蛋白酶激活受体在牙周组织细胞中相关作用的研究进展

2020-6-22 16:06  来源:国际口腔医学杂志
作者:卢可心 张迪亚 吴燕岷 阅读量:4126

    蛋白酶激活受体(protease-activated receptor,PAR)是一种分布广泛的跨膜蛋白,可被多种内源性和外源性蛋白酶激活,介导跨膜信号传导后参与炎症反应。牙周组织细胞包括牙龈上皮细胞、牙龈成纤维细胞、成骨细胞/破骨细胞、免疫细胞等。在牙周炎过程中,牙周组织不同细胞的PAR激活后通过分泌细胞因子招募免疫细胞;局部浸润于牙周组织中的免疫细胞PAR激活后,通过分泌细胞因子刺激破骨细胞分化,最终造成牙槽骨吸收。

    1.PAR概述

    PAR是具有7个跨膜单位并广泛分布在全身各个细胞中的G蛋白偶联受体,分别为PAR-1、PAR-2、PAR-3和PAR-4。PAR-1、PAR-3、PAR-4主要由凝血酶激活;PAR-2由胰蛋白酶、嗜中性蛋白酶3、凝血因子Ⅶa和Ⅹa、肥大细胞类胰蛋白酶、细胞膜-系锁丝氨酸蛋白酶-1和牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)来源的牙龈蛋白酶激活。PAR的N末端被这些蛋白酶水解切割后,形成一个新的具有自活化受体功能的N末端,即系锁配体。该系锁配体与PAR膜外的第2个胞外袢进行分子内结合。

    PAR激动肽TFLLR-NH2、SLIGRL-NH2和GYPGQV-NH2分别对应于PAR-1、PAR-2、PAR-4系锁配体序列,可不经过蛋白质水解作用,结合到相应受体上,选择性地激活PAR。PAR在各个组织系统中广泛分布,与心血管疾病、癌症、风湿性关节炎、血管生成、肺纤维化等的发生相关。PAR-1激活促进血小板聚集及血管基质的沉积,参与心血管系统疾病的发生、发展,还能促进肿瘤细胞的生长和浸润。PAR-2激活可增加血管通透性,促进缺血组织动脉生成,与疼痛的产生及特应性皮炎、风湿性疾病、神经炎症发展有关。

    PAR-1和PAR-2通过调节肠屏障通透性,可能发生肠易激综合征和炎症性肠病。PAR-1和PAR-2的长期活化与肺纤维化相关。PAR-3、PAR-4激活参与病理性血栓的形成。新近研究发现,PAR-2的激活与牙周炎密切相关。

    2.牙龈上皮细胞

    牙龈上皮细胞不仅在保持宿主与环境之间的物理屏障方面发挥重要作用,而且通过表达PAR等受体识别细菌并做出应答,成为先天性免疫的关键参与者,所以是细菌入侵机体的第一道“警报系统”。Zhang等的研究发现,人牙龈上皮细胞受到牙龈卟啉单胞菌培养上清液刺激后,通过上调PAR-2以及下调PAR-1、PAR-3的表达,早期识别致病细菌,介导先天性免疫应答,行使保护机体的功能。

    Pereira等发现,慢性牙周炎患者唾液中的抗菌肽β防御素2和PAR-2的mRNA水平均高于健康对照者,经牙周治疗后均下降。以上研究结果说明,PAR-2在介导牙龈上皮细胞参与炎症的防御与修复过程中发挥重要作用。另外,损伤部位的内源性蛋白酶也通过PAR调节牙周组织的先天性免疫。凝血酶激活的PAR-1以及胰蛋白酶激活的PAR-2协同促进牙龈上皮细胞产生CXC趋化因子,招募中性粒细胞,参与伤口愈合过程。

    新近发现牙龈上皮细胞PAR-4激活后可促进细胞增殖,研究者希望通过激活PAR-4在种植体周围形成上皮屏障,以避免种植体周围炎。牙龈上皮细胞PAR的激活,一方面参与牙周组织的防御和修复,另一方面通过释放促炎细胞因子造成牙周组织的破坏。牙龈卟啉单胞菌蛋白酶通过PAR-2信号通路刺激牙龈上皮细胞分泌白细胞介素(interleukin,IL)-1、IL-6、IL-8、IL-33以及肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α等一系列促炎因子,造成牙周组织的破坏。

