牙周炎和動脈粥樣硬化共同危險因素及相關機制研究進展

郭凱利 史明月 劉越 步明陽 孟鈺涵 馬哲

牙周病是一種持續(xù)性、進行性的慢性炎癥性疾病,已經(jīng)成為危害口腔健康的突出問題。動脈粥樣硬化是炎癥的異常激活和脂質過度累積為特征的慢性動脈疾病。免疫反應在慢性感染引發(fā)的牙周炎和動脈粥樣硬化中發(fā)揮非常重要的作用。免疫炎性反應會過度激活機體TLR4 /NF-κB 信號通路,導致炎性細胞因子大量產生,引發(fā)牙周炎,同時也能影響動脈粥樣硬化的進展。miRNA在生物發(fā)育及疾病發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮巨大作用,每種miRNA的表達量在某一刻能夠代表人類體內健康或者疾病的信息,因此miRNA作為治療靶點成為當前研究的熱點,且越來越多的學者開始重視 miRNA 在調節(jié)炎癥方面的作用。本文旨在就兩者的共同危險因素、相關的生物學機制的研究進展進行綜述,以期為牙周炎和動脈粥樣硬化疾病的臨床診治提供理論依據(jù)。

1 牙周炎的發(fā)病機制

牙周炎是口腔領域兩大多發(fā)病(齲病和牙周炎)之一,是當前全球面臨的重要公共衛(wèi)生健康問題,是一種多因素的復雜性疾病。目前大量的臨床試驗、流行病學資料與動物實驗研究都證明了牙周組織破壞是由口腔細菌感染作為始動因子,引發(fā)的初期炎癥過程,牙菌斑生物膜,尤其是齦下菌斑中的細菌及其代謝產物是致病的關鍵因素[1]。當前我們認識到,牙周炎發(fā)展的先決條件是致病性生物膜,但其本身并不足以引起該疾病。疾病發(fā)生是由非常復雜的生物膜和炎性免疫反應之間的相互作用導致的,據(jù)估計,后者占牙周組織損傷風險的近80%[2]。脂多糖在先天和獲得性免疫反應中發(fā)揮著激活劑的作用,同時在組織破壞級聯(lián)反應中也扮演著激活劑的角色。大量的革蘭氏陰性菌是牙周微生物區(qū)系的典型決定因素[3]。

2 動脈粥樣硬化的發(fā)病機制

動脈粥樣硬化是發(fā)生在動脈管壁,以脂質斑塊逐漸累積和血管炎癥為特征的慢性非特異性疾病,隨著疾病的進展,可能會導致血管管腔狹窄、缺血,甚至中風、心肌梗死等。模式識別受體(PRRs)是具有種系編碼的受體,可以識別病原體相關分子模式,例如內毒素(LPS)。PRRs具有多個家族成員,Toll 樣受體家族(TLRs)是其中一員。TLRs 是促炎反應的關鍵受體之一,可以通過識別外源性配體、病原相關分子模式來參與機體免疫反應[9]。NF-κB能夠被許多驅動動脈粥樣硬化的危險因素激活,其中激活不同類型細胞的TLR4,可以引起NF-κB和促炎細胞因子的高表達[10],進而影響動脈粥樣硬化的發(fā)展。多種外源性病原體相關分子或者毒素,例如LPS,都能被TLR4能識別,通過彼此間的相互作用,引起NF-κB激活,可使促炎細胞因子分泌增加,從而使機體產生應答反應,啟動獲得性免疫反應[11]。先天免疫在慢性感染引發(fā)的動脈粥樣硬化中起著不可替代的作用。人類的健康在很大程度上依賴于免疫細胞之間復雜的相互作用,以及它們向能夠執(zhí)行宿主防御中心的有效功能的表型的動態(tài)轉換的能力[8]。

