透明質(zhì)酸在牙周炎中的作用

吳煒涵,仝春實(shí),李博華,馬欣

(1.河南大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,河南 開封 475004;2.河南大學(xué)人民醫(yī)院 口腔科,河南 鄭州 450003)

透明質(zhì)酸(hyaluronic acid,HA)作為細(xì)胞外間質(zhì)(extracellular matrix,ECM)中的主要成分,以游離形式或非共價復(fù)合體形式存在,同時也存在于各種體液中,例如滑液、唾液和齦溝液以及礦化和非礦化組織中[1]。由于HA獨(dú)特的理化特性,所以被用于皮膚病、眼病、骨關(guān)節(jié)炎治療以及各種生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中[2]。牙周炎是以牙菌斑為始動因子,發(fā)生于牙周支持組織中的慢性感染性疾病,該病的特征主要是牙周組織的破壞、牙周袋形成和牙槽骨的漸進(jìn)式吸收。牙周炎病變部位的HA可被降解為不同大小HA片段,碎片化HA在組織損傷過程中積累并以不同于天然聚合物的方式發(fā)揮作用[3]。本文圍繞不同大小的HA對牙周炎的作用以及應(yīng)用前景作一綜述。

1 HA

1.1 結(jié)構(gòu)

HA是直鏈糖胺聚糖聚合物,由N-乙酰葡糖胺和D-葡萄糖醛酸組成的重復(fù)二糖。它不僅結(jié)構(gòu)最簡單,也是唯一不限于動物組織也可于細(xì)菌中產(chǎn)生的糖胺聚糖[4]。HA在生理?xiàng)l件下分子量超過1 000 kDa,故被稱為高分子量透明質(zhì)酸(high molecular weight- hyaluronic acid,HMW-HA)[5]。炎癥狀態(tài)下HA通過透明質(zhì)酸酶、β-葡糖苷酸酶、己糖氨基苷酶和活性氧的活性被降解為小于500 kDa的低分子量透明質(zhì)酸(low molecular weight- hyaluronic acid,LMW-HA)[6]。不同分子量的HA通過不同的作用模式影響細(xì)胞行為,HA片段能夠增強(qiáng)或減弱HA受體介導(dǎo)的信號通路,因?yàn)樗鼈兛膳c內(nèi)源性HA競爭和受體結(jié)合[7]。

1.2 功能

HMW-HA主要存在于正常組織中,由于其具有吸濕性和彈性,故有助于組織中的水分潴留以及保護(hù)結(jié)構(gòu)完整性[8]。在從炎癥到傷口愈合過程中的各個階段,HMW-HA都可發(fā)揮作用。它通常具有抗炎作用[9],可以參與組織修復(fù)和再生、抑制血管生成、減少 腫瘤壞死因子-α,前列腺素E2和白細(xì)胞介素(interleukin,IL)中IL-21b,IL-6的產(chǎn)生[10]。傷口愈合再上皮化時,HA可以促進(jìn)角質(zhì)形成細(xì)胞的增殖;在組織重塑過程中,富含HA的基質(zhì)可以減少膠原蛋白沉積同時減少疤痕產(chǎn)生[11]。LMW-HA一般具有促炎作用,參與傷口愈合過程中血管生成和組織重構(gòu)。LMW-HA能刺激細(xì)胞增長/遷移和新生血管來有效促進(jìn)傷口愈合[12-14]。但最近關(guān)于LMW-HA的促炎性質(zhì)受到質(zhì)疑,因?yàn)槌藫p傷后組織代謝產(chǎn)生的HA片段外,被HA包裹的A組鏈球菌等細(xì)菌可分泌透明質(zhì)酸酶將HA降解為HA片段,HA片段既可以來自宿主也可以來自細(xì)菌,無法單獨(dú)區(qū)分[8]。許多歸因于LMW-HA的發(fā)現(xiàn),如觸發(fā)并激活免疫細(xì)胞可能是由于細(xì)菌透明質(zhì)酸酶的作用,基于此HA片段作為損傷相關(guān)的分子模式(damage-related molecular patterns,DAMP)的作用受到質(zhì)疑[15-16],不過這些質(zhì)疑還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。HA不同功能所帶來的作用有時不同甚至相反,而HA的具體功能不僅取決于其分子量大小,還取決于與細(xì)胞受體結(jié)合或與ECM聯(lián)合產(chǎn)物的相互作用[17]。

1.3 臨床應(yīng)用

HA廣泛應(yīng)用于臨床中,目前其最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是皮膚保養(yǎng)與修復(fù)。HA具有良好的保水性和滲透性,能夠增加皮膚的水分含量,改善皮膚干燥,保持皮膚的彈性[18]。HA還可以用于治療關(guān)節(jié)疾病,注射HA可以緩解關(guān)節(jié)疼痛,改善關(guān)節(jié)功能,提高關(guān)節(jié)活動度,是治療關(guān)節(jié)炎和其他關(guān)節(jié)疾病的重要手段之一。HA也逐漸應(yīng)用于眼科,主要用于白內(nèi)障手術(shù),也用于其他眼科手術(shù)如玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)等[19]。此外,HA還能局部應(yīng)用口腔潰瘍,促進(jìn)創(chuàng)口愈合,緩解癥狀[20]。對HA以及其衍生物的性質(zhì)與功能的未來研究或許應(yīng)側(cè)重于將HA功能轉(zhuǎn)化為實(shí)際臨床功效以及根據(jù)疾病分期和特定治療目標(biāo)精確HA片段的分子量、優(yōu)化HA制劑的濃度。

