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

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

細胞焦亡是一種裂解性程序性細胞死亡,，由炎性半胱天冬酶（Caspases）啟動，其特征是gasdermin（GSDM）介導的細胞膜穿孔和細胞內(nèi)容物的釋放,。細胞外或細胞內(nèi)刺激可激活細胞焦亡,，包括病原體感染、炎癥,、腫瘤和機械力,。根據(jù)不同的環(huán)境刺激和炎性半胱天冬酶，焦亡可分為典型途徑和非典型途徑。在典型細胞焦亡中,，Nod樣受體蛋白3（NLRP3）等炎癥小體激活Caspase-1以裂解gasdermin D（GSDMD）并將pro-IL-1β加工成成熟的IL-1β,。在非典型焦亡中，Caspase-11/4/5 在識別細胞溶質(zhì)脂多糖時被激活以裂解 GSDMD,，其獨立于炎癥小體和 Caspase-1,。

正畸牙齒移動（OTM）是一種由機械力刺激誘導的無菌炎癥性骨重塑過程。牙周膜（PDL）干細胞/祖細胞是牙周組織中的主要細胞成分,，在OTM過程中不斷受到力刺激,，參與炎癥反應和骨重塑過程。研究報道了炎癥因子,、趨化因子和氣體分子（如硫化氫）的表達在力刺激的 PDL 干細胞/祖細胞中增加,。此外，體外循環(huán)拉伸可以通過 Caspase-1 相關機制激活PDL 細胞的 NLRP 炎癥小體并誘導 IL-1β 的釋放,。然而,，機械力是否以及如何誘導 PDL 干細胞/祖細胞焦亡，從而影響 OTM 和牙槽骨重塑仍然未知,。

瞬時感受器電位離子通道香草素受體4（TRPV4）可以調(diào)節(jié)機械轉(zhuǎn)導,、炎癥激活和機械力誘導的牙槽骨重塑。此前,，體內(nèi)和體外的研究發(fā)現(xiàn)TRPV4 參與OTM 期間 PDL 干細胞功能的調(diào)節(jié),，TRPV4還可以介導慢性阻塞性肺疾病中的氣道上皮細胞焦亡。因此,，有理由假設 TRPV4 參與 PDL 祖細胞中力誘導的焦亡,。

最近，北京大學口腔醫(yī)院正畸科研究團隊在International Journal of Oral Science 上發(fā)表了題為“Force-induced Caspase-1-dependent pyroptosis regulates orthodontic tooth movement"的文章,。該研究旨在說明機械力是否以及如何誘導牙周膜祖細胞（PDLPs）焦亡并影響 OTM 和牙槽骨重塑,，通過使用 OTM 動物模型、力誘導的離體人 PDL 祖細胞和體外壓縮力負荷模型,，發(fā)現(xiàn)機械力誘導 PDL 祖細胞 Caspase-1 依賴性焦亡,，促進了 OTM 和牙槽骨重塑,。這項研究揭示了 OTM 的新機制,，并表明靶向 Caspase-1 可能是加速 OTM 的一種有前途的方法。

首先,，為了研究機械力誘導的焦亡是否調(diào)節(jié)體內(nèi)牙槽骨重塑,，建立了力誘導OTM和牙槽骨重塑模型。在3 d,、7 d和14 d的力負荷（50-60g）下,，大鼠的OTM距離逐漸增加。CD90 是大鼠PDLPs的標志物，免疫熒光顯示,，經(jīng)力負荷3 d后,，牙周組織壓力側(cè)Caspase-1+CD90+ 細胞、GSDMD+CD90+ 細胞,、IL-1β+CD90+ 細胞數(shù)量均增加,。然而，在張力側(cè),，與對照組相比,，焦亡相關標志物的表達沒有變化。此外,，在力刺激7 d后,，牙周組織中Caspase-1、Gsdmd和IL-1β等焦亡相關基因的表達顯著上調(diào),。這說明,，機械力在體內(nèi) OTM 和牙槽骨重塑過程中誘導PDLPs焦亡。

