外科技术辅助加速正畸牙移动的生物学机制研究进展

周杨一帆， 唐 燚， 别苗苗， 康非吾

（同济大学口腔医学院，同济大学附属口腔医院口腔颌面外科，上海牙组织修复与再生工程技术研究中心，上海 200072）

在接受正畸治疗的患者中，尤其是成年患者，其部分牙齿移动极为缓慢甚至停滞，这会导致疗程增加，并会带来一系列的问题，如龋齿、牙根吸收、牙龈黑三角等，同时也会降低患者的依从性，不利于后续的治疗。因此，如何重新让正畸牙移动或者加速正畸牙移动过程，已成为医患双方共同关注的重要问题之一。目前外科手术辅助加速正畸治疗是临床上常用且疗效较为确切的技术方法。研究[1]表明，其主要机制是局部骨加速现象（RAP），即骨组织和软组织受到刺激时发生的复杂生理反应。本文就RAP 在外科手术加速正畸牙移动过程中的最新机制研究进行综述。

1 外科手术与RAP

目前临床上加速牙齿移动的方法包括药物、物理和外科辅助手术等，其中以外科手术辅助正畸治疗加速牙齿移动的方法疗效最为确切。早在1893 年，Bryan 就发现皮质骨切开可以促进正畸牙齿快速移动[2]。1959 年，Kole[3]首次提出外科手术加速牙齿移动的理论基础为“骨块移动理论”，并认为牙槽骨骨皮质是牙齿移动的阻力来源，通过切透牙根周围的骨皮质，形成相对独立的牙骨块来降低牙齿移动的阻力，能够加速牙齿的移动。直到Wilcko 等[1]发现仅切开骨皮质就能达到加速正畸牙移动的效果，并提出骨皮质切开术加速牙移动的机制是RAP，即当局部软硬组织受到创伤时，通过机体细胞调节机制，激活邻近组织中相应的破骨和成骨活性，能够加速骨的吸收和合成，使局部软硬组织快速改建，从而加速骨改建进程。随着手术器械的发展，牙周膜牵张成骨、牙槽骨牵张成骨、微创骨皮质切开术、微骨穿刺术等均被用来辅助加速正畸牙移动[4]。该类方法的理论基础均在不同程度上激活了RAP 现象，通过在牙根附近造成局部创伤，改变骨微环境来加速骨改建，能够达到加快正畸牙移动的目的。研究[5]表明，RAP 在外科手术实施后的数日即可发生，并在1～2 个月内达到高峰，直到6个月骨重建完成时结束。然而，手术创伤激活RAP发生的分子机制尚未完全明晰。

2 RAP 的分子机制

研究[5-6]表明，创伤导致RAP 的原因主要是由于骨组织内不同时间点成骨细胞和破骨细胞的激活。在家兔模拟正颌手术的模型中，术后第1 天牙槽骨破骨吸收活性显著增强，并持续增加至术后第7 天，直至第14 天下降至术前水平[6]；而大鼠颌骨手术术后第7、14 天时，牙槽骨成骨分化显著，说明颌骨手术亦可在中后期增强成骨细胞的活性[6]。以往的研究[6-7]表明，RAP 的内在机制主要为局部创伤造成的局部微环境改变，包括缺血缺氧、炎症反应及骨免疫等，影响了破骨和成骨的动态平衡。

2.1 炎症因素

RAP 是指创伤后，邻近创伤处的健康骨组织显示骨密度降低，随后新骨生成，骨密度逐渐恢复的过程。在此过程中，创伤会加重局部组织的无菌性炎症反应，在骨皮质切开术后，在牙槽骨愈合的早期阶段就可以观察到大量炎性细胞的浸润[8]，并产生各种炎症细胞因子。在家兔模拟正颌手术的模型中发现，白细胞介素-6（interleukin-6，IL-6）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）在术后3～14 d 时增高，提示手术创伤可以使炎症因子发生变化[6]。

通常，促炎因子包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-11和IL-17，它们通过增强破骨细胞的分化和活性，并抑制成骨细胞的分化来促进骨吸收，而抗炎细胞因子IL-10 和IL-13 则起到相反作用[9]。TNF-α和IL-1 通过刺激成骨细胞和成纤维细胞中核因子κB 受体活化因子配体（receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL）的表达和骨保护素（osteoclastogenesis inhibitory factor，OPG）的下调，直接或间接地协同促进破骨细胞的生成，而IL-6 不仅可以通过接触破骨细胞前体来刺激破骨细胞的形成，还可以通过激活JAK2/STAT3 信号通路上调RANKL 的表达来增加骨细胞介导的破骨细胞分化[10]。生长因子如血小板衍生生长因子、胰岛素样生长因子、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的释放能够募集并刺激成骨细胞和破骨细胞分化，加速骨生成、骨吸收和血管生成[11]。趋化因子单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemotactic protein 1，MCP-1）或半胱氨酸-半 胱氨酸基序趋化因子配体2（C-C motif chemokine ligand 2，CCL-2）能够招募单核细胞离开血液，进入局部组织成为组织巨噬细胞或骨细胞[12]，前者可调节RANKL 诱导的破骨细胞生成，后者在骨基质中分泌巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）、RANKL、OPG，能够调节破骨细胞的形成并影响骨吸收[13]。可见炎症对于骨的吸收、形成和重建至关重要[14]。

