您现在在位置: » 内容
OPG/RANKL/RANK系统及其在口腔颌面组织中表达的相关研究进展
作者: 来源:牙体牙髓牙周病学杂志 2017-12-25

 牙槽骨的改建过程伴随着人类生命的始终,骨形成与骨吸收贯穿于骨代谢的整个过程,并通过二者之间的平衡而维持着骨量的相对稳定。在骨形成与吸收过程中,成骨细胞和破骨细胞起到执行体的作用,并受循环激素及细胞因子的调控。OPG/RANKL/RANK系统由骨保护素(osteoprotegerin,OPG)、核因子-κB受体活化因子配体(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)、核因子-κB受体活化因子(receptor activator of NF-κB,RANK)3个隶属于肿瘤坏死因子家族的细胞因子组成,是近年发现的成骨细胞及破骨细胞相互作用的重要途径,本文就该系统的相关研究进展作一综述。

 

1.OPG/RANKL/RANK系统

 

1.1骨保护素

 

骨保护素(osteoprotegerin,OPG)是于1997年同期被美国和日本的两个研究组分别发现的一种具有抑制骨吸收活性及破骨细胞分化的分泌型糖蛋白,属于肿瘤坏死因子受体超家族;人类OPG蛋白拥有401个氨基酸,是一种缺乏跨膜结构域的TNF受体(TNFR),又称为TNF的饵受体(可溶性受体)。相对于其他TNF受体超族成员,OPG作为一种分泌型可溶性糖蛋白却缺少跨膜以及胞质的区域,其主要作用是抑制破骨细胞的形成和活性;OPGmRNA具有在组织中分布广泛,尤其在肝、心、肺、肾、胃、小肠、皮肤、脑、脊髓和骨骼中的表达水平较高的特点。

 

1.2核因子-κB受体活化因子配体

 

NF-κB受体活化因子配体(ligand of receptor activator of NF-κB,RANKL)又称为破骨细胞分化因子(osteoclast differentiation factor,ODF),是一种由成骨细胞所产生的具有317个氨基酸的蛋白,在成熟的破骨细胞和胸腺细胞内均可检测到其表达。RANKL由40~45KD长的细胞内和细胞膜粘附部分,以及从全长裂解下来的长约31KD的可溶性部分组成。人RANKL基因位于染色体13q14,RANKLmRNA在骨和骨髓中表达最高,在淋巴组织中(淋巴结、胸腺、脾)也呈高表达。目前,可以确定的RANKL有3种形态:①细胞膜结合变种;②可溶性形态;③活化的T淋巴细胞所产生的分泌型。第3种形态已被证实,RNAKL可通过增加活化的破骨细胞,从而导致其迅速出现骨质疏松;而通过对RANKL进行基因分离,则能防止骨质疏松并且有骨块、骨硬化症的出现。

 

1.3核因子-κB受体活化因子

 

NF-κB受体活化因子(receptor activator of NF-κB,RANK)是RANKL的唯一受体。人RANK主要分布在骨髓巨噬细胞(bone marrow macrophages,BMMs)、乳腺小叶细胞和激活的T淋巴细胞的细胞膜上。RANK是一种具有616个氨基酸的肽链,其中含有28个氨基酸的信号肽,在N末端有1个细胞外基团、1个含有21个氨基酸的穿细胞膜基团和1个含383个氨基酸残基的细胞内C末端基团。作为TNFR家族成员,RANK最初鉴定于树状突细胞,其在骨代谢、免疫功能和某些癌症发生等方面均发挥着重要的作用。经试验发现,过度表达的可溶性基因敲除RANKFC融合蛋白可使破骨细胞数量减少,并引发严重石骨症;而RANK基因敲除鼠因缺乏破骨细胞,也可导致严重石骨症。

 

2.OPG/RANKL/RANK系统的生物学作用及信号传导通路

 

2.1OPG/RANKL/RANK系统的生物学作用

 

OPG与RANKL之间的竞争性结合是调控破骨细胞生理过程中最重要的途径,作为一种肿瘤坏死受体蛋白,RANK可在破骨前体细胞上被RANKL识别;当各种刺激骨吸收的因子作用于成骨、基质细胞时,即可诱导其膜上的RANKL表达。RANK是RANKL的唯一信号受体,两者结合后即可将信号传入破骨前体细胞,并通过引起级联扩增反应而促使破骨细胞分化、成熟。而OPG为RANK/RANKL的诱饵受体,其可通过与RANKL的结合而抑制RANKL与RANK的结合,并进而抑制破骨细胞的分化和活化,最终诱导成熟的破骨细胞凋亡。另有研究发现,局部环境中RANK/RANKL的浓度比值决定着破骨细胞的形成、分化、活化、凋亡。

