GDF15 支持牙齦卟啉單胞菌 LPS 和壓縮同時(shí)刺激成纖維細(xì)胞的炎癥反應(yīng)

生長(zhǎng)分化因子15（GDF15）屬于轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子（TGFB）超家族，與肥胖、癌癥和心血管疾病等多種疾病以及衰老密切相關(guān)。GDF15有助于調(diào)節(jié)細(xì)胞分化和炎癥，也被證明參與細(xì)胞修復(fù)和細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)。最近證明，GDF15由人牙周韌帶成纖維細(xì)胞（HPdLF）以力依賴性方式表達(dá)和分泌。

PdL成纖維細(xì)胞，作為牙周韌帶的主要細(xì)胞類型，它們?cè)诰S持牙周健康和功能方面起著重要作用。PdLF位于牙根和牙槽骨之間，調(diào)節(jié)力和致病誘導(dǎo)的各種關(guān)鍵炎癥分子的局部合成和釋放，如前列腺素E2（PGE2）、各種白細(xì)胞介素（IL1、IL6和IL8）以及 TNFα。

牙周炎癥是一種復(fù)雜的傳染性口腔疾病，其特征在于細(xì)菌誘導(dǎo)的對(duì)牙齒支撐組織的炎癥性破壞。牙齦卟啉單胞菌（P. gingivalis）是牙周病中被認(rèn)為致病性的細(xì)菌之一，由于其逃避免疫反應(yīng)的獨(dú)特能力，已被廣泛研究。雖然牙齦卟啉單胞菌及其脂多糖（LPS）都不能單獨(dú)引起牙周炎，但牙齦卟啉單胞菌 LPS的體外培養(yǎng)已被證明可以刺激促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，因此用于模擬牙周炎引起的疾病。

對(duì)包括 P. gingivalis 在內(nèi)的多微生物感染小鼠進(jìn)行的研究表明，PdL組織中Gdf15的表達(dá)增加。然而，GDF15是否有助于調(diào)節(jié)PdL成纖維細(xì)胞對(duì) P. gingivalis 炎癥的反應(yīng)仍然未知。此外，目前還沒有研究調(diào)查GDF15在力刺激的HPdLF增強(qiáng)炎癥反應(yīng)中的作用，這種炎癥反應(yīng)通常發(fā)生在P. Gingivalis -LPS并發(fā)感染中。因此，德國(guó)耶拿大學(xué)附屬醫(yī)院口腔正畸科課題組的一項(xiàng)研究的目的是（1）研究GDF15在體外HPdLF對(duì)P. Gingivalis -LPS的炎癥反應(yīng)中的作用，以及（2）揭示當(dāng)這些細(xì)胞額外加載壓縮力時(shí)GDF15的依賴性變化。

GDF15參與P. gingivalis LPS的炎癥反應(yīng)                                

P. gingivalis-LPS誘導(dǎo)HPdLF出現(xiàn)強(qiáng)烈的促炎反應(yīng)。在LPS刺激的HPdLF 的六小時(shí)內(nèi)檢測(cè)到GDF15的表達(dá)增加（圖1 a）。為了闡明GDF15在HPdLF對(duì)致病刺激的反應(yīng)中的作用，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了siRNA-誘導(dǎo)的GDF15敲低（圖1 b）。GDF15缺乏沒有改變單核細(xì)胞的激活，如THP1粘附測(cè)定所示（圖1 c、d）。然而，與對(duì)照siRNA處理的HPdLF相比，GDF15缺失細(xì)胞中，由于LPS處理引起的貼壁THP1細(xì)胞的增加顯著降低，表明GDF15在對(duì)致病刺激的炎癥反應(yīng)中具有重要作用。