3 牙周炎和動脈粥樣硬化的相關性

中重度牙周炎和幾種非傳染性疾病之間的相互依賴關系,尤其是與心血管疾病的在許多研究中已被證實[4]。牙 齦卟啉 單 胞 菌(P. gingivalis,P.g) 是牙周炎的一種主要病原體[5],當其進入血流后可粘附在血管壁上并可侵入動脈血管壁。P.g通過抑制內皮細胞增殖,促進單核細胞的粘附和趨化,激活炎癥信號通路[6],最終導致血管內皮功能障礙[7],加重血管炎癥,促進動脈粥樣硬化(AS)的形成。目前認為AS和牙周炎都是多因素,比較復雜的,同時涉及免疫和炎癥反應的慢性疾病,研究表明牙周炎與全身健康或疾病可以相互影響、密切關聯(lián),在AS和牙周炎的整個發(fā)生發(fā)展進程中始終貫穿著免疫炎癥反應。

4 牙周炎與動脈粥樣硬化相關的PRRs

炎癥的發(fā)生、發(fā)展過程是細菌微生物與宿主之間相互作用的結果。宿主和病原體的相互作用是通過識別被稱為病原體相關分子模式的保守分子模式發(fā)生的[12-15]。PRRs通過識別牙周病原體,激活下游信號通路,最終影響細胞因子和防御素的產生,在調節(jié)宿主對牙周病原體的天然免疫反應中起重要作用[16]。Toll樣受體(TLR) 是一種存在于細胞表面或內體/溶酶體膜上的PRR[17]。以往的研究已在人類中發(fā)現(xiàn)了10 個TLR。按照其識別物質的種類,大致分為兩類:TLR1、TLR2、TLR4、TLR5、TLR6 和TLR10顯著識別脂質和蛋白質,而TLR3、TLR7、TLR8 和TLR9 主要識別核酸[18]。研究者發(fā)現(xiàn)牙周炎患者的牙齦組織中TLR1、TLR2、TLR4、TLR7 和TLR9 高度表達[19-24]。當前研究發(fā)現(xiàn)TLR既是先天性免疫跨膜受體又是信號轉導受體。機體免疫應答被激發(fā)的條件之一是TLR和組織的內、外源性配體結合,然后引起細胞分泌相關促炎性因子增加,導致炎性反應加重、擴大及惡化。因此炎性反應的信號轉導系統(tǒng)的激活和TLR的作用是密切相關的。Toll通過多種微生物產物的模式識別來警告宿主。此外,通過激活先天免疫細胞上存在的toll樣受體來控制適應性免疫的發(fā)展[30]。最近的研究表明,Toll樣受體對于維持牙周膜處于健康狀態(tài)發(fā)揮關鍵重要。當過度激活或控制不充分時,它們可能導致慢性炎癥性疾病和自身免疫性疾病[26]。牙齦上皮細胞表達Toll樣受體2、3、4、5、6和9,它們也是最早檢測到微生物入侵的受體。一旦這些Toll受體與其各自相匹配的病原體相關的分子模式受體結合,就可能會釋放出抗菌肽和促炎細胞因子[27]。有研究顯示當人冠狀動脈檢測到有斑塊存在時,TLR4在斑塊中的內皮細胞和巨噬細胞中過度表達。因此,就免疫炎性反應而言,TLR4信號和AS的之間存在著密切的病理生理聯(lián)系[25]。Toll樣受體4同樣參與牙周炎的發(fā)病過程,在牙周炎的發(fā)病機制中起著關鍵作用。Toll樣受體4在脂多糖結合蛋白,淋巴細胞抗原96(也稱為MD2)和分化簇14的幫助下與脂多糖(LPS)結合,并在各種免疫和炎性疾病(如敗血癥),例如,局部缺血/再灌注損傷,過敏和牙周炎中起重要作用[28]。體外研究已確定P.g和其他致病性牙周細菌可以激活牙周組織中的核因子-kB(NF-κB)[29]。在患病的牙周中大量發(fā)現(xiàn)了與NF-κB活化相關的幾種產物(尤其是白介素-1,腫瘤壞死因子-α)[30]。P.g-LPS 被巨噬細胞的TLR4 識別并激活NF-κB和MAPK 信號通路,從而誘導炎性細胞因子的釋放[31],這些因子可以促進基質金屬蛋白酶和破骨細胞因子的表達[34],進而活化破骨細胞,促進骨吸收、破壞;引起組織損傷,促進炎性反應。LPS作為檢測牙周炎病損組織中細菌作用的一項重要指標,已引起廣泛關注和重視。牙周致病菌的菌膜上的LPS,被認為是不可或缺的致病因素。TLR4特異性識別LPS后便會啟動TLR4/NF-κB通路,引起NF-κB表達的上調,然后激活下游信號,信號以級聯(lián)方式從細胞外逐級傳至胞內,引發(fā)靶基因表達介導的炎性反應[32,33]。TLR4和NF-κB在牙周炎和動脈粥樣硬化中均具有關鍵的作用,同時TLR-4可以識別病原體表面LPS,激活NF-κB信號通路,提示我們這可能在牙周炎和動脈粥樣硬化的密切關系中發(fā)揮重要作用。同時當血管發(fā)生動脈粥樣硬化時,機體的炎癥狀態(tài)對牙周局部微環(huán)境的微環(huán)境產生一定的影響,從而加重牙周炎患者局部炎性狀態(tài)。