為進一步探討焦亡水平對OTM的影響,，使用焦亡激活劑PPVI或抑制劑MCC950來增強或阻斷焦亡水平,，發(fā)現(xiàn)PPVI注射后OTM距離增加，MCC950注射后OTM距離減小,。同時,，PPVI注射后，牙周組織中力誘導的Caspase-1,、GSDMD和IL-1β表達進一步升高,，而MCC950部分逆轉(zhuǎn)了焦亡相關標志物的表達。

Caspase-1 是典型焦亡途徑中裂解 GSDMD 的關鍵因素,，因此進一步確認力誘導的焦亡是否需要 Caspase-1 的激活,。力負荷7d后，Caspase-1?/? 小鼠的OTM距離顯著縮短（圖1 a）,。相應地,，Caspase-1?/? 小鼠牙周組織中Caspase-1、GSDMD,、IL-1β的表達顯著降低（圖1 b）,。這些數(shù)據(jù)表明，機械力可以誘導Caspase-1-依賴性細胞焦亡,，從而進一步促進OTM和牙槽骨重塑,。

此外，在力誘導的牙齒移動過程中,，每隔一天將Caspase-1抑制劑Belnacasan（VX765）注射到小鼠體內(nèi),，發(fā)現(xiàn)牙齒移動距離明顯減?。▓D1 c）。且力誘導的Caspase-1,、GSDMD和IL-1β表達的上調(diào)被部分逆轉(zhuǎn)（圖1 d）,。

圖1     機械力誘導的焦亡以 Caspase-1 依賴性方式調(diào)節(jié) OTM 和牙槽骨重塑。

PDL干細胞/祖細胞是響應機械力并促進OTM的主要細胞,，因此實驗接下來檢測機械力是否在力刺激下誘導PDL祖細胞焦亡,。在有或沒有力負荷的離體h-PDLPs中檢測焦亡相關標志物的表達（圖2 a），發(fā)現(xiàn)力負荷7 d后,，在NLRP3炎癥小體,、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）等焦亡相關標志物的蛋白和mRNA表達均顯著增加（圖2 b）,。

然后驗證了PDLPs焦亡與破骨細胞活性之間的關系，將離體h-PDLPs與外周血單核細胞（PBMCs）共培養(yǎng),，進行或不進行正畸力預處理,。hF7d（正畸力）組RANKL蛋白表達顯著增強，而OPG表達保持不變（圖2 c）,，RANKL/OPG比值上調(diào)（圖2 d）,，RANKL分泌也增加（圖2 e）。此外,，hF7d組的TRAP+ 破骨細胞數(shù)量顯著增加（圖2 f）,，破骨細胞中組織蛋白酶K（CTSK）和TRAP的mRNA表達也顯著增加（圖2 g）。這些數(shù)據(jù)表明,，機械力誘導人離體PDLPs焦亡并影響破骨細胞活性,。

在體外進一步對PDLPs施加壓縮力。蛋白質(zhì)印跡顯示低于 1.5 g/cm2的力刺激下,，焦亡相關蛋白的表達從3 h開始增加持續(xù)24 h,，在6 h達到峰值（圖2 h）。此外,，在6 h不同強度力刺激下（0.5?g/cm2,、1.5?g/cm2、2.0?g/cm2）,，焦亡相關標志物的蛋白表達持續(xù)增加（圖2 i）,。

OM圖像中觀察到細胞輪廓模糊，腫脹膨大,，并且有許多氣泡狀突出物的焦亡形態(tài),。此外,，PDLPs細胞膜在1.0 g/cm2的壓縮力刺激下形成孔隙,，1.5 g/cm2下出現(xiàn)更明顯的膜破裂、細胞腫脹和溶解（圖2 j）。這些發(fā)現(xiàn)表明,，機械力在體內(nèi)和體外誘導PDLPs的焦亡,。

