正畸牙齿移动（OTM）的目的是通过在牙齿上施加外力（“正畸力”）来对齐错位的牙齿，从而刺激骨骼重塑。人牙周韧带（hPDL）及其所含细胞位于牙齿和牙槽骨之间，在生理、病理和治疗条件下（例如正畸治疗）中承受机械力方面起着至关重要的作用。
在OTM期间，机械刺激会触发复杂的无菌性炎症反应和分子过程，导致周围组织的重塑，最终导致压力侧的骨吸收和张力侧的骨形成。适当的机械负荷对于稳态至关重要。缺乏机械刺激会导致PDL和/或骨骼收缩。相反，过度负荷以类似的方式影响PDL和骨，分别导致牙周附着缺失和/或牙槽骨缺失，最终导致牙齿移动不受控制和/或牙根吸收。
为了更深入地了解治疗所需的机械力对牙齿移动和骨重塑相关基因表达和调节的影响，已经提出了不同的体外机械力应用模型，特别是在压缩力方面。关于张力，已经应用了不同的体外模型来解决不同的问题，即细胞凋亡、焦亡、血管生成、成骨和炎症等，但大多数这些研究仅关注特定的张力幅度。即使在那些考虑不同幅度的研究中，张力也只在单个时间段内施加。
基于此，德国慕尼黑大学附属医院口腔颌面外科、牙齿保存和牙周病门诊等科系的研究团队在一项研究中探讨了不同拉伸应变大小和持续时间对人牙周韧带细胞（hPDLCs）的影响，特别强调与骨重塑、机械传感和炎症相关的基因表达。
实验对 hPDLCs 施加不同幅度（0%=对照，3%，6%，10%，15%和20%）的静态等双轴拉伸应变，持续1、2、3天。通过活/死细胞染色评估细胞活力，并使用逆转录定量实时聚合酶链反应（RT-qPCR）和/或酶联免疫吸附测定（ELISA）量化与骨重塑，机械感应和炎症相关的靶基因的表达。
通过活/死细胞染色进行活力测试（图1）。结果表明，与未经处理的对照组相比，hPDLCs的活力不受影响，与拉伸幅度和持续时间无关。
图1 通过活/死细胞染色评估的人牙周韧带细胞（hPDLCs）的细胞活力。活细胞用绿色染色表示，死细胞用红色染色（黄色箭头）表示。
使用六种不同的幅度（0%，3%，6%，10%，15%和20%）的拉伸应变将hPDLCs持续拉伸长达3天。之后，用RT-qPCR和/或ELISA分析靶基因的表达。骨重塑相关基因，包括ALPL、RUNX2、BGLAP、SP7、TNF和TNFRSF11B，机械刺激相关基因FOS和炎症反应相关基因，包括IL6、PTGS2、PGE2、IL1B、IL8和IL10。分析试验组与相应对照组基因表达的差异，分别确定每个幅度的拉伸应变持续时间依赖性，并评估每个持续时间的幅度依赖性。
骨重塑相关靶基因
使用RT-qPCR评估骨重塑相关基因ALPL、RUNX2、BGLAP和SP7的表达。结果显示在图2。
通常，RUNX2和ALPL的基因表达对细胞拉伸的持续时间和幅度表现出相似的依赖性。细胞拉伸1天后，两个基因的转录均显著增加，在第2天和第3天下降，最终达到对照水平（图2 a、c）。这两个基因，在第1天3% 的细胞拉伸后基因表达最高，与其他测试组相比有显著差异。拉伸强度越高，两种基因的转录活性越低，与对照组相比无统计学意义。与拉伸幅度无关，在第2天和第3天，两个靶基因的表达要么恢复到对照水平，要么更低。
与RUNX2和ALPL相同，SP7表达也与拉伸刺激持续时间呈负相关（图2 b）。不同拉伸幅度的细胞对SP7基因表达的影响不一致。虽然较低的拉伸应变水平（6%，10%和15%）导致SP7表达显著上调，但最大细胞拉伸（20%）诱导SP7表达下调，但不具有显著性。
除3% 拉伸幅度外，BGLAP基因也存在差异表达，主要取决于机械刺激的持续时间（图2 d）。1天后，其基因表达与对照组没有统计学差异。2天后，除外10%外，其余的拉伸应变幅度均有统计学意义的下调。施用10% 和15% 拉伸应变3天后，BGLAP上调有统计学意义。3% 的细胞拉伸仅在第 2 天导致暂时性的显著下调。10% 的细胞拉伸在第3天显示出最大的BGLAP基因表达。
