静态正畸力下白细胞介素1β诱导人PDLs的细胞外基质金属蛋白酶的表达
2021-09-09 来源:http://www.naturethink.com/ 点击次数:1029
正畸牙移动 （OTM）在咬合不正的治疗中起着关键作用，它最终是由施加的机械牵张力引起的。根据经典的“压力-张力”假说，机械负荷会引起牙齿的移动，从而在施力方向上产生一个压力区，而在相反部位产生一个张力区。这会产生局部无菌性炎症，导致压力部位的骨吸收和张力部位的骨形成。
牙周韧带（PDL）是一种高度组织化的结缔组织，是感知正畸力并将其从牙齿传递到牙槽骨的基本结构。除了骨吸收和骨形成外，PDLs 的细胞外基质（ECM）在 OTM 过程中经历了持续的重塑。这种正在进行的重塑主要由 PDL 的细胞成分协调，它由异质的成纤维细胞样的间充质基质细胞 （hPDL-MSCs） 群组成。
各种蛋白水解酶，例如基质金属蛋白酶 (MMPs)，都参与了 PDL 内 ECM 蛋白的重塑。许多体外研究已经调查了机械应力对人 PDL 中各种 MMPs 表达的影响，主要集中在胶原酶 MMP-1 和明胶酶 MMP-2。
此外，研究表明，在施加机械力后，人类 PDL 细胞中多种局部金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)的组成型表达发生了变化。在人 PDL 细胞中，当施加拉力时，TIMP-1 的表达增加，而压力对 TIMP-1 的表达似乎有下降的影响。
白细胞介素 (IL)-1β 是一种重要的促炎细胞因子，在人牙周组织中具有多种作用。在正畸治疗引起的无菌性炎症期间，IL-1β 是张力区和压力区中最丰富的细胞因子之一。它直接有助于 OTM 期间广泛的牙槽骨重塑。
此外，IL-1β 通过调节 MMPs 和 TIMPs 的表达直接影响 PDLs 的ECM 的持续更新。IL-1β 和其他炎症因子，如IL-6，在细菌依赖性的牙周组织慢性炎症中也是必不可少的。因此，进一步研究正畸力和 IL-1β 联合作用对 PDL 细胞中 MMPs 和 TIMPs 表达的影响至关重要。
两项研究已经证明，使用循环应变装置后，拉伸应变对 PDL 细胞中由 IL-1β 诱发的 MMP 和 TIMP 的产生具有显着影响。然而，没有数据显示静态拉伸应变 (STS) 对 PDL 细胞中
IL-1β 依赖性的 MMP 和 TIMP 的产生的影响。区分这两种力的应用形式是必不可少的，因为它们模拟了不同的正畸矫治器对患者施加的不同的正畸力。
基于此，来自维也纳医科大学牙科的专家学者进行了更深层次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上发表了题为《Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces》的研究论文。
此体外研究第一部分的主要目的是研究静态拉伸应变 (STS) 对 IL-1β 诱导的 hPDL-MSCs 中 MMPs 和 TIMPs 表达的影响。特别是，在应用具有 6% 伸长率的等双轴 STS 6 和 24 小时后，评估了 IL-1β 诱发的 MMP-1、MMP-2、TIMP-1 和 IL-1β 自身的产生。
其次，实验直接比较了 STS 在胎牛血清 (FBS) 不存在和存在下对 IL-1β 诱导的这些基因表达的影响。因为已知胎牛血清在体外培养过程中影响这些细胞，评估胎牛血清对 hPDL-MSC 体外模拟正畸力的影响程度至关重要。
1.细胞活力
图1 显示了活性/死亡细胞染色和暴露于静态拉伸应变（STS）24 小时 IL-1β 处理的 hPDL-MSC 的代表性图片。在所有使用的刺激条件下，绿色荧光活性 hPDL-MSCs 的外观都具有可比性。在没有 STS 的情况下，IL-1β 导致红色荧光死亡 hPDL-MSCs 的数量从 1 ng/mL 增加到 5 ng/mL，与 FBS 浓度无关。
在 STS 存在的情况下，即使存在不同的 IL-1β 浓度，也观察到较少数量的 hPDL-MSC死亡。在存在 2% FBS 的情况下，与没有 FBS 孵育的 hPDL-MSCs 相比，STS 在不存在和存在 1 ng/mL IL-1β 的情况下导致 hPDL-MSCs 的死亡数量略多。然而，大多数 hPDL-MSCs 是有活力的，并且没有观察到实验条件对细胞活力的不利影响。
2.MMP-1 表达
图2 显示在不存在或存在不同 IL-1β 浓度的情况下应用 STS 后 6 和 24 小时，在不存在 FBS 的情况下，hPDL-MSCs 中的 MMP-1 基因和蛋白质表达。