2 HA對牙周組織再生的作用

2.1 HA對牙周骨組織再生的作用

2.1.1HMW-HA

HMW-HA能在不喪失干細(xì)胞復(fù)制和分化能力的情況下增加骨祖細(xì)胞數(shù)量,維持干細(xì)胞分化潛能,其功能主要通過:(1)促使Smad和Wnt信號通路下調(diào),導(dǎo)致成骨分化進(jìn)程受到抑制,Runx2等中晚期成骨分化標(biāo)記基因表達(dá)減少;(2)誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子Sox2及其直接靶標(biāo)Yap1和Bmi1的表達(dá)來維持骨祖細(xì)胞的分化潛能;(3)抑制礦化骨基質(zhì)基因[21]。HMW-HA還能與CD44結(jié)合介導(dǎo)造血干細(xì)胞的增殖并可促進(jìn)骨髓植入[22]。HMW-HA成骨分化的實(shí)驗(yàn)多是在體外進(jìn)行,而體外實(shí)驗(yàn)時間太短,并且一些生物活性物質(zhì)交聯(lián)的效果可能僅僅在體內(nèi)顯現(xiàn),盡管存在一些明顯的局限性,但獲得的體外結(jié)果有助于了解HMW-HA用于牙周骨組織再生的臨床潛力。

2.1.2LMW-HA

單獨(dú)使用適當(dāng)濃度的LMW-HA可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化和骨形成[23],LMW-HA誘導(dǎo)的骨再生機(jī)制因分子量大小而異。例如,分子量為5～20 kDa的LMW-HA表現(xiàn)出細(xì)胞因子表達(dá)誘導(dǎo)的骨再生;30 kDa和60 kDa的LMW-HA通過促進(jìn)間充質(zhì)細(xì)胞分化和上調(diào)骨鈣素mRNA表達(dá)來增加成骨作用;50～200 kDa的LMW-HA通過激活干細(xì)胞實(shí)現(xiàn)骨再生;390 kDa的LMW-HA通過增加細(xì)胞黏附率和細(xì)胞增殖來增強(qiáng)成骨[24-25]。LMW-HA將是進(jìn)行引導(dǎo)骨再生手術(shù)時提高骨愈合效率的潛在候選者。

2.2 HA對牙周軟組織再生的作用

HA可以促進(jìn)細(xì)胞增殖和分化,增強(qiáng)細(xì)胞黏附和遷移能力;還能保護(hù)生長因子不被降解,增加其穩(wěn)定性和生物活性,故常常將HA制成支架與生長因子結(jié)合用來加速組織的再生和修復(fù)[26]。此外,Colangelo等[27]發(fā)現(xiàn),仿生多核苷酸(polynucleotide,PN)聯(lián)合HA的水凝膠可以促進(jìn)口腔軟組織傷口愈合,PN + HA顯著增加了膠原蛋白1a1和3a1的表達(dá),膠原蛋白3a1是傷口愈合的早期產(chǎn)物,而持續(xù)的膠原蛋白3a1產(chǎn)生預(yù)示著傷口異常愈合的風(fēng)險降低。現(xiàn)有的大多數(shù)研究都側(cè)重于HA傷口愈合期間的作用,人們關(guān)于HA對牙周組織再生的貢獻(xiàn)亟待進(jìn)一步探索。

3 HA對牙周炎的作用

3.1 HMW-HA

HMW-HA的應(yīng)用對牙周炎病變的改善有積極作用。HMW-HA能抑制牙齦卟啉單胞菌產(chǎn)生炎癥介質(zhì)并可通過抑制NF-κβ表達(dá)以及ERK和P38 MAPK通路來緩解炎癥,促進(jìn)傷口愈合[28]。HMW-HA本身也可以直接阻止微生物增殖來防止牙周炎病原體定植,還可以通過防止炎癥細(xì)胞產(chǎn)生的絲氨酸蛋白酶在愈合過程中降解ECM蛋白間接減緩炎癥反應(yīng)[29]。位于炎癥部位的HMW-HA能形成纜索結(jié)構(gòu),這些HA“電纜”起源于高爾基體周圍,其存在與結(jié)合蛋白有關(guān),能夠跨越多個細(xì)胞,并且可由多個細(xì)胞擠壓后相互交織。該結(jié)構(gòu)通過CD44介導(dǎo)與未被激活的白細(xì)胞(包括單核細(xì)胞、T和B淋巴細(xì)胞)結(jié)合后可以捕獲炎癥細(xì)胞,使其保持不活躍的狀態(tài),抑制單核細(xì)胞的吞噬作用,對淋巴細(xì)胞活化有阻礙作用[30-32]。同時此種結(jié)構(gòu)的形成也能隔離促炎介質(zhì),限制抗原-抗體相互作用,從而抑制整個炎癥過程[33]。此外,HMW-HA可以通過與CD44結(jié)合增強(qiáng)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Regulatory T cell,Treg)的表達(dá),促進(jìn)Treg的持久性和功能,從而保持牙周組織的穩(wěn)態(tài),減輕免疫系統(tǒng)過度反應(yīng)導(dǎo)致的牙周組織破壞[34]。

