正畸牙齒移動（OTM）的目的是通過在牙齒上施加外力（“正畸力”）來對齊錯位的牙齒，從而刺激骨骼重塑。人牙周韌帶（hPDL）及其所含細胞位于牙齒和牙槽骨之間，在生理、病理和治療條件下（例如正畸治療）中承受機械力方面起著至關重要的作用。

在OTM期間，機械刺激會觸發復雜的無菌性炎癥反應和分子過程，導致周圍組織的重塑，最終導致壓力側的骨吸收和張力側的骨形成。適當的機械負荷對于穩態至關重要。缺乏機械刺激會導致PDL和/或骨骼萎縮。相反，過度負荷以類似的方式影響PDL和骨，分別導致牙周附著缺失和/或牙槽骨缺失，最終導致牙齒移動不受控制和/或牙根吸收。

為了更深入地了解治療所需的機械力對牙齒移動和骨重塑相關基因表達和調節的影響，已經提出了不同的體外機械力應用模型，特別是在壓縮力方面。關于張力，已經應用了不同的體外模型來解決不同的問題，即細胞凋亡、焦亡、血管生成、成骨和炎癥等，但大多數這些研究僅關注特定的張力幅度。即使在那些考慮不同幅度的研究中，張力也只在單個時間段內施加。

基于此，德國慕尼黑大學附屬醫院口腔頜面外科、牙齒保存和牙周病門診等科系的研究團隊在一項研究中探討了不同拉伸應變大小和持續時間對人牙周韌帶細胞（hPDLCs）的影響，特別強調與骨重塑、機械傳感和炎癥相關的基因表達。

實驗對 hPDLCs 施加不同幅度（0%=對照，3%，6%，10%，15%和20%）的靜態等雙軸拉伸應變，持續1、2、3天。通過活/死細胞染色評估細胞活力，并使用逆轉錄定量實時聚合酶鏈反應（RT-qPCR）和/或酶聯免疫吸附測定（ELISA）量化與骨重塑，機械感應和炎癥相關的靶基因的表達。

通過活/死細胞染色進行活力測試（圖1）。結果表明，與未經處理的對照組相比，hPDLCs的活力不受影響，與拉伸幅度和持續時間無關。

圖1 通過活/死細胞染色評估的人牙周韌帶細胞（hPDLCs）的細胞活力。活細胞用綠色染色表示，死細胞用紅色染色（黃色箭頭）表示。

使用六種不同的幅度（0%，3%，6%，10%，15%和20%）的拉伸應變將hPDLCs持續拉伸長達3天。之后，用RT-qPCR和/或ELISA分析靶基因的表達。骨重塑相關基因，包括ALPL、RUNX2、BGLAP、SP7、TNF和TNFRSF11B，機械刺激相關基因FOS和炎癥反應相關基因，包括IL6、PTGS2、PGE2、IL1B、IL8和IL10。分析試驗組與相應對照組基因表達的差異，分別確定每個幅度的拉伸應變持續時間依賴性，并評估每個持續時間的幅度依賴性。

骨重塑相關靶基因

使用RT-qPCR評估骨重塑相關基因ALPL、RUNX2、BGLAP和SP7的表達。結果顯示在圖2。

通常，RUNX2和ALPL的基因表達對細胞拉伸的持續時間和幅度表現出相似的依賴性。細胞拉伸1天后，兩個基因的轉錄均顯著增加，在第2天和第3天下降，最終達到對照水平（圖2 a、c）。這兩個基因，在第1天3% 的細胞拉伸后基因表達最高，與其他測試組相比有顯著差異。拉伸強度越高，兩種基因的轉錄活性越低，與對照組相比無統計學意義。與拉伸幅度無關，在第2天和第3天，兩個靶基因的表達要么恢復到對照水平，要么更低。

與RUNX2和ALPL相同，SP7表達也與拉伸刺激持續時間呈負相關（圖2 b）。不同拉伸幅度的細胞對SP7基因表達的影響不一致。雖然較低的拉伸應變水平（6%，10%和15%）導致SP7表達顯著上調，但最大細胞拉伸（20%）誘導SP7表達下調，但不具有顯著性。

