对正畸诱导性牙根吸收生物层面的认识

    正畸诱导的局部无菌性炎症是正畸牙齿移动的生理性基础，然而在牙齿移动过程中也难以避免地发生一定程度的牙根吸收。正畸诱导性牙根吸收（orthodontically induced root resorption，OIRR）是正畸矫治力引发的以牙骨质等牙体组织破坏为主要特征的常见并发症之一，由于其发病率高、潜在影响患者牙周组织健康，因此被正畸医生高度重视。
    据统计，高达90%的正畸治疗中牙齿有一定程度的牙根外吸收，其中约4%的病例表现较为严重，根尖吸收超过4 mm。在正畸矫治力的作用下，牙周局部组织处于无菌性炎症状态，牙周膜及牙槽骨会根据矫治力的不同发生生物改建。然而，尽管在许多方面牙骨质与骨组织相似，但牙骨质中的腔隙网络不如骨组织发达，且缺乏神经、血管支配，因此牙骨质改建的能力不及牙槽骨，且再生能力也相对不足，最终导致在牙齿移动过程中发生浅表的根尖牙骨质吸收，或者进一步发展到更加严重的牙本质吸收。
    正畸诱导性牙根吸收的严重程度受到了诸多因素的影响，包括激素水平、相关细胞因子基因的表达水平、矫治力的大小、施力方式以及其他局部解剖因素；其具体的生物机制受到了多种分子及细胞的复杂调控。本文着重于对正畸诱导性牙根吸收的进展过程、主要参与细胞的作用、影响牙根吸收的相关分子以及牙骨质修复过程进行初步探讨。
    1.正畸诱导性牙根吸收进展过程
    在正畸牙移动的过程中，压力侧往往因机械力的作用发生局部组织坏死。有研究表明正畸诱导的牙根吸收与正畸力导致的坏死组织的去除存在联系。Brudvik等认为，正畸诱导的牙根吸收往往是吞噬细胞在清理坏死组织时造成正常组织损伤的负面效应。最初参与这种坏死组织去除的细胞是单核细胞，Brudvik和Rygh的研究发现除了单核巨噬细胞样细胞外，没有皱褶缘的多核抗酒石酸酸性磷酸酶（tartrate-resistant acid phosphatase，TRAP）阳性细胞也参与了透明化组织的去除。
    这些细胞可能是早期未完全分化的破骨细胞或破牙细胞（即前破骨细胞），并可能在引入新的机械力刺激后，它们会在一定时间内分化成完全成熟的破骨细胞或破牙细胞。在透明化组织的下方牙根表面的根吸收区域中可观察到入侵的细胞，其主要为参与去除坏死组织和牙根表面吸收的多核的和TRAP阳性的细胞。
    因此，推测多核 TRAP 阳性细胞在去除坏死组织后到达下方受损的牙根表面时，会继续去除牙骨质表面从而造成了牙根的吸收。有学者通过动物实验揭示了参与牙根吸收的细胞出现的时间，首先是巨噬细胞样细胞在施加矫治力6 h后吞噬牙周韧带中的坏死组织，24 h后会在靠近透明化组织的根表面附近吞噬清理坏死的组织。
    成纤维细胞样细胞在24 h后可能通过吞噬和胶原降解活性在透明化区附近破坏前牙骨质。24 h后，在距离根面一定距离的牙周韧带内出现了无皱褶缘多核细胞，在5 d的时间里偶见带皱褶缘的多核细胞在矿化的牙根表面出现。
    在矫治力施加3 d后，矿化的牙骨质表面还会出现单核细胞，以去除牙骨质的矿化表层。此外，有学者通过扫描电镜观察到3种不同形态特征的根吸收结构：独立的小陷窝、宽而浅的吸收区、深吸收陷窝。在独立的小陷窝、宽而浅的吸收区中可见单核巨噬细胞样细胞，深吸收陷窝往往由宽浅的吸收区延续而来，在深吸收陷窝中主要为多核的破骨细胞样细胞。
    这些研究都提示不同类型的细胞具有不同的吸收潜能，它们在连续的根吸收过程中参与了不同的吸收阶段。没有皱褶缘的多核细胞以及单核巨噬细胞样细胞负责去除坏死组织以及吸收牙骨质表面部分。在坏死组织的残余物附近未观察到具有褶皱缘的多核破骨细胞样细胞，此类细胞仅在牙根和骨表面的吸收陷窝中发现。
    2.巨噬细胞和破骨细胞
