缺氧诱导因子在牙周骨组织修复中的作用

    牙周组织是围绕牙齿的一个复杂的功能性整体，包括牙槽骨，牙周韧带和牙骨质等。牙槽骨由上颌骨和下颌骨的牙槽突组成，通过牙周韧带纤维将牙齿固定在牙槽窝内，是牙列和周围牙周组织的主要基础，对于维持牙齿的存在和保护牙齿功能的正常运行起到重要的作用。
    牙周病是一种能够影响所有牙齿支持组织的进行性炎症性疾病。在牙周炎患者的口腔内可以观察到牙龈炎症、牙根表面上皮附着体的根尖移动，并伴有结缔组织和牙槽骨的丢失。牙周骨缺损是牙齿脱落的主要原因，因此抑制骨吸收，促进根尖周牙槽骨再生是牙周病后的牙周组织修复和再生的关键目标。
    有研究报道缺氧诱导因子在修复期间血管生成和骨形成过程中有重要的调节作用，并且牙周骨组织的骨髓部分是处于相对缺氧的环境中（氧浓度远低于1%）。因此缺氧和牙周组织骨修复的相关研究在口腔领域引起广泛的关注。
    1.缺氧诱导因子的结构
    缺氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）是一种由氧不稳定α亚基（HIFα）和稳定β亚基（HIFβ）组成的异二聚体转录因子，在诱导细胞对缺氧的反应中发挥关键作用。
在正常氧浓度下，HIF会被快速的降解，缺氧环境能够干扰此种转录因子的降解，这是因为氧浓度可以抑制其α亚基的羟化反应，α亚基被稳定转移到细胞核与β亚基异二聚结合，然后与HIF靶基因调控元件的特定区域结合从而调控相关基因的转录和表达。
    HIFs包括HIF-1α和HIF-2α，尽管两者结构相似，但HIF-1α只能存在于缺氧条件下，HIF-2α可在常氧条件下累积。HIF-2α的累积会在一定程度上影响骨的重塑，从而促进骨质疏松和关节炎等病理状态的发生。
    2.牙周骨组织的修复
    牙周骨组织修复是一个动态的过程，需要不断的骨重塑以满足骨的功能和结构需要。成骨细胞、破骨细胞和骨细胞是骨组织中主要的细胞组成。成骨细胞来源于间充质细胞，在骨形成过程中，成骨细胞分泌的I型胶原是骨细胞外基质中最常见的有机成分，可以限制裂纹的形成和扩展，从而维持骨的拉伸延展性和断裂强度。
    破骨细胞来源于单核细胞，是唯一负责吸收矿化骨的细胞。牙齿周围病变部位骨组织的吸收和重塑是成骨细胞和破骨细胞相互作用而达成的复杂平衡的结果。骨细胞占骨组织内细胞含量的90%以上，骨细胞不仅可以通过分泌骨硬化蛋白（sclerostin，Sost）与成骨细胞作用，还通过分泌核因子κB受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-kappa B ligand，RANKL）和骨保护素（osteoprotegerin，OPG）来调节破骨细胞活性，发挥潜在的骨形成调节作用。
    骨细胞也可以通过骨陷窝周围重塑影响骨的整体孔隙度和矿化物的质量。同时，骨细胞在促血管的生成和骨折愈合相关领域也展现出较高的潜能。此外，牙周韧带中的牙周韧带干细胞（periodontal ligament stem cells，PDLSCs）在特定的条件下可以分化为成骨细胞，成牙骨质样细胞和成纤维细胞，在体内具有形成牙骨质-牙周韧带样组织的潜能。
    3.缺氧诱导因子对牙周骨组织修复的影响
    3.1缺氧诱导因子和骨相关细胞的相互作用
    骨修复是成骨细胞、破骨细胞、骨细胞以及其他关键细胞和细胞因子共同参与和相互作用的过程。而缺氧诱导因子能通过调节多种蛋白和信号通路参与骨生成、骨吸收以及骨内血管的生成，从而影响病损区的骨组织修复过程。
    体外实验证明缺氧条件较常氧条件更有利于人的成骨细胞系hFOB1.19的生长和繁殖。特异性敲除破骨细胞的HIF-1α可以通过下调耦合因子心肌营养素-1（cardiotrophin-1，CT-1）的表达量来影响骨髓间充质干细胞（bone mesenchymal stem cell，BMSCs）的成骨向分化，从而使得小鼠的骨愈合时间和愈合能力较正常小鼠差。
    再者，缺氧的环境下，HIF-1α可以促进破骨细胞的生成和骨的吸收。破骨细胞HIF-1α特敲的小鼠下颌髁突严重变形，长度缩短，并且伴随纤维软骨紊乱。这是因为破骨细胞中HIF-1α可以通过腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）信号传导维持软骨下破骨细胞形成和钙化，软骨基质再吸收，同时对于维持骨髓中血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）依赖性血管生成也发挥重要的作用。
    HIF-1α基因敲除导致软骨下破骨细胞缺乏，影响软骨基质的吸收，软骨下骨密度增高，并且VEGF表达下降，血管数量减少。近年来，过表达HIF-1α的骨髓间充质干细胞和胶原蛋白支架的联合使用被证明具有促进髁突软骨的软骨修复，抑制颞下颌关节髁突软骨缺损部软骨下骨硬化，其效果优于单独使用骨髓间充质干细胞或者胶原蛋白支架。HIF-2α的沉积是病理性骨异常的另一重要影响因素。
