力诱导的Capae-1依赖性焦亡调控正畸牙齿移动

细胞焦亡是一种裂解性程序性细胞死亡，由炎性半胱天冬酶（Caspases）启动，其特征是gasdermin（GSDM）介导的细胞膜穿孔和细胞内容物的释放。细胞外或细胞内刺激可激活细胞焦亡，包括病原体感染、炎症、肿瘤和机械力。根据不同的环境刺激和炎性半胱天冬酶，焦亡可分为典型途径和非典型途径。在典型细胞焦亡中，Nod样受体蛋白3（NLRP3）等炎症小体激活Caspase-1以裂解gasderminD（GSDMD）并将pro-IL-1β加工成成熟的IL-1β。在非典型焦亡中，Caspase-11/4/5在识别细胞溶质脂多糖时被激活以裂解GSDMD，其独立于炎症小体和Caspase-1。

正畸牙齿移动（OTM）是一种由机械力刺激诱导的无菌炎症性骨重塑过程。牙周膜（PDL）干细胞/祖细胞是牙周组织中的主要细胞成分，在OTM过程中不断受到力刺激，参与炎症反应和骨重塑过程。有研究报道了炎症因子、趋化因子和气体分子（如硫化氢）的表达在力刺激的PDL干细胞/祖细胞中增加。此外，体外循环拉伸可以通过Caspase-1相关机制激活PDL细胞的NLRP炎症小体并诱导IL-1β的释放。然而，机械力是否以及如何诱导PDL干细胞/祖细胞焦亡，从而影响OTM和牙槽骨重塑仍然未知。

瞬时感受器电位离子通道香草素受体4（TRPV4）可以调节机械转导、炎症激活和机械力诱导的牙槽骨重塑。此前，体内和体外的研究发现TRPV4参与OTM期间PDL干细胞功能的调节，TRPV4还可以介导慢性阻塞性肺疾病中的气道上皮细胞焦亡。因此，有理由假设TRPV4参与PDL祖细胞中力诱导的焦亡。

最近，北京大学口腔医院正畸科研究团队在International Journal of Oral Science上发表了题为“Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement”的文章。该研究旨在说明机械力是否以及如何诱导牙周膜祖细胞（PDLPs）焦亡并影响OTM和牙槽骨重塑，通过使用OTM动物模型、力诱导的离体人PDL祖细胞和体外压缩力负荷模型，发现机械力诱导PDL祖细胞Caspase-1依赖性焦亡，促进了OTM和牙槽骨重塑。这项研究揭示了OTM的新机制，并表明靶向Caspase-1可能是加速OTM的一种有前途的方法。

首先，为了研究机械力诱导的焦亡是否调节体内牙槽骨重塑，建立了力诱导OTM和牙槽骨重塑模型。在3d、7d和14d的力负荷（50-60g）下，大鼠的OTM距离逐渐增加。CD90是大鼠PDLPs的标志物，免疫荧光显示，经力负荷3d后，牙周组织压力侧Caspase-1+CD90+细胞、GSDMD+CD90+细胞、IL-1β+CD90+细胞数量均增加。然而，在张力侧，与对照组相比，焦亡相关标志物的表达没有变化。此外，在力刺激7d后，牙周组织中Caspase-1、Gsdmd和IL-1β等焦亡相关基因的表达显著上调。这说明，机械力在体内OTM和牙槽骨重塑过程中诱导PDLPs焦亡。

为进一步探讨焦亡水平对OTM的影响，使用焦亡激活剂PPVI或抑制剂MCC950来增强或阻断焦亡水平，发现PPVI注射后OTM距离增加，MCC950注射后OTM距离减小。同时，PPVI注射后，牙周组织中力诱导的Caspase-1、GSDMD和IL-1β表达进一步升高，而MCC950部分逆转了焦亡相关标志物的表达。