    在不同结构的牙根吸收陷窝中，巨噬细胞和破骨细胞有各自的分布特点，这也提示了两者均为牙根吸收的关键性细胞，因此本文着重探讨两者在OIRR中的具体作用。现有的文献已证明，巨噬细胞在正畸牙根吸收的过程中发挥了重要的作用。巨噬细胞主要有两种分型，即促进炎症的M1型和抑制炎症的M2型。然而，M1型与M2型细胞数量的比例与正畸治疗中的牙根吸收密切相关。M1/M2型两者之间的转化受到了细胞信号通路的精密调控，以维持局部组织的生物代谢。
    M1巨噬细胞由Th1细胞因子如干扰素-γ（INF-γ）激活，而M2 巨噬细胞由Th2 细胞因子白细胞介素-4（IL-4）等因子调节。He等指出，在正畸矫治力的作用下，牙周组织的压力侧中M1型巨噬细胞比例增高，且在局部组织中发现M1 型激活因子INF-γ及M1 型相关促炎因子TNF-α表达升高。然而，在正畸矫治力移除数天后，可见M2型巨噬细胞比例增高，同时M2型相关因子IL-4及IL-10的表达增高。
    当结合牙根吸收情况来看时，结果提示根吸收损伤往往伴随着CD68+ iNOS + M1型巨噬细胞的增加以及INF-γ和TNF-α的上调，当正畸力解除后，牙根吸收明显减少，同时也伴随了CD68+ CD163+ M2型巨噬细胞数量的增加。因此，可知M1型巨噬细胞可能在正畸诱导性牙根吸收中起到促进作用，M2型巨噬细胞则与之相反。
    M1/M2的比率影响着正畸治疗中牙根吸收的程度，其可能的机制是M1型巨噬细胞通过分泌促炎细胞因子（如TNF-α）、上调一氧化氮的产生，促进局部炎症反应，而M2型巨噬细胞往往通过IL-10和精氨酸酶Ⅰ的分泌来发挥抑制炎症的作用，这些因子往往直接或间接地对破骨细胞的分化成熟起到调节作用。已有动物实验发现在对大鼠全身注射TNF-α抑制剂依那西普及IL-10后，M1/M2巨噬细胞比例降低且牙根吸收程度也明显降低，这些结果反映了巨噬细胞对牙根吸收的调控至少在一定程度上是通过分泌细胞因子调控周围微环境或破骨细胞功能活性来实现的。
    破骨细胞与巨噬细胞有相同的细胞来源，源于造血干细胞，而两种细胞分化的调节过程有明显的区别。OIRR中分化成熟的破骨细胞主要位于牙根吸收陷窝的深处，其分化主要有4个阶段：（1）早期分化阶段，即造血干细胞分化为向特定细胞类型分化的造血祖细胞；（2）造血祖细胞向破骨细胞前体分化；（3）破骨细胞前体向TRAP阳性的单核前破骨细胞分化；（4）破骨细胞融合成多核的破骨细胞。
    破骨细胞的分化是一个连续、精密受控的过程，早期的研究发现采用巨噬细胞集落刺激因子（macrophagecolony-stimulating factor，M-CSF）与核因子（NF）-κB受体活化因子配体（receptor activator for nuclear factor-κ B ligan d，RANKL）共同培养骨髓细胞一定时间后可分离得到破骨细胞祖细胞，其中M-CSF主要诱导细胞发育为单核-吞噬细胞，并激活单核-吞噬细胞，而RANKL可以进一步促进其向破骨细胞分化。
    RANKL可由成骨细胞、骨细胞、T细胞等分泌，当与破骨细胞表面的RANK结合后激活胞内的信号转导因子使破骨细胞表达特异性基因，增强成熟破骨细胞执行骨吸收的能力以及维持破骨细胞的存活。TRAF6 为破骨细胞内转导RANKL/RANK信号的关键分子，负责激活下游多条破骨细胞相关的信号通路其中包括NFATc1信号通路、NF-κB 信号通路、AP-1 信号通路等。
    RANKL的表达受到多种细胞因子的调控，如IL-1、IL-6、TNF-α以及相关激素等，这些因子往往在正畸矫治力施加后被大量释放，然后通过诱导成骨细胞、骨细胞等表达RANKL以促进对牙根/骨组织的破坏。骨保护素（osteoprotegerin，OPG）是RANKL的诱饵受体，可竞争性地拮抗RANK 与RANKL的结合以抑制破骨细胞功能活性，降低牙根/骨组织的吸收。