3.2 LMW-HA

牙周炎患者與健康人相比,牙齦樣本中透明質(zhì)酸酶的表達(dá)和活性均有增加,同時LMW-HA的含量隨之增加并且其增加程度與疾病的嚴(yán)重程度相關(guān)[3]。LMW-HA可以作為DAMPs促進(jìn)樹突狀細(xì)胞的活化和成熟,驅(qū)動促炎細(xì)胞因子如IL-1β、IL-6、IL-12和腫瘤壞死因子-α的釋放[35-36];LMW-HA還可以通過Toll樣受體(Toll like receptors,TLR)中的TLR2或TLR4增強(qiáng)免疫細(xì)胞增殖、遷移和黏附,加強(qiáng)下游免疫反應(yīng)[37-38],如其能通過激活TLR2或TLR4和啟動MyD88/NF-κβ信號通路誘導(dǎo)炎癥,從而產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和趨化因子[39];LMW-HA還是巨噬細(xì)胞的有效激活劑,可以誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞炎癥蛋白、巨噬細(xì)胞趨化蛋白-1等促炎基因的表達(dá)[32]。在正常生理狀況下,免疫系統(tǒng)細(xì)胞的激活對傷口的正常愈合至關(guān)重要,在急性傷口中LMW-HA可積聚在傷處激活免疫系統(tǒng)從而保護(hù)受傷組織,然而在慢性傷口中持續(xù)過度的炎癥反應(yīng)將會阻止傷口愈合。

4 HA在牙周炎的應(yīng)用前景

牙周炎的發(fā)生和發(fā)展與口腔微生物感染有關(guān),而HA作為一種具有黏附性的生物高分子,能夠與口腔微生物緊密結(jié)合,形成一種保護(hù)性的屏障,從而防止微生物進(jìn)一步侵襲牙周組織,預(yù)防牙周炎的發(fā)生[40]。牙周炎的治療主要包括機(jī)械潔治、局部藥物治療和手術(shù)等方法。HA能保持局部組織水分,增加組織的黏附性和彈性,促進(jìn)組織愈合,并且具有抗炎、抗菌和止痛等作用。治療牙周病時若聯(lián)合使用HA可減少炎癥反應(yīng)[41],改變牙周袋深度和臨床附著水平[42-43],促進(jìn)軟組織愈合[44-45],故其已被提議作為非手術(shù)或手術(shù)牙周治療的輔助治療[46]。總之,HA在牙周炎的發(fā)生及治療中發(fā)揮著重要的作用,能夠減少牙周炎的發(fā)生,促進(jìn)牙周軟組織愈合,誘導(dǎo)牙周組織再生,從而提高治療效果。因此,HA在牙周炎的預(yù)防和治療中有著廣闊的應(yīng)用前景。

5 總結(jié)和展望

HA合成和降解的代謝途徑是高度有序的,由嚴(yán)格控制的反應(yīng)組成,這些反應(yīng)依賴于個別酶活性的調(diào)節(jié)。生成的不同分子量HA片段在牙周炎中產(chǎn)生的作用不同,HMW-HA能抑制炎癥,具有維持免疫穩(wěn)態(tài)的作用;LMW-HA可以促進(jìn)炎癥因子過表達(dá),具有促炎作用。HA合成和降解的調(diào)節(jié)是如何完成的,以及其是否與特定大小的HA片段參與都有待深入研究。傳統(tǒng)牙周炎治療被認(rèn)為是牙周炎的首選治療方法,它包括齦上和齦下牙齒的機(jī)械清創(chuàng),目的是減少不良的細(xì)菌負(fù)荷,并將其調(diào)整為與健康牙周組織相適應(yīng)的微生物群,以確保牙周組織內(nèi)的免疫穩(wěn)態(tài)[47]。然而,目前尚無明確證據(jù)表明傳統(tǒng)的牙周治療可以充分控制因牙周炎而產(chǎn)生的局部抗原。在這種情況下,檢測牙周炎影響的組織中產(chǎn)生的DAMPs,如LMW-HA,其可以作為評估牙周治療成功的一個關(guān)注焦點(diǎn)。根據(jù)HA促進(jìn)牙周組織再生的特性,在種植或牙周重建手術(shù)中,可以將HA添加到有缺陷的骨或骨缺損中,這可能是擴(kuò)展成體干細(xì)胞而不喪失其復(fù)制和分化能力的一種有效方法,從而為牙周重建和種植手術(shù)中的骨再生提供一個解決方案。HA將是恢復(fù)牙周完整性材料中極具潛力的后備軍。