2.2 低氧因素

低氧诱导因子（hypoxia inducible factor，HIF）是机体响应低氧微环境的重要因子。现阶段HIF家族中被研究的最多的是HIF-1，其α亚单位在与HIF-1β组成异二聚体后能够发挥调控作用[15]，启动下游100 多种靶基因的表达，包括与低氧适应、血管形成及炎症等[16]，因此，HIF-1 在机体内氧平衡调节中起关键作用。课题组[6]对大鼠颌骨手术模型的观察发现，术后1～5 d 牙槽骨骨内氧含量下降，直至术后第7 天恢复至术前水平；与此同时，术后第1 天牙槽骨破骨吸收活性显著增强，并持续增加至术后第7 天，直至第14 天下降至术前水平；在术后第7、14 天时，牙槽骨早期成骨分化显著，说明低氧可以增强破骨细胞的活性。

破骨细胞在骨吸收中起重要作用，其主要的调控因子为M-CSF 和RANKL。当局部骨皮质被切开后，局部低氧可以使骨细胞高表达HIF-1α[17]，通过上调RANKL 的分泌，诱导破骨细胞分化，使得破骨细胞在数量增多的同时而提高活性。破骨细胞能够分泌更多的基质金属蛋白酶，降解细胞外基质（extracellular matrix，ECM）中的各种成分，加速牙槽骨吸收。同时，骨吸收是一个消耗能量的过程，通过实验[18]发现，下颌截骨术后低氧微环境在激活破骨细胞中 HIF-1α的表达后，能够促进糖酵解产酸，进而加速破骨细胞的形成并增强其骨吸收功能。HIF-1α条件性基因的敲除可显著抑制小鼠下颌截骨后第一磨牙区破骨细胞的骨吸收功能，从而减弱RAP 效应[19]。HIF-1α作为局部氧环境进行感受和应答的核心分子，在伤口愈合牙槽骨骨改建的过程中发挥着一定的作用[20]。

此外，有研究[21]表明，目前HIF 调控骨代谢的机制主要是HIF/VEGF 通路。通路中成骨细胞分泌VEGF 以刺激血管生成，内皮细胞分泌骨形态生成蛋白-2（bone morphogenetic protein-2，BMP-2）以促进骨形成，通过体内实验可以发现上调成骨细胞中的脯氨酸羟化酶（proline hydroxylase，PHD）、von Hippel-Lindau（VHL）或HIF 可以增加VEGF的表达量[22]，而敲除成骨细胞中的HIF-1α则会降低VEGF 的表达量。而在体外实验中，低氧状态下，HIF-1α可以促进骨髓间充质干细胞（bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs）的聚集，上调其向成骨细胞方向的分化能力[23]，而HIF/VEGF 通路的激活可以刺激更多的血管生成，也能促进BMSCs的增殖和迁移，影响骨生成。此外，HIF-1α还能刺激破骨细胞分泌偶联因子心肌营养素1（cardiotrophin-1，CT-1）以刺激BMSCs 的成骨分化，在小鼠截骨模型中可以观察到HIF-1α 能够促进破骨细胞的生成以加快骨吸收，并在骨愈合时通过CT-1 影响骨生成[24]，这证明HIF-1α 参与到破骨-成骨的相互耦合调控中。综上所述，HIF-1α 在低氧微环境下破骨功能激活及成骨成血管的过程中均起到关键作用。

2.3 骨免疫因素

随着骨免疫学的发展，巨噬细胞对牙移动中骨改建作用的探究也在不断深入[25]，巨噬细胞极化分为经典活化型巨噬细胞（classical activated macrophages，M1）和选择活化型巨噬细胞（alternatively activated macrophages，M2），前者促炎，后者抗炎。目前的研究[24]显示，牙周局部微环境中，M1、M2 型巨噬细胞处于动态平衡，没有其中一方处于绝对优势，并且表型可以相互转换。而外科手术的干预能够改变正畸牙周围局部组织微环境，促进巨噬细胞浸润、极化，进而产生细胞因子去影响正畸牙移动。有学者[26]在大鼠骨皮质切开加速正畸牙移动实验中发现，在术后5 d 观察到巨噬细胞通过激活核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）信号通路向M1 极化，同时伴有IL-1β、TNF-α 的表达迅速增加，提示骨免疫微环境的变化在早期同样影响了骨改建的平衡。

综上所述，以上研究证实了创伤能够改变局部微环境，以加速骨代谢，提高骨骼细胞的活性水平，并最终加速骨改建，这揭示了外科手术影响正畸牙移动的时空规律。临床上通过外科手术，可以让移动缓慢的牙齿重新开始或加速移动，从而缩短治疗疗程，减少并发症。对于需要缩短治疗疗程的成年患者，同样可以行外科手术干预，减少正畸治疗时间；对于腭弓狭窄需要扩弓、曲线需要压平的患者，可以通过外科技术快速地达到预期效果。深入研究RAP 机制，将为科学使用外科技术加速正畸牙移动提供理论依据，扩大其临床应用范围，并提高临床疗效。