    老年骨组织一般伴随着骨质疏松症，HIF-2α的表达增加。而HIF-2α缺失的雄性老年小鼠可以通过增加成骨细胞数量，减少破骨细胞数量来降低年龄诱导的骨丢失。相似的现象也可以在HIF-2α缺乏的卵巢切除术小鼠组织中观察到。这是因为HIF-2α可以直接与Twist2的启动子区结合，增加TWIST2蛋白表达，下调骨钙素（osteocalcin，OCN）和Runt相关转录因子2（Runt-related transcription factor 2，RUNX2），从而抑制成骨细胞分化。
    HIF-2α还可以通过影响颅骨前成骨细胞分化过程中RANKL转录水平，RANKL与OPG比值来促进成骨细胞介导的破骨细胞分化。除此之外，也可以直接通过调节肿瘤坏死因子受体6（tumor necrosis factor receptor 6，TRAF6）刺激RANKL诱导的破骨细胞形成。
    骨细胞作为骨骼组织中最丰富的细胞类型，其分泌的必需蛋白成纤维细胞生长因子23（fibroblast growth factor 23，FGF23）对于维持磷酸盐稳态和骨骼健康至关重要。缺氧可以通过上调FGF23的表达促进骨细胞中促血管生成基因VEGF-a的表达和分泌。增加的血管形成和内皮细胞迁移可以进一步促进骨的形成。因此，当骨细胞氧传感器脯氨酸羟化酶（proline hydroxylase，PHD）的缺失，HIF-1α信号明显增强时，将出现高骨量表型，这是由骨硬化蛋白的降低，骨形成增加和骨吸收减少引起的。
    BMSCs和PDLSCs是牙周组织中较为常见的具有多向分化潜能的干细胞。有研究报道，HIF-1α的表达可调控BMSCs的成骨及成血管能力。同时，也可以通过激活MARK/ERK和p38MAPK信号通路促进人牙周膜韧带干细胞的增殖，增强其分化为成骨细胞的潜能。这一点可以通过明显增高的成骨相关ALP，RUNX2，OCN以及OPN等的mRNA和蛋白表达量得到证实。
    3.2缺氧诱导因子在骨血管生成过程中的潜能
    血管生成和成骨联系紧密，骨血管系统对于维持骨稳态起重要作用。血管系统除了提供骨相关细胞以氧气和营养物质，对牙周骨组织的重塑和修复至关重要。缺氧诱导因子HIFs是血管生成-成骨级联反应的起始所必需的，缺乏HIF-1β基因的小鼠胚胎干细胞在体外形成造血细胞的能力受损。
    研究表明缺乏Hif-2α基因的小鼠表现出全血细胞减少。而过表达HIF-1α可促进内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs）的增殖和分化。骨修复过程处于低氧的环境中，缺氧引起的HIF-1α的高表达会促进骨组织VEGF的表达，增加血管的生成，通过进一步调节RUNX2表达使骨修复向有利于成骨的方面进行。
    4.缺氧诱导因子对牙周组织修复领域的未来前景
    综上所述，缺氧诱导因子不仅可以直接与骨组织中的细胞相互作用来促进牙周病损区骨组织的修复，还可以通过诱导骨血管生成间接达到增加骨生成的效果。但是生理状态下的低氧诱导因子在常氧条件下易降解，这使得低氧诱导因子在骨组织再生领域的应用受到限制。因此，缺氧诱导因子在常氧条件下的持续高表达是推动缺氧诱导因子的广泛应用的一个关键问题。
    现研究人员对HIF-1α亚基功能区（CDS区）的402、564和803三个氨基酸位点进行了基因工程改造，使其突变为丙氨酸。突变的HIF-1α能在常氧条件下维持细胞内有效的表达，并且体内实验结果证实突变的HIF-1α的骨髓间充质干细胞（BMSC-HIF-1α）能有效促进血管生成。
    另外，在牙周骨组织缺损的治疗方面，骨再生和骨传导、骨诱导一起成为三大主要的治疗方案。其中直接将重要的细胞或细胞因子转移到骨组织缺损部位是骨再生治疗常用的方式。然而，简单地将干细胞转移到骨再生的目的部位缺乏理想的治疗效果。
    近年来，生物活性材料与干细胞，细胞产物的结合应用为促进牙槽骨缺损的修复提供了新的策略。β磷酸三钙（beta-tricalcium phosphate，β-TCP）是一种具有良好的生物活性和组织相容性的支架材料，将载有突变HIF-1α的骨髓间充质干细胞的外泌体（BMSC-Exos-HIF-1α）的β磷酸三钙支架植入大鼠颅骨缺损部位，可显著促进骨缺损的新骨形成和新生血管生成。
    另外，甲磺酸去铁胺，作为一种被广泛运用的模拟缺氧的药物，其和电纺人工骨膜的结合可以通过TGF-β1/Smad2信号通路增加人间充质干细胞（human mesenchymal stem cells，hMSCs）和鼠成骨细胞系（MC3T3-E1）ALP活性、钙沉积和其他成骨相关标志物的表达，较大地提升的它们成骨向分化的能力，从而进一步来促进骨的生成。
    为降低甲磺酸去铁胺的降解速率，保证持续的缺氧环境，现有研究将甲磺酸去铁胺和纳米材料联合应用以维持人脂肪间充质干细胞HIF-1α的高表达，为VEGF的表达和内源性缺氧介导的血管生成提供良好的条件，同时促进人脂肪间充质干细胞的成骨分化来增加新骨的形成。因此，生物活性材料，干细胞，缺氧诱导因子三者的联合使用为牙周骨组织的修复提供了新的思路。