    破骨细胞吸收状态时具有与功能紧密相关的4种不同的结构，包括皱褶缘、封闭带、基侧膜及功能分泌结构域。活化的破骨细胞/破牙细胞附着在矿物基质上，形成一个封闭区，并采用极化形态，胞内蛋白酶等分子由皱褶缘向封闭带分泌，启动羟基磷灰石溶解、有机基质的降解，降解产物从吸收陷窝中移除，最后破骨细胞凋亡或迁移到新的位点进行骨吸收。
    羟基磷灰石在溶解前首先要进行酸化，目前认为皱褶缘向吸收陷窝定向分泌盐酸以达到对矿物质的溶解。质子和碳酸氢根离子通过碳水合酶Ⅱ催化的二氧化碳水合作用产生，酸性小泡与皱褶缘一经融合，质子便会通过质子泵（V-ATPase）由细胞质运输到吸收陷窝中，对环境进行酸化，为保持电中性，氯离子也会被运输。在矿物质溶解后，牙根中有机基质的降解随后发生。组织蛋白酶K 及MMP-9在破骨细胞中表达丰富，并运送至骨吸收陷窝对封闭区的蛋白进行水解，破坏牙骨质等牙体硬组织，造成牙根吸收。
    3.调控正畸诱导性牙根吸收的相关因子
    在正畸矫治力的作用下，牙周组织局部微环境发生变化，其中炎症因子、激素等参与调控牙根吸收的程度。正畸牙齿移动的早期阶段以牙周血管扩张以及白细胞迁移出毛细血管为特征的急性炎症反应。这些炎症反应源于牙周组织细胞及迁移而来的免疫细胞释放的促炎细胞因子的生物学活性。这些细胞所释放的细胞因子又可以进一步诱导靶细胞合成和分泌多种促炎介质，包括前列腺素、生长因子和细胞因子等，本文将选择具有代表性的细胞因子进行讨论。
    前列腺素E2（prostaglandinE2，PGE2）为花生四烯酸级联的衍生物之一，能够通过引起血管通透性和趋化特性的增加而起到血管扩张的作用。PGE2在牙周组织及龈沟液中的水平与牙周组织的破坏高度相关，已有研究指出其可以通过上调RANKL 的表达促进破骨细胞的形成而增加骨组织的吸收。
    在正畸牙齿移动的过程中，PGE2在牙周膜及牙槽骨中的表达量显著增加，有学者通过动物实验研究发现局部注射PGE2可以增加正畸诱导性牙根吸收，同时也加速了牙齿的移动速率。TNF-α作为经典的促炎细胞因子，参与多种炎症性疾病，包括类风湿关节炎、炎症性肠病和牙周炎等。
    研究发现，在正畸诱导的牙根吸收的陷窝内存在大量的TNF-α，TNF-α对牙根吸收的影响可能不仅通过促进破骨细胞前体向破骨细胞分化还可以通过抑制成牙骨质细胞的分化、矿化以及促进凋亡来产生。有学者还指出当采用抗TNF-α处理时可降低RANKL/OPG 的比例以促进炎症环境下的骨组织代谢。此外，在正畸诱导的牙根吸收的陷窝内IL-1的表达水平也显著升高。
    IL-1往往由巨噬细胞和中性粒细胞产生，在牙周炎及牙龈炎中表达显著升高，其往往通过促进破骨细胞的形成、存活和功能活性参与各种病理条件下骨组织的丧失。Jules等的研究显示，单独的 IL-1 不能在骨髓间充质干细胞中诱导活化T细胞胞质1（NFATc1） 核因子的表达，但可以在RANKL存在或RANKL预处理后上调其表达，从而促进了破骨细胞的分化。
    IL-17及IL-34也被报道与正畸诱导性牙根吸收有关，由T 细胞在受到压应力时分泌，牙周组织的压力侧及根吸收处可见IL-17与IL-34增多，其不仅可以刺激牙周组织相关细胞分泌IL-6等因子，还可以直接参与破骨细胞前体细胞的成熟促进牙根吸收。
    趋化因子CXC配体12（CXCL12）也被报道参与了正畸诱导性牙根吸收的调控。动物实验结果显示CXCL12及其受体CXCR4在牙齿受力后随牙根吸收的进行于牙周膜中表达不断升高，体外研究结果显示牙周膜细胞在机械力的刺激后表达上升。
    CXCL12/CXCR4信号通路对正畸诱导性牙根吸收的调控主要是通过促进M1型巨噬细胞的极化，上调M1/M2型巨噬细胞的比例来实现的。在牙周组织微环境中还存在一些细胞因子对牙根的吸收起到了抑制作用。例如，具有抑炎作用的白细胞介素-4（IL-4），它是一种由活化的T 淋巴细胞、嗜酸性粒细胞和嗜碱性粒细胞分泌的多效性细胞因子，是调节淋巴细胞和巨噬细胞功能的体液和适应性免疫的关键调节剂。