 

2.2OPG/RANKL/RANK系统的细胞信号通路

 

RANK与RANKL结合后可激活包括C-JunN-末端激酶(C-Junamino-terminal kinase,JNK)、NF-κβ抑制剂激酶(in2 Hibitor of NF-κβ kinase)、sc、cmyc、钙调磷蛋白磷酸酶(calcineurin)、胞外信号调节激酶(extracellular signal regulated kinase,ERK)和p38途径在内的7条由蛋白激酶介导的信号转导途径。在这些信号转导过程中,最关键的一步是RANK在胞内部分的特殊位点与TNFR相关因子(tumor necrosis factor receptor associated factor,TRAF)的结合。OPG可竞争性抑制RANK与RANKL的结合,从而抑制RANKL活性的发挥,并进而阻止这些信号的转导途径。OPG受到一系列细胞因子的作用,其中起正性调节的细胞因子有TGF-β、IL-1β、TNF-α、1-25(OH)2-D3、雌激素等;起负性调节作用的细胞因子有前列腺素E2(prostaglandin E2,PGE2)、糖皮质激素等。关于OPG/RANK/RANK系统的分泌、激活的确切机制,目前了解的还不全面,尚有待于进一步探索。

 

2.3OPG/RANKL/RANK系统对骨改建的作用

 

OPG/RANKL/RANK3者共同构成了对破骨细胞分化、活化与凋亡的调节关系,成骨细胞(osteoblast,OB)和破骨细胞(osteoclast,OC)是骨改建中维持骨量的两种重要细胞。OB发源于骨髓间充质的干细胞,其主要功能为分泌骨基质,并在骨形成过程中起重要作用。OC则被认为是目前唯一能够吸收骨组织,且能直接参与骨吸收的高度分化的多核巨细胞。OC附着骨面进行骨吸收活动的前提条件是OB变形并离开骨面,然后再由OB在骨吸收陷窝处分泌合成骨基质和非胶原蛋白从而参与骨形成。

 

正常情况下,OB和OC维持一定数量并相互制约,以使其所介导的骨形成与骨吸收处于平衡状态。OB不仅和骨形成密切相关,而且在骨吸收中也起到关键作用。在体外实验发现,将成骨细胞、骨髓基质细胞与造血细胞混合培养时可获得OC;而将造血细胞和OB或基质细胞分开培养,即使存在骨吸收因子,也无法诱导形成抗酒石酸酸性磷酸酶(tartrateresistant acid phosphatase,TRAP)阳性的多核细胞。此外,由于PTH受体、1,25-(OH)2D3受体只存在于OB上,但OB本身不吸收骨,所以可认为OB是调控骨吸收的中心细胞;大部分骨吸收因子对OC缺乏直接作用,它们主要通过使OB旁分泌产生一种共同的因子,此因子可识别OC及其前体,并与之相结合,同时转导骨吸收信号来调节破骨细胞前体的增殖和OC的成熟,并延长其存活时间。有研究证实,此因子就是RANKL,因此RANKL也被认为是骨质疏松治疗的一个潜在靶点。

 

除了生成RANKL外,OB还生成了与之对应的OPG,然后再由OPG与RANK竞争结合RANKL,从而使OPG/RANKL/RANK3者共同构成了对破骨细胞分化、活化与凋亡的调节关系。

 

3.OPG/RANKL/RANK系统在口腔颌面组织中的表达

 

OPG/RANKL/RANK系统广泛表达于口腔颌面组织中。有研究表明,RANKL可表达于成牙本质细胞、牙髓、牙周韧带纤维、成牙骨质细胞;RANK可表达于牙本质表面骨吸收陷窝内的多核破牙本质细胞;OPG可表达于成牙本质细胞、成釉细胞、牙髓细胞;提示,OPG/RANKL/RANK系统对口腔颌面部在生理及病理上都有着重要的影响。

 

3.1OPG/RANKL/RANK系统在乳牙根吸收、乳恒牙替换期牙齿组织中的表达

 

乳牙根吸收、乳恒牙替换是颌面部牙槽骨重建的重要生理过程。在这既有成骨又有溶骨的过程中,OPG/RANKL/RANK系统在破骨细胞的活化、成熟,以及形成骨吸收陷窝和产生牙齿萌出通道方面均有着重要的影响。有研究表明,在牙囊细胞及牙周膜细胞中的甲状旁腺激素相关肽(PTHrP),以及白细胞介素-1和转化生长因子β1均可通过cAMP/PKA蛋白激酶独立通路,刺激RANKL的表达,并通过上调RANKL、下调OPG而导致乳牙牙根的生理性吸收及恒牙萌出。

 

3.2OPG/RANKL/RANK系统在牙周炎中的表达及生理意义

 

