透明质酸在牙周炎中的作用

吴炜涵,仝春实,李博华,马欣

(1.河南大学口腔医学院,河南 开封 475004;2.河南大学人民医院 口腔科,河南 郑州 450003)

透明质酸(hyaluronic acid,HA)作为细胞外间质(extracellular matrix,ECM)中的主要成分,以游离形式或非共价复合体形式存在,同时也存在于各种体液中,例如滑液、唾液和龈沟液以及矿化和非矿化组织中[1]。由于HA独特的理化特性,所以被用于皮肤病、眼病、骨关节炎治疗以及各种生物医学应用中[2]。牙周炎是以牙菌斑为始动因子,发生于牙周支持组织中的慢性感染性疾病,该病的特征主要是牙周组织的破坏、牙周袋形成和牙槽骨的渐进式吸收。牙周炎病变部位的HA可被降解为不同大小HA片段,碎片化HA在组织损伤过程中积累并以不同于天然聚合物的方式发挥作用[3]。本文围绕不同大小的HA对牙周炎的作用以及应用前景作一综述。

1 HA

1.1 结构

HA是直链糖胺聚糖聚合物,由N-乙酰葡糖胺和D-葡萄糖醛酸组成的重复二糖。它不仅结构最简单,也是唯一不限于动物组织也可于细菌中产生的糖胺聚糖[4]。HA在生理条件下分子量超过1 000 kDa,故被称为高分子量透明质酸(high molecular weight- hyaluronic acid,HMW-HA)[5]。炎症状态下HA通过透明质酸酶、β-葡糖苷酸酶、己糖氨基苷酶和活性氧的活性被降解为小于500 kDa的低分子量透明质酸(low molecular weight- hyaluronic acid,LMW-HA)[6]。不同分子量的HA通过不同的作用模式影响细胞行为,HA片段能够增强或减弱HA受体介导的信号通路,因为它们可与内源性HA竞争和受体结合[7]。

1.2 功能

HMW-HA主要存在于正常组织中,由于其具有吸湿性和弹性,故有助于组织中的水分潴留以及保护结构完整性[8]。在从炎症到伤口愈合过程中的各个阶段,HMW-HA都可发挥作用。它通常具有抗炎作用[9],可以参与组织修复和再生、抑制血管生成、减少 肿瘤坏死因子-α,前列腺素E2和白细胞介素(interleukin,IL)中IL-21b,IL-6的产生[10]。伤口愈合再上皮化时,HA可以促进角质形成细胞的增殖;在组织重塑过程中,富含HA的基质可以减少胶原蛋白沉积同时减少疤痕产生[11]。LMW-HA一般具有促炎作用,参与伤口愈合过程中血管生成和组织重构。LMW-HA能刺激细胞增长/迁移和新生血管来有效促进伤口愈合[12-14]。但最近关于LMW-HA的促炎性质受到质疑,因为除了损伤后组织代谢产生的HA片段外,被HA包裹的A组链球菌等细菌可分泌透明质酸酶将HA降解为HA片段,HA片段既可以来自宿主也可以来自细菌,无法单独区分[8]。许多归因于LMW-HA的发现,如触发并激活免疫细胞可能是由于细菌透明质酸酶的作用,基于此HA片段作为损伤相关的分子模式(damage-related molecular patterns,DAMP)的作用受到质疑[15-16],不过这些质疑还有待进一步验证。HA不同功能所带来的作用有时不同甚至相反,而HA的具体功能不仅取决于其分子量大小,还取决于与细胞受体结合或与ECM联合产物的相互作用[17]。

