张应力、Runx2表达与髁突发育

    骨性Ⅱ类错牙合畸形的发病率约为20%，临床上骨性Ⅱ类患者常伴有不同程度的下颌骨发育不足。髁突作为下颌骨生长发育中心，其生长发育直接影响下颌骨的发育，在髁突形成过程中最关键的功能细胞为髁突软骨细胞。对于下颌发育不足表现为下颌后缩的患者在生长发育高峰期前及高峰期时的早期矫治有一定促进作用，临床上常借助功能性矫治器如肌激动器、Twin-Block、Herbst等牵引下颌向前，以此方法促进髁突的发育，进而促进下颌的生长。
    软骨组织对其机械环境敏感，尤其是颞下颌关节的次级软骨，髁突软骨为继发性软骨，其生长发育既受到遗传因素的控制，还受到环境及功能因素的影响，下颌髁突软骨细胞（mandibular condylar chondrocyte，MCC）可以对周围环境应力、激素、pH 等刺激产生应答，转导相应信号，影响髁突组织中各种细胞的生物学活动，进而调控髁突发育的过程。
    Souki等对25例骨性Ⅱ类青春期患者采用Herbst治疗后，发现髁突骨改建反应明显增强，髁突水平向后生长，增长量为对照组的1.75倍。骨特异性转录因子2（runt-related transcription factor 2，Runx2）作为一种成骨分化特异性转录因子，对成骨细胞分化和软骨细胞骨形成、矿化和改建具有重要作用。
    1.张应力促进髁突软骨内成骨
    力学刺激在调节骨发育和骨生长方面起着重要的作用。机械应力是促进软骨细胞增殖、维持细胞分化和支持细胞外基质产生所必需的。机械应力刺激缺乏时，骨基质蛋白合成、矿物质含量和软骨形成均减少，而适当的力学刺激能诱导人和大鼠骨髓间充质干细胞成骨向分化，并增加骨钙素、骨桥蛋白、各型胶原mRNA 的表达。
    不论是生长发育期还是成熟期，髁突软骨都保留对机械刺激或下颌位置变化产生生长和重塑的能力，颞下颌关节可通过适应性重塑形成更厚的软骨来适应应力作用。动态机械负荷是下颌骨生长和颞下颌关节软骨稳态的重要刺激因素。有研究对比Herbst矫治器治疗前后髁突与关节的位置不会发生改变，但髁突长度增加了1.5mm。
    以往研究对压应力影响软骨细胞超过代谢研究较多，如压应力诱导髁突软骨细胞分泌促破骨因子等，而针对张应力对髁突软骨作用的研究较少。Raf-1激酶抑制剂蛋白（RKIP）作为ERK信号传导的内源性抑制分子，其参与应激诱导的软骨反应，研究表明下颌髁突软骨细胞受到循环张应力后各层髁软骨的厚度均显著增加，RKIP表达也在成熟软骨层中增加，此外张应力还可以促进细胞外基质形成和软骨标记物表达。
    有学者对于张应力作用时间、频率及应力大小对于软骨细胞的作用研究证实，不同的张应力作用时间、频率及不同的张应力大小对于软骨细胞的增殖和分化具有不同影响。宋锦璘等研究表明5kPa的静张应力较10kPa的应力具有更大的促进髁突软骨细胞增殖的作用。不同频率的张应力刺激对于软骨细胞的增殖影响也不同，有研究认为较高频率的张应力刺激对于软骨细胞胶原及蛋白多糖的合成具有更大的促进作用。
    研究表明0.5Hz和1Hz作用下，髁突软骨细胞中的Runx2基因表达明显高于未加力组及静态组。10%的径向拉伸刺激是诱导骨髓间充质干细胞分化为颞下颌关节（TMJ）椎间盘纤维软骨细胞的最佳强度，但同样有研究认为过大的机械应力（如20%形变）会导致大鼠下颌髁突软骨出现骨关节炎（OA）样病理变化，包括软骨变薄，凋亡细胞数量增加，内质网应激（ERS）标志物的表达也得到增强。循环拉伸诱导软骨细胞中Bmp-2/Bmp-4比率增加30倍。
    2. Runx2与髁突软骨内成骨
    Runx2是一种成骨分化特异性转录因子，是调控骨形成的关键因子，在近端启动子区域内直接与其经典的顺式调控元件TGTGGT（ACCACA）结合，并控制许多有助于成骨的miRNA的转录，在促进软骨细胞成熟的同时触发骨基质蛋白的形成，并维持软骨细胞在成熟的状态而不发生进一步分化，促进软骨内骨的形成和抑制骨吸收。
