鈣離子在牙釉質礦化中的作用

李穎坤 董志恒 高玉光

濱州醫學院附屬醫院口腔科 山東 濱州 256603

在牙釉質發育過程中,礦物質的大量流動對整個牙釉質的礦化過程起著至關重要的作用[1]。Ca2+的動態平衡是保持細胞正常結構和功能的前提與基礎,Ca2+作為細胞內重要的第二信使分子,參與細胞內許多重要的生理過程,包括牙釉質蛋白表達的調節[2]。牙釉質的基本結構是羥基磷灰石晶體,是脊椎動物中迄今發現的鈣化程度最高的結構[3-5],其含有約60%質量的鈣,由此可見,Ca2+是牙釉質的關鍵和必需成分。牙釉質覆蓋于牙冠表面[6-7],是人體最堅硬、礦化程度最高的組織[8-9],對牙齒正常行使咀嚼功能和保護內部組織具有重要意義。牙釉質主要由無機物質(96%)構成,其中包括羥基磷灰石晶體和少量的氟磷灰石,還有鈉、鉀、鎂的碳酸鹽等化學成分。正常的牙釉質發育分為分泌期和成熟期兩個階段。牙釉質的形成完全由成釉細胞的外胚層上皮細胞協調,分泌期的特點是組織的體積增大,礦化有限。而成熟期則相反,因為牙釉質晶體的寬度隨著離子遷移的增加而增大。牙胚是牙齒發育的始基,由成釉器、牙乳頭和牙囊三部分組成。成釉器來源于口腔外胚層,形成牙釉質。成釉器的發育分為蕾狀期、帽狀期和鐘狀期三個階段,當牙胚發育至鐘狀期晚期時,與牙乳頭臨近的內釉上皮(the internal enamel epithelium,IEE)在相鄰牙乳頭間充質的作用下,分化為成秞細胞(ameloblast),即未來分泌形成牙釉質的細胞,并開始分泌釉質基質蛋白,這標志著牙釉質的發育正式啟動[10]。成釉細胞是一種高度特化的多功能細胞,直接參與牙釉質基質的產生、吸收和降解[11],牙釉質的發生包括釉質基質形成和礦化兩個步驟,由成釉細胞調控。分泌性成釉細胞介導遠端分泌過程,并啟動釉質基質蛋白分泌。在發育過程中,釉質最早形成的區域是牙尖,即咀嚼(磨牙)牙齒的牙尖表面,而釉質的最后發育階段發生在基部。因此,釉質是向外和向下形成的。在分泌期結束后,分泌性成釉細胞將轉變為成熟期細胞,而不是致力于合成和分泌釉基質蛋白,它們主要參與離子運輸。在成熟階段,許多Ca2+處理蛋白和Ca2+相關物質隨著礦物質的攝取和晶體生長的加速而上調。因此,Ca2+是牙釉質的關鍵和必需成分。Ca2+轉運的中斷可能會導致牙釉質不全礦化或礦化不良,從而導致牙釉質疾病的發生。

Ca2+是人體中含量較高的元素,也是人體的必需元素之一,其中大部分Ca2+以羥基磷灰石晶體的形式存在于牙齒和骨骼中[12]。Ca2+參與細胞內許多重要生理過程,其作為細胞內第二信使分子,不僅參與了細胞增殖、分化、運動、肌肉收縮、激素分泌、糖原代謝及神經元興奮等生理活動[10],還調節基因和蛋白的表達、分泌、代謝和凋亡。牙釉質中的鈣含量高達95%～96%。在牙釉質發育的成熟階段,許多Ca2+相關蛋白隨著礦物質的攝取和晶體形成的增加而表達上調。因此,Ca2+不僅參與牙釉質礦化,還是釉質發育礦化過程中不可或缺的重要離子。