為了進(jìn)一步分析對(duì)THP1激活很重要的炎癥信號(hào)傳導(dǎo)介質(zhì)的GDF15依賴性變化，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)處理過的HPdLF中的IL6、IL8、COX和TNFα進(jìn)行了qPCR（圖1 f）。LPS刺激誘導(dǎo)了對(duì)照siRNA處理的HPdLF中所有細(xì)胞因子的上調(diào)表達(dá)，在GDF15敲低時(shí)顯著降低。值得注意的是，GDF15缺失細(xì)胞在未受到LPS刺激時(shí)也顯示出IL6、IL8和TNFα的表達(dá)減少。然而，轉(zhuǎn)錄本分析表明，GDF15在HPdLF的致病性反應(yīng)中具有促炎作用。為了驗(yàn)證RNA數(shù)據(jù)，分別分析了受刺激細(xì)胞上清液中的細(xì)胞因子分泌（圖1 i-l）。盡管 PGE2 和 TNFα 分泌保持不變，但 LPS 刺激導(dǎo)致對(duì)照組以及 GDF15 siRNA 處理的 HPdLF 中IL6 和 IL8 水平升高。雖然沒有檢測(cè)到IL8分泌中的GDF15依賴性變化，但與相應(yīng)的對(duì)照組相比，GDF15缺失的HPdLF中IL6的增加顯著降低。這些數(shù)據(jù)表明，GDF15在HPdLF對(duì)致病刺激的反應(yīng)中具有促炎作用，這似乎取決于IL6信號(hào)傳導(dǎo)。

圖1   GDF15促進(jìn)HPdLF對(duì)脂多糖P. gingivalis的炎癥反應(yīng)

GDF15促進(jìn)HPdLF對(duì)壓縮力的炎癥反應(yīng)

正畸治療期間發(fā)生的壓縮力不僅誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子的釋放，還誘導(dǎo)GDF15的釋放。除TNFα外，六小時(shí)的機(jī)械壓縮（2 g/cm2）導(dǎo)致所有細(xì)胞因子的表達(dá)水平增加（圖2 a-d ）。與對(duì)照siRNA處理的細(xì)胞相比，GDF15缺失的HPdLF顯示出IL6、IL8和COX2的上調(diào)顯著降低（圖2 a-c）。應(yīng)該提到的是，與受壓縮力刺激的siRNA處理的細(xì)胞相比，機(jī)械應(yīng)激HPdLF中的GDF15敲低也導(dǎo)致TNFα水平降低（圖2 d）。RNA表達(dá)數(shù)據(jù)強(qiáng)調(diào)了GDF15在HPdLF對(duì)壓縮應(yīng)激的反應(yīng)中的促炎作用。六小時(shí)的壓縮力觸發(fā)了對(duì)照siRNA處理的細(xì)胞中IL6和PGE2的分泌增加，但I(xiàn)L8和TNFa的分泌不變（圖2 e-h），在受壓縮力刺激的 GDF15 缺失型 HPdLF 中，這些細(xì)胞因子的水平顯著降低（圖2 e-h）。此外，THP1測(cè)定證實(shí)了GDF15的促炎功能，因?yàn)榛�因敲低�?dǎo)致貼壁THP1細(xì)胞數(shù)量減少（圖2 i、j）。GDF15似乎促進(jìn)PdL細(xì)胞對(duì)壓縮刺激的促炎反應(yīng)。

圖2   HPdLF對(duì)機(jī)械和細(xì)菌刺激的促炎反應(yīng)部分由GDF15調(diào)節(jié)

額外暴露于細(xì)菌刺激物增強(qiáng)了機(jī)械應(yīng)力刺激的HPdLF的炎癥反應(yīng)，即使在GDF15缺乏的情況下

由于GDF15似乎參與調(diào)節(jié)對(duì)致病性和機(jī)械刺激（2 g/cm2）的炎癥反應(yīng)，因此對(duì)它在同時(shí)暴露中的作用進(jìn)行了研究。雖然COX2表達(dá)不受影響，但與未用LPS刺激的壓縮對(duì)照組相比，同時(shí)暴露于致病性和機(jī)械刺激導(dǎo)致對(duì)照siRNA處理的HPdLF中IL6、IL8和TNFα更高的表達(dá)水平（圖2 a–d）。當(dāng)比較受到機(jī)械和細(xì)菌刺激的GDF15缺失的HPdLF與那些沒有用LPS額外刺激的HPdLF時(shí)，雙重刺激導(dǎo)致分析的所有細(xì)胞因子的表達(dá)增加。然而，除IL8外，表達(dá)水平仍低于siRNA處理的HPdLF（圖2 a-d）。值得注意的是，與各自的LPS刺激細(xì)胞相比，在同時(shí)刺激的對(duì)照中檢測(cè)到IL6和COX2的過度表達(dá)，而在GDF15缺失的HPdLF中僅上調(diào)COX2水平（圖2 a-d）。