孵育 6 小时和 24 小时后，单独使用 STS 不影响 MMP-1 基因表达水平。在蛋白质水平上，在没有 IL-1β 的情况下，MMP-1 也不受 STS 的影响。
培养 6 小时和 24 小时后，1 ng/mL 和 5 ng/mL IL-1β 在不存在 STS 的情况下显着增加 MMP-1 基因表达。在条件培养基中，5 ng/mL IL-1β 导致 MMP-1 蛋白水平在两个时间点均无显着增加。
6 小时后，应用 STS 对 IL-1β 诱导的 MMP-1 基因表达没有影响。然而，24 小时后，应用 STS 显着增加了 IL-1β 诱导的 MMP-1 基因表达水平。在蛋白质水平上，在培养 6 小时后，STS 不显著抑制 IL-1β 诱导的蛋白质产生。24 小时后，STS 进一步增加了 IL-1β 诱导的 MMP-1 蛋白产生，但无显著性意义。
3.MMP-2 表达
在不同 IL-1β 浓度存在下应用 STS 后 6 和 24 小时，在不存在 FBS 的情况下，hPDL-MSCs 中的 MMP-2 基因表达。在不存在 IL-1β 的情况下应用 STS 对 MMP-2 基因表达水平没有显着影响。培养 6 小时和 24 小时后，IL-1β 显着增强 hPDL-MSCs 中 MMP-2 基因的表达，导致培养 24 小时后 MMP-2 基因表达水平整体升高。在蛋白质水平上，未检测到 MMP-2。
应用 STS 6 小时导致 IL-1β 诱导的 MMP-2 基因表达降低，显示在 5 ng/mL IL-1β 存在下显着下降。24 小时后，STS 以浓度依赖性方式增强 IL-1β 诱导的 MMP-2 基因表达，显示在 1 ng/mL IL-1β 存在下显着增加。
此外，选择正确的正畸矫治器可能对成年患者尤为重要，其中正畸治疗是牙周炎的一个危险因素，因为两者具有相似的分子机制，并导致广泛的 PDL 和牙槽骨重塑。
参考文献：Behm C, Nemec M, Blufstein A, Schubert M, Rausch-Fan X, Andrukhov O, Jonke E. Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces. Int J Mol Sci. 2021 Jan 20;22(3):1027. doi: 10.3390/ijms22031027. PMID: 33498591; PMCID: PMC7864333.
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牙周韧带（PDL）是一种高度组织化的结缔组织，是感知正畸力并将其从牙齿传递到牙槽骨的基本结构。除了骨吸收和骨形成外，PDLs 的细胞外基质（ECM）在 OTM 过程中经历了持续的重塑。这种正在进行的重塑主要由 PDL 的细胞成分协调，它由异质的成纤维细胞样的间充质基质细胞 （hPDL-MSCs） 群组成。
各种蛋白水解酶，例如基质金属蛋白酶 (MMPs)，都参与了 PDL 内 ECM 蛋白的重塑。许多体外研究已经调查了机械应力对人 PDL 中各种 MMPs 表达的影响，主要集中在胶原酶 MMP-1 和明胶酶 MMP-2。
此外，研究表明，在施加机械力后，人类 PDL 细胞中多种局部金属蛋白酶组织抑制剂(TIMPs)的组成型表达发生了变化。在人 PDL 细胞中，当施加拉力时，TIMP-1 的表达增加，而压力对 TIMP-1 的表达似乎有下降的影响。
白细胞介素 (IL)-1β 是一种重要的促炎细胞因子，在人牙周组织中具有多种作用。在正畸治疗引起的无菌性炎症期间，IL-1β 是张力区和压力区中最丰富的细胞因子之一。它直接有助于 OTM 期间广泛的牙槽骨重塑。
此外，IL-1β 通过调节 MMPs 和 TIMPs 的表达直接影响 PDLs 的ECM 的持续更新。IL-1β 和其他炎症因子，如IL-6，在细菌依赖性的牙周组织慢性炎症中也是必不可少的。因此，进一步研究正畸力和 IL-1β 联合作用对 PDL 细胞中 MMPs 和 TIMPs 表达的影响至关重要。
两项研究已经证明，使用循环应变装置后，拉伸应变对 PDL 细胞中由 IL-1β 诱发的 MMP 和 TIMP 的产生具有显着影响。然而，没有数据显示静态拉伸应变 (STS) 对 PDL 细胞中
IL-1β 依赖性的 MMP 和 TIMP 的产生的影响。区分这两种力的应用形式是必不可少的，因为它们模拟了不同的正畸矫治器对患者施加的不同的正畸力。
基于此，来自维也纳医科大学牙科的专家学者进行了更深层次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上发表了题为《Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces》的研究论文。
