毒性作用,使铁保持在安全的状态;另一方面,铁蛋白还可释放铁用于合成体内含铁蛋白质,满足细胞的正常生理功能,对维持铁稳态至关重要。因此,它是氧化还原中活性铁的直接防御分子[22]。Torti等[23]发现,它不仅在蛋白质笼中维持铁氧化还原活性状态,而且还能被包裹在CD63阳性囊泡的充满铁的细胞分泌到细胞外空间。然而,如果细胞缺铁,则由铁蛋白供给转运铁池(transfer iron pool,TIP)。在这种条件下,铁蛋白可能是一个炸弹,并作为氧化还原活性铁的供应商[24]。

铁在体内运输的主要载体是转铁蛋白,通过血液循环将铁运输到各个靶器官、靶细胞及靶组织中。在靶细胞中,转铁蛋白与细胞膜上的转铁蛋白受体1 (transferrin receptor 1,TfR1)结合,然后TfR1-Tf-Fe复合物被内吞到细胞中释放铁[25]。游离铁一部分进入线粒体,在代谢过程中被利用,如合成血红蛋白和铁-硫(Fe-S)团簇;一部分被纳入胞质铁储存蛋白中,作为铁的细胞储存。过多的铁可以通过位于细胞膜上的膜铁转运蛋白1(ferroportin 1,FPN1)运输出细胞[26]。在炎症期间,转铁蛋白水平降低,导致铁运输到骨髓促红细胞生成减少。从而导致炎症性贫血。因此,并不是绝对缺铁,而是铁含量低造成的[27]。Boyer等[28]认为,转铁蛋白与牙周炎严重程度有关,当转铁蛋白饱和度升高时,铁的生物利用度增加,从而加重牙周炎,并促进周围致病菌如密螺旋体进一步破坏牙周组织。

3.2 铁代谢与ROS

铁是ROS形成所必需的元素[29],是“呼吸爆发”发生过程中关键酶的关键组成部分[30]。然而,过量的游离铁可以参与氧化还原反应产生ROS,对机体存在潜在危害。在铁代谢过程中,细胞内的二价铁离子作为助氧化剂,通过Fenton反应产生过量ROS,增强组织中不稳定铁的氧化应激性,导致生物大分子损伤[31]。Fenton化学反应表明,铁可以直接催化高活性自由基的形成,而依赖铁的ROS可以通过破坏多种生物分子发挥细胞毒性。

在体内,铁代谢可以通过上调p38和p53的表达,下调细胞外信号调节激酶(extracellular signal-regulated kinase,ERK)激活的表达,诱导ROS生成,促进肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(tumor necrosis factor-relatedapoptosis-inducing ligand,TRAIL)敏感性[32]。Sp等[33]发现,在NCCIT和NTERA-2细胞上添加甲基磺酰甲烷(methyl sulfonyl methane, MSM)后,细胞中Fe2+的数量减少,总铁从细胞内释放到培养基中,表明MSM抑制了NCCIT和NTERA-2细胞中铁的运输。因此,ROS的生成和铁代谢的抑制可能参与了MSM诱导TRAIL的过程。铁代谢还可以通过生成ROS诱导TRAIL表达,从而调控p38/p53/ERK信号通路,调控miR-130a、miR-221和miR-222的表达。

铁还是酶活性的重要微量元素,存在于多种酶和氧载体蛋白的活性中心[19]。一些含铁蛋白能够通过生物过程产生大量ROS。例如,黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase,XOD)、细胞色素P450酶(cytochromeP450 ,CYP450)、NADPH氧化酶(NADPH Oxidase,NOX)、一氧化氮合酶(nitricoxide synthase,NOS)、脂氧合酶(lipoxidase,LOX)和线粒体电子传递链的亚基等,这些均是产生ROS重要的酶[34]。正常情况下,这些ROS被许多抗氧化酶分解,如谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GPX)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)和硫氧还蛋白(thioredoxin,Trx)等[35]。因为这些酶的相互调节,从而使机体内ROS水平维持动态平衡。

4 铁超载

4.1 铁超载与牙周炎

牙周炎的发生发展与铁之间存在一定的关系,主要集中在铁和牙周致病菌种类之间的关系以及对牙槽骨等牙周组织造成的损害。它不仅是牙龈卟啉单胞菌等牙周病原菌的重要生长因子和毒力调节因子[36],还可促进人类牙周膜干细胞正常分化[20]。相关研究表明,在牙周炎患者中,由于牙龈卟啉单胞菌等牙周致病菌引起的溶血,可能会增加牙周组织中铁离子水平,导致高铁水平的毒性作用抑制成骨细胞的增殖分化[37-38]。铁超载也可促进牙周组织中自由基的氧化,增加龈下菌斑中微生物的生长和毒力,导致牙周组织特别是牙槽骨环境的恶化,对牙槽骨重塑有负面影响。牙周炎患者中,牙周铁超载状态可能会抑制牙槽骨中成骨细胞的生长。因此,骨生成率低于吸收率,对正畸治疗有不良影响[39]。并且在牙龈炎或牙周炎部位采集的龈沟液和血清中发现铁的浓度明显高于健康部位[40]。因此,铁可能在牙周膜干细胞和牙槽骨稳态和功能中发挥重要作用。

4.2 铁超载与骨吸收

研究表明,铁对成骨积极或消极的影响,取决于铁离子的浓度。铁离子在浓度低时可促进成骨细胞的分化增殖能力。而铁超载则会导致骨代谢紊乱。它可以通过增加ROS的产生和诱导线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential,MMP)的下降,损害骨髓间充质干细胞线粒体的正常结构和功能,破坏骨微结构及骨髓微环境,导致骨小梁减少、分离变宽,骨皮质变薄,扰乱骨髓间充质干细胞的增殖分化能力[39,41-42]。不仅抑制成骨细胞增殖、分化以及钙盐沉积,还可诱导成骨细胞凋亡,并促进破骨细胞分化以及骨吸收[43]。而这也是牙周炎的主要特征之一。

PI3K/AKT/mTOR信号级联靶标是细胞功能和细胞存活与凋亡之间平衡的关键调控因子。铁超载可以通过激活成骨细胞ASK1-p38信号通路,抑制PI3K/AKT/mTOR信号通路,从而抑制骨髓间充质干细胞的增殖分化,改变成骨细胞代谢,降低成骨细胞活性,抑制细胞的分化和功能,并与细胞凋亡有关,最终导致骨质疏松[43]。

4.3 铁代谢与其他疾病

铁超载还会降低Th和Tc淋巴细胞的增殖能力,增加Treg淋巴细胞的活性,从而产生免疫抑制;血浆铁含量升高也会干扰细胞因子干扰素γ (interferon-γ,IFN-γ)的产生[44]。铁代谢紊乱还可引起脑出血、局部缺血/再灌注损伤、急性肾衰竭、神经系统疾病以及肿瘤性疾患等机体各类组织器官病变[45]。在肿瘤进展中也起着至关重要的作用。因此控制铁代谢可能是抗癌活性的关键[46]。

5 小 结

综上所述,铁稳态不仅可以维持机体细胞的正常生理功能,还可预防氧化应激的产生,并与全身疾病的发生发展紧密联系。根据目前报道的铁代谢相关研究,铁代谢异常导致的氧化应激与牙周炎的发生发展是否密切相关,以及在牙周炎的发展过程中怎样平衡细胞内铁代谢与氧化应激的关系仍待进一步研究。因此,有必要进行进一步的铁代谢实验来探讨氧化应激在牙周炎中的损伤。