1.3 临床应用

HA广泛应用于临床中,目前其最主要的应用领域是皮肤保养与修复。HA具有良好的保水性和渗透性,能够增加皮肤的水分含量,改善皮肤干燥,保持皮肤的弹性[18]。HA还可以用于治疗关节疾病,注射HA可以缓解关节疼痛,改善关节功能,提高关节活动度,是治疗关节炎和其他关节疾病的重要手段之一。HA也逐渐应用于眼科,主要用于白内障手术,也用于其他眼科手术如玻璃体视网膜手术等[19]。此外,HA还能局部应用口腔溃疡,促进创口愈合,缓解症状[20]。对HA以及其衍生物的性质与功能的未来研究或许应侧重于将HA功能转化为实际临床功效以及根据疾病分期和特定治疗目标精确HA片段的分子量、优化HA制剂的浓度。

2 HA对牙周组织再生的作用

2.1 HA对牙周骨组织再生的作用

2.1.1HMW-HA

HMW-HA能在不丧失干细胞复制和分化能力的情况下增加骨祖细胞数量,维持干细胞分化潜能,其功能主要通过:(1)促使Smad和Wnt信号通路下调,导致成骨分化进程受到抑制,Runx2等中晚期成骨分化标记基因表达减少;(2)诱导转录因子Sox2及其直接靶标Yap1和Bmi1的表达来维持骨祖细胞的分化潜能;(3)抑制矿化骨基质基因[21]。HMW-HA还能与CD44结合介导造血干细胞的增殖并可促进骨髓植入[22]。HMW-HA成骨分化的实验多是在体外进行,而体外实验时间太短,并且一些生物活性物质交联的效果可能仅仅在体内显现,尽管存在一些明显的局限性,但获得的体外结果有助于了解HMW-HA用于牙周骨组织再生的临床潜力。

2.1.2LMW-HA

单独使用适当浓度的LMW-HA可诱导成骨细胞分化和骨形成[23],LMW-HA诱导的骨再生机制因分子量大小而异。例如,分子量为5～20 kDa的LMW-HA表现出细胞因子表达诱导的骨再生;30 kDa和60 kDa的LMW-HA通过促进间充质细胞分化和上调骨钙素mRNA表达来增加成骨作用;50～200 kDa的LMW-HA通过激活干细胞实现骨再生;390 kDa的LMW-HA通过增加细胞黏附率和细胞增殖来增强成骨[24-25]。LMW-HA将是进行引导骨再生手术时提高骨愈合效率的潜在候选者。

2.2 HA对牙周软组织再生的作用

HA可以促进细胞增殖和分化,增强细胞黏附和迁移能力;还能保护生长因子不被降解,增加其稳定性和生物活性,故常常将HA制成支架与生长因子结合用来加速组织的再生和修复[26]。此外,Colangelo等[27]发现,仿生多核苷酸(polynucleotide,PN)联合HA的水凝胶可以促进口腔软组织伤口愈合,PN + HA显著增加了胶原蛋白1a1和3a1的表达,胶原蛋白3a1是伤口愈合的早期产物,而持续的胶原蛋白3a1产生预示着伤口异常愈合的风险降低。现有的大多数研究都侧重于HA伤口愈合期间的作用,人们关于HA对牙周组织再生的贡献亟待进一步探索。

3 HA对牙周炎的作用

3.1 HMW-HA

HMW-HA的应用对牙周炎病变的改善有积极作用。HMW-HA能抑制牙龈卟啉单胞菌产生炎症介质并可通过抑制NF-κβ表达以及ERK和P38 MAPK通路来缓解炎症,促进伤口愈合[28]。HMW-HA本身也可以直接阻止微生物增殖来防止牙周炎病原体定植,还可以通过防止炎症细胞产生的丝氨酸蛋白酶在愈合过程中降解ECM蛋白间接减缓炎症反应[29]。位于炎症部位的HMW-HA能形成缆索结构,这些HA“电缆”起源于高尔基体周围,其存在与结合蛋白有关,能够跨越多个细胞,并且可由多个细胞挤压后相互交织。该结构通过CD44介导与未被激活的白细胞(包括单核细胞、T和B淋巴细胞)结合后可以捕获炎症细胞,使其保持不活跃的状态,抑制单核细胞的吞噬作用,对淋巴细胞活化有阻碍作用[30-32]。同时此种结构的形成也能隔离促炎介质,限制抗原-抗体相互作用,从而抑制整个炎症过程[33]。此外,HMW-HA可以通过与CD44结合增强调节性T细胞(Regulatory T cell,Treg)的表达,促进Treg的持久性和功能,从而保持牙周组织的稳态,减轻免疫系统过度反应导致的牙周组织破坏[34]。

