铁代谢异常对牙周炎作用的研究进展

    牙周炎(periodontitis)是由于牙菌斑引起的牙周支持组织慢性炎症，造成牙周支持组织损伤，牙周袋形成、附着丧失及牙槽骨吸收，进而导致牙齿松动、脱落。2017年公布的《第四次全国口腔健康流行病学调查报告》显示，我国居民35～44岁人群牙周健康率仅为9.1%，牙周袋≥4 mm检出率达96.7%。
    牙周炎的发病机制复杂。目前研究表明，局部和全身性氧化应激增加与牙周组织的炎症反应有关。氧化应激已被证实在牙周炎的发生发展中起着重要作用，而铁代谢异常能够导致氧化应激。当组织中和细胞内存在过量的铁时，会破坏氧化还原稳态，并催化活性氧(reactive oxygen species， ROS)的传播，从而导致氧化应激，加重组织破坏。
    此外，铁蛋白在人牙周膜(periodontal ligament， PDL)中含量丰富，铁蛋白在牙周炎组织样本中呈高表达，与炎症密切相关，可能是牙周炎患者的新生物标志物和有吸引力的治疗靶点。本文就铁代谢异常在牙周炎中发挥的重要作用进行综述，探讨铁代谢异常与牙周炎之间可能存在的联系。
     1.铁代谢异常与牙周炎
    1.1 铁代谢与氧化应激
    氧化应激为氧化剂和抗氧化剂分子之间的不平衡。铁是人体必需营养元素，是细胞中主要的催化剂，当细胞内的铁稳态被破坏时，能够促进氧化应激，导致ROS的产生。铁代谢稳态是通过铁运输、储存和调节蛋白来实现的。生理条件下，血浆铜蓝蛋白又称铁氧化酶(ceruloplasmin， CP)将血浆中的Fe2+氧化成Fe3+，Fe3+与转铁蛋白(transferrin， TF)/转铁蛋白受体1(transferrin receptor， TFR)复合物结合，并被运输至胞内。随后铁离子转移酶STEAP3(six-transmembrane epithelial antigen of the prostate)将其还原为Fe2+，通过膜铁转运蛋白(ferroportin， FPN)被运输至胞外。多余的铁被储存在铁蛋白(ferritin)中，这是一种由重链单位(ferritin heavy chain， FTH)和轻链单位(ferritin light chain， FTL)组成的大分子物质。
    溶酶体能够通过选择性吞噬作用降解铁蛋白将结合的铁释放到细胞质内不稳定的铁池(labile iron of pool， LIP)中，通过Fenton反应(fenton reaction)产生大量ROS，这个过程称为铁蛋白自噬(ferritinophagy)，是细胞中ROS的重要来源之一。ROS具有强氧化能力，高浓度的ROS能引发细胞氧化应激损伤。铁代谢和超氧化物代谢之间相互作用，特别是在病理条件下，能够相互促进对方的毒性。
    氧化应激引发了铁代谢异常，组织中和细胞内存在过量的铁，进一步破坏氧化还原稳态，并催化ROS的生成导致氧化应激，加重了细胞和组织的炎症。因此，铁代谢与氧化应激之间密切相关。
    1.2 铁代谢异常与牙周炎
    铁蛋白是炎症急性期反应物，它在慢性感染和炎症中呈高表达。通过比较牙周膜、牙龈组织、根尖乳头及牙髓中提取的铁蛋白mRNA表达发现：人牙周膜和牙龈组织中铁蛋白含量丰富，在靠近牙槽骨和牙骨质处的牙周膜中含量更丰富，并在牙周炎症组织中呈高表达。此外，慢性牙周炎患者血清、唾液和龈沟液中铁蛋白含量较健康对照组均升高。
    Huang等发现，牙龈卟啉单胞菌、白细胞介素-6(interleukin 6，IL-6)和肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)能够促进铁蛋白的表达，与此同时，铁蛋白进一步诱导人牙周膜干细胞中IL-6和白细胞介素-8(interleukin 8，IL-8)的产生。IL-6是一种来自宿主免疫系统的促炎细胞因子，可促进牙槽骨流失。
    IL-8是一种趋化家族的细胞因子，可以激活中性粒细胞、淋巴细胞和巨噬细胞。由此可见，牙周炎微环境能够上调铁蛋白的表达，而铁蛋白通过促进促炎因子的表达，进一步加重牙周组织的炎症反应。一项在绝经后妇女之间开展的研究发现，血清铁升高导致绝经后妇女更易患牙周炎，同时铁蛋白和转铁蛋白水平升高与牙周组织破坏加重有关，高血清铁蛋白水平增加了患中、重度牙周炎的风险。
    Guo等发现，牙周炎患者的血清铁蛋白和血清铁调素水平高于对照组，并且唾液铁蛋白和血清铁蛋白水平呈正相关，全身铁负荷可能可以参考唾液铁蛋白水平。以上研究结果均表明，牙周炎受到铁稳态的影响，牙周组织发生炎症引发铁代谢异常，铁代谢异常则进一步加重牙周组织炎症，而铁蛋白含量可能可以作为牙周炎患者的新的生物标志物。但唾液铁蛋白水平能否作为牙周炎患者炎症程度的参考指标还有待研究证实。
    1.3 牙周炎中的氧化应激与铁代谢异常
