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氟牙症发病机制的研究进展

来源:用户上传      作者: 刘盘龙 周红艳 王东苗 梅予锋

  【摘要】氟离子在氟牙症的形成中起着重要的作用,釉质形成的各个时期均受其影响。本文就氟的细胞毒性、氟对釉基质蛋白酶功能的影响和钙离子对氟作用的影响等三方面简述氟对釉质发生过程的影响,探讨氟牙症发生的相关机制。
  【关键词】氟牙症;细胞毒性;牙釉蛋白;基质金属蛋白酶;矿化
  【中图分类号】R781.2
  【文献标志码】A
  氟是一种活泼的非金属元素,是人体必需的微量元素之一,是牙体和骨骼不可或缺的成分。微量氟可以防止龋齿,但氟过量又会损伤人体的组织,导致氟中毒。地方性氟中毒是缘于人们长期生活在高氟环境中或者摄入过量氟而造成的全身慢性中毒性病变,其主要临床表现为氟牙症(也称氟斑牙)和氟骨症。氟牙症是氟中毒在口腔中的表现形式,是牙齿在发育期间机体摄入过量氟而引起的一系列形态、结构和功能改变性疾病。迄今氟牙症的发病机制仍不清楚,国内外学者提出了各种假说,旨在对其发病机制作出诠释,下面就其研究进展作一综述。
  1 氟的细胞毒性作用
  较早的研究显示:氟能抑制成釉细胞和成牙本质细胞的形成,抑制釉基质的合成和分泌;氟不仅抑制成釉细胞的增殖,而且还可以改变成釉细胞正常的生理功能;氟对人牙髓细胞有细胞毒性,可以抑制其增殖、分化及其线粒体的活性;线粒体是氟作用于细胞的主要目标,氟降低线粒体功能,导致细胞氧化应激,损伤线粒体的相关跨膜功能。过量的氟可抑制牙髓细胞表达转化生长因子-β1,影响牙体硬组织的结构。自由基学说认为:过量的氟可造成机体氧化、抗氧化能力降低;氟的细胞毒性作用使体内产生氧自由基和过氧化物增加及抗氧化物减少;过量氟攻击膜系统发生过氧化作用,改变细胞膜的通透性和膜电位。Guney等发现,氟中毒的脂质过氧化与程序性细胞死亡(programmed cell death,PCD)密切相关。氟对神经细胞也有细胞毒性。Zhang等通过研究发现,海马CA3区的核因子-kB R65可能是氟中毒的靶分子,氟可以增加突触内钙离子和核因子-kB R65的表达水平,进而导致中枢神经系统损伤。
  高氟可导致牙胚高分化状态时分泌期成釉细胞下囊腔的形成,囊腔上方的成釉细胞出现线粒体肿胀、核固缩和染色质浓缩以及细胞质从细胞中脱出,囊腔内出现电子透亮物等类似于PCD迹象。氟通过调节成釉细胞的基因表达及其蛋白质的活性影响其PCD,在这一过程中死亡受体依赖性途径也参与氟诱导PCD的过程。同时,高氟影响成釉细胞和成牙本质细胞的基因表达,损害细胞外基质的形成并影响细胞交流,导致细胞退行性变致细胞间隙加宽,成釉细胞和成牙本质细胞间失去相互诱导作用,成釉细胞和分泌的基质间的黏结丧失。细胞间液、细胞质脱出物和细胞碎片聚集于成釉细胞与釉基质之间形成囊腔。囊腔使分泌期成釉细胞远中端的功能性成釉质细胞突变短或中断,釉基质分泌减少或中止,导致牙萌出后牙面出现釉质发育不全性氟牙症。氟牙症牙面上出现的点状或带状釉质发育不全,是氟影响分泌期成釉细胞的结果。
  氟离子具有明显的细胞毒性,影响细胞的功能和活性。Arakawa等在对上皮细胞的研究中发现,低质量浓度的氟化钠可诱导上皮细胞增殖、细胞迁移和基质蛋白的生产。
  2 氟影响釉基质蛋白酶的功能
  在釉质矿化和成熟过程中,釉基质发挥着重要的作用。釉基质蛋白主要包括牙釉蛋白和非牙釉蛋白。牙釉蛋白占牙发育期釉基质质量分数的90%,是一类疏水性、低相对分子质量的蛋白质;非牙釉蛋白占牙发育期釉基质质量分数的10%,是一类亲水性和糖基化蛋白质。氟改变釉基质蛋白的分子结构,增强其与氟化的釉质晶体的结合。釉基质含有较多的蛋白水解酶,在分泌期和成熟期釉基质中,其蛋白质水解酶的种类、组成和性质有差异。He等发现,细胞外基质蛋白对成釉细胞的生理功能有重要的影响。层粘连蛋白-α2对成熟期成釉细胞在釉质表面的附着起着重要的作用,改变层粘连蛋白的性能,可能导致成釉细胞无法分泌蛋白水解酶等。在釉质进一步的矿化过程中,成釉细胞通过分泌这些蛋白水解酶对釉基质不断降解直至排除;但是在这一过程中,若蛋白质水解酶功能发生改变,很可能影响釉质的发育。
  氟作为酶抑制剂,偶尔亦可刺激酶的活性,该机制取决于受影响的酶。研究显示,氟中毒可能抑制釉基质蛋白酶的降解,可能延误正在发育的釉质移动和损伤晶体的生长。氟通过c-Jun N末端激酶信号通道降低基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-20的转录功能,致MMP-20清除牙釉蛋白迟缓,牙釉蛋白蓄积在矿化表面,干扰晶体结构的形成和伸展。即釉质蛋白相关酶功能的变化,将影响釉质的发育过程。研究显示,牙釉蛋白和骨形态发生蛋白之间可能存在着相关性,在牙釉蛋白的清除过程中,骨形态发生蛋白-2和4在钙化信号通路中起着重要的作用,而釉质蛋白也协调着牙釉蛋白参与大分子形成和釉质矿化过程。