1 牙釉質礦化

2 Ca2+在牙釉質礦化中的作用

在生物界中,生物礦化主要由晶體中的Ca2+調節。Ca2+通道作為這一過程的內在調節劑,促進了細胞內Ca2+在時間和空間上的緊密調節[12]。對人類牙釉質元素組成的分析表明,按重量計,鈣占礦物質含量的約37%,釉質中發現的其他元素包括鈉、鎂和鉀,這些元素的含量均小于1%[3,17]。這些元素從血液循環中穿過成釉細胞形成的上皮屏障到達所形成的釉質羥基磷灰石晶體。放射性標記研究表明,45Ca和32P都可以快速(幾分鐘內)從血液循環中進入牙釉質[18-19]。在成熟期,這些元素的含量都會增加,許多Ca2+相關蛋白也隨著礦物質的攝取和晶體生長的加速而上調[12,20]。另外,Ca2+作為一種第二信使,在胚胎發育中調節許多生理過程,其中就包括調節牙釉質蛋白的表達。Ca2+在人體中大部分(99%)以羥基磷灰石晶體的形式存在于骨骼中。Ca2+代謝由腎重吸收、腸吸收和骨代謝介導,這些代謝受甲狀旁腺激素、1,25-二羥維生素D[1,25(OH)2D]和Ca2+自身的動態調節。骨組織是一個動態系統,骨沉積和骨吸收交替進行,從而可以隨時解決短期內的Ca2+缺乏。甲狀旁腺激素的活性變化使Ca2+從骨骼中釋放,導致血漿中的Ca2+水平升高。當Ca2+濃度過高時,通過降鈣素的刺激將其去除,然后儲存在骨骼中。盡管牙釉質的Ca2+水平高于骨骼,但由于牙釉質不會重塑,因此,在牙釉質晶格中捕獲的Ca2+不能像在骨骼中那樣動態地“釋放”到系統中。

哺乳期母鼠低鈣膳食會導致幼鼠低鈣血癥,造成幼鼠的牙釉質礦化不良[21]。而在飲食中10 d添加Ca2+后,這種牙釉質礦化缺陷可以得到糾正[22]。這表明,低鈣血癥會導致成釉細胞層形成囊腫樣結構,并造成牙釉質蛋白異常定位。甲狀腺切除術不會影響大鼠的牙釉質,但甲狀旁腺切除術導致的低鈣血癥會嚴重影響大鼠牙釉質的礦化。這表明,Ca2+的缺乏或不足可能會造成牙釉質礦化不良或不完全,從而導致牙釉質疾病的發生[22]。這證明了低鈣血癥與牙釉質缺陷的相關性,進一步證明Ca2+是牙釉質礦化的關鍵和必需成分。

3 Ca2+通過多種途徑影響牙釉質礦化

3.1 Ca2+通過SOCE通道調節牙釉質礦化 鈣庫操縱性鈣離子內流(store-operated calcium entry,SOCE)是介導胞外Ca2+進入細胞內的重要通道之一,其中最具功能性的SOCE通道是Ca2+釋放激活的Ca2+CRAC通道,具有高度的Ca2+選擇性[2,23]。成釉細胞中的Ca2+攝取是一個被動過程,由胞外到胞內的Ca2+濃度梯度遞進[24],然后通過質膜Ca2+-ATPase(PMCA)從細胞質中去除Ca2+。操控儲存的Ca2+進入SOCE通道是Ca2+的主要進入途徑,尤其是在成熟期成釉細胞中,并且在某種程度上,在分泌期成釉細胞中這也是最主要的途徑[25-26]。 CRAC通道是由鈣釋放激活鈣通道調節分子亞基組成的,鈣釋放激活鈣通道調節分子亞單位屬于構成CRAC通道核心的一個小家族的完整質膜蛋白,其最具特征的家族成員是位于細胞膜上的鈣釋放激活鈣通道蛋白1(calcium release-activated calcium channel protein 1,CRCM1/ORAI1),但ORAI2和ORAI3也可能在某些組織中導致SOCE。CRAC通道由位于內質網膜上的兩種蛋白質激活,即基質相互作用分子(stromal interaction molecule 1,STIM1)及其同系物STIM2,它們檢測內質網中的Ca2+濃度,并在內質網Ca2+持續進入而導致Ca2+耗盡時與ORAI蛋白結合[2,27]。釉質細胞中大量Ca2+的攝取由儲存的Ca2+進入SOCE通道來調節。STIM1和STIM2是Ca2+傳感器,具有Ca2+結合域。當內質網Ca2+濃度降低時,STIM1蛋白發生構象變化,導致其與ORAI蛋白發生相互作用,從而允許Ca2+持續進入[28,23]。哺乳動物ORAI蛋白共有三種,ORAI1-3,它們都作為膜通道孔發揮作用[29]。STIM1和STIM2作為Ca2+傳感器以及三種ORAI蛋白作為功能性膜孔的作用相似,已知STIM1和ORAI1基因突變會導致疾病[30]。這些CRAC通道缺陷疾病包括一系列的功能障礙,主要是功能缺失突變中的免疫缺陷[31],從而導致釉質發育不全和外胚層發育不良[32]。為了支持CRAC通道在釉質形成中的作用,有藥理學方法證明,通過使用多種ORAI抑制劑(Synta-66、BTP-2、2-APB),在毒胡蘿卜素(鈣泵抑制劑)刺激的細胞中,Ca2+濃度顯著降低。在小鼠STIM1和STIM2基因雙重缺失的研究中,該小鼠模型出現嚴重的釉質低礦化,其大體標本的牙齒表型與人類釉質發育不全表型相似[33]。

