《The FASEB Journal》：Mechanisms and Intervention Strategies for Inflammatory Root Resorption Induced by Orthodontic Pressure-Mediated Disruption of Root Homeostasis
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本综述系统梳理了正畸牙根吸收（OIIRR）的病理生理机制，重点阐述了机械信号感知（如Piezo1/TRPV4通道）、细胞焦亡、巨噬细胞M1/M2极化失衡、破骨/破牙骨质细胞分化（关键RANKL/RANK/OPG轴）及成牙骨质细胞凋亡等核心环节，并评述了药物、外泌体、干细胞等实验性治疗策略，为临床防治OIIRR提供了重要的分子生物学见解。
引言
牙齿-牙周膜-牙槽骨复合体处于复杂的生物力学平衡中。正畸治疗通过施加正畸力打破这一动态平衡，最终实现正畸牙齿移动（OTM）。该复合体内的多种机械敏感细胞，如牙周膜干细胞（PDLSCs）、牙周膜成纤维细胞（PDLFs）、巨噬细胞、成牙骨质细胞和破骨细胞等，感知并转导机械刺激，导致牙周膜、牙槽骨和牙骨质的适应性改建，局部血管生成以及正畸痛的诱导。然而，正畸力的应用在促进OTM的同时，常常并发OIIRR的发生。牙根稳态指的是成牙骨质细胞的保护性形成与破骨细胞/破牙骨质细胞的破坏性吸收之间的动态平衡。OIIRR是这种稳态被破坏的直接表现，是临床正畸治疗中最常见的医源性并发症之一，约82%的正畸患者受到不同程度的影响，严重时甚至导致牙齿松动和脱落。OIIRR的病理生理学尚不清楚，其发生常与OTM相伴。临床治疗中患者的牙根吸收往往难以避免，且目前尚无有效的治疗干预手段。因此，理解并探究OIIRR的具体分子生物学机制具有重要意义。
正畸压力诱导OIIRR的病理生理级联反应
由于牙根稳态的存在，正畸压力刺激通常不会引起严重的OIIRR。然而，成牙骨质细胞凋亡和功能障碍导致的牙根天然防御系统失效，打破了这种平衡并引发OIIRR。OIIRR的发生分为机械信号感知的起始、放大和效应阶段。牙周组织细胞通过感知、响应和转导正畸压力刺激来启动OIIRR。随后，机械信号通过细胞焦亡和巨噬细胞极化转化为强烈的炎症反应和免疫激活，促进破骨细胞/破牙骨质细胞的分化，导致OIIRR。同时，一些微环境调控机制（如自噬、细胞衰老）也影响这一过程。
机械信号感知的起始
Piezo1和瞬时受体电位阳离子通道V亚族4（TRPV4）被认为是感知正畸压力的主要传感器。目前对正畸压力感知通路的研究主要集中在PDLSCs的机械应答上。PDLSCs被视为正畸牙周组织改建的关键效应细胞之一，它们能直接响应机械刺激并调控其他细胞的生理活动。此外，PDLFs、巨噬细胞和破骨前体细胞等也被发现具有机械响应特性。Piezo1被认为是牙周组织感知机械刺激最重要的机械敏感离子通道，广泛参与PDLSCs对机械刺激的感知和响应。目前认为，Piezo1可通过与E-钙黏蛋白、β-连环蛋白、纽蛋白和F-肌动蛋白形成复合物，连接细胞骨架来响应机械刺激。它对于单核-巨噬细胞的募集和极化至关重要。机械压力通过Notch信号通路调节IL-6的表达。IL-6可通过CXCL12/CXCR4通路上调PDLSCs表面的Piezo1，促进压力侧周围M1巨噬细胞的募集，上调M1/M2巨噬细胞极化比率，最终诱导OIIRR。同时，巨噬细胞也存在于正畸压力微环境中。巨噬细胞上的Piezo1同样对其极化和促炎反应至关重要。巨噬细胞可通过Piezo1感知机械压力并分泌促炎介质和OPG。虽然促炎介质促进破骨细胞分化，但OPG产生抑制作用。巨噬细胞对机械压力的具体响应机制及其在正畸领域的确切机制有待进一步探索。