  细胞研究证实,核心结合因子-α1(core bind-ing factor α1,CBFA1)既调控着多种与矿化相关的蛋白质表达,又在牙发育过程中起着重要的转录作用,牙体中的特异性基质蛋白在转录水平均受其调控。其中,牙釉蛋白基因的启动子和牙本质涎磷蛋白基因的启动子上均存在CBFA1基因的结合位点。在高质量浓度的氟作用下,CBFA1基因的表达水平升高,矿化相关蛋白质表达异常,最终导致釉质矿化障碍。成釉细胞分泌的牙本质涎蛋白诱导前期成牙本质细胞分化,并参与相关矿化过程。研究显示,氟化物影响牙本质涎蛋白的表达模式及其在大鼠牙胚的分布。
  研究显示,牙源性成釉细胞相关蛋白(odonto-genic ameloblast-associated protein,ODAM)通过调节MMP-20的表达,参与釉质矿化。另外,细胞研究显示,CBFA1也参与调节ODAM与MMP-20间的相互作用,高质量浓度的氟调节CBFA1和MMP-20的表达。   也有研究认为,氟化物降低了釉质晶体附近的钙离子质量浓度,导致钙离子依赖酶活性下降,在去除这些过多的氟离子后,氟化基质的矿化能力得以恢复。氟离子对基质蛋白酶的抑制作用也是间接的,即这些蛋白水解酶对钙离子的质量浓度变化非常敏感,氟离子通过改变局部钙离子的质量浓度来抑制酶的水解能力;一旦增加钙离子的质量浓度后,酶的水解活性即可恢复。根据以上的假说,补钙可能是预防氟牙症的有效方法之一。
  3 钙离子对氟作用的影响
  随着对氟牙症相关研究的深入,有不少钙离子与氟作用相关的研究相继问世。体内和体外器官培养研究显示,氟离子本身可以加速局部钙离子向釉质晶体沉集,改善其矿化动力学,加快磷酸八钙等前体物质向磷灰石化,其结果是过量的氟离子使局部釉质晶体出现过度矿化。相应地在过度矿化的釉质晶体周围,出现了钙离子的质量浓度明显降低的区域,这些区域的釉质晶体和基质矿化停滞,晶体形态异常,影响矿物质的有机结合界面或基质蛋白,导致釉质矿化障碍,延迟其矿化功能。当去除氟离子或增加局部钙离子的质量浓度后,可以改善成釉细胞的功能,促进氟化基质的矿化,这些区域的矿化可以部分恢复;但是,过度矿化不可逆转,在过度矿化的釉质与新形成的釉质之间,始终可以见到矿化不良的或宽或窄的区域,该区域晶体不能形成釉柱形态,排列方向异常。有研究通过大量的试验发现,过度矿化的氟化釉质晶体失去进一步诱导晶核形成的能力,使得其周围新形成的釉质晶体矿化程度难以完全恢复,这便形成了氟化釉质的组织学特征:过度矿化与矿化不足相伴随。
  研究显示,氟离子的质量浓度不仅影响釉质晶体的形成和矿化过程,还可改变细胞膜钙通道的阈值以及细胞器的功能。氟离子可以促进细胞膜钙通道迅速开放,例如质量浓度25mg·L-1的氟离子即可引起钙通道开放,而且钙通道开放随着氟离子质量浓度的增加而增加,钙离子的电流幅值也逐渐增大。慢性氟中毒可致机体组织细胞钙超载,低钙可加重氟中毒时的细胞内钙超载程度,提示细胞内钙超载可能参与氟骨症发病机制并起着重要的作用。Davies等认为,线粒体和高尔基体以及过氧化物酶是钙的储存库,氟化物通过妨碍钙的动态平衡影响细胞器的功能。
  有关钙营养对氟的骨骼毒性的影响的研究显示:膳食富钙,则大鼠对氟中毒表现出较强的耐受力;而低钙偏食,则大大加重了大鼠氟的骨骼毒性。即低钙与高氟在造成高骨转换状态方面具同向性,这种同向性为研究钙离子与氟作用导致氟牙症提供了相关依据。另外有学者认为:钙对氟的拮抗可能是补充了钙离子后,钙离子在胃肠道或血液中与氟离子结合为难溶的化合物,被消化代谢后排出体外;同时,过量的钙也可能结合了微环境中的氟,使游离氟减少。由于氟离子对釉质发育过程的调节和釉基质蛋白水解过程均有干扰,故钙离子的补充实质上保证了釉质矿化过程得以正常进行。
  4 小结
  综上所述,作为地方性氟中毒典型特征之一的氟牙症,其发病机制仍未明确,当下的各类假说,较多关注于氟离子的生物毒性以及钙离子介导的各类生物化学改变的影响。不论是氟细胞毒性说,釉基质蛋白酶功能障碍说,还是氟对钙的相互作用假说,或是氟对转录因子的调控,均仅仅在釉质形成矿化过程方面对其作了阐述,并不能完全解释各个釉质发育形成过程中的病理改变。氟牙症发病机制是一个复杂的和各种因素参与的病理改变。在对氟牙症发病机制研究过程中,更应关注不同釉质发育时期相关细胞、蛋白质以及相关转录因子的改变,同时对胞内外钙离子的变化也要有足够的重视。
  (本文编辑 刘世平)
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