牙周炎是最高发口腔疾病之一，是发生于牙齿支持组织的慢性感染性疾病，发达国家和发展中国家均普遍患病，累及全球约20%～50%的人口。临床表现为牙齿支持遭受破坏，最终导致牙齿松动，常伴有口腔异味等症状。铁死亡是一种新型的细胞死亡方式，有别于其他细胞程序性死亡，ROS 积累和脂质过氧化反应为其主要特征。大量研究证实，铁死亡与人体各系统多种疾病有关。本文将就破骨细胞铁死亡与牙周炎牙槽骨骨吸收之间关系的研究进展进行综述。
1.铁死亡概述
1.1 细胞铁死亡的特点
铁死亡（ferroptosis）是Fe2+ 依赖的新型程序性细胞死亡方式，其特点为铁依赖的活性氧类（reactive oxygen species，ROS)大量积累和脂质过氧化反应触发的细胞质膜破裂而促使细胞死亡。2018 年，细胞死亡命名委员会（NCCD）将铁中毒定义为由谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）调节的细胞内微环境的氧化反应。
铁死亡在形态学上主要表现为细胞小而圆、细胞膜聚缩、线粒体形态及其膜密度改变等。从生化代谢角度上看，体内细胞的氧化还原平衡遭到破坏、组织中的ROS 及其衍生的自由基水平增加，伴随着GPX4 的消耗、脂质过氧化物的大量堆积以及抗氧化能力的下降。
1.2 铁死亡的主要机制与通路
1.2.1 铁超载
铁是人体必需营养元素，同时也是几乎所有生物体生长必不可少的一种物质，且作为活细胞中的主要催化剂，在生物体内参与多种过程，包括能量产生、DNA 合成等。包括缺铁在内铁代谢异常会导致多种疾病的发生概率增加，如贫血、心脏病等。铁超载（iron overload）是指组织中铁的过度沉积，其可能对心脏、肾脏等重要器官造成损害。机体之所以处于铁稳态平衡状态，主要是因为铁的运输、储存和调控在细胞和系统水平上受到严格的机制调控，维持铁稳态的关键是维持体内一定的游离铁水平。
生物体调节铁稳态蛋白表达依赖的是由铁调节蛋白/铁反应元件，包括转铁蛋白受体1（transferrin receptor 1，Tfr1）、脱铁转铁蛋白（apotransferrin）以及铁蛋白等构成的经典系统，它们均参与细胞对铁的摄取、储存和排出。
铁元素在机体中主要以离子的形式存在，三价铁的溶解度较低，而亚铁更容易溶于水，并且具有高度的反应性，是大多数生物体不可缺少的辅助因子。在细胞质膜上有两种途径对细胞外铁进行铁摄取并对其进行选择：非转铁蛋白结合铁与转铁蛋白结合铁。正常情况下，机体能够维持Fe2+ 的动态平衡，然而铁超载发生时，具有极强的还原性Fe2+ 大量积累，催化过氧化氢转化为氧自由基，大量ROS 引发铁死亡。
1.2.2 脂质过氧化
脂质过氧化是铁死亡众多复杂机制中的一个重要环节，能增加脂质毒性、诱导铁死亡发生。脂质过氧化反应多在含大量磷脂的膜结构中进行，以多不饱和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）为主要底物（如花生四烯酸和肾上腺素）。铁死亡中的脂质过氧化物反应，GSH/GPX4信号轴是较为明确的调控机制。
GPX4 是细胞铁死亡脂质过氧化过程的重要抗氧化酶，在其底物谷胱甘肽（GSH）的共同作用下将PUFA-PL-OOH 还原，阻断过氧化级联反应。GPX4 还能在胞内参与催化以GSH 为还原剂的氧化还原反应，将有毒性的高反应性脂质氢过氧化物反应生成无毒的脂质醇，脂质氢过氧化物无法短时大量积累，细胞铁死亡即可被抑制。
GSH 的合成需要胱氨酸（Cys2）跨膜进入细胞内，后经过一系列反应转变为半胱氨酸（Cys）参与合成GSH，而Cys2 进入细胞则需要借助于Xc－ 系统。Xc－ 系统由轻链亚基SLC7A11 和重链亚基SLC3A2 构成，其中负责氨基酸转运的SLC7A11 对Xc－系统的活性影响较大，实验证实靶向SLC7A11 可延缓GSH 的生成，影响GPX4 对高反应性脂质过氧化物的催化作用，调控铁死亡进程。