3.2 LMW-HA

牙周炎患者与健康人相比,牙龈样本中透明质酸酶的表达和活性均有增加,同时LMW-HA的含量随之增加并且其增加程度与疾病的严重程度相关[3]。LMW-HA可以作为DAMPs促进树突状细胞的活化和成熟,驱动促炎细胞因子如IL-1β、IL-6、IL-12和肿瘤坏死因子-α的释放[35-36];LMW-HA还可以通过Toll样受体(Toll like receptors,TLR)中的TLR2或TLR4增强免疫细胞增殖、迁移和黏附,加强下游免疫反应[37-38],如其能通过激活TLR2或TLR4和启动MyD88/NF-κβ信号通路诱导炎症,从而产生促炎细胞因子和趋化因子[39];LMW-HA还是巨噬细胞的有效激活剂,可以诱导巨噬细胞炎症蛋白、巨噬细胞趋化蛋白-1等促炎基因的表达[32]。在正常生理状况下,免疫系统细胞的激活对伤口的正常愈合至关重要,在急性伤口中LMW-HA可积聚在伤处激活免疫系统从而保护受伤组织,然而在慢性伤口中持续过度的炎症反应将会阻止伤口愈合。

4 HA在牙周炎的应用前景

牙周炎的发生和发展与口腔微生物感染有关,而HA作为一种具有黏附性的生物高分子,能够与口腔微生物紧密结合,形成一种保护性的屏障,从而防止微生物进一步侵袭牙周组织,预防牙周炎的发生[40]。牙周炎的治疗主要包括机械洁治、局部药物治疗和手术等方法。HA能保持局部组织水分,增加组织的黏附性和弹性,促进组织愈合,并且具有抗炎、抗菌和止痛等作用。治疗牙周病时若联合使用HA可减少炎症反应[41],改变牙周袋深度和临床附着水平[42-43],促进软组织愈合[44-45],故其已被提议作为非手术或手术牙周治疗的辅助治疗[46]。总之,HA在牙周炎的发生及治疗中发挥着重要的作用,能够减少牙周炎的发生,促进牙周软组织愈合,诱导牙周组织再生,从而提高治疗效果。因此,HA在牙周炎的预防和治疗中有着广阔的应用前景。

5 总结和展望

HA合成和降解的代谢途径是高度有序的,由严格控制的反应组成,这些反应依赖于个别酶活性的调节。生成的不同分子量HA片段在牙周炎中产生的作用不同,HMW-HA能抑制炎症,具有维持免疫稳态的作用;LMW-HA可以促进炎症因子过表达,具有促炎作用。HA合成和降解的调节是如何完成的,以及其是否与特定大小的HA片段参与都有待深入研究。传统牙周炎治疗被认为是牙周炎的首选治疗方法,它包括龈上和龈下牙齿的机械清创,目的是减少不良的细菌负荷,并将其调整为与健康牙周组织相适应的微生物群,以确保牙周组织内的免疫稳态[47]。然而,目前尚无明确证据表明传统的牙周治疗可以充分控制因牙周炎而产生的局部抗原。在这种情况下,检测牙周炎影响的组织中产生的DAMPs,如LMW-HA,其可以作为评估牙周治疗成功的一个关注焦点。根据HA促进牙周组织再生的特性,在种植或牙周重建手术中,可以将HA添加到有缺陷的骨或骨缺损中,这可能是扩展成体干细胞而不丧失其复制和分化能力的一种有效方法,从而为牙周重建和种植手术中的骨再生提供一个解决方案。HA将是恢复牙周完整性材料中极具潜力的后备军。