對(duì)細(xì)胞因子分泌的分析證實(shí)，與未受LPS刺激的細(xì)胞相比，對(duì)照siRNA和GDF15 siRNA處理的HPdLF同時(shí)暴露于機(jī)械和致病刺激的IL6和IL8水平增加，而PGE2水平不受影響（圖2 e-g）。然而，盡管IL8分泌相對(duì)較高，但HPdLF中的IL6水平較低，GDF15表達(dá)減少（圖2 e、f）。此外，與對(duì)照組相反，GDF15缺失型HPdLF除了機(jī)械壓迫，在用P. gingivalis LPS刺激時(shí)，TNFα分泌輕微增加（圖2 h）。與LPS刺激的HPdLF相比，對(duì)照siRNA處理的HPdLF顯示，由于IL6、PGE2和TNFα的同時(shí)刺激，細(xì)胞因子分泌進(jìn)一步增加，而GDF15缺失的細(xì)胞僅顯示TNFα分泌的上調(diào)（圖2 e-h）。

為了了解細(xì)胞因子分泌的這些變化在多大程度上影響了THP1細(xì)胞的粘附，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)定（圖2 i、j）。對(duì)照siRNA和GDF15 siRNA處理的HPdLF均顯示THP1細(xì)胞的粘附增加，表明當(dāng)細(xì)胞除機(jī)械壓縮（7.13 g/cm2）外，還用 P. gingivalis LPS刺激細(xì)胞時(shí)，存在過度的炎癥反應(yīng)。然而，在GDF15缺失下，貼壁的 THP1 細(xì)胞數(shù)量?jī)H輕微減少（圖2 i、j），表明在機(jī)械刺激和致病刺激的雙重刺激中，除GDF15外的其他關(guān)鍵因素在HPdLF的炎癥反應(yīng)中起調(diào)節(jié)作用。盡管LPS誘導(dǎo)的粘附THP1細(xì)胞增加導(dǎo)致了顯著不同倍數(shù)變化，對(duì)照siRNA處理的HPdLF為7.73 ± 1.54，GDF15缺失HPdLF中為3.76 ± 0.86，但額外的機(jī)械刺激顯示，可比較的倍數(shù)變化為對(duì)照組為2.07 ± 0.18，而GDF15缺失細(xì)胞為2.76 ± 0.58。

綜上所述，數(shù)據(jù)表明，GDF15 在 HPdLF對(duì)P. gingivalis LPS和機(jī)械壓縮的促炎反應(yīng)中非常重要。然而，在同時(shí)暴露于這兩種刺激的情況下，其他機(jī)制和調(diào)節(jié)器似乎獨(dú)立于GDF15起作用。

總之，該研究是對(duì)進(jìn)一步了解GDF15的調(diào)節(jié)能力的一個(gè)重要貢獻(xiàn)，但目前GDF15的調(diào)節(jié)作用仍然知之甚少。因此，通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵細(xì)胞因子的表達(dá)和分泌以及單核細(xì)胞的活化，證明了GDF15在人牙周韌帶成纖維細(xì)胞對(duì)致病性和機(jī)械刺激的反應(yīng)中的促炎作用。然而，研究數(shù)據(jù)基于體外方法，應(yīng)該在體內(nèi)驗(yàn)證。因此，為了更全面地理解和可能擴(kuò)展與病理?xiàng)l件下有效的正畸牙齒運(yùn)動(dòng)相關(guān)的診斷和治療治療方案，對(duì)GDF15信號(hào)傳導(dǎo)和功能的進(jìn)一步研究至關(guān)重要。
 

參考文獻(xiàn)：Stemmler A, Symmank J, Steinmetz J, von Brandenstein K, Hennig CL, Jacobs C. GDF15 Supports the Inflammatory Response of PdL Fibroblasts Stimulated by P. gingivalis LPS and Concurrent Compression. Int J Mol Sci. 2021 Dec 19;22(24):13608. doi: 10.3390/ijms222413608. PMID: 34948405; PMCID: PMC8708878.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34948405/

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