牙周炎是一种牙周组织的慢性炎症,其主要特点为牙周组织的慢性进行性破坏。在病因学上将牙周炎的发病原因归结于龈下菌斑,目前较为明确的发病机制为菌斑生物膜与宿主免疫系统的失衡所导致的炎性细胞因子的过表达,从而使牙周组织及牙槽骨受到破坏。在牙周炎的相关研究中发现,牙周炎患者牙槽骨吸收区的OPG表达水平低于正常对照组,龈沟液中的OPG亦有所降低。另有研究证实,OPGmRNA在慢性牙周炎中的表达量要高于侵袭性牙周炎,提示高浓度的OPG将会给牙周组织提供更多的保护。Garlet等在比较健康人与牙周病患者龈沟液中的sRANKL含量时发现,牙周病患者龈沟液中的sRANKL含量较健康人有所提高,并且sRANKL的分泌量随着牙周病患者病变程度的加深而有增加的趋势。

 

3.3OPG/RANKL/RANK系统在种植体周围组织中的表达

 

牙齿缺失常伴随着牙槽骨萎缩(下颌骨尤为明显),而萎缩的牙槽骨会让临床种植手术变得异常艰难。有研究报道,通过上调下颌骨牙槽突成骨细胞中OPG的表达,并进而抑制了RANKL的合成,降低了RANKL/OPG的比例后,可使骨密度增高、骨体积变大、骨小梁变厚,从而有利于牙槽嵴的修复及改建。种植体周围的骨吸收是影响种植体长期稳定性和成功率的主要因素。有研究显示,种植手术后7d可观察到无骨小梁的骨组织生成,通过免疫标记还可观测到RANK蛋白在成骨细胞和破骨细胞中的表达量均显著增加,随后RANK蛋白呈逐渐降低趋势;术后42d可观测到成熟的骨小梁,而RANK蛋白几乎不表达。与此同时,种植体周围软组织中的OPG mRNA和RANKL mRNA的表达量均增加,并于7d后达到峰值,此后逐渐降低,OPG/RANKL的mRNA比在种值术后前7d随时间而减小,之后再逐渐升高趋并于平衡。种植体在使用过程中常因骨质吸收而引起种植体的松动,从而影响种植体的使用。周文娟等通过压力装置对56只10周龄的雄性SD大鼠制作种植体松动模型,并经检测发现,通过注射由Fc-tag标记的OPG进行治疗的大鼠未出现真正意义上的破骨细胞和溶骨性损伤,提示,上调OPG的表达量可有效预防种植体松动。

 

种植体周围炎是影响种植体骨性结合的一种种植体周围软、硬组织的慢性进行性炎症。在骨吸收过程中,RANK及其配体RANKL被公认为是破骨细胞代谢的关键调节因子。Aspenberg等比较了RANK在种植体周围炎、牙周组织健康的种植体患者与牙周炎患者龈沟液中的浓度时发现,种植体周围炎患者龈沟液中RANK的浓度比牙周组织健康者的浓度高9倍,且显著高于牙周炎患者,同时还发现,RANK的浓度与牙周探诊深度和出血指数均呈正相关;由此可见,OPG/RANKL/RANK系统对种植体的成败及长期稳定均起着至关重要的作用。

 

3.4OPG/RANKL/RANK系统在正畸牙周组织中的表达

 

正畸过程中的牙齿移动是通过压力侧牙周韧带的吸收和张力侧骨形成来实现的。Makihira等研究发现,在未施加正畸力时,破骨细胞前体(RANKL+)主要在骨髓中表达;施加正畸力后,RANKL+和多核细胞在骨髓及牙周韧带中均急剧增加,且在牙周韧带的多样细胞(RABKL+)中均会有所增加,6d后恢复到原有水平。相对于青少年,成年人正畸治疗往往需要更长的时间,而且长时间的正畸治疗会有患龋倾向变大、牙龈萎缩、牙根吸收等弊端。因此,以OPG/RANKL/RANK系统为切入点改变正畸治疗进程,将会对正畸治疗(尤其是成人正畸治疗)起到很大的帮助。

 

4.小结

 

OPG/RANKL/RANK系统的发现及其在调节骨代谢方面的作用,是近年来骨生物学中的一个重大突破,并可使我们从一个全新的角度来认识口腔颌面部的一些重要生理活动、牙周治疗、正畸治疗以及种植治疗中生理性的改建及病理性的改变。因此,了解OPG/RANKL/RANK系统的调控机制,并使之成为预防牙周病中出现的牙槽骨吸收、调控正畸治疗的进程、预防正畸过程中出现的牙根吸收、防止种植体松动、延长种植体使用寿命等口腔临床问题的一个治疗靶点,具有重要的意义。