图2 静态拉伸应变应用1至3天后与骨重塑相关基因的RT-qPCR结果：（a）RUNX2，（b）SP7，（c）ALPL和（d）BGLAP。对照的基因表达用灰色虚线表示。
机械感觉相关靶基因
主体上，FOS基因表达在第1天和第2天保持不变，且与拉伸应变大小无关（图3）。细胞拉伸3天后，FOS基因表达上调，而且不同强度拉伸间无差异。
图3 机械感觉相关基因FOS的RT-qPCR结果。对照的基因表达用灰色虚线表示。
炎症相关靶基因
IL6和PTGS2在转录水平上的基因表达，以及相应的ELISA结果，如图4。
与对照组相比，暴露于拉伸应变的细胞中的IL6基因表达在第1天增加，但在第2天显著减弱，最终在第3天恢复到对照水平（图4 a）。在应用15% 细胞拉伸后的第1天观察到最大的IL6基因表达，而较低的 3% 和 6% 的幅度诱导了不太明显的上调。IL6基因表达在 10% 和 20% 拉伸应变中均不受影响。两天的细胞拉伸导致IL6基因表达下调，6% 和 15% 拉伸应变组与相应的对照组相比具有统计学意义。拉伸应变3 天后，IL6基因表达达到相应对照水平。
关于转化水平，细胞培养上清液中的IL6浓度取决于细胞拉伸的持续时间（图4 b）。与未处理的对照组相比，它在前两天升高，然后在细胞拉伸3天后进一步升高，与其幅度无关。IL6浓度最高时是 3% 和 20% 的拉伸应变幅度，与持续时间无关。在所有时间点，10%的细胞拉伸后发现极值的IL6浓度。
PTGS2基因表达最初上调（第1天）（图4 c），在 15% 拉伸应变下，PTGS2 基因表达上调幅度最大。在第2天，PTGS2基因表达保持不变，而在第3天，几乎没有观察到基因表达的影响。
在整个观察期间，hPDLCs暴露于拉伸应变导致PGE2显著上调，在第1天达到最大值（图4 d）。在较低水平的拉伸应变（3%，6%和10%）下，与未暴露的对照相比，PGE2表达水平没有差异。只有 15% 和 20% 的幅度显著增加了PGE2浓度。
图4 炎症相关基因和代谢物的表达：（a）IL6基因，（b）上清液中的IL6，（c）PTGS2基因，（d）上清液中的PGE2。对照的基因表达用灰色虚线表示。
综上所述，这项研究涵盖了拉伸应变幅度和持续时间，重点是骨重塑、机械感应和炎症。一般来说，较低的幅度有利于成骨，导致炎症减少甚至抑制。较高的幅度会抑制成骨并诱导更高水平的炎症。在所有应用幅度中，10% 是最佳的，成骨水平较高，同时不会引起明显的炎症反应。研究结果表明，暴露于不同幅度的拉伸应变最多3天后，对hPDLCs的生物学规律有了更好的了解。轻微的正畸力量似乎有利于协调的骨骼重塑和牙周组织稳态的维持，最终实现有效的牙齿移动。目前的结果表明，不同的力大小可能会对炎症和骨骼重塑相关因素的表达产生不同的影响，研究数据可能有助于定义临床情况下OTM的适当力量。
参考文献：Sun C, Janjic Rankovic M, Folwaczny M, Stocker T, Otto S, Wichelhaus A, Baumert U. Effect of Different Parameters of In Vitro Static Tensile Strain on Human Periodontal Ligament Cells Simulating the Tension Side of Orthodontic Tooth Movement. Int J Mol Sci. 2022 Jan 28;23(3):1525. doi: 10.3390/ijms23031525. PMID: 35163446; PMCID: PMC8835937.
小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。
微信搜索公众号“Naturethink”，了解更多细胞体外仿生培养技术及应用。