    有研究表明在IL-4处理的小鼠中，牙齿移动的量和破骨细胞的数量显著降低，同时，IL-4显著抑制正畸诱导的牙根吸收。IL-4发挥此作用的机制往往依赖于抑制RNAKL和TNF-α诱导的破骨细胞形成的过程。IL-12是一种促炎细胞因子，主要由吞噬细胞和树突状细胞产生。它诱导幼稚CD4+T细胞发育成辅助性T细胞1（Th1），并进一步诱导 Th1 细胞产生干扰素（IFN）-γ。
    据报道，IL-12与骨吸收的抑制有关，其不仅抑制机械力诱导的牙齿移动，而且在正畸牙齿移动过程中抑制牙根吸收。这些发现可能是由IL-12诱导的细胞凋亡引起的。由此可以看出牙齿移动会有多种细胞因子局部表达，共同对牙根的吸收产生了影响，目前研究所了解的相关因子多数均为通过直接或间接调控破骨细胞的功能活性来影响牙根的吸收程度。
    4.牙骨质的修复
    破骨细胞/破牙细胞在正畸矫治力移除后发生凋亡，从骨吸收陷窝消失。牙骨质作为牙根的外层硬组织，大概从正畸矫治力移除2周后便开始修复，修复可从骨吸收陷窝的周边、底部等多个位置开始。早期的牙骨质修复中，来自牙周膜的成纤维细胞样细胞分泌非胶原蛋白，如OPN、BSP等，这些蛋白充填于骨吸收陷窝残留的胶原结构内。
    成牙骨质细胞在牙根修复的过程中同样发挥了重要的作用，其不仅可以通过分泌胶原纤维与原残留的胶原纤维混合形成类牙骨质基质，还可以通过细胞的矿化过程产生羟基磷灰石晶体形成有细胞固有纤维牙骨质。在牙骨质的修复过程中，牙骨质吸收区的细胞外基质蛋白如纤连蛋白、骨桥蛋白以及骨钙素会招募成牙骨质细胞前体到牙根表面并参与成牙骨质细胞的粘附、增殖和分化等。
    此外，一些局部的生长因子，如胰岛素样生长因子（IGF）-1、成纤维细胞生长因子（FGF）、表皮生长因子（EGF）、骨形态发生蛋白（BMP） 和转化生长因子（TGF） 在成牙骨质细胞前体分化和成牙骨质细胞增殖中也发挥着重要作用，可进一步促进牙骨质形成。BMPs是转化生长因子-β超家族的成员，在矿化组织中维持了高水平的表达。BMPs通过依赖Smad分子途径和不依赖Smad分子途径向细胞内进行信号转导，通过与各种转录因子相互作用调节靶基因的表达。
    BMPs 能够通过成牙骨质细胞的细胞外基质形成、矿化和 Sharpey 纤维的再生来诱导新的牙骨质。此外，BMPs信号通路可靶向调控Runx2 的表达参与矿化组织的形成。Runx2为成骨和成牙骨质基因表达的重要转录因子，参与调控ALP、Ⅰ型胶原蛋白、骨钙素和骨桥蛋白等基因的转录，这些基因介导成骨/成牙骨质的分化。Runx 2不仅由成骨细胞表达，而且吸收腔内形成修复性牙骨质的细胞也可表达。
    Osterix与Runx 2相似，也是骨质和牙骨质形成所必需的另一种转录因子，它正向调节编码骨桥蛋白、骨钙素和骨唾液蛋白的基因表达及其编码蛋白的水平，在牙骨质的生成中起到重要作用。值得注意的是，当受到机械刺激时，骨细胞和牙骨质细胞表现出不同的关键反应：前者诱导和增加RANKL 表达，后者显著增加OPG并显著降低RANKL；牙骨质细胞中较高的OPG/RANKL比率表明，相较于骨组织，牙骨质可能对吸收或重塑有更多的保护作用。
    5.总结
    综上所述，正畸诱导性牙根吸收往往是由于正畸力所致的局部无菌性炎症反应所引发的临床常见并发症，其发生过程也被认为是吞噬细胞在清理坏死组织时造成正常组织损伤的负面效应。在牙根吸收的过程中巨噬细胞及破骨细胞发挥了重要的功能，局部牙周组织中的多种细胞因子也起到了调控作用。由于在牙齿移动过程中，炎症反应与坏死组织的清除是牙周膜与牙槽骨改建的必然过程，因此对既可以有效预防牙根吸收又可以不影响牙齿移动速率的治疗策略仍需探索。