此外，Piezo1还可通过p38/β-catenin通路参与调控机械压力下PDLFs的凋亡。TRPV4属于瞬时受体电位（TRP）通道家族，是一类经典的机械敏感离子通道蛋白，广泛参与机体各组织细胞对机械刺激的感知、响应和转导。TRPV4被认为参与机械压力的感知、炎症反应、牙周组织改建和正畸引起的疼痛。在机械压力刺激下，PDLSCs中TRPV4的表达上调。机械压力诱导的PDLSCs中TRPV4的激活，可通过ERK通路调节RANKL/OPG比率来促进破骨细胞生成。TRPV4还可通过caspase-1依赖性方式参与压力诱导的PDLSCs焦亡，表明TRPV4可能是PDLSCs感知和响应正畸压力的重要上游通路之一。此外，TRPV4也可能通过UCHL1/ERK1/2通路参与机械压力下PDLSCs中RANKL/OPG比率的调控，从而参与正畸压力下破骨细胞分化的调节。TRPV2和TRPC6与TRPV4同属TRP通道家族。正畸牙齿移动过程中压力侧TRPV2表达上调，并参与调节RANKL诱导的破骨细胞分化。机械压迫的PDLSCs中TRPC6表达上调，并参与压力侧破骨细胞分化的调节。此外，其他机械敏感通路如YAP/NF-κB p65、GSK3β/β-catenin和Wnt5a-受体酪氨酸激酶样孤儿受体2（Ror2）等，也被发现通过调节RANKL/OPG比率影响正畸压力下的破骨细胞分化。整合素αVβ5参与调控机械压力下PDLSCs分泌骨改建调节因子转化生长因子（TGF）-β1。PDLSCs响应机械压力的通路还包括TLR4通路。机械力的应用会上调TLR4，其通过调节AKT和丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）（包括磷酸化ERK和磷酸化p38）的磷酸化来响应机械刺激，从而促进破骨细胞分化。有趣的是，JNK似乎不受影响。
机械信号的放大：炎症反应与免疫激活
牙周组织细胞的经典细胞焦亡
细胞焦亡是一种程序性细胞死亡炎症形式，主要特征为细胞膜快速破裂并迅速释放炎症性细胞内容物。在经典焦亡中，NLRP3炎症小体组装，导致细胞破裂并迅速释放IL-1β等炎症介质，从而触发炎症反应。在正畸压力下，受压组织中NLRP3和caspase-1的表达均显著升高。此外，NLRP3基因敲除小鼠表现出破骨细胞分化抑制和OTM延迟。在机械压力下，Toll样受体4（TLR4）/核因子κB（NF-κB）/NLRP3通路已被确定参与调节PDLSCs的焦亡。另外，组蛋白去乙酰化酶9（HDAC9）也被发现参与调节PDLFs的焦亡。具体机制涉及HDAC9介导的组蛋白去乙酰化，诱导线粒体功能障碍，上调活性氧（ROS）水平和乳酸脱氢酶（LDH）活性，最终导致焦亡。细胞焦亡可能是正畸牙周组织改建过程中炎症反应的重要组成部分和前驱生理现象。机械刺激可通过诱导牙周组织细胞发生焦亡，导致IL-18和IL-1β等促炎介质的分泌，间接促进巨噬细胞M1极化和破骨细胞形成。
M1/M2巨噬细胞极化比率的改变
巨噬细胞是牙周组织改建中的关键炎症细胞，具有高度可塑性。它们可响应外界刺激极化为不同表型。通常，M1巨噬细胞被认为是促炎性的，直接分泌促炎细胞因子并促进破骨细胞分化，而M2巨噬细胞发挥抗炎作用。在机械刺激下，巨噬细胞极化在调节牙周组织微环境中起重要作用。M1/M2巨噬细胞极化比率在OIIRR中至关重要，主要通过分泌促炎细胞因子或直接融合成多核破骨细胞，从而促进破骨细胞/破牙骨质细胞的形成，并调节OIIRR和OTM。目前认为巨噬细胞的激活发生在（某些）细胞之下。研究表明，正畸压力可刺激PDLSCs分泌H2S，通过STAT1通路促进M1巨噬细胞极化以及RANKL/OPG介导的破骨细胞分化。机械压力也可诱导PDLSCs发生自噬，随后抑制巨噬细胞中的AKT通路，从而促进其M1极化。