    Runx2是成骨向分化和软骨内成骨所必需的特异性转录调节因子，基因突变和缺失可导致骨发育障碍，影响膜内成骨及软骨成骨。Runx2能上调骨髓间充质干细胞、软骨细胞、成骨细胞的胞外基质合成，加速细胞增殖分化，促进合成代谢及成骨反应。
    Runx2对成骨细胞分化和软骨细胞成熟至关重要。在成骨细胞分化过程中，Runx2在未定型间充质细胞中弱表达，在前成骨细胞中表达上调，在未成熟成骨细胞中达到最高水平，在成熟成骨细胞中表达下调，在软骨细胞中，Runx2在静息软骨细胞中弱表达，在肥大前软骨细胞中表达上调，这种上调的表达一直维持到终末肥大软骨细胞。
    髁突软骨内骨化过程是髁突生长发育的重要生理表现，而髁突软骨细胞肥大变性是软骨内骨化的必需步骤。Runx2可表达于髁突软骨内成骨过程中，在髁突软骨细胞、前肥大软骨细胞、肥大软骨细胞的胞核与胞质中均可检测到Runx2蛋白的高度表达。此外，Runx2还在血管侵入髁突软骨过程中发挥作用，能刺激肥大软骨细胞分泌VEGF，诱导血管侵入，从而促进髁突软骨内骨化过程。
    Runx2基因敲除小鼠髁突软骨细胞的肥大化受到严重影响，表达Ⅱ型胶原的肥大软骨细胞数量明显减少，并且小鼠髁突软骨内很难见到血管侵入，整个髁突骨骼是由软骨构成的。出生后软骨细胞中Runx2缺乏导致髁突组织，包括肥大软骨细胞丢失和肥大区减少、增殖软骨细胞减少和软骨基质产生减少。在髁突表达部位方面，Runx2的表达在髁突前部、后部比髁突上部多，而且Runx2在前软骨细胞层的信号强度比肥大层要高。
    3.张应力、Runx2基因表达与髁突成骨
    张应力改变关节内的力学环境，髁突软骨感知力学刺激并将其转化为生化信号，信号传递至髁突软骨细胞，通过细胞内信号链进一步发送至下游蛋白的信号传递途径，调控Runx2基因表达，进而介导髁突的生长发育。研究表明周期性张应力作用于软骨细胞可以上调Runx2、基质金属蛋白酶等表达，加快软骨细胞分化及肥大化。
    在髁突软骨内骨形成过程中，生长的软骨被骨骼系统性取代以形成生长的骨，软骨细胞的肥大受到Runx2的正调节，从而激活Χ型胶原等表达，Runx2通过反馈回路中的印度刺猬因子（Ihh）和甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）等软骨细胞分化的关键因素紧密调节软骨内骨形成，在各种细胞内和细胞外环境刺激下，Runx2受到伴随结构变化的连续翻译后修饰的调节，最终对Runx2功能产生积极或消极的影响。IHH 是软骨细胞中BMP通路的直接目标，是软骨内骨形成的中枢调节剂，还有证据表明，Ihh通过激活Wnt信号通路来控制从软骨细胞到骨细胞的细胞转分化。
    Runx2基因表达被认为是张应力在软骨细胞内作用的终点，随后即诱导软骨发育和软骨内成骨过程。有研究发现张应力刺激0.5h后BMSCs中Runx2mRNA表达明显增加，3h后Runx2蛋白开始明显增加。后续还有研究发现生理范围内的张应力可以显著增加软骨细胞Runx2蛋白的表达，超生理范围5000με的张应力变则会显著降低Runx2蛋白的表达。有研究发现前导下颌后，实验组髁突软骨Runx2基因的表达在第7、14、28天高于对照组，提示Runx2可能参与了下颌前导后髁突软骨内成骨的生长改建过程。
    目前研究发现有多条信号通路参与力学信号向生物学信号的转化，在大鼠BMSCs中张应力可以激活MAPK、BMP/Smads、ERK、FGF、TGF-β信号通路，形成复杂的分子调控网络，调控Runx2基因表达并使Runx2磷酸化。
    这些研究揭示张应力可以通过多种重要的信号通路和细胞因子来调节软骨发育和软骨生长，包括经典的Wnt信号通路、ERK/JNK/MAPK信号通路等，但其分子作用机制和分子调控网络非常复杂，目前尚未彻底清晰，需要进一步研究。未来影响Runx2基因表达的相关细胞因子和信号转导通路进一步明确，将会对髁突及下颌骨发育畸形的诊疗产生深远的影响。