    Tada等发现,抑制磷脂酶C-P38-核因子(nuclear factor,NF)-κB通路可显著抑制牙龈卟啉单胞菌牙龈蛋白酶激活牙龈上皮细胞PAR-2介导的IL-33表达,所以牙龈卟啉单胞菌可能通过PAR-2-磷脂酶C-P38-NF-κB轴信号通路介导牙周炎。

    有研究发现,空气中的过敏原蟑螂蛋白刺激人牙龈上皮细胞PAR-2,可产生磷脂酶C/三磷酸肌醇依赖的钙信号,使促炎因子IL-1β、IL-6、IL-8和含吡啶域的NOD样受体家族3释放,最终导致牙周炎。因此,哮喘和牙周病可能存在某种联系,这还有待未来研究的进一步阐释。在牙周炎早期阶段,牙龈上皮细胞PAR-2激活后识别细菌并作出应答,起到保护机体的作用;在牙周炎发展后期,PAR-2激活导致促炎因子和趋化因子分泌,主要介导牙周炎破坏过程。另外,内源性蛋白酶激活牙龈上皮细胞PAR-1、PAR-2、PAR-4,有助于伤口的愈合。

    3.牙龈成纤维细胞

    牙龈成纤维细胞是牙龈结缔组织中的主要细胞,负责组织更新。一旦病原菌突破上皮屏障,细胞表面表达的PAR被病原菌激活后分泌细胞因子,局部招募免疫细胞,启动先天性免疫应答。牙龈成纤维细胞也被认为是导致牙周炎症持续的主力军,并和IL-6的表达有关。IL-6是急性期蛋白的重要调节因子,可刺激T细胞分化,诱导破骨细胞形成和牙槽骨吸收。

    有研究发现,牙龈成纤维细胞在接触野生型牙龈卟啉单胞菌后,上调PAR-2 mRNA表达,并产生细胞因子IL-6和IL-8;蛋白激酶C和P38参与调控这个过程;PAR-2基因沉默不影响PAR-1表达;然而PAR-1基因敲除后,PAR-2的表达显著上调。已有临床证据支持PAR-2在牙周炎中的促炎效应,然而关于PAR-1在牙周炎中的作用知之甚少。笔者所在课题组用重组蛋白酶R作用后发现,牙龈成纤维细胞的PAR-1、PAR-3表达均下降,而IL-6表达升高。

    Palm等发现,牙龈成纤维细胞分泌IL-6由PAR-1和Toll样受体共同介导,PAR-1基因沉默会使IL-6分泌减少。因此,PAR-1和PAR-2之间似乎存在复杂的交叉反应。笔者猜测牙龈成纤维细胞是以PAR-2为主PAR-1为辅的主要模式参与牙龈卟啉单胞菌诱导的牙周炎组织破坏过程。另一方面,牙龈成纤维细胞PAR-1可能有保护牙周组织作用。临床研究发现,牙周炎患者牙周治疗前PAR-1 mRNA水平与健康组相似,治疗后PAR-1表达增加,且与PAR-2和促炎细胞因子水平呈负相关。

    牙龈成纤维细胞通过PAR-1、PAR-2上调肝细胞生长因子mRNA的表达,参与伤口愈合和组织改建。伤口处的凝血酶激活牙龈成纤维细胞PAR-1后,由细胞表面的整合素启动转化生长因子(transforming growth factor,TGF)β信号介导结缔组织生长因子(connective tissue growth factor,CTGF)的合成,促进伤口愈合,这可能与牙龈增生也有关。

    Palm等发现,牙龈蛋白酶R突变型牙龈卟啉单胞菌刺激PAR-1敲除的牙龈成纤维细胞,会进一步降低促白细胞分泌抑制剂(secretory leukocyte inhibitor,SLPI)的mRNA水平。SLPI具有抗炎、抗菌和抗病毒作用,并能保护中性粒细胞弹性蛋白酶。这些数据提示PAR-1可能通过分泌肝细胞生长因子、CTGF、SLPI等参与牙周炎的修复过程。牙龈成纤维细胞以PAR-2为主PAR-1为辅的主要模式释放细胞因子IL-6,促进牙槽骨的吸收;另外,PAR-1激活上调肝细胞生长因子、CTGF、SLPI表达,促进胶原合成,参与组织改建与伤口愈合。