    牙周炎的发生与氧化应激之间的关系已被发现，炎症因宿主免疫反应而发展，产生过量ROS是导致牙周组织破坏的主要原因。据Irwandi等研究表明，与健康对照组相比，牙周炎患者的外周血中性粒细胞ROS水平升高，治疗后ROS水平降低。牙周炎患者的外周血中性粒细胞产生ROS的活性高于健康个体的中性粒细胞。一项临床研究结果显示，牙周炎患者的外周血中性粒细胞能产生更高活性的ROS。
    以上研究证实牙周炎病理过程与ROS之间密切相关。铁具有促进氧化应激潜力，能引发ROS的产生。有研究结果表明，牙龈卟啉单胞菌感染后增强了铁蛋白自噬，铁蛋白自噬导致牙周膜成纤维细胞内过量ROS积累，促进了牙周破坏。
    核受体共激活因子4(nuclear receptor coactivator 4，NCOA4)/FTH复合物将铁蛋白呈递给吞噬体，铁蛋白降解产生大量ROS，这是一种受到细胞内铁水平调节的选择性吞噬作用。当细胞处于缺铁条件下，铁蛋白降解补充细胞内游离铁含量，铁含量丰富时铁蛋白降解则会减少。Zhao等发现，铁蛋白自噬破坏了牙周膜成纤维细胞中铁稳态，引发ROS的积累，介导了牙周膜成纤维细胞的死亡和牙周组织的破坏。因此，铁代谢异常可能通过产生过量ROS参与了牙周炎发生发展过程。
    2.铁代谢异常与牙槽骨改建
    骨稳态的维持主要依赖于成骨细胞骨生成和破骨细胞骨吸收之间的平衡，铁代谢在骨稳态中有着重要作用，缺铁和超负荷都与低骨矿物质密度和脆弱性有关。而牙槽骨作为全身骨改建最活跃的部位，铁代谢异常对影响牙槽骨的改建的影响，可能是通过促进破骨细胞分化，并引发成骨细胞凋亡。通过给小鼠注射枸橼酸铁发现，小鼠血清铁蛋白、骨生成和骨吸收标志物、ROS水平显著上升，骨质破坏明显，这是由于铁积累产生过量ROS，刺激破骨细胞分化，加速骨质破坏。
    Zhang等通过构建成骨细胞铁超载模型发现：铁超载组细胞活力和成骨标志物水平明显降低，而细胞铁积累、铁蛋白、铁调素、ROS和凋亡的表达水平显著升高，表明铁超载扰乱了成骨细胞内铁稳态，引发成骨细胞氧化应激损伤，成骨细胞凋亡。牙周炎微环境为缺氧环境，破骨细胞在缺氧环境下细胞内NCOA4介导的铁蛋白自噬被抑制，ROS水平下降，破骨细胞免于死亡，加速了骨吸收。
    此外，在敲除超氧化物歧化酶1 (SOD1)小鼠模型中发现：SOD1缺乏引起ROS水平升高导致早期(2～4个月)小鼠下颌骨骨量增加，而小鼠长至6个月时，下颌骨估量显著减少。这表明ROS对牙槽骨可能具有双重作用，这种作用与ROS水平和发育阶段相关，但这是否与铁代谢相关联，仍有待进一步研究。但可以肯定的是，铁代谢异常导致的氧化应激参与破骨细胞分化和成骨细胞凋亡，破坏骨稳态，导致骨吸收。
    3.铁死亡与牙周炎
    铁死亡是Stockwell等人2012年发现的一种新型的不同于其他形式的细胞死亡方式，由依赖于细胞内铁及活性氧诱导脂质过氧化导致。铁代谢异常导致的氧化应激是铁死亡发生的必要条件，在炎症发展过程中起重要作用。铁蛋白自噬标志着铁死亡的发生，细胞内生成过量ROS导致脂质过氧化。
    由铁蛋白自噬引发的铁死亡对牙周炎有促进作用。Guo等首次证明了NCOA4介导的铁蛋白自噬参与了牙周炎发展过程，铁蛋白降解促进了人牙周膜成纤维细胞中ROS的产生。而抑制铁死亡，能够减轻牙周组织的炎症。此外，Wang等发现铁死亡对牙周炎的促进作用似乎受到基因的调控。总之，可以肯定的是铁死亡促进了牙周炎进展，并且可能与铁代谢异常引起的氧化应激有关。
    除此之外，我们还发现铁死亡的发生似乎与牙槽骨吸收破坏有关。铁死亡调控分子脂氧合酶(LOX)家族中的ALOX5和ALOX15B被证明能够调节破骨细胞形成，降低骨密度。铁死亡还通过Fenton反应产生大量ROS，抑制成骨细胞的活性和分化，促进破骨细胞的分化打破骨稳态。
    另外，Ni等发现缺氧能够促进破骨细胞分化和形成。铁死亡参与了RANKL诱导的破骨细胞分化，而缺氧条件下，铁蛋白自噬诱导的破骨细胞铁死亡被抑制，加速骨质流失。因此，铁死亡不但促进了牙周炎的发展，可能还参与了牙槽骨的破坏。
    4.小结
    综上所述，铁代谢异常能够引发氧化应激，产生过量ROS，导致细胞功能障碍，参与了牙周炎的发生发展。铁蛋白在牙周组织中含量丰富，同时在牙周炎组织中呈高表达。牙周炎患者的血清铁蛋白和血清铁调素水平高于对照组，并且唾液铁蛋白和血清铁蛋白水平呈正相关，因此唾液铁蛋白水平可能可以作为牙周炎患者的新生物标志物。牙周炎能引发铁代谢异常，造成大量ROS堆积，进而使牙周组织进一步破坏，铁蛋白自噬在其中发挥了重要作用。
    另外，铁代谢异常参与了骨改建，是造成牙槽骨吸收的重要原因之一。铁代谢异常是铁死亡发生的必要条件，铁死亡的发生伴随着脂质过氧化，对牙周炎有着促进作用。铁代谢异常可能是牙周炎患者的新的治疗靶点，而由铁代谢异常引发的细胞铁死亡，可能为牙周炎发生发展提供了新的研究思路。