此体外研究第一部分的主要目的是研究静态拉伸应变 (STS) 对 IL-1β 诱导的 hPDL-MSCs 中 MMPs 和 TIMPs 表达的影响。特别是，在应用具有 6% 伸长率的等双轴 STS 6 和 24 小时后，评估了 IL-1β 诱发的 MMP-1、MMP-2、TIMP-1 和 IL-1β 自身的产生。
其次，实验直接比较了 STS 在胎牛血清 (FBS) 不存在和存在下对 IL-1β 诱导的这些基因表达的影响。因为已知胎牛血清在体外培养过程中影响这些细胞，评估胎牛血清对 hPDL-MSC 体外模拟正畸力的影响程度至关重要。
部分实验过程
1.细胞活力
图1 显示了活性/死亡细胞染色和暴露于静态拉伸应变（STS）24 小时 IL-1β 处理的 hPDL-MSC 的代表性图片。在所有使用的刺激条件下，绿色荧光活性 hPDL-MSCs 的外观都具有可比性。在没有 STS 的情况下，IL-1β 导致红色荧光死亡 hPDL-MSCs 的数量从 1 ng/mL 增加到 5 ng/mL，与 FBS 浓度无关。
在 STS 存在的情况下，即使存在不同的 IL-1β 浓度，也观察到较少数量的 hPDL-MSC死亡。在存在 2% FBS 的情况下，与没有 FBS 孵育的 hPDL-MSCs 相比，STS 在不存在和存在 1 ng/mL IL-1β 的情况下导致 hPDL-MSCs 的死亡数量略多。然而，大多数 hPDL-MSCs 是有活力的，并且没有观察到实验条件对细胞活力的不利影响。
2.MMP-1 表达
图2 显示在不存在或存在不同 IL-1β 浓度的情况下应用 STS 后 6 和 24 小时，在不存在 FBS 的情况下，hPDL-MSCs 中的 MMP-1 基因和蛋白质表达。
孵育 6 小时和 24 小时后，单独使用 STS 不影响 MMP-1 基因表达水平。在蛋白质水平上，在没有 IL-1β 的情况下，MMP-1 也不受 STS 的影响。
培养 6 小时和 24 小时后，1 ng/mL 和 5 ng/mL IL-1β 在不存在 STS 的情况下显着增加 MMP-1 基因表达。在条件培养基中，5 ng/mL IL-1β 导致 MMP-1 蛋白水平在两个时间点均无显着增加。
6 小时后，应用 STS 对 IL-1β 诱导的 MMP-1 基因表达没有影响。然而，24 小时后，应用 STS 显着增加了 IL-1β 诱导的 MMP-1 基因表达水平。在蛋白质水平上，在培养 6 小时后，STS 不显著抑制 IL-1β 诱导的蛋白质产生。24 小时后，STS 进一步增加了 IL-1β 诱导的 MMP-1 蛋白产生，但无显著性意义。
3.MMP-2 表达
在不同 IL-1β 浓度存在下应用 STS 后 6 和 24 小时，在不存在 FBS 的情况下，hPDL-MSCs 中的 MMP-2 基因表达。在不存在 IL-1β 的情况下应用 STS 对 MMP-2 基因表达水平没有显着影响。培养 6 小时和 24 小时后，IL-1β 显着增强 hPDL-MSCs 中 MMP-2 基因的表达，导致培养 24 小时后 MMP-2 基因表达水平整体升高。在蛋白质水平上，未检测到 MMP-2。
应用 STS 6 小时导致 IL-1β 诱导的 MMP-2 基因表达降低，显示在 5 ng/mL IL-1β 存在下显着下降。24 小时后，STS 以浓度依赖性方式增强 IL-1β 诱导的 MMP-2 基因表达，显示在 1 ng/mL IL-1β 存在下显着增加。
实验结果
将实验的结果外推到临床情况表明，不仅施加的力大小，而且力施加形式（静态与循环）似乎对成功的 OTM 至关重要。因此，在选择用于咬合不正治疗的材料时，正畸医生应注意到由于不同的材料所产生的不同的力大小以及不同的静态和循环张力可能产生的不同影响。此外，选择正确的正畸矫治器可能对成年患者尤为重要，其中正畸治疗是牙周炎的一个危险因素，因为两者具有相似的分子机制，并导致广泛的 PDL 和牙槽骨重塑。
参考文献：Behm C, Nemec M, Blufstein A, Schubert M, Rausch-Fan X, Andrukhov O, Jonke E. Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces. Int J Mol Sci. 2021 Jan 20;22(3):1027. doi: 10.3390/ijms22031027. PMID: 33498591; PMCID: PMC7864333.
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