活性氧在牙周炎中病理作用的研究進展

鄭燕丹，黃翔

作者單位：惠州市第六人民醫院口腔科，廣東 惠州 516211

從20世紀70年代早期的口腔疾病研究開始，活性氧(reactive oxygen species,ROS)與牙周炎之間的密切關系一直被人們所重視[1-2]，牙周炎是一種口腔炎癥性疾病，它通過牙周病原體的相互作用和宿主的免疫反應，損害牙齒支撐組織的完整性[3]。大多數牙周組織損傷是由宿主免疫反應的破壞引起的，白細胞、補體分子和ROS都參與其中[4]。ROS作為短暫存在的高活性分子，主要包括過氧化物、過氧化氫、羥基和單氧分子[5]。細胞水平上的ROS對于真核細胞牙周炎過程的生理和自噬至關重要，包括細胞信號轉導、細胞分化和細胞凋亡[5]，另外，活性氧在人體內有清除病原體的作用。有臨床研究發現，血清活性氧代謝產物與特定牙周病病原體的免疫球蛋白G抗體呈正相關[6]。自噬是進化上保守的細胞內降解系統，對維持人體內環境的穩定起重要作用。細胞內損壞的或多余的細胞質材料(例如受損的細胞器，變性的蛋白質和細菌)遞送至溶酶體回收降解，產生的產物用于新的物質合成，在炎癥反應中細胞自噬的激活是普遍存在的現象。

1 ROS在牙周組織中的生理作用

ROS具有多方面的功能，主要由其所處的氧化還原狀態決定。在牙周病的進程中，ROS是一把雙刃劍。在不同濃度下，ROS有截然不同的作用：在低濃度時，ROS可以促進了人牙周韌帶纖維母細胞在培養中的增殖和分化；而在高濃度時，它們可能對牙周組織產生強烈的細胞毒性作用，另一方面參與病原體的殺滅[7]。

牙周組織損傷是由宿主免疫反應的破壞引起的，與多種微生物菌群失調和宿主免疫的激活有關,白細胞、補體和ROS都參與其中[4]。起作用的微生物主要是革蘭陰性厭氧菌或兼性細菌，對氧化環境的變化非常敏感[8]，ROS可以改變細胞所處的氧化還原環境，抑制病原體的增值，并參與殺滅病原體。另外，在細胞水平上，ROS作為第二信使有調節信號轉導、細胞內穩態、細胞死亡的生理作用。

2 ROS的體內平衡

通常來說，ROS包括了多種過氧化物、羥基和單氧分子[5]。這些活性氧分子大多由過氧化物酶體(peroxisomes)、內質網(endoplasmic reticulum，ER)以及多種酶和線粒體電子傳遞鏈(mitochondrial electron transfer chain)[9]產生。一個細胞一天產生的ROS量可達10億分子，學術界普遍認可線粒體電子傳遞鏈是ROS產生的主要來源[10]。在線粒體中，可能發生過早的電子泄漏到O2，產生O-2·作為電子傳遞鏈的副產物。超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase 1，SOD1)在膜間隙中或通過基質中的超氧化物歧化酶2(superoxide dismutase 2，SOD)對O-2·歧化產生H2O2，H2O2再通過谷胱甘肽過氧化物酶還原成H2O。

在ROS平衡過程中，包括ROS的產生和清除。酶(例如SOD，GPX和CAT)，小分子(例如維生素C和谷胱甘肽)以及谷氧還蛋白和硫氧還蛋白系統參與其中以維持氧化還原的穩態。ROS的產生和消除之間的平衡對于人類健康至關重要。過量的ROS產生，或者低水平的抗氧化劑、抑制抗導致氧化酶引起氧化應激，可能導致體內對生物大分子(脂質，蛋白質和DNA)的不加區分的損害。研究表明ROS與各種疾病之間存在關聯，包括癌癥，牙周炎，心血管疾病和糖尿病[5]。

3 ROS在牙周炎中病理作用的相關研究

牙周炎是機體常見的慢性炎癥性疾病，在人群中及其普遍，炎癥通過破壞機體的牙齦、牙槽骨等牙周組織引起牙周感染和損傷，嚴重時可導致牙齒松動脫落，其破壞機制通過口腔微生物導致宿主體內相應內環境的改變，特別是ROS水平的改變。升高的ROS作為細胞內的信號分子導致細胞發生自噬，在牙周炎中起著雙重作用：一方面抑制病原體的增值，另一方面阻止感染細胞凋亡。另外，自噬反過來還可以調節ROS生成和清除。研究表明ROS在牙周炎中的致病機制一是影響組織的氧化還原環境的失衡，二是激活牙周組織的自噬。