其他研究发现，在机械压力下，PDLSCs发生经典焦亡并分泌IL-1β和IL-18，促进M1巨噬细胞极化，引发炎症反应，并上调RANKL/OPG比率，从而间接促进破骨细胞/破牙骨质细胞的形成，导致OIIRR和OTM。牙髓也影响OIIRR的进展。研究表明，正畸治疗中施加正畸力会影响正畸牙牙髓的循环系统，导致牙髓缺氧，最终加剧OIIRR。正畸移动牙齿中牙髓对OIIRR的加剧作用可能通过巨噬细胞极化介导。例如，缺氧条件下的牙髓干细胞可通过琥珀酸/SUCNR1轴上调M1/M2巨噬细胞极化比率，促进破骨细胞/破牙骨质细胞分化并影响OIIRR。
免疫激活
正畸压力诱导的组织改建不仅仅是局部炎症反应，还伴随着免疫激活。正畸力的应用会上调中性粒细胞、巨噬细胞和淋巴细胞等免疫细胞的产生。然而，正畸压力下免疫激活的机制仍不清楚，许多免疫细胞在OTM和OIIRR中的作用仍不明确。只有T淋巴细胞被明确证实参与OTM。但鉴于免疫激活与炎症反应的密切关系，以及众多免疫细胞在调节骨稳态中的明确作用，免疫反应介导OIIRR的具体机制值得进一步深入研究。研究表明，在正畸治疗期间，中性粒细胞、树突状细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞和肥大细胞可通过分泌免疫因子来调节免疫反应。中性粒细胞可通过产生趋化介质招募单核细胞和巨噬细胞。定居在牙周膜中的树突状细胞作为抗原呈递细胞与T淋巴细胞和B淋巴细胞相互作用。正畸治疗期间，树突状细胞被募集到牙根吸收部位附近，可能参与介导OIIRR。OTM过程中，巨噬细胞浸润增加。目前认为巨噬细胞主要通过发生M1/M2极化来调节炎症反应，从而参与OIIRR。此外，研究表明CD40+巨噬细胞亚群是PDLSCs响应机械压力的关键下游细胞群，而C3ar1+巨噬细胞亚群在调节破骨细胞活性中起重要作用。CCL3、CCL2、CXCL2和CCR1也被发现在OTM期间与巨噬细胞共定位。因此，不同的巨噬细胞亚群可能在正畸牙周组织改建中扮演不同角色。自然杀伤细胞被认为与细胞损伤有关，研究表明它们在OTM期间富集。OTM期间B细胞数量持续增加。B细胞具有分泌关键破骨细胞调节因子如RANKL和IL-6的能力，但它们在OTM中的具体作用尚未完全阐明。肥大细胞计数在OTM初始阶段显著减少，表明它们可能参与OTM的早期阶段。T淋巴细胞参与OTM的调节。T淋巴细胞功能受损会显著缩短OTM距离。T细胞可能通过分泌Th1细胞因子、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、γ-干扰素（IFN-γ）和RANKL来促进OTM。关于T细胞亚群，研究表明正畸压力上调CD4+T细胞、CD8+T细胞和γδ T细胞的比率。然而，有报道称清除CD4+或CD8+T细胞不影响OTM，而清除γδ T细胞则显著缩短OTM距离。进一步研究发现，γδ T细胞缺失通过降低IL-17A和NF-κB的早期表达、损害单核细胞和中性粒细胞的募集以及减少破骨细胞生成来影响OTM。因此，γδ T细胞可能在OTM中起关键作用。许多免疫细胞表达程序性死亡细胞受体1（PD-1）。免疫细胞可通过PD-1识别受体细胞上的程序性死亡配体1（PD-L1），从而介导免疫反应。PD-L1在破骨细胞、成骨细胞、PDLSCs和牙龈成纤维细胞上表达。PD-L1可能是免疫细胞在OIIRR中激活的关键靶点。研究表明，PD-L1参与成牙骨质细胞对机械压力和缺氧的响应，可能通过缺氧诱导因子1α（HIF-1α）介导。尽管HIF-1α通常在缺氧条件下发挥作用，但研究表明机械刺激也可直接激活HIF-1α。HIF-1α对压力刺激的反应在PDLFs和巨噬细胞之间存在差异。与PDLFs相比，巨噬细胞中的HIF-1α更可能由缺氧而非机械刺激诱导。HIF-1α在OTM中的具体机制需要进一步研究。HIF-1α还可通过环氧化酶-2（COX-2）介导前列腺素E?（PGE?）的产生来影响破骨细胞生成。同时阻断PD-L1和HIF-1α可能是OIIRR的潜在治疗策略。然而，由于PD-L1密切参与免疫调节，此类策略可能引起全身不良反应，应谨慎应用。