    4.成骨细胞和破骨细胞

    牙槽骨吸收是牙周炎的主要病理变化之一。骨吸收程度与破骨细胞数量呈正比。成骨细胞活动使骨组织得以修复或者再生。炎症介质(如IL-1、IL-6)可通过PAR路径激活破骨细胞和成骨细胞后分别介导牙槽骨的吸收和成骨过程。一些研究提出凝血系统与骨重建存在一定联系。伤口处常存在抗凝血活化蛋白C、凝血酶。抗凝血活化蛋白C主要激活PAR-1,调节下游的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases,ERK)1/2、蛋白激酶B(protein kinaseB,PKB,Akt)、P38信号,促进成骨细胞增殖,激活PAR-2-P38通路也传导部分信号。

    研究发现,PAR-1与内皮蛋白C受体、鞘氨醇1-磷酸受体、载脂蛋白E受体2共同介导抗凝血活化蛋白C抑制核因子κB配体受体激动剂(receptor activator of nuclear factor κB ligand,RANKL)诱导的破骨细胞分化的过程。凝血酶也通过PAR-1路径影响成骨细胞生长因子和细胞因子的合成和分泌,促进成骨细胞增殖并抑制其分化和凋亡。凝血酶本身对破骨细胞分化没有影响,但通过促进成骨细胞生成IL-6和环氧合酶间接刺激破骨细胞分化。

    Tudpor等发现凝血酶具有维持正常骨量的作用:激活PAR后通过p42/44-ERK信号通路激活RANKL并抑制骨保护素合成,调节成骨细胞和破骨细胞的功能。Maeda等发现在骨折处,PAR-1介导的前成骨细胞受凝血酶刺激后,一方面通过磷脂酶A2参与花生四烯酸的释放,另一方面以MEK/ERK/环磷腺苷效应元件结合蛋白和Src/基质金属蛋白酶/表皮生长因子受体/P38路径介导环氧合酶-2上调,最终产生前列腺素E2。

    Sato等发现小鼠股骨骨折处的PAR-1、凝血酶、组织因子、磷酸化Akt、p42/44高表达,进一步研究发现凝血酶刺激PAR-1后通过磷脂酰肌醇3激酶-Akt和MEKERK1/2路径诱导成骨细胞分泌单核细胞趋化蛋白1、组织因子、IL-6等,且引起巨噬细胞迁移,参与骨折愈合过程。这些结果表明PAR-1参与骨改建的早期阶段,并参与骨折愈合过程。大鼠牙周炎模型表达的PAR-2与IL-1β、IL-17、TNF-α等促炎因子的水平经牙周非手术治疗后有所下降,并且骨丧失率也有所降低。

    PAR-2基因沉默小鼠受牙龈卟啉单胞菌诱导后,上颌骨破骨细胞数量相比同源野生型小鼠变少,牙龈炎症反应减弱。另有研究发现,PAR-2基因沉默会降低软骨的破坏程度和活化的巨噬细胞数量。重度牙周炎患者龈沟液中PAR-2及牙龈蛋白酶水平均高于中度牙周炎患者及对照,说明PAR-2水平可反映牙周组织破坏的严重程度。

    以上结果说明PAR-2的激活促进宿主的炎性应答,在牙周炎发展过程中发挥破坏性作用,促使牙周组织出现炎症和发生骨丧失;当PAR-2水平下降时,牙槽骨丧失率降低,牙龈炎症反应减弱。综上所述,凝血相关蛋白激活PAR-1可同时调节成骨细胞和破骨细胞功能,在骨折愈合中发挥重要作用。PAR-2可介导破骨细胞分化,在牙周炎发展中促进骨吸收。

    5.免疫细胞

    牙周炎过程中发生的大多数组织损害是由宿主过度免疫应答引起的。单核细胞和T细胞是牙周组织炎症和机体免疫反应重要的效应细胞。血液中成熟的单核细胞进入组织后进一步分化成巨噬细胞。分布在单核细胞上的PAR负责诱导白细胞滚动、黏附和迁移,在防御感染、自身稳定和免疫监测中发挥作用。

