外科技術輔助加速正畸牙移動的生物學機制研究進展

周楊一帆， 唐 燚， 別苗苗， 康非吾

（同濟大學口腔醫學院，同濟大學附屬口腔醫院口腔頜面外科，上海牙組織修復與再生工程技術研究中心，上海 200072）

在接受正畸治療的患者中，尤其是成年患者，其部分牙齒移動極為緩慢甚至停滯，這會導致療程增加，并會帶來一系列的問題，如齲齒、牙根吸收、牙齦黑三角等，同時也會降低患者的依從性，不利于后續的治療。因此，如何重新讓正畸牙移動或者加速正畸牙移動過程，已成為醫患雙方共同關注的重要問題之一。目前外科手術輔助加速正畸治療是臨床上常用且療效較為確切的技術方法。研究[1]表明，其主要機制是局部骨加速現象（RAP），即骨組織和軟組織受到刺激時發生的復雜生理反應。本文就RAP 在外科手術加速正畸牙移動過程中的最新機制研究進行綜述。

1 外科手術與RAP

目前臨床上加速牙齒移動的方法包括藥物、物理和外科輔助手術等，其中以外科手術輔助正畸治療加速牙齒移動的方法療效最為確切。早在1893 年，Bryan 就發現皮質骨切開可以促進正畸牙齒快速移動[2]。1959 年，Kole[3]首次提出外科手術加速牙齒移動的理論基礎為“骨塊移動理論”，并認為牙槽骨骨皮質是牙齒移動的阻力來源，通過切透牙根周圍的骨皮質，形成相對獨立的牙骨塊來降低牙齒移動的阻力，能夠加速牙齒的移動。直到Wilcko 等[1]發現僅切開骨皮質就能達到加速正畸牙移動的效果，并提出骨皮質切開術加速牙移動的機制是RAP，即當局部軟硬組織受到創傷時，通過機體細胞調節機制，激活鄰近組織中相應的破骨和成骨活性，能夠加速骨的吸收和合成，使局部軟硬組織快速改建，從而加速骨改建進程。隨著手術器械的發展，牙周膜牽張成骨、牙槽骨牽張成骨、微創骨皮質切開術、微骨穿刺術等均被用來輔助加速正畸牙移動[4]。該類方法的理論基礎均在不同程度上激活了RAP 現象，通過在牙根附近造成局部創傷，改變骨微環境來加速骨改建，能夠達到加快正畸牙移動的目的。研究[5]表明，RAP 在外科手術實施后的數日即可發生，并在1～2 個月內達到高峰，直到6個月骨重建完成時結束。然而，手術創傷激活RAP發生的分子機制尚未完全明晰。

2 RAP 的分子機制

研究[5-6]表明，創傷導致RAP 的原因主要是由于骨組織內不同時間點成骨細胞和破骨細胞的激活。在家兔模擬正頜手術的模型中，術后第1 天牙槽骨破骨吸收活性顯著增強，并持續增加至術后第7 天，直至第14 天下降至術前水平[6]；而大鼠頜骨手術術后第7、14 天時，牙槽骨成骨分化顯著，說明頜骨手術亦可在中后期增強成骨細胞的活性[6]。以往的研究[6-7]表明，RAP 的內在機制主要為局部創傷造成的局部微環境改變，包括缺血缺氧、炎癥反應及骨免疫等，影響了破骨和成骨的動態平衡。

2.1 炎癥因素

RAP 是指創傷后，鄰近創傷處的健康骨組織顯示骨密度降低，隨后新骨生成，骨密度逐漸恢復的過程。在此過程中，創傷會加重局部組織的無菌性炎癥反應，在骨皮質切開術后，在牙槽骨愈合的早期階段就可以觀察到大量炎性細胞的浸潤[8]，并產生各種炎癥細胞因子。在家兔模擬正頜手術的模型中發現，白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白細胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、腫瘤壞死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）在術后3～14 d 時增高，提示手術創傷可以使炎癥因子發生變化[6]。

通常，促炎因子包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-11和IL-17，它們通過增強破骨細胞的分化和活性，并抑制成骨細胞的分化來促進骨吸收，而抗炎細胞因子IL-10 和IL-13 則起到相反作用[9]。TNF-α和IL-1 通過刺激成骨細胞和成纖維細胞中核因子κB 受體活化因子配體（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）的表達和骨保護素（osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG）的下調，直接或間接地協同促進破骨細胞的生成，而IL-6 不僅可以通過接觸破骨細胞前體來刺激破骨細胞的形成，還可以通過激活JAK2/STAT3 信號通路上調RANKL 的表達來增加骨細胞介導的破骨細胞分化[10]。生長因子如血小板衍生生長因子、胰島素樣生長因子、血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的釋放能夠募集并刺激成骨細胞和破骨細胞分化，加速骨生成、骨吸收和血管生成[11]。趨化因子單核細胞趨化蛋白-1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1）或半胱氨酸-半 胱氨酸基序趨化因子配體2（C-C motif chemokine ligand 2，CCL-2）能夠招募單核細胞離開血液，進入局部組織成為組織巨噬細胞或骨細胞[12]，前者可調節RANKL 誘導的破骨細胞生成，后者在骨基質中分泌巨噬細胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）、RANKL、OPG，能夠調節破骨細胞的形成并影響骨吸收[13]?？梢娧装Y對于骨的吸收、形成和重建至關重要[14]。