圖2     機械力誘導人PDL祖細胞焦亡并影響破骨細胞活性。

進一步地,，利用PPVI 和MCC950 在體外處理力負荷的 PDLPs,。蛋白質(zhì)印跡分析顯示，力負荷能提高細胞焦亡相關蛋白的表達水平,，PPVI 應用后進一步增強,，MCC950 應用后部分抑制。此外,，應用PPVI后GSDMD+CD90+ 細胞,、Caspase-1+CD90+ 細胞和IL-1β+CD90+ 細胞的數(shù)量均增加，MCC950處理后減少,。此外,，PPVI處理后RANKL/OPG比率上調(diào)，RANKL分泌增加,，MCC950處理則相反,。

此外，Belnacasan（VX765）也被用于體外處理力負荷PDLPs,，發(fā)現(xiàn)力誘導的焦亡相關蛋白表達降低（圖3 a）,。此外，應用VX765后Caspase-1+CD90+ 細胞,、GSDMD+CD90+ 細胞和IL-1β+CD90+ 細胞的數(shù)量均減少（圖3 b）,，但VX765顯著逆轉(zhuǎn)了RANKL蛋白和RANKL/OPG比值的上調(diào)（圖3 c），基因表達水平上也類似（圖3 d）,，RANKL的分泌也減少（圖3 e）,。這些數(shù)據(jù)表明，PDLPs中力誘導的焦亡需要Caspase-1的激活,，這進一步促進了破骨細胞生成,。

圖3     體外調(diào)控Caspase-1影響PDL祖細胞中RANKL/OPG的表達。

蛋白質(zhì)印跡和免疫熒光染色顯示,，hF7d組離體h-PDLPs中TRPV4的表達增強（圖4 b）,。在大鼠OTM模型中，Caspase-1+TRPV4+ 細胞和GSDMD+TRPV4+ 細胞的數(shù)量呈時間依賴性增加（圖4 c）,。此外,，應用TRPV4抑制劑GSK2193874（GSK219）后，力誘導的焦亡相關標志物表達的增加被部分抑制（圖4 d）,。

TRPV4 通過介導細胞內(nèi) Ca 2+ 內(nèi)流調(diào)節(jié)多種細胞功能,。最后,，實驗假設 TRPV4 通過 Ca2+ 內(nèi)流調(diào)控 PDLPs焦亡，進而誘導活性氧（ROS）升高和線粒體損傷,。結(jié)果表明,，力負荷增加PDLPs中 Ca2+ 內(nèi)流和ROS水平，這可被GSK219阻斷（圖4 e）,。此外,，線粒體在力處理的PDLPs中腫脹和破裂，GSK219處理后形態(tài)趨于正常,，線粒體膜電位的下降和ATP生成受損也被逆轉(zhuǎn)（圖4 e）,。這些發(fā)現(xiàn)表明，TRPV4信號在調(diào)節(jié)PDLPs中力誘導的Caspase-1-依賴性焦亡中起著重要作用（圖4 a）,。

圖4    TRPV4信號參與了PDL祖細胞的焦亡,。

圖5    示意圖顯示PDL 祖細胞中力誘導的 Caspase-1-依賴性焦亡需要通過 TRPV4 信號轉(zhuǎn)導，最終促進激活破骨細胞生成和牙槽骨重塑

總之,，該研究表明,，機械力在大鼠、小鼠和人類模型的 PDL 祖細胞中誘導 Caspase-1-依賴性焦亡,。這種 Caspase-1-依賴性焦亡有助于 OTM 和牙槽骨重塑,。這項研究為機械刺激下破骨細胞生成的調(diào)控提供了新的見解，表明靶向 Caspase-1-依賴性焦亡可能是加速 OTM 的一種有前途的策略,。

參考文獻：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.

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