力诱导的 Caspase-1 依赖性焦亡调控正畸牙齿移动

Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement

Subject terms: Cell death, Mesenchymal stem cells, Bone remodelling

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gasdermin D（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。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3 d、7 d和14 d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3 d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7 d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1 a）。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1 b）。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1 c）。且力诱导的Caspase-1、GSDMD和IL-1β表达的上调被部分逆转（图1 d）。

图1 机械力诱导的焦亡以 Caspase-1 依赖性方式调节 OTM 和牙槽骨重塑。

PDL干细胞/祖细胞是响应机械力并促进OTM的主要细胞，因此实验接下来检测机械力是否在力刺激下诱导PDL祖细胞焦亡。在有或没有力负荷的离体h-PDLPs中检测焦亡相关标志物的表达（图2 a），发现力负荷7 d后，在NLRP3炎症小体、裂解的Caspase-1（Cl-Casp-1）、GSDMD、裂解的GSDMD（N-GSDMD）以及IL-1β和裂解的IL-1β（Cl-IL-1β）等焦亡相关标志物的蛋白和mRNA表达均显著增加（图2 b）。

然后验证了PDLPs焦亡与破骨细胞活性之间的关系，将离体h-PDLPs与外周血单核细胞（PBMCs）共培养，进行或不进行正畸力预处理。hF7d（正畸力）组RANKL蛋白表达显著增强，而OPG表达保持不变（图2 c），RANKL/OPG比值上调（图2 d），RANKL分泌也增加（图2 e）。此外，hF7d组的TRAP+ 破骨细胞数量显著增加（图2 f），破骨细胞中组织蛋白酶K（CTSK）和TRAP的mRNA表达也显著增加（图2 g）。这些数据表明，机械力诱导人离体PDLPs焦亡并影响破骨细胞活性。

在体外进一步对PDLPs施加压缩力。蛋白质印迹显示低于 1.5 g/cm2的力刺激下，焦亡相关蛋白的表达从3 h开始增加持续24 h，在6 h达到峰值（图2 h）。此外，在6 h不同强度力刺激下（0.5 g/cm2、1.5 g/cm2、2.0 g/cm2），焦亡相关标志物的蛋白表达持续增加（图2 i）。

OM图像中观察到细胞轮廓模糊，肿胀膨大，并且有许多气泡状突出物的焦亡形态。此外，PDLPs细胞膜在1.0 g/cm2的压缩力刺激下形成孔隙，1.5 g/cm2下出现更明显的膜破裂、细胞肿胀和溶解（图2 j）。这些发现表明，机械力在体内和体外诱导PDLPs的焦亡。

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3 a）。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3 b），但VX765显著逆转了RANKL蛋白和RANKL/OPG比值的上调（图3 c），基因表达水平上也类似（图3 d），RANKL的分泌也减少（图3 e）。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4 b）。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4 c）。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4 d）。

TRPV4 通过介导细胞内 Ca 2+ 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4 e）。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4 e）。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4 a）。

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和牙槽骨重塑

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/

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ISSN：1674-2818, eISSN：2049-3169

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