效应阶段：破骨细胞/破牙骨质细胞的分化与成熟
单核-巨噬细胞是破骨细胞/破牙骨质细胞的前体细胞。促进单核-巨噬细胞的破骨细胞分化可直接调节OIIRR，该过程主要由促炎细胞因子介导。在机械压力下，巨噬细胞、PDLSCs、PDLFs和成牙骨质细胞等细胞分泌促炎细胞因子，从而诱导破骨细胞分化。同时，这些细胞之间存在交互对话。例如，PDLFs与巨噬细胞之间存在相互作用，并且巨噬细胞仅在PDLFs存在时才分泌基质金属蛋白酶（MMPs）。此外，许多促炎因子如TNF-α、MMP2、MMP9和IL-1β的分泌已被证明具有时间效应。在OIIRR炎症反应的不同阶段，不同的促炎因子可能起主导作用，介导一系列生理反应，最终导致OIIRR。OIIRR炎症反应的启动是一个高效、逻辑有序且机制复杂的组合，其精确的时空顺序值得进一步探索。
RANK/RANKL/OPG对单核-巨噬细胞破骨细胞分化的调节
牙周组织中RANK/RANKL/OPG系统的改变是调节破骨细胞分化最重要的机制。RANKL主要由成骨细胞分泌，通过与破骨细胞前体上的RANK结合促进破骨细胞分化。OPG竞争性抑制RANKL。PDLSCs和成牙骨质细胞也被发现参与调节RANKL/OPG平衡。机械力的应用促进RANKL/OPG比率增加，有利于破骨细胞生成并直接调节OIIRR。作为破骨细胞分化的核心机制，各种因素对破骨细胞分化和OIIRR的影响，包括12/15-脂氧合酶（12/15-LOX）、磷酸酶和张力蛋白同源物（PTEN）、大麻素受体2、小核仁RNA宿主基因5（SNHG5）、超氧化物歧化酶3（SOD3）、TGF-β、CCR2、CXCR4、TNF-α、分泌性白细胞肽酶抑制剂（SLPI）/Runt相关转录因子2（Runx2）、Mohawk同源盒（Mkx）、IL-17、IL-20、葡萄糖转运蛋白1（GLUT1）和β-2肾上腺素能受体（Adrb2）等，都依赖于对RANK/RANKL/OPG轴的调节。值得注意的是，12/15-LOX是花生四烯酸（AA）级联反应中的关键酶，其对破骨细胞的影响可能依赖于RANKL表达的改变，而与OPG表达无关。12/15-LOX表达上调可能是RANKL/OPG比率调节破骨细胞生成的重要机制之一。此外，研究表明抑制12/15-LOX可减轻OIIRR而不影响OTM距离。
非编码RNA（NcRNAs）的表达在正畸压力应用下发生动态变化
并被认为广泛参与牙周组织的机械响应，可能作为精确组织改建的关键调控机制。NcRNAs主要包括microRNAs（miRNAs）和长链非编码RNAs（LncRNAs）。NcRNAs被认为是正畸压力调节RANK/RANKL/OPG，影响破骨细胞前体细胞破骨细胞分化的重要调控分子。一些NcRNAs促进破骨细胞分化，如miR-21、miR-3186和LncRNA-XIST。MiR-21通过靶向PDCD4的3'UTR增强RANKL表达，不影响RANK或OPG表达，从而促进破骨细胞分化。MiR-3186竞争性抑制OPG但不影响RANKL。LncRNA-XIST通过下调miR-130b-3p促进PTEN分泌，影响RANKL表达以促进破骨细胞分化并加剧OIIRR。其他NcRNAs抑制破骨细胞分化；例如，在机械刺激下，miR-185-5p竞争性结合RANK。此外，NcRNAs可通过介导活化T细胞核因子1（NFATC1）影响破骨细胞分化。LncRNA Nron抑制NFATC1的核转位，并与调节破骨细胞成熟的细胞因子组织蛋白酶K（CTSK）趋势相反，最终抑制破骨细胞分化。受机械压力上调的LncRNA TUG1通过促进MAFB降解间接上调NFATC1。在正畸压力下，具有不同效应的各种NcRNAs的表达发生精确改变，使得能够精确响应正畸压力的持续时间和大小，从而调节破骨细胞/破牙骨质细胞分化并影响骨/牙骨质改建。