除3% 拉伸幅度外，BGLAP基因也存在差異表達，主要取決于機械刺激的持續時間（圖2 d）。1天后，其基因表達與對照組沒有統計學差異。2天后，除外10%外，其余的拉伸應變幅度均有統計學意義的下調。施用10% 和15% 拉伸應變3天后，BGLAP上調有統計學意義。3% 的細胞拉伸僅在第 2 天導致暫時性的顯著下調。10% 的細胞拉伸在第3天顯示出最大的BGLAP基因表達。

圖2 靜態拉伸應變應用1至3天后與骨重塑相關基因的RT-qPCR結果：（a）RUNX2，（b）SP7，（c）ALPL和（d）BGLAP。對照的基因表達用灰色虛線表示。

機械感覺相關靶基因

主體上，FOS基因表達在第1天和第2天保持不變，且與拉伸應變大小無關（圖3）。細胞拉伸3天后，FOS基因表達上調，而且不同強度拉伸間無差異。

圖3 機械感覺相關基因FOS的RT-qPCR結果。對照的基因表達用灰色虛線表示。

炎癥相關靶基因

IL6和PTGS2在轉錄水平上的基因表達，以及相應的ELISA結果，如圖4。

與對照組相比，暴露于拉伸應變的細胞中的IL6基因表達在第1天增加，但在第2天顯著減弱，最終在第3天恢復到對照水平（圖4 a）。在應用15% 細胞拉伸后的第1天觀察到最大的IL6基因表達，而較低的 3% 和 6% 的幅度誘導了不太明顯的上調。IL6基因表達在 10% 和 20% 拉伸應變中均不受影響。兩天的細胞拉伸導致IL6基因表達下調，6% 和 15% 拉伸應變組與相應的對照組相比具有統計學意義。拉伸應變3 天后，IL6基因表達達到相應對照水平。

關于翻譯水平，細胞培養上清液中的IL6濃度取決于細胞拉伸的持續時間（圖4 b）。與未處理的對照組相比，它在前兩天升高，然后在細胞拉伸3天后進一步升高，與其幅度無關。IL6濃度最高時是 3% 和 20% 的拉伸應變幅度，與持續時間無關。在所有時間點，10% 的細胞拉伸后發現最低的IL6濃度。

PTGS2基因表達最初上調（第1天）（圖4 c），在 15% 拉伸應變下，PTGS2 基因表達上調幅度最大。在第2天，PTGS2基因表達保持不變，而在第3天，幾乎沒有觀察到基因表達的影響。

在整個觀察期間，hPDLCs暴露于拉伸應變導致PGE2顯著上調，在第1天達到最大值（圖4 d）。在較低水平的拉伸應變（3%，6%和10%）下，與未暴露的對照相比，PGE2表達水平沒有差異。只有 15% 和 20% 的幅度顯著增加了PGE2濃度。

圖4 炎癥相關基因和代謝物的表達：（a）IL6基因，（b）上清液中的IL6，（c）PTGS2基因，（d）上清液中的PGE2。對照的基因表達用灰色虛線表示。

總之，這項研究涵蓋了拉伸應變幅度和持續時間，重點是骨重塑、機械感應和炎癥。一般來說，較低的幅度有利于成骨，導致炎癥減少甚至抑制。較高的幅度會抑制成骨并誘導更高水平的炎癥。在所有應用幅度中，10% 是最佳的，成骨水平較高，同時不會引起明顯的炎癥反應。研究結果表明，暴露于不同幅度的拉伸應變最多3天后，對hPDLCs的生物學規律有了更好的了解。輕微的正畸力量似乎有利于協調的骨骼重塑和牙周組織穩態的維持，最終實現有效的牙齒移動。目前的結果表明，不同的力大小可能會對炎癥和骨骼重塑相關因素的表達產生不同的影響，研究數據可能有助于定義臨床情況下OTM的適當力量。

參考文獻：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.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35163446/

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