活性氧与线粒体自噬在牙周炎中的作用

张家铭,段 燕,武云霞,

牙周炎是一种以菌斑为始动因子、宿主介导的牙周组织慢性炎症性疾病,临床上主要表现为牙周袋形成、牙槽骨吸收及牙齿松动移位。中性多形核白细胞(polymorphonuclear neutrophil,PMN)作为机体抵御牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonasgingivalis,P.gingivalis)等牙周致病菌的第一道防线[1],通过产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)改变细胞氧化环境,帮助杀死入侵的病原体[2-3],但ROS过量会引发氧化应激,导致牙周组织破坏。

线粒体是ROS产生的主要场所,过量ROS可引起线粒体损伤,导致线粒体电子传递链异常,进而释放更多的ROS。线粒体自噬(mitophagy)可以清除损伤的线粒体、减少ROS的产生[4]。Chuang等[5]发现抗氧化剂在减少ROS产生的同时,还能减弱线粒体自噬。ROS和线粒体自噬过程共享许多关键分子,但对其在牙周炎中的作用及联系研究较少,本文就近年来有关牙周氧化应激与线粒体自噬的研究进展进行综述。

1 ROS的动态平衡

2 ROS在牙周炎中的作用

牙周相关疾病中,ROS被认为是一把双刃剑。牙周致病菌主要是革兰氏阴性厌氧菌或兼性厌氧菌,对氧化环境的变化比较敏感。低水平ROS可干扰细胞氧化环境,参与清除病原菌[2]。ROS是Toll样受体(TLR)和RIG-Ⅰ样受体(RLR)信号通路的重要组成部分,帮助识别微生物引发免疫反应,参与巨噬细胞激活增强杀菌活性[13]。低浓度H2O2还可显著促进人牙周膜细胞迁移,减少牙周结缔组织破坏[14]。

研究表明,ROS产生过多可引起机体抗氧化功能失调,造成牙周组织损伤。与正常人群相比,牙周炎患者唾液中总氧化剂水平较高,总抗氧化剂水平较低[15];基础治疗后,炎症得到基本控制,牙周袋探诊深度及牙龈出血指数下降,龈沟液、唾液和血清中总氧化剂水平均有较大幅度降低[16]。研究发现,高浓度H2O2作用于人牙周膜细胞后,细胞凋亡增多,牙周炎相关炎性因子白介素(interleukin,IL)-1β含量显著升高[17],进而激活基质金属蛋白酶破坏牙周结缔组织,促进前列腺素E2的合成和释放,引起牙槽骨吸收[18]。另有研究发现病理性牙槽骨改建过程中,相关基因Trem2的差异表达与ROS水平的显著提高有一定的相关性[19]。

ROS通过激活NF-κB信号通路,诱导炎性因子表达,引起炎症反应和破骨细胞分化导致牙周组织破坏。NF-κB是一种氧化还原敏感的转录因子,其活性受到抑制蛋白IκB的调节。H2O2可促进IκB的降解激活NF-κB[20],活化的NF-κB引起炎性因子IL-1β、IL-6以及肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)释放,触发局部炎症反应[21]。AlQranei等[22]发现抑制RAW264.7巨噬细胞中ROS生成后,在各时间点均未检测到IκB的降解,破骨细胞存活率显著降低,ROS可能通过NF-κB信号通路增强破骨细胞生成促进骨吸收。

ROS还参与JNK信号通路的调控,JNK通过在线粒体的定位识别其产生的ROS和Bcl-2家族蛋白等凋亡调节蛋白发挥作用。ROS促进TNF-α介导的JNK激活,同时JNK可以通过增加ROS的产生来增强TNF-α介导的细胞坏死[23]。研究表明,ROS可通过触发JNK信号,降低钙黏蛋白E的表达,破坏结合上皮,为微生物入侵提供途径[24]。

越来越多的证据表明,核因子E2相关因子(nuclear factor-erythroid 2-related factor2,Nrf2)在氧化应激相关的牙周损伤中发挥保护作用。Nrf2是一种与抗氧化酶基因有关的转录因子,可以通过升高抗氧化酶的表达,降低ROS含量,抑制NF-κB和破骨细胞活化,减少氧化应激导致的组织损伤[8]。作为氧化应激的主要感应者,Nrf2直接激活骨细胞特异性基因,促进成骨细胞形成从而维持骨平衡[25]。Sima等[26]发现Nrf2基因敲除后,小鼠出现了局部组织氧化损伤、牙槽骨吸收及牙周附着丧失。

3 线粒体自噬在牙周炎中的作用

哺乳动物中,PINK1/Parkin通路是线粒体自噬主要调控机制之一。线粒体损伤后,内膜膜电位消失,膜电势下降,PINK1跨膜运输受阻聚集于外膜TOM复合体上,招募细胞质中游离的Parkin蛋白,促使其磷酸化启动线粒体自噬机制[27]。关于线粒体自噬在牙周炎中的具体作用目前体现在以下几个方面。