Caspase-1是典型焦亡途径中裂解GSDMD的关键因素，因此进一步确认力诱导的焦亡是否需要Caspase-1的激活。力负荷7d后，Caspase-1−/−小鼠的OTM距离显著缩短（图1a）。相应地，Caspase-1−/−小鼠牙周组织中Caspase-1、GSDMD、IL-1β的表达显著降低（图1b）。这些数据表明，机械力可以诱导Caspase-1-依赖性细胞焦亡，从而进一步促进OTM和牙槽骨重塑。

此外，在力诱导的牙齿移动过程中，每隔一天将Caspase-1抑制剂Belnacasan（VX765）注射到小鼠体内，发现牙齿移动距离明显减小（图1c）。且力诱导的Caspase-1、GSDMD和IL-1β表达的上调被部分逆转（图1d）。

图2　机械力诱导人PDL祖细胞焦亡并影响破骨细胞活性。

进一步地，利用PPVI和MCC950在体外处理力负荷的PDLPs。蛋白质印迹分析显示，力负荷能提高细胞焦亡相关蛋白的表达水平，PPVI应用后进一步增强，MCC950应用后部分抑制。此外，应用PPVI后GSDMD+CD90+细胞、Caspase-1+CD90+细胞和IL-1β+CD90+细胞的数量均增加，MCC950处理后减少。此外，PPVI处理后RANKL/OPG比率上调，RANKL分泌增加，MCC950处理则相反。

此外，Belnacasan（VX765）也被用于体外处理力负荷PDLPs，发现力诱导的焦亡相关蛋白表达降低（图3a）。此外，应用VX765后Caspase-1+CD90+细胞、GSDMD+CD90+细胞和IL-1β+CD90+细胞的数量均减少（图3b），但VX765显著逆转了RANKL蛋白和RANKL/OPG比值的上调（图3c），基因表达水平上也类似（图3d），RANKL的分泌也减少（图3e）。这些数据表明，PDLPs中力诱导的焦亡需要Caspase-1的激活，这进一步促进了破骨细胞生成。

图3　体外调控Caspase-1影响PDL祖细胞中RANKL/OPG的表达。

蛋白质印迹和免疫荧光染色显示，hF7d组离体h-PDLPs中TRPV4的表达增强（图4b）。在大鼠OTM模型中，Caspase-1+TRPV4+细胞和GSDMD+TRPV4+细胞的数量呈时间依赖性增加（图4c）。此外，应用TRPV4抑制剂GSK2193874（GSK219）后，力诱导的焦亡相关标志物表达的增加被部分抑制（图4d）。

TRPV4通过介导细胞内Ca2+内流调节多种细胞功能。最后，实验假设TRPV4通过Ca2+内流调控PDLPs焦亡，进而诱导活性氧（ROS）升高和线粒体损伤。结果表明，力负荷增加PDLPs中Ca2+内流和ROS水平，这可被GSK219阻断（图4e）。此外，线粒体在力处理的PDLPs中肿胀和破裂，GSK219处理后形态趋于正常，线粒体膜电位的下降和ATP生成受损也被逆转（图4e）。这些发现表明，TRPV4信号在调节PDLPs中力诱导的Caspase-1-依赖性焦亡中起着重要作用（图4a）。

图4　TRPV4信号参与了PDL祖细胞的焦亡。

图5　示意图显示PDL祖细胞中力诱导的Caspase-1-依赖性焦亡需要通过TRPV4信号转导，最终促进激活破骨细胞生成

总之，该研究表明，机械力在大鼠、小鼠和人类模型的PDL祖细胞中诱导Caspase-1-依赖性焦亡。这种Caspase-1-依赖性焦亡有助于OTM和牙槽骨重塑。这项研究为机械刺激下破骨细胞生成的调控提供了新的见解，表明靶向Caspase-1-依赖性焦亡可能是加速OTM的一种有前途的策略。

参考文献：Chen L, Yu H, Li Z, Wang Y, Jin S, Yu M, Zhu L, Ding C, Wu X, Wu T, Xun C, Zhou Y, He D, Liu Y. Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement. Int J Oral Sci. 2024 Jan 15;16(1):3. doi: 10.1038/s41368-023-00268-7. PMID: 38221531; PMCID: PMC10788340.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38221531/或点击阅读原文图片来源：所有图片均来源于参考文献

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