5 牙周炎和動脈粥樣硬化相關的細胞因子

牙周炎和動脈粥樣硬化是病因機制都是極其復雜和有待于進一步深入研究的課題。機體初期炎性反應是由于菌斑及其毒性產物引發(fā)并驅動的,同時宿主的防御細胞也隨之被激活(包括T細胞、B細胞、巨噬細胞、成纖維細胞、血管內皮細胞、角質細胞等),產生并且釋放多種細胞因子,繼而釋放大量內源因子會引起對應靶組織或靶器官的繼發(fā)性損傷。細胞因子參與動脈粥樣硬化過程的各個階段,從病變開始到斑塊破裂。動脈粥樣硬化斑塊包含能產生多種細胞因子的細胞,其特征之一就是多種細胞和炎癥相互作用[35,36],細胞因子是構成炎癥系統(tǒng)的主要成員[37]。微生物和宿主細胞之間的相互作用通過激活模式識別受體及其下游信號而導致白介素1(IL-1)家族、IL-6家族等細胞因子分泌[38]。

IL-6是由病原體相關的分模式刺激和和促炎細胞因子誘導的炎癥反應產生,并且IL-6在適應性免疫反應中也具有促炎作用[38]。IL-6是一種多功能的細胞因子,在促進炎癥發(fā)展過程中扮演重要角色,特別是在介導破骨細胞性骨吸收中發(fā)揮了非常重要的作用,具有明顯的促進骨吸收的功能,參與牙周炎的牙槽骨吸收過程,同時也是炎癥心血管組織的標志物[39]。IL-6 能夠促進ECs高表達粘附分子和細胞因子(例如,IL-1β和TNF-α),從而使炎性反應加重、持久和擴大[40]。IL-6水平可能是AS早期的生物標志物,可以預測心血管疾病的發(fā)展[41]。

IL-1促炎作用在以往的研究中已被證實,此外還可分解、代謝、誘導PGE2合成,活化破骨細胞及通過介導IL-6從而誘導破骨細胞的形成,促進骨吸收。牙周炎患者牙周袋中的IL-1的濃度,隨治療的成功而降低。研究顯示,正常組比較,動脈粥樣硬化組小鼠血清中的IL-1β表達含量顯著升高,提示炎性反應參與動脈粥樣硬化的形成過程[42]。

