機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的 HIF-1α 穩(wěn)定在牙周膜成纖維細(xì)胞中的作用

為了改善牙齒的健康和美觀，正畸治療致力于矯正錯位的牙齒，因?yàn)檠例X咬合不正可能引發(fā)齲齒或牙周炎等疾病。對于正畸牙齒移動 (OTM)，使用可移動或固定的正畸器具在牙齒移動方向上施加機(jī)械力。這會在牙周韌帶誘發(fā)張力區(qū)和壓力區(qū)，從而通過壓迫血管影響局部灌注。

這伴隨著無菌炎癥反應(yīng)，其特征是細(xì)胞因子和趨化因子的釋放增加，導(dǎo)致炎癥細(xì)胞和免疫細(xì)胞進(jìn)一步吸引到牙周膜。其他炎癥因子，如前列腺素 (PG)，主要是 PG-E2（通過誘導(dǎo)前列腺素合酶 2 (PTGS-2) 產(chǎn)生），通過調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化直接影響 OTM。

牙周韌帶成纖維細(xì)胞 (PDLF) 是牙周韌帶的主要細(xì)胞群，鄰近免疫細(xì)胞。PDLF 在 OTM 過程中受到壓縮或拉伸的機(jī)械應(yīng)變。這些細(xì)胞通過分泌趨化因子和白細(xì)胞介素，負(fù)責(zé)細(xì)胞外基質(zhì)的重塑和介導(dǎo)OTM 的炎癥反應(yīng)。

牙周膜的適應(yīng)性反應(yīng)除了局部血管形成的變化外，還包括細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外基質(zhì)的重組。機(jī)械應(yīng)變和氧氣供應(yīng)的減少伴隨著低氧誘導(dǎo)因子1α (HIF-1α) 表達(dá)的增加，它主要負(fù)責(zé)組織在缺氧條件下的復(fù)氧反應(yīng)。

為了重建牙周膜中的氧氣供應(yīng)，在對 PDLF 施加壓縮應(yīng)變后，血管內(nèi)皮生長因子 (VEGF) 的表達(dá)得到增強(qiáng)。牙周韌帶受壓區(qū)域血管供應(yīng)的更新有助于破骨細(xì)胞的募集和分化，這也是牙周組織愈合和重塑的重要過程。

盡管觀察到在牙周韌帶 OTM 過程中，HIF-1α 和 VEGF 是穩(wěn)定和上調(diào)的，但尚不清楚是機(jī)械應(yīng)變本身還是由血管壓迫引起的缺氧條件導(dǎo)致了HIF-1α的穩(wěn)定和隨后的 PTGS-2、PG-E2 和 VEGF 表達(dá)的上調(diào)，從而通過增加 RANKL 介導(dǎo)的破骨細(xì)胞生成使 OTM 成為可能。

先前的研究表明，HIF-1α 的穩(wěn)定是由于機(jī)械應(yīng)變，而不是體外 PDLF 的缺氧條件。然而，到目前為止，尚不清楚正畸器具施加于 PDLF 的應(yīng)變的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)是如何介導(dǎo)導(dǎo)致 HIF-1α 穩(wěn)定的生物學(xué)反應(yīng)，以及隨后的 PDLF 介導(dǎo)的假炎癥反應(yīng)在多大程度上依賴于 HIF-1α 穩(wěn)定。

整合素作為細(xì)胞粘附分子和細(xì)胞內(nèi)信號受體，介導(dǎo)細(xì)胞遷移、增殖和分化，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。由整合素激活的眾多信號通路包括機(jī)械拉伸 PDLF 中的低分子量鳥苷三磷酸酶 Rab 和 Rho，以及成骨細(xì)胞中的絲裂原活化蛋白 (MAP) 激酶 。越來越多的證據(jù)表明，先前報道的 HIF-1α 的穩(wěn)定性和細(xì)胞信號在正畸應(yīng)變反應(yīng)中的相關(guān)變化是整合素介導(dǎo)的黏著斑事件的下游。

基于此，包括德國雷根斯堡大學(xué)醫(yī)院正畸科、德國波恩大學(xué)正畸系等在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究，于 International Journal of Molecular Sciences 上發(fā)表了題為《Role and Regulation of Mechanotransductive HIF-1α Stabilisation in Periodontal Ligament Fibroblasts》的論文。

該研究的目的是闡明硫酸乙酰肝素整合素的相互作用和激酶下游磷酸化對先前觀察到的 HIF-1α 在壓縮應(yīng)變下的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的穩(wěn)定性的作用，并研究在拉伸應(yīng)變下是否也發(fā)生這種作用。

此外，實(shí)驗(yàn)試圖研究在體外模擬正畸牙移動的環(huán)境中，血管生成 VEGF 的下游表達(dá)以及 PDLF 誘導(dǎo)的PTGS-2 及其產(chǎn)物 PG-E2 在多大程度上依賴于 HIF-1α 的穩(wěn)定。

這樣可以更好地了解細(xì)胞和分子水平上 OTM 的調(diào)控，在未來可能通過靶向調(diào)控這些過程，使新的治療方法成為可能。
 

部分實(shí)驗(yàn)過程：
 

HIF-1α 的穩(wěn)定具有應(yīng)變依賴性

首先，實(shí)驗(yàn)測試了不同機(jī)械應(yīng)變方案對缺氧誘導(dǎo)因子 1α (HIF-1α) 蛋白穩(wěn)定性的影響。PDLF 承受壓縮或拉伸應(yīng)變 48 小時。拉伸應(yīng)變的應(yīng)用未能穩(wěn)定 HIF-1α 蛋白（p = 0.3939；圖1 a、b）。與拉伸應(yīng)變相反，施加壓力（壓縮應(yīng)變）增強(qiáng)了 HIF-1α 蛋白的表達(dá)（p < 0.0001；圖1 a、b）。