3.1 线粒体自噬在成骨分化中的作用

线粒体参与骨代谢过程,在成骨细胞成骨分化过程中,线粒体功能增强,有关线粒体生物发生的转录因子及ATP含量显著增加,ROS水平下降;抑制线粒体活性或增加线粒体ROS产生可显著抑制成骨细胞分化[28]。研究发现,受损的线粒体释放ROS和凋亡因子,通过激活成骨细胞自噬而保护细胞免受凋亡[29]。Lee等[30]发现在成骨细胞分化过程中内源性PINK1表达增加,敲除PINK1基因后成骨细胞分化受到抑制,骨丢失加剧及线粒体ROS过度产生。另外,PINK1/Parkin介导的线粒体自噬调节人牙周膜干细胞的成骨分化,使用PINK1靶向siRNA抑制PINK1/Parkin通路后,PINK1表达降低,成骨相关基因RUNT相关转录因子2和骨钙素的表达及矿化结节的形成减少[31]。因此,线粒体自噬在清除损伤线粒体、维持线粒体功能、促进成骨细胞分化及减少牙槽骨吸收中发挥了重要作用。

3.2 线粒体自噬与牙周致病菌

牙周炎主要致病菌P.gingivalis可破坏人牙龈成纤维细胞和牙周膜干细胞的线粒体结构[32]。P.gingivalis还能抑制线粒体自噬从而阻碍受损线粒体清除,使得牙周炎患者牙龈组织中PINK1、Parkin和LC3b的蛋白表达低于正常牙龈组织,炎性因子IL-1β、IL-6及TNF-α转录水平提升。诱导线粒体自噬可减轻P.gingivalis刺激牙龈成纤维细胞产生的炎症反应[33]。但Patoli等[34]发现在炎症早期,P.gingivalis毒力因子脂多糖可激活半胱天冬酶(caspase)1和11抑制巨噬细胞线粒体自噬,导致ROS产生增加及巨噬细胞激活,这有利于杀菌及改善小鼠的革兰氏阴性菌的感染症状。

3.3 线粒体自噬在牙周免疫反应中的作用

牙周炎造成的大部分组织损伤是宿主针对病原体入侵作出免疫反应的结果,而不是微生物直接引起的[35]。PINK1/Parkin通路在激活线粒体自噬中起重要作用,并在感染过程中调节固有免疫,防止过度炎症[36]。菌斑微生物刺激下,PINK1和Parkin通过在体内抑制线粒体抗原提呈调节牙周免疫[37]。线粒体自噬还可以抑制炎症因子分泌,Sliter等[38]发现小鼠线粒体受损后,野生型小鼠体内触发PINK1激活和线粒体自噬,IL-1β浓度在24 h内无明显变化;Parkin-/-和PINK1-/-小鼠IL-1β浓度显著升高,PINK1和Parkin介导的线粒体自噬可能通过抑制宿主炎症反应减少牙周组织损伤。

4 ROS与线粒体自噬在牙周炎中的潜在联系

氧化应激发生时,受损线粒体产生的ROS不能被抗氧化剂完全有效清除,此时线粒体自噬可启动受损线粒体的选择性降解,作为清除ROS的另一种机制,保护细胞免受氧化应激损害[13]。另外,呼吸爆发也会降低线粒体膜电位,去极化的线粒体稳定了PINK1,随后将Parkin招募到线粒体外膜启动线粒体自噬[39]。

4.1 线粒体自噬抑制ROS引起的炎性小体激活

细胞内ROS的增加可将硫氧还蛋白相互作用蛋白从硫氧还蛋白中分离出来,与核苷酸结合寡聚化结构域样受体家族热蛋白结构域3(nucleotide-binding oligomerization domain-like-receptor family pyrin domain3,NLRP3)结合,形成炎性小体[40]。Zhou等[41]通过阻断呼吸链的关键酶诱导线粒体产生ROS后,NLRP3炎性小体被激活。NLRP3通过招募caspase-1,加工pro-IL-1β使其成熟,促进破骨细胞的分化,牙周炎相关牙槽骨吸收加重[42-43]。研究发现,PINK1/Parkin介导的线粒体自噬能消除产生的ROS抑制NLRP3炎性小体的激活及IL-1β的释放,进而发挥牙周保护作用[44]。

4.2 ROS通过激活缺氧诱导因子-1α启动线粒体自噬

牙周炎中,由于厌氧菌的生长和炎症细胞的浸润使牙周袋深层形成低氧环境,缺氧诱导因子α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)被激活[45]。低浓度的ROS通过抑制脯氨酸羟基酶的活性进而抑制HIF-1α的降解,加速骨组织再生,减少炎症细胞浸润[46]。另外,ROS介导的SUMO-特异性蛋白酶(SUMO-specific proteases,SENPs)稳定和重新分布增强了HIF-1α的转录活性。激活的HIF-1α促进BNIP3和NIX的转录,这些蛋白直接或间接启动PINK1/Parkin信号通路,引起线粒体自噬进一步抑制线粒体凋亡及牙周组织损伤[39]。

牙周炎的发病机制是复杂的,ROS和线粒体自噬在其中发挥了重要的作用,线粒体自噬通过清除ROS进而抑制相关通路的激活及炎症因子释放,调节牙周炎症。