3.2 Ca2+通過Cav1.2通道調節牙釉質礦化 L型電壓門控CaV1.2通道編碼電壓依賴性鈣通道的α-1亞基[34]。CaV1.2是心臟L型鈣通道,對心臟的收縮和舒張有重要作用[35]。Ca2+進入通道是提供細胞Ca2+信號的關鍵,此過程由傳感機制控制,包括內質網中的膜電壓、表面受體和Ca2+傳感器STIM蛋白,這些轉導過程的協調運作是控制細胞功能的關鍵。STIM蛋白是一種動態的內質網Ca2+傳感器,當內質網缺乏Ca2+時,STIM蛋白聚集,然后迅速轉移到內質網質膜連接處,在那里它們與高Ca2+選擇性的PM通道ORAI家族相互作用并激活Ca2+傳導通道。STIM蛋白介導電壓激活CaV1.2通道的抑制控制,該作用獨立于ORAI通道功能或胞漿Ca2+變化的調控,并由STIM1對CaV1.2a1亞基的直接作用介導。因此,STIM1對ORAI和CaV1.2通道進行循環控制,這表明,受體誘導的Ca2+儲存耗竭與電壓激活的Ca2+信號控制之間存在迄今未知的潛在交叉調節聯系[36]。CaV1.2通道的功能突變會導致持續的Ca2+內流,造成稱為Timothy綜合征的多器官功能障礙,Timothy綜合征患者常出現牙齒異常,包括牙齒變小和牙釉質異常,這可能是由于牙釉質細胞膜電位的失調和由此產生的Ca2+超載造成的,但迄今為止尚未對此進行深入研究[12]。值得注意的是,在血管平滑肌細胞中,STIM1在同樣包含ORAI通道的局部ER/質膜連接處與CaV1.2相互作用,從而控制CaV1.2通道中的Ca2+信號,然而這種相互作用機制在牙釉質細胞中是否存在與運作尚不清楚[12]。

3.3 Ca2+通過TRP通道調節牙釉質礦化 瞬時受體電位(TRP)通道與牙釉質有關[12]。瞬時受體電位melastatin 7(TRPM7)是一種結合離子通道和內在激酶結構域的蛋白,能夠通過孔傳導血管素或通過其激酶結構域磷酸化下游蛋白來調節細胞功能[37]。TRPM7是調節許多二價金屬離子包括Mg2+和Ca2+穩態的重要滲透性離子通道[38-39]。有研究發現,盡管TRPM7本身不是一個通過儲存來操作的離子通道,但其活性與SOCE通道密切相關,TRPM7通過激酶結構域的活性調節STIM1[37,40],改變通過SOCE通道進入Ca2+的效力,從而參與調節Ca2+穩態,其促進調節作用由蛋白的激酶結構域介導。TRPM7可通過維持靜息狀態下細胞內Ca2+儲存的狀態,有助于維持Ca2+穩態,這種作用由TRPM7的離子通道結構域介導。TRPM7通道活性是維持細胞內Ca2+儲存含量所必需的,TRPM7激酶磷酸化,從而調節STIM蛋白和或其他SOCE成分[37]。此外,TRP通道有助于誘導儲存的Ca2+進入并在血管平滑肌細胞中高度表達,在動脈平滑肌細胞中,由VP激活并由TRP通道介導的大的非選擇性電流不受儲存耗盡或顯性Orai1-E106A突變體或組成性活性STIM1-D76A突變體表達的影響,這證明STIM蛋白或Ca2+儲存在TRP通道功能中的作用[41]。TRPM7 c端激酶結構域的純合缺失具有胚胎致死性[42],但雜合小鼠可用于研究牙釉質中的TRPM7,這種小鼠表現出嚴重的釉質礦化不良和骨骼異常,其釉質中Ca2+含量較低,Mg2+含量較高[12,43]。

4 小結

Ca2+作為重要的細胞內第二信使,參與細胞的多種生理和病理過程,促進了細胞內Ca2+在時間和空間上的緊密調節。本文通過對Ca2+影響牙釉質礦化的三種途徑做一綜述,更加說明了Ca2+與牙釉質礦化的發生發展密切相關。通過對Ca2+參與牙釉質礦化過程的作用機理的研究,可以進一步了解牙釉質礦化不良的發生機制,從而對牙釉質礦化相關疾病采取一些新的干預措施、治療方法,達到預防和治療疾病的目的。