牙周病病灶中普遍存在一種不穩定的氧化還原平衡，主要是ROS的失衡。ROS和抗氧化防御系統之間的穩態失衡可能引發應激反應，這被認為與牙周破壞密切相關[11]，相關研究表明，牙周炎病人血清、唾液和齦溝液中的活性氧代謝物和總氧化狀態水平增加[12]，見表1。進一步的證據來自于體外和動物模型研究，ROS水平的降低導致破骨細胞分化標記基因的表達下降，減少骨質流失[13]。ROS還可以通過調控基因轉錄因子，如激活B細胞的nf-kb因子[14]，喚起免疫反應。此外，ROS可通過JNT激酶激活誘導細胞凋亡[15]。總的來說，口腔環境中ROS濃度的升高是牙周炎的危險因素。

表1 牙周炎病人的氧化應激導致組織損傷

牙周組織的損傷可能直接由氧化應激產生，間接通過激活與炎癥、細胞凋亡以及其他因素相關的細胞信號傳導途徑來產生。已經有研究證明ROS升高會導致細胞脂質過氧化和細胞膜破壞，從而引起牙周組織的損傷[16]，這個過程進而引起蛋白質和酶的失活，導致核酸損傷(例如鏈斷裂和堿基對突變)和染色體破壞，致使線粒體損傷和ROS的大量產生。

ROS參與牙周病發病機制的另一個機制是激活牙周組織細胞的自噬。從廣義上講，自噬有四種形式：巨自噬，微自噬，分子伴侶自噬和非典型自噬，在這些形式中，巨自噬(以下稱為自噬)是最廣泛研究的類型[17]。在2016年的諾貝爾生理學或醫學獎授予在自噬領域做出重要貢獻的大隅良典教授，自噬成為了一個研究熱點[18]。大量的證據表明ROS和自噬之間有密切的聯系，表明ROS-自噬之間的相互作用參與牙周炎的疾病進程。有研究證明自噬相關基因(Atg12和LC3)的表達與牙周炎病人的外周血單核細胞中的線粒體ROS產生呈正相關[19]，而且線粒體ROS的減少會引起細胞自噬的減少。

線粒體中ROS已經被確定為調節自噬的重要信號分子，細菌感染誘導ROS的產生[20]。自噬是一種溶酶體的自我降解途徑，自噬通路與ROS之間存在著一種復雜的互惠關系。有研究表明，ROS會影響自噬，而自噬也會反過來調節ROS[22]。ROS和自噬的相互作用在癌癥中也有體現[23]。這類研究也越來越多，受到了國內研究者的關注，如李柄輝等[24]對牙周病和胃癌發生相關性的分析。ROS對自噬調控似乎很復雜，還有很多未知的地方，包括各種自噬信號通路和自噬相關基因。但是，相關研究表明，活性氧對細胞自噬的調控作用在腫瘤的發展過程中起著細胞毒性作用[25]。重要的是，自噬被證明通過細菌消除來參與牙周炎的發病機制，促進特定牙周病原體的內化，抑制免疫反應，抑制牙周細胞凋亡[26-27]。自噬通過調節牙周組織的免疫應答，來調控炎性體依賴性和炎性體非依賴性炎癥來影響牙周炎癥。

作為細胞毒性信號傳導的一種形式，ROS的過度生成可加重炎癥反應，并導致細胞凋亡，誘導牙周功能障礙的自噬活性失調。相反的，自噬的氧化還原調節是抗菌反應的有效措施，保護牙周細胞免受細胞凋亡。但是由于目前研究的局限性，沒有足夠的證據證明ROS與自噬在牙周功能障礙中的相互作用，因此推測自噬中氧化還原的調節作用是非常困難的。然而，以前的研究表明自噬的氧化還原調控具有雙重作用，這些研究已經證明，ROS可能通過誘導自噬或細胞凋亡從而決定細胞命運。綜上所述，雖然已有研究表明自噬參與細胞的氧化還原環境的調節，但背后的具體機制還有待進一步闡明。

4 展望

ROS在牙周炎發生和發展中的生理和病理作用已經被研究了數十年，獲得了一系列的研究成果。盡管低水平的ROS可能是有益的，但是ROS的過量產生以及抗氧化劑缺乏會導致牙周疾病中的牙周相關組織破壞，主要是與牙周組織中抗氧化系統的穩態失衡和牙周組織細胞自噬的激活有關。ROS和自噬是如何共同影響疾病病理進程的，現在還沒有一個明確的共識，但是它們被證明與其多種疾病的發生發展相關，比如各種癌癥，這些都需要進一步的研究探討。總之，ROS的研究為牙周病的治療提供了一種新思路，也給其他疾病研究提供了啟發，具有一定意義。