    T细胞不仅有直接的免疫效应功能,同时可通过激活PAR产生大量细胞因子,招募相应细胞协同发挥免疫作用。研究发现,纤溶酶激活单核细胞的PAR-1后,使NF-κB失活,削弱脂多糖诱导的炎症破骨细胞产生并减少骨吸收。PAR-1激活促进巨噬细胞分泌干扰素β和CXCL10,提高抗病毒能力。PAR-1活化通过抑制干扰调节因子5,抑制巨噬细胞分泌IL-12和IL-23,抑制胃黏膜应对幽门螺杆菌产生的辅助性T(helper T,Th)1细胞和Th17细胞应答,从而保护胃黏膜免受免疫损害。

    另外,Yamaguchi等发现,PAR-2介导巨噬细胞分泌促炎因子IL-13的过程可能依赖Ca2+/ERK2信号通路。因子Xa可抑制单核细胞、巨噬细胞PAR-2介导的促炎效应。有研究发现,重度哮喘患者PAR-2的表达量和外周血中表达PAR-2的中间态单核细胞的比重高于轻中度哮喘患者。以上研究表明单核细胞PAR-2通过分泌大量促炎因子、趋化因子引起炎症反应;PAR-1激活可能有抗炎效应,两者共同参与机体的免疫反应。另外,牙龈卟啉单胞菌来源的脂多糖通过PAR-2路径上调IL-6的表达,促使Th17细胞分化。

    PAR-2活化增加肠易激综合征小鼠结肠Th1细胞促炎细胞因子表达。PAR-2的缺失可能会降低T细胞活性和Th1细胞炎症反应,受感染后牙槽骨吸收减少。这些结果说明PAR-2在Th细胞上具有促炎作用。其他一些免疫细胞(如参与过敏反应的肥大细胞)PAR被相应激动剂激活后,可引起其聚集,脱颗粒,释放组胺,产生IL-4、IL-5、IL-6等细胞因子。最近发现PAR-2激活与神经炎症、过敏炎症反应相关,PAR-4激活下调促炎细胞因子水平。

    嗜酸性粒细胞的PAR激活后可引起其浸润组织、脱颗粒和产生超氧阴离子。PAR-2激动剂还能促使中性粒细胞释放IL-6、IL-8、IL-1β;PAR-1在炎症反应中介导中性粒细胞脱颗粒;PAR-4的缺失可减少中性粒细胞的聚集,减轻水肿反应。中性粒细胞分泌的蛋白酶通过PAR-2激活上皮细胞,引起口腔黏膜的炎症反应。大量证据表明免疫细胞PAR-2主要介导炎症反应。因此在牙周炎发展过程中,牙周组织中常驻及招募而来的免疫细胞激活PAR-2后产生的过度应答可能导致组织损害。

    6.总结

    牙周组织内不同细胞的PAR经细菌蛋白酶及内源性蛋白酶激活后,诱导产生促炎因子、趋化因子、免疫调节因子,参与炎症反应及免疫应答,在牙周组织破坏及修复过程中发挥双刃剑的作用。牙龈成纤维细胞、破骨细胞、单核巨噬细胞、Th细胞的PAR-2激活参与牙槽骨破坏,在牙周炎发展中造成组织损害;牙龈上皮细胞的PAR-2激活在牙周炎早期起免疫监视作用,在牙周炎晚期有促炎效应;牙龈成纤维细胞、成骨细胞、单核巨噬细胞的PAR-1激活可有助于牙周组织的修复及免受免疫损害,但牙龈成纤维细胞的PAR-1激活似乎也参与促炎过程,因此PAR-1在牙周炎中的作用还存在争议,有待进一步研究。

    另外,牙龈蛋白酶激活PAR-1导致血小板聚集,表明牙周炎与心血管疾病相关,这也是未来研究的方向。因此,随着PAR与牙周炎相关机制的深入探讨,以牙周组织中存在的细胞为靶点,研究如何降低PAR-2水平以及如何阻断PAR-2及其下游信号来维持牙槽骨高度,减弱牙龈炎症反应,减弱炎性免疫应答,这或许可为牙周炎的治疗提供新的思路。

编辑: 陆美凤

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