Jagged1对破骨细胞/破牙骨质细胞成熟的调节
Jagged1是Notch配体之一，对破骨细胞成熟和OIIRR的发生至关重要。正畸力的应用诱导OIIRR中牙根吸收陷窝附近Jagged1表达增加。NcRNAs参与Jagged1介导的破骨细胞成熟。LncRNA分化拮抗非蛋白编码RNA（DANCR）可通过Jagged1通路诱导破骨细胞生成，导致OIIRR。相反，Runx1是抑制破骨细胞形成的关键转录因子，可通过miR-26a/Jagged1通路抑制破骨细胞生成。同时，研究表明机械压力下Runx1表达下调可能是由于miR-28的负调控所致。不同的NcRNAs通过调节Jagged1影响破骨细胞形成，表明Jagged1可能是OIIRR的潜在治疗靶点。此外，Jagged1在OIIRR中的作用可能与患者正畸治疗时的年龄有关。临床上常观察到未成熟牙齿在类似正畸治疗后比成熟牙齿表现出更少的牙根吸收，这可能由于Jagged1/Notch2、IL-6和RANKL的变化导致破骨细胞形成减少。
琥珀酸作为正畸压力调节破骨细胞/破牙骨质细胞分化的潜在通路
琥珀酸被认为是导致组织炎症的关键介质。琥珀酸上调也激活HIF-1α，进而通过抑制琥珀酸脱氢酶导致琥珀酸在线粒体积累。正畸压力诱导PDLSCs和其他细胞发生代谢重编程，上调琥珀酸表达，并通过琥珀酸-SUCNR轴促进破骨细胞分化。此外，缺氧条件下的牙髓干细胞也被发现参与此过程。关于具体机制，研究表明琥珀酸/SUCNR1轴对破骨细胞分化的影响可能通过NF-κB信号通路发生，并且可能激活Ca2+依赖性MAPK-ERK1/2通路，促进一氧化氮和前列腺素E2（PGE2）的产生。
PDLSCs来源的外泌体参与调节破骨细胞分化
机械压力可诱导PDLSCs分泌外泌体。这些外泌体通过增加外泌体蛋白ANXA3的内化，随后激活ERK磷酸化来促进破骨细胞分化。因此，外泌体可能是正畸压力调节破骨细胞和破牙骨质细胞分化的关键分子介质。
保护屏障的失效：成牙骨质细胞的凋亡与功能障碍
正畸力的应用压迫牙周膜血管，通过降低局部氧分压诱导局部缺氧微环境。这种缺氧促进成牙骨质细胞凋亡，从而调节OIIRR。位于牙根表面的成牙骨质细胞是机械敏感的，主要负责牙骨质基质的沉积和矿化。它们在维持牙根稳态和抵抗牙根吸收方面起着深远的屏障作用。抑制成牙骨质细胞对机械压力的感知有望从源头上维持牙根稳态并抵抗牙根吸收。1-磷酸鞘氨醇（S1P）信号转导是成牙骨质细胞感知机械压力刺激的关键通路。S1P信号激活抑制成牙骨质细胞的成牙骨质合成代谢活性并增强牙骨质溶解。研究表明，抑制S1P可上调牙骨质稳定性相关标志物如牙骨质附着蛋白（CAP）、骨桥蛋白（OPN）和Runx2的表达。此外，它还通过下调RANKL/OPG、NFATC1和硬化蛋白（SOST）的表达水平来逆转OIIRR。S1P信号转导是预防高正畸压力引起过度外根吸收的潜在治疗靶点。
SOST是与牙骨质溶解相关的关键指标。成牙骨质细胞SOST的表达受正畸压力大小调节。与较低的正畸压力刺激相比，较高的正畸压力显著上调成牙骨质细胞中SOST的表达和RANKL/OPG比率。成骨细胞和成牙骨质细胞具有相似特性。TNF-α诱导成骨细胞分泌SOST，进而促进成骨细胞分泌RANKL。机械压力也可诱导成牙骨质细胞分泌RANKL和IL-6。SOST可能通过调节RANKL/OPG比率参与成牙骨质细胞抵抗过度正畸压力。然而，关于正畸压力大小在动物模型中影响OIIRR机制的研究仍然有限。阐明这些机制对于未来确定最佳正畸压力水平可能至关重要。S1P信号和EphB4/ephri
