正畸牙移动破骨前沿界面血小板衍化生长因子-BB偶联血管与骨形成的机制研究

The frontier interface of bone resorption region in orthodontic tooth movement is quite significant for bone remodeling. Platelet-derived growth factor-BB (PDGF-BB) secreted by osteoclasts promotes the formation of type H vessels, strongly positive for CD31 and endomucin (EMCN), which couple angiogenesis and osteogenesis. Our previous studies on bone remodeling in orthodontic tooth movement had showed an increase in osteoclast formation concomitant with high expression of PDGF-BB and CD31 at the loading site. Based on this interesting phenomenon, a significant amount of type H vessel is well expected. Here, we propose that PDGF-BB can regulate the differentiation of endothelial progenitor cells (EPC) and mesenchymal stem cells (MSC) into vascular endothelial cells and osteoblasts respectively, and induce angiogenesis coupling with osteogenesis during orthodontic tooth movement. In vivo and in vitro studies of the mechanism of PDGF-BB secreted by osteoclasts coupling angiogenesis and osteogenesis will be carried out on orthodontic treated Pdgfb cKO mice in this investigation. Moreover, the result of this study is expected to lay a solid foundation for in-depth understanding of the biological roles of alveolar bone-periodontal ligament-cementum interface complex and the mechanism of tissue remodeling, as well as the potential goal for more steady, efficient and safer orthodontic treatment in the future.

破骨前沿界面是正畸牙移动牙周组织生物学改建的关键部位。破骨细胞分泌的血小板衍化生长因子-BB（PDGF-BB）能促进高表达CD31和EMCN的H型毛细血管的形成，是偶联血管形成与骨形成的关键元件。申请人前期研究发现，在小鼠正畸牙移动初始阶段，压力区的破骨细胞数量骤增，且牙周膜-牙槽骨界面高表达PDGF-BB和CD31，此结果提示该界面可能存在大量的H型毛细血管。据此猜想：在正畸牙移动过程中，PDGF-BB可调控内皮祖细胞和间充质干细胞的成血管向和成骨向分化，发挥偶联H型毛细血管和骨形成的重要作用。本课题拟构建Pdgfb cKO小鼠正畸牙移动模型，结合体内外实验探究正畸牙移动过程中破骨细胞分泌的PDGF-BB偶联H型毛细血管形成和骨形成的生物学机制，为深入理解正畸力微环境下牙槽骨-牙周膜-牙骨质界面复合体的生物学功能与组织改建机制，及探索快速、安全、稳定的正畸牙移动方法提供新的基础和策略。

【项目背景】.生理情况下，牙齿与牙周组织终生受到周期性咬合应力的刺激。一旦因对颌牙缺失等因素造成咬合功能低下，牙周会发生骨重建失衡，净表现为牙槽骨丢失，该现象被称为“牙周失用性骨质疏松”（Periodontal disuse osteoporosis, PDO），但鲜有研究报道该疾病病理生理机制。H型血管是一种新型毛细血管亚型，其可以耦联成骨，尤其在长骨的骨重建中发挥重要作用，但目前尚无研究探讨H型血管在PDO中发挥的作用与相关机制。 .【研究内容】.体内探索PDO小鼠的组织形态学变化、H型血管及促血管因子SLIT3变化；探寻PDO模型中骨生物学领域的新机制与靶点，为PDO治疗开辟新思路，明确促血管生成因子SLIT3在PDO中发挥的作用；体外模拟体内咬合应力，构建针对人牙周膜细胞（Human periodontal ligament cells, hPDLCs）动态压力加载模型，通过对细胞施加动态机械压应力探究血管功能紊乱的分子机制。.【重要结果】.1. 小鼠牙槽骨失去咬合应力刺激后，会出现PDO及牙周膜（Periodontal ligament, PDL）萎缩现象；.2、H型血管高表达CD31与EMCN，并且主要定位于PDL而非牙槽骨内。在咬合功能低下的PDL内，H型内皮细胞数目、血管管径以及耦联的Osterix+（OSX+）细胞数目显著减少。同时IHC结果显示，血管生成因子SLIT3在HG组PDL内减少；.3. 牙周膜内注射重组SLIT3蛋白可以部分挽咬合功能低下导致的H型血管稀缺与牙槽骨丢失；.4. 利用上水凝胶及Flexcell压应力仪器成功构建hPDLCs三维培养&动态压应力加载体系，发现hPDLCs内SLIT3表达量受到缺氧诱导因子-1α（Hypoxia inducible factor-1α, HIF-1α）转录水平上的调节。此外，HIF-1α可以受到由PIEZO1（一种机械激活的阳离子通道）介导的钙离子内流的影响； .【关键结论】.1. PDL在机械传导中起着关键作用，通过将咬合应力转化为hPDLCs的胞内信号轴PIEZO1/Ca2+/HIF-1α/SLIT3，促进PDL内H型血管的形成和OSX+细胞相关的骨形成 ，从而维持牙槽骨稳态；.2. SLIT3蛋白可以挽救PDO病理过程，为PDO疾病提供了新的治疗手段。