1.2.3 p53 通路
学者们公认p53 具备调节细胞代谢的能力，其对铁死亡的间接调控作用同样受到关注，其靶向作用位点主要为谷胺酰酶2（GLS2）、前列腺素内氧化合酶2（PTGS2）、5-LOX 等。p53 能够靶向调控GLS2 和PTGS2，前者可以催化谷氨酰胺水解为谷氨酸，降低GSH 水平，后者是体内化合物前列腺素（PG）的关键酶，可以调节细胞内过氧化脂质的水平，改变对铁中毒的敏感性。然而，p53 信号通路庞大，对铁死亡的调控作用也不仅是简单的诱导其发生。
2017 年，Xie 等研究发现p53 能通过抑制二肽基肽酶（DDP-4）降低细胞对铁死亡的敏感性。Tarangelo等研究表明，长期稳定存在的p53 将会延缓铁死亡的发生。综上，p53 对铁死亡是非直接而是通过靶基因间接调控的，并且调节网络十分复杂。
1.2.4 MAPK 通路
目前公认铁死亡诱导剂Erastin 在作用过程中往往伴随MAPK 途径的激活，表明MAPK 途径的激活与铁死亡之间可能存在密切的关系。日本的一项研究发现，持续的冷刺激通过ROS 诱导ASK1-P38 信号轴的激活，导致细胞铁死亡，给予去铁胺后，铁死亡则明显减少，进一步证实了铁死亡与p38-MAPK 通道的关联。
最近Ma 等证明利多卡因能通过调节p38-MAPK 以减轻肺上皮细胞铁死亡。此外，Chang等实验结果表明，一种名为Heter-onemin 的海洋萜类化合物可通过ROS 及MAPK 途径诱导肝癌铁死亡。MAPK 途径介导、调控细胞铁死亡，参与铁死亡造成的各类疾病的发生，其中ROS的参与也进一步佐证了此观点。除上述通路外，Hippo 途径、Nrf2 途径也被证实参与了铁死亡的发生。
总而言之，铁死亡的诱发机制错综复杂，形成庞杂的关系网络，不同途径之间关联及相互之间的作用仍然难以捉摸，需要进一步研究。
2.铁死亡与牙槽骨吸收
2.1 牙周炎中的骨吸收
牙槽骨的吸收及牙齿丧失是牙周炎的重要表现之一。成骨细胞（osteoblast，OB）和破骨细胞（osteoclast，OC）是骨改建的基本细胞，它们所形成的骨吸收/骨形成动态平衡是维持骨稳态的基础。成骨细胞来自于间充质细胞，调节并影响骨的形成和重建过程。破骨细胞来源于骨髓单核/巨噬细胞系（marrow/macrophage)，为人体中唯一能吸收矿化骨的多核巨细胞。
破骨细胞增殖分化需要巨噬细胞克隆刺激因子（macrophage colony stimulating factor，M-CSF）和RANKL 的参与，其中M-CSF 与其受体结合后产生增殖信号，RANKL 诱发前体细胞分化。牙周炎发生时，致病菌的毒力因子、大量产生的炎症细胞分泌的细胞因子等刺激破骨细胞分化及骨吸收发生。研究表明，在炎症状态下大量淋巴细胞产生RANKL，在ROS 参与下介导破骨细胞活化导致骨组织破坏。同时，MAPK、NF-κB 等信号通路的激活也受ROS 诱导，参与骨破坏过程。
2.2 铁超载与骨吸收
铁代谢异常与牙周炎发生发展有紧密关联，铁既可以作为牙龈卟啉单胞菌等牙周病原菌的重要生长因子和毒力调节因子，还可调控人类牙周韧带干细胞正常分化。研究证实，感染状态下的牙周组织出现含铁化合物的上调，如铁蛋白、转铁蛋白和血红素等，牙周病原体从这些化合物中得到铁并用于自身的生长和繁殖。例如，牙龈卟啉单胞菌可以通过裂解红细胞释放出铁，进而增加了细胞中的铁浓度。这表明在牙周炎发生时铁代谢稳态被破坏，然后反馈作用到牙周炎症的发展中。
