因治療需要而出現(xiàn)牙齒和下頜錯(cuò)位的發(fā)生率很高。近年來，正畸牙齒移動矯正牙齒錯(cuò)位的生物學(xué)研究日益重要，總體目標(biāo)是確定通過施加力激活的分子因子。在正畸牙齒移動過程中，正畸力的作用導(dǎo)致牙槽骨的機(jī)械變化。盡管每個(gè)解剖位置的骨細(xì)胞（包括成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞）都對機(jī)械負(fù)荷敏感，從而適應(yīng)改變的外部條件，但現(xiàn)在人們認(rèn)識到，對于正畸牙齒移動，作用在牙周膜（PDL）和內(nèi)部成纖維細(xì)胞上的力是決定性的。然而，力接收和隨后的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的確切模式尚不wan全清楚，該過程中涉及的分子因子也尚未被鑒定和進(jìn)行功能表征。

到目前為止，Ephrin/Eph受體家族的成員以及信號素（Semaphorins）及其受體神經(jīng)纖毛蛋白（Neuropilin）和神經(jīng)叢蛋白（Plexin）與維持骨穩(wěn)態(tài)有關(guān)。研究已經(jīng)證實(shí)了Ephrines 和Eph受體參與正畸牙齒移動過程中的骨重塑，但尚未證明信號素在正畸牙齒移動過程中的參與。然而，信號素3A（Sema3A）對這一作用特別感興趣，因?yàn)樗瑫r(shí)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化并干擾破骨細(xì)胞分化。研究表明，Nrp1是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞Sema3A-依賴性調(diào)控的決定性共受體，然而，實(shí)際的信號傳遞是通過 Plexin-A1 受體（PlxnA1）進(jìn)行的。關(guān)于Sema3A機(jī)械調(diào)控的數(shù)據(jù)很少。

德國海德堡大學(xué)口腔正畸和口腔頜面骨科的Sinan ?en、Christopher J Lux和Ralf Erber研究員在之前的研究中對 Ephrin/Eph 家族成員的研究以及Sema3A 在骨重塑的中的功能數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)引導(dǎo)分子在正畸牙齒移動調(diào)控中的作用可能被低估了。因此，在之后的一項(xiàng)研究中旨在（i）研究不同的機(jī)械力是否調(diào)節(jié)牙槽骨牙周成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞中 Sema3A 及其受體 Neuropilin-1 和 Plexin A1 的表達(dá)，（ii）研究 Sema3A 的機(jī)械調(diào)控，（iii）研究 Sema3A 刺激對牙槽骨成骨細(xì)胞分化的影響，（iv）闡明 Sema3A-依賴性成骨細(xì)胞分化的潛在分子機(jī)制，最后（v）測試 Sema3A 對牙槽骨成骨細(xì)胞粘附和運(yùn)動的潛在影響。具體內(nèi)容發(fā)表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊題為“A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement"。

表明Sema3A參與調(diào)控正畸牙齒移動期間骨重塑的決定性先決條件是它通過牙周組織細(xì)胞（人牙周膜原代成纖維細(xì)胞（hPDLF）和人牙槽骨原代成骨細(xì)胞（hOB）中的機(jī)械力進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，實(shí)驗(yàn)首先研究了hPDLF 和 hOB 中 Sema3A 表達(dá)及其受體 NRP1和PLXNA1的機(jī)械調(diào)控。

在施加機(jī)械靜態(tài)應(yīng)變（2%、4、24、48、72和96 h）或靜態(tài)壓縮力（ 30 g/cm2，1、6、10 h）后，通過定量PCR檢測hPDLF細(xì)胞的變化。結(jié)果表明，在PDLF中，Sema3A的表達(dá)明顯改變，應(yīng)變或壓縮力作用下的差異調(diào)控也明顯變化。Sema3A在應(yīng)變4h和72h后被顯著誘導(dǎo)，在96h后達(dá)到基線水平，而壓縮力導(dǎo)致Sema3A mRNA在所有時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)顯著降低。PLXNA1僅在應(yīng)變4h后被顯著誘導(dǎo)，并在24h后升高，而在壓縮后沒有顯著改變。NRP1 在應(yīng)變4 h后被輕微誘導(dǎo)，但在48h后顯著降低，并在應(yīng)變 72h和 96h和壓縮力后仍低于基線水平（圖1 A-C）。

Western blot 的蛋白表達(dá)分析證實(shí)了Sema3A的應(yīng)變依賴性誘導(dǎo)，并提示了差異調(diào)節(jié)的受體表達(dá)：應(yīng)變誘導(dǎo)bot、Plexin A1和Neuropilin 1表達(dá)，但通過壓縮降低。此外，Sema3A蛋白表達(dá)被壓縮降低，PlexinA1 和 Neuropilin 1 的mRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá)在應(yīng)變及壓縮期間表達(dá)不一致，Sema3A的mRNA和蛋白表達(dá)在時(shí)間上也存在差異。