通過對常見的 HIF-1α 靶基因的分析，我們發(fā)現(xiàn)拉伸應(yīng)變對前列腺素合酶2 (PTGS-2) 基因的表達(dá)有輕微但顯著的誘導(dǎo)作用(p < 0.0001)，而壓縮應(yīng)變對 PTGS-2 基因的表達(dá)有強(qiáng)烈的誘導(dǎo)作用(p < 0.0001; 圖1 c)。血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的基因表達(dá)不受拉伸應(yīng)變的影響（p = 0.7083），而施加壓力顯著提高了 VEGF 基因表達(dá) (p = 0.0003；圖1 d)。

圖 1    拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變對 HIF-1α 蛋白表達(dá)的影響

壓縮應(yīng)變過程中通過 DMOG對PDLF中HIF-1α穩(wěn)定的影響
 

由于沒有檢測到拉伸應(yīng)變對 HIF-1α 表達(dá)的影響，在接下來的實(shí)驗(yàn)中將重點(diǎn)放在壓縮應(yīng)變上。為了進(jìn)一步研究 HIF-1α 在正畸牙齒移動過程中的作用，通過使用 DMOG（二甲基草酰甘氨酸）化學(xué)穩(wěn)定HIF-1α 。

因此，在沒有壓縮應(yīng)變（p = 0.0002）和存在壓縮應(yīng)變（p = 0.0002；圖2 a，b）的情況下，通過DMOG 處理檢測到更多的HIF-1α蛋白。

值得注意的是，DMOG 處理后壓力對HIF-1α表達(dá)的影響被截斷(p = 0.9709)。在不存在 ( p < 0.0001) 和存在壓力(p = 0.0052）的情況下，通過 DMOG 處理提高了PTGS-2 的基因表達(dá)(圖2 c)。

令人驚訝的是，實(shí)驗(yàn)檢測到壓縮應(yīng)變和 DMOG 聯(lián)合作用下 PTGS-2 基因的表達(dá)進(jìn)一步增加(p = 0.0406；圖2 c)。因此，在沒有壓縮應(yīng)變（p < 0.0001）和存在壓縮應(yīng)變（p < 0.0001；圖 2 d）的情況下，通過 DMOG 誘導(dǎo)的 HIF-1α 穩(wěn)定化增強(qiáng)了 PG-E2 的分泌。

在沒有(p < 0.0068)和存在額外壓力 (p = 0.0026）時，DMOG均能增強(qiáng) VEGF 基因的表達(dá)（圖2 e)。實(shí)驗(yàn)沒有檢測到在DMOG穩(wěn)定的同時施加壓力對 VEGF 基因的表達(dá)有任何進(jìn)一步的誘導(dǎo)效應(yīng)（p = 0.5532）。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在沒有壓縮應(yīng)變的控制條件下，DMOG 的分泌增強(qiáng)（p < 0.0001；圖 2 f），使用DMOG 并施加壓力會下調(diào) VEGF 分泌（p = 0.0090；圖2f ）。

圖 2  壓縮應(yīng)變與使用DMOG處理和不使用DMOG處理對HIF-1α蛋白表達(dá)的影響(a,b)，PTGS-2/PG-E2表達(dá)(c,d)，VEGF表達(dá)(e,f)

此外，實(shí)驗(yàn)使用 YC-1 (3-(5′-hydroxymethyl-2′-furyl)-1-benzylindazole）抑制了 PDLF 中壓力誘導(dǎo)的 HIF-1α 穩(wěn)定化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng) YC-1 抑制 HIF-1α 的穩(wěn)定時，壓力甚至?xí)�增加�?PG-E2 的分泌；施加壓力增加了 VEGF 基因表達(dá)；使用 YC-1 抑制 HIF-1a 穩(wěn)定后，這種效應(yīng)被截斷。
 

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：
 

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) HIF-1α 不是通過拉伸應(yīng)變穩(wěn)定的，而是通過壓縮應(yīng)變穩(wěn)定的。HIF-1α 穩(wěn)定對前列腺素和 VEGF 的合成有誘導(dǎo)作用。正如預(yù)期的那樣，HIF-1α 不穩(wěn)定降低了 VEGF 表達(dá)，而前列腺素的合成增加。

通過surfen或genistein抑制整合素機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制了HIF-1α的穩(wěn)定。VEGF 表達(dá)下降，但前列腺素合成沒有減少。通過整合素機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)和下游激酶的磷酸化促進(jìn)HIF-1α的穩(wěn)定，這似乎對VEGF的誘導(dǎo)是必不可少的。

參考文獻(xiàn)：Kirschneck C, Thuy M, Leikam A, Memmert S, Deschner J, Damanaki A, Spanier G, Proff P, Jantsch J, Schröder A. Role and Regulation of Mechanotransductive HIF-1α Stabilisation in Periodontal Ligament Fibroblasts. Int J Mol Sci. 2020 Dec 15;21(24):9530. doi: 10.3390/ijms21249530. PMID: 33333756; PMCID: PMC7765204.

文章來源：http://www.naturethink.com/?news/112.html

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