6 牙周炎與動脈粥樣硬化相關的microRNA表達

microRNAs(miRNAs)是一段內源非編碼單鏈RNA,長度為23個核苷酸,它們可以與信使RNA(mRNA)的非翻譯區(qū)(UTR)結合,并在轉錄后水平上引起mRNA表達的抑制或mRNAs的降解。微小RNA(microRNA,miR)是具有調控功能的非編碼RNA,參與調節(jié)血管內皮細胞的生物性能[43]。miRNA作為治療靶點成為當前研究的熱點且越來越多的學者開始重視miRNA在調節(jié)炎癥方面的作用。miRNA通過影響血管內皮細胞功能、炎癥反應和脂質代謝等影響AS。miR-146a是第一個被發(fā)現(xiàn)對免疫系統(tǒng)有調節(jié)作用的miRNA[44]。研究證實miR-146a可調節(jié)脂質代謝,而且其與炎性因子相互作用,還可參與牙周炎發(fā)展過程中的炎性反應。miR-146a通過負反饋調節(jié)NF-κB信號通路減輕或抑制炎性反應,參與牙周炎和動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展過程。牙周組織炎癥加重以及動脈粥樣硬化伴發(fā)的內皮細胞功能障礙都和組織內miR-146表達水平降低有關,miR-146a 在炎性反應中起負反饋調節(jié)作用。microRNA的異常表達會觸發(fā)涉及先天和適應性免疫反應的多個細胞過程的失調,從而導致無效的微生物挑戰(zhàn)或過度的分炎性反應[45]。樹突狀細胞利用其表面受體檢測病原體及其成分,并產生介導細胞反應的細胞因子。在牙周感染中,樹突狀細胞信號傳導被認為是調節(jié)免疫反應的關鍵步驟。控制樹突狀細胞功能的途徑受到miRNA的嚴格調控[46]。已證明,miR-155沉默樹突狀細胞中c-Fos表達對于樹突狀細胞的成熟和功能(包括其觸發(fā)細胞炎性反應的能力)至關重要[47]。冠狀動脈疾病患者中動脈血管的炎性細胞因子的表達水平可能會受到miRNA的影響,然而當前針對miRNA 對冠狀動脈疾病患者中動脈血管的細胞因子的潛在影響可供參考的研究比較少。有研究者利用體外實驗驗證了miR-155 對心血管疾病的影響作用[48],研究結果表明,miR-155具有抑制AS發(fā)展的潛在作用。miR-155能夠降低巨噬細胞在受到ox-LDL刺激后分泌的IL-6 表達水平[49]。在血管內皮中各種促炎因子(例如細胞因子、粘附分子和化學引誘蛋白)的表達增加是由于NF-κB的激活。據(jù)研究發(fā)現(xiàn),miR-181b 對AS的影響是通過介導血管內皮中的特定細胞/分子機制抑制NF-κB的激活,從而達到影響動脈粥樣硬化的作用[50]。他們的研究表明當ApoE小鼠注射miR-181b 后,主動脈弓中促炎細胞因子如TNF-α、E-選擇素和IL-β等的表達降低。脂質轉運過程中非常關鍵的蛋白質是載脂蛋白E (ApoE),ApoE能夠在單核細胞/巨噬細胞中大量表達,同時也具有抗炎特性[51,52]。當ApoE 在巨噬細胞和單核細胞中表達下調時,能夠引起NF-κB的激活并加重炎性反應[52]。

牙周炎是一種常見病和多發(fā)病,會導致牙齒和個人健康受損,對系統(tǒng)性疾病的進展產生影響,是加劇心血管疾病的重要風險因素。牙周病原體會導致菌血癥進入內皮細胞,引起功能障礙,并在內皮細胞中誘導促動脈粥樣硬化反應[53,54]。研究表明炎性反應可促進冠心病的發(fā)生及動脈血栓形成。動脈血管壁上的斑塊小大不等,這會引起心臟缺血并導致血栓形成和血管梗塞[55,56]。牙周炎和動脈粥樣硬化性心血管疾病之間相互影響的機制很多,其中TLR-4/NF-κB信號通路參與機體的免疫應答,在二者的致炎機制中均起重要作用,提示牙周炎和冠心病可能通過該通路相互作用[57]。miRNA通過影響血管內皮細胞功能、炎性反應和脂質代謝等影響牙周炎和AS的進展[58]。探究調控可改善牙周炎伴冠心病炎癥情況炎癥信號通路,細胞因子、模式受體和miRNA 似乎在牙周炎和動脈粥樣硬化的發(fā)病機制中具有重要作用。miRNA在許多方面疾病中作為治療靶標和巨大的臨床診斷生物標志物的潛力激發(fā)了科研工作者極大的研究興趣。此外,miRNA的靶向調節(jié)功能可以高度有效來治療牙周炎及動脈粥樣硬化。在過去的20年中,牙周炎、動脈粥樣硬化的發(fā)病機制被廣泛研究,了解miRNA 和細胞因子在動脈粥樣硬化和牙周炎中的靶向機制可以為牙周炎和動脈粥樣硬化患者設計提供新的療法,為探索牙周炎和動脈粥樣硬化間的關系提供科學依據(jù)。