2.2 低氧因素

低氧誘導因子（hypoxia inducible factor，HIF）是機體響應低氧微環境的重要因子?，F階段HIF家族中被研究的最多的是HIF-1，其α亞單位在與HIF-1β組成異二聚體后能夠發揮調控作用[15]，啟動下游100 多種靶基因的表達，包括與低氧適應、血管形成及炎癥等[16]，因此，HIF-1 在機體內氧平衡調節中起關鍵作用。課題組[6]對大鼠頜骨手術模型的觀察發現，術后1～5 d 牙槽骨骨內氧含量下降，直至術后第7 天恢復至術前水平；與此同時，術后第1 天牙槽骨破骨吸收活性顯著增強，并持續增加至術后第7 天，直至第14 天下降至術前水平；在術后第7、14 天時，牙槽骨早期成骨分化顯著，說明低氧可以增強破骨細胞的活性。

破骨細胞在骨吸收中起重要作用，其主要的調控因子為M-CSF 和RANKL。當局部骨皮質被切開后，局部低氧可以使骨細胞高表達HIF-1α[17]，通過上調RANKL 的分泌，誘導破骨細胞分化，使得破骨細胞在數量增多的同時而提高活性。破骨細胞能夠分泌更多的基質金屬蛋白酶，降解細胞外基質（extracellular matrix，ECM）中的各種成分，加速牙槽骨吸收。同時，骨吸收是一個消耗能量的過程，通過實驗[18]發現，下頜截骨術后低氧微環境在激活破骨細胞中 HIF-1α的表達后，能夠促進糖酵解產酸，進而加速破骨細胞的形成并增強其骨吸收功能。HIF-1α條件性基因的敲除可顯著抑制小鼠下頜截骨后第一磨牙區破骨細胞的骨吸收功能，從而減弱RAP 效應[19]。HIF-1α作為局部氧環境進行感受和應答的核心分子，在傷口愈合牙槽骨骨改建的過程中發揮著一定的作用[20]。

此外，有研究[21]表明，目前HIF 調控骨代謝的機制主要是HIF/VEGF 通路。通路中成骨細胞分泌VEGF 以刺激血管生成，內皮細胞分泌骨形態生成蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）以促進骨形成，通過體內實驗可以發現上調成骨細胞中的脯氨酸羥化酶（proline hydroxylase，PHD）、von Hippel-Lindau（VHL）或HIF 可以增加VEGF的表達量[22]，而敲除成骨細胞中的HIF-1α則會降低VEGF 的表達量。而在體外實驗中，低氧狀態下，HIF-1α可以促進骨髓間充質干細胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的聚集，上調其向成骨細胞方向的分化能力[23]，而HIF/VEGF 通路的激活可以刺激更多的血管生成，也能促進BMSCs的增殖和遷移，影響骨生成。此外，HIF-1α還能刺激破骨細胞分泌偶聯因子心肌營養素1（cardiotrophin-1，CT-1）以刺激BMSCs 的成骨分化，在小鼠截骨模型中可以觀察到HIF-1α 能夠促進破骨細胞的生成以加快骨吸收，并在骨愈合時通過CT-1 影響骨生成[24]，這證明HIF-1α 參與到破骨-成骨的相互耦合調控中。綜上所述，HIF-1α 在低氧微環境下破骨功能激活及成骨成血管的過程中均起到關鍵作用。

2.3 骨免疫因素

隨著骨免疫學的發展，巨噬細胞對牙移動中骨改建作用的探究也在不斷深入[25]，巨噬細胞極化分為經典活化型巨噬細胞（classical activated macrophages，M1）和選擇活化型巨噬細胞（alternatively activated macrophages，M2），前者促炎，后者抗炎。目前的研究[24]顯示，牙周局部微環境中，M1、M2 型巨噬細胞處于動態平衡，沒有其中一方處于絕對優勢，并且表型可以相互轉換。而外科手術的干預能夠改變正畸牙周圍局部組織微環境，促進巨噬細胞浸潤、極化，進而產生細胞因子去影響正畸牙移動。有學者[26]在大鼠骨皮質切開加速正畸牙移動實驗中發現，在術后5 d 觀察到巨噬細胞通過激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路向M1 極化，同時伴有IL-1β、TNF-α 的表達迅速增加，提示骨免疫微環境的變化在早期同樣影響了骨改建的平衡。

綜上所述，以上研究證實了創傷能夠改變局部微環境，以加速骨代謝，提高骨骼細胞的活性水平，并最終加速骨改建，這揭示了外科手術影響正畸牙移動的時空規律。臨床上通過外科手術，可以讓移動緩慢的牙齒重新開始或加速移動，從而縮短治療療程，減少并發癥。對于需要縮短治療療程的成年患者，同樣可以行外科手術干預，減少正畸治療時間；對于腭弓狹窄需要擴弓、曲線需要壓平的患者，可以通過外科技術快速地達到預期效果。深入研究RAP 機制，將為科學使用外科技術加速正畸牙移動提供理論依據，擴大其臨床應用范圍，并提高臨床療效。