在破骨细胞分化过程中，细胞内如出现铁超载，会产生大量ROS 促进cAMP 反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）对过氧化物酶体增殖物激活的受体-γ 共激活剂1β （peroxisome proliferator activated receptor-γ coactivator 1β，PGC-1β）的转录诱导，由此促进破骨细胞的分化。不仅仅是破骨细胞，成骨细胞及成骨功能也会受到铁的影响。
Messer等证实，高浓度铁抑制成骨细胞的成骨功能，破坏骨稳态，使得成骨/破骨天平向着破骨、骨吸收的方向倾斜，从而导致骨质疏松。铁超载同时会引发线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential，MMP）下降，导致骨髓间充质干细胞线粒体受到破坏，随后波及到骨微结构及骨髓微环境，最终的结果是骨小梁减少、分离变宽，扰乱骨髓间充质干细胞的增殖分化能力。
2.3 ROS 与骨吸收
ROS 在铁死亡相关的骨组织破坏中的作用至关重要。ROS主要来源是线粒体的呼吸链代谢途径，生理状态下，其作为代谢产物被抗氧化酶清除以达到动态。当机体收到炎症刺激等病理情况发生时，抗氧化系统失衡，ROS 聚集引起氧化应激。铁超载亦可通过Fenton 反应产生大量ROS，对组织产生损伤的同时诱发铁死亡。
越来越多的证据表明，过量的ROS 积累通过降低抗氧化酶的水平和阻止成骨细胞分化而导致骨质破坏。同时，它们会加速破骨细胞对骨的吸收，导致骨小梁质量的减少和明显的功能障碍。牙周炎发生时，淋巴细胞产生的RANKL 与其在细胞表面的受体RANK 结合，肿瘤坏死因子受体相关因子6（tumor necrosis factor receptor-associated factor 6，TRAF6）聚集并激活下游信号通路，包括MAPK、PI3K 和NF-κB 途径。
NF-κB 促进趋化因子分泌，进一步加重炎症反应和破骨细胞分化;ROS 可以通过抑制磷酸酶和Tensin 同源物激活PI3K，抑制蛋白激酶B（protein kinase B，PKB）的表达，而PKB 在前体破骨细胞分化中则是必不可少的。有研究证实，ROS 不仅参与破骨细胞分化，同时也与成骨细胞的凋亡、黏附有关。
总之，ROS 通过调节破骨细胞及成骨细胞的分化、功能导致骨组织及牙周软组织破坏。
2.4 MAPK 通路与骨吸收
MAPK 途径与细胞增殖、分化、炎症、凋亡等生理、病理过程密切相关，其通路中ERK、JNK、p38 等对ROS 所致的氧化应激都高度敏感。RANKL 诱导NF-κB 和MAPK 通路的激活是调节破骨细胞形成和成熟的主要信号通路。2002 年，Li 等证实MAPK 途径为破骨细胞分化所必需，但破骨细胞的功能行使却独立于MAPK 信号通路。Ma 等在体外实验中发现，持续的低氧状态可通过JNK 的磷酸化抑制RANKL 诱导的破骨细胞分化，从而阻碍后续的骨吸收。而Kim 等研究表明p38 亦可介导破骨细胞的分化过程。
MAPK 途径参与骨吸收的方式不仅局限于影响破骨细胞，也涉及成骨细胞。陈泽群等利用细胞培养发现，艾塞那肽通过MAPK 通路抑制了成骨细胞的凋亡并提高细胞的活力。总而言之，RANKL 诱导的破骨细胞分化过程中，MAPK 级联中的ERK、p38 和JNK 被激活，当下调ERK1 /2、p38 MAPK 和JNK 途径时，可观察到破骨细胞成熟及骨吸收成明显抑制状态。
3.小结
综上所述，诱发、调控铁死亡的多种信号通路在牙周炎骨吸收中可被观察到，尤其是铁代谢紊乱及脂质过氧化等典型铁死亡特征与牙周炎破骨细胞分化、功能密切相关，在调节铁死亡的同时影响牙周炎的进程。因此，牙周炎所致的牙槽骨吸收与破骨细胞铁死亡间有着密切关联。然而铁死亡的分子机制及相关信号通路复杂，现有相关研究尚不能清晰阐明。随着未来的研究逐步深入，牙周炎的发病机制与铁死亡机制之间的联系及相互作用逐渐清晰，将会给牙周炎的防治提供更多新颖的角度。