有趣的是，在hOB中施加機(jī)械力后，沒有觀察到Sema3A及其受體表達(dá)的顯著變化。

圖1 SEMA3A、PLXNA1 和 NRP1 的 mRNA 表達(dá)受到機(jī)械壓縮或應(yīng)變的差異調(diào)節(jié)。

基于現(xiàn)有證據(jù)表明 Sema3A 可能是 Osterix（SP7）轉(zhuǎn)錄因子的直接轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)以及來自正畸牙齒移動動物模型的數(shù)據(jù)顯示 Osterix 可以在張力側(cè)被誘導(dǎo)，因此，實(shí)驗(yàn)推測應(yīng)變、Osterix 和 Sema3A 表達(dá)可能與 hPDLF 相關(guān)。在機(jī)械應(yīng)變（2.5%）或壓縮力（30 g/cm2）下對 hPDLF 中 Osterix 進(jìn)行 RT-qPCR 分析，結(jié)果顯示，在拉伸細(xì)胞中顯著誘導(dǎo)Osterix表達(dá)長達(dá)24h，而壓縮hPDLF中Osterix表達(dá)顯著降低。盡管導(dǎo)致其機(jī)械誘導(dǎo)的機(jī)制尚不清楚，但這些結(jié)果表明，Osterix可能參與了機(jī)械誘導(dǎo)的Sema3A上調(diào)。

接下來，為了測試Sema3A對牙槽骨成骨細(xì)胞成骨分化的影響，用含有或不含重組人Semaphorin 3A 的成骨培養(yǎng)基（10 ng/mL）刺激hOB。

結(jié)果顯示，外源性Sema3A顯著刺激關(guān)鍵成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2表達(dá)，其他成骨標(biāo)志基因（ALPL、堿性磷酸酶、SPP1、骨橋蛋白、BGLAP、骨鈣素）在刺激后顯示出超越成骨培養(yǎng)基作用的誘導(dǎo)趨勢（圖2 A-D）。然而，在沒有成骨預(yù)處理的情況下，Sema3A對成骨基因表達(dá)的影響是無法檢測到的。因此，PDLF 中Sema3A 的機(jī)械-依賴性釋放可能僅在已經(jīng)成骨的環(huán)境中促成牙槽骨成骨細(xì)胞的成骨分化。

圖2 在成骨環(huán)境下，外源性信號蛋白3A刺激有助于牙槽骨成骨細(xì)胞的成骨分化。

來自小鼠實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，叢蛋白相關(guān) GTPases 和 Wnt/β-catenin 信號通路參與骨骼中 Sema3A 激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。因此，研究人員測試了 hOB 中 Sema3A 刺激是否導(dǎo)致 GTPases Rac1 的激活和積累以及β-catenin 的核易位。用外源性Sema3A刺激牙槽骨成骨細(xì)胞導(dǎo)致Rac1GTPase的激活（圖3 A）。

RT q-PCR顯示，在礦化培養(yǎng)基中生長的hOB中，Sema3A對β-catenin 誘導(dǎo)有顯著貢獻(xiàn)（圖3 B）。在對照細(xì)胞中，β-catenin 主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，用 Sema3A 刺激導(dǎo)致 2h后核周 β-catenin 的積累，48h后，大部分β-catenin 易位到細(xì)胞核中（圖3 C）?；谶@些結(jié)果，可以推測 hOB 中 Sema3A-依賴性誘導(dǎo)的成骨標(biāo)志物基因的表達(dá)是通過Rac1GTPase- 和β-catenin- 依賴性信號通路發(fā)生的。

在幾種細(xì)胞類型中，Sema3A在與Neuropilin-1 及其共受體PlexinA1結(jié)合時(shí)激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)級聯(lián)反應(yīng)，從而控制F-肌動蛋白動力學(xué)，控制細(xì)胞粘附和運(yùn)動。在骨重塑過程中，成骨細(xì)胞前體和成骨細(xì)胞募集到活躍的重塑部位需要這些細(xì)胞的運(yùn)動。最后，為了檢測 Sema3A是否影響牙槽骨成骨細(xì)胞運(yùn)動，用重組 Sema3A（100 ng/mL）處理不同時(shí)間段的 hOB，用免疫熒光染色法測定黏著斑蛋白（Vinculin）來評估黏著斑，結(jié)果顯示，沒有證據(jù)表明牙槽骨成骨細(xì)胞的黏著斑改變。從這些數(shù)據(jù)來看，Sema3A似乎對牙槽骨中成骨細(xì)胞運(yùn)動沒有顯著影響。

圖3 Semaphorin 3A刺激人牙槽骨原代成骨細(xì)胞（hOB）與Rac1GTPase激活、β-catenin轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)和核易位相關(guān)。

以前的研究尚不清楚機(jī)械力可能對Sema3A信號傳導(dǎo)產(chǎn)生什么影響。總之，這項(xiàng)研究shou次顯示了牙周成纖維細(xì)胞中Sema3A的差異機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)制。牙槽骨成骨細(xì)胞通過 Rac1 和 β-catenin 依賴性誘導(dǎo)分化標(biāo)志物對 Sema3A 刺激做出反應(yīng)。結(jié)合之前對 Ephrin/Eph 家族的研究結(jié)果，目前的數(shù)據(jù)表明，神經(jīng)引導(dǎo)分子參與了正畸牙齒移動過程中骨重塑的調(diào)節(jié)。Sema3A 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)械調(diào)節(jié)可能不一定局限于正畸牙齒移動期間的骨重塑，因?yàn)橛糜诰S持骨量的基本重塑過程是機(jī)械誘導(dǎo)的骨骼范圍。然而，在正畸力誘導(dǎo)的骨重塑的情況下，根據(jù)這里提供的結(jié)果，牙周成纖維細(xì)胞作為機(jī)械力的受力者，似乎是最重要的。這些體外研究結(jié)果能否用于臨床，目前還在探索之中。

參考文獻(xiàn)：?en S, Lux CJ, Erber R. A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement. Int J Mol Sci. 2021 Aug 2;22(15):8297. doi: 10.3390/ijms22158297. PMID: 34361063; PMCID: PMC8348452.
原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34361063/

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