2021年，我们课题组在口腔医学权威期刊InternationalJournal of Oral Science（IJOS）发表了一篇综述（Biomechanical and biological responses of periodontium inorthodontic tooth movement: up-date in a new decade [1]），对近十年来正畸牙移动牙周力学与生物学方面的研究进展进行了回顾总结。文章篇幅较长，信息量较大，特把其中我觉得最有趣，或与正畸医生关系较密切的内容摘出来分享给同行，欢迎指正！
1.正畸牙移动研究模型
正畸牙移动（orthodontic toothmovement，OTM）的研究模型大致可以分三类：体内（动物）模型、体外（细胞）模型和分析模型。
在动物实验中，最常用的是拉簧近移大鼠上颌第一磨牙的模型，其次是大鼠扩弓模型。尽管动物模型在OTM研究中用处很大，但也有人认为，由于与临床OTM“托槽+弓丝”的施力方式不同,这类动物模型只适合模拟初期的OTM，而不适合模拟更长期的“整体”（bodily）OTM。
在细胞实验中，由于OTM的破骨是通过牙周膜启动的，故多采用原代培养的牙周膜成纤维细胞，也称为牙周膜细胞（periodontal ligament cells，PDLCs）。绝大多数实验都是对二维培养的PDLCs进行应力加载，但实际上二维培养的细胞处于“躺平”状态，其力学反应与真实状态（立体生长）很可能有较大差异。因此，学者们开始尝试用不同的支架进行三维培养PDLCs的力学实验。其中，通过与天然牙周膜有相似厚度、弹性模量、多孔性的PLGA支架三维培养PDLCs建立的“牙周膜组织模型”，较采用传统胶原凝胶三维培养的PDLCs显示出更加接近体内真实反应的表型，例如在持续压应力作用下表达核心破骨因子RANKL，提示越是接近真实应力微环境的支架，其三维培养细胞的力学反应也越接近体内[2]。此外，应力加载的方式也有讲究。如果研究目的是OTM，因正畸应力是一种单向静压力，与之最相似的应力加载方式便是“重物法”；而如果研究目的是正常生理状态下的牙周改建，则应施加模拟咀嚼力的周期性张应力[3]。
2. OTM骨改建的“应力-牙周膜细胞-骨细胞”机制假说
虽然常常将OTM的力学生物学机制简单表述为“压力侧破骨，张力侧成骨”，但详细机制其实并未完全清楚。
曾经力学作用下骨发生的“压电效应”被认为参与了OTM，但目前观点认为应力刺激骨形变产生的电效应只是一个副产品，并非引起正畸骨改建的原因。随着一系列体外实验，尤其是发现静压应力直接作用于PDLCs可以诱导后者表达RANKL，进而诱导破骨细胞生成，PDLCs作为正畸压应力主要效应细胞的理论已被认可。但牙周膜的力学反应似乎难以解释OTM的全部现象。比如，在上颌切牙舌移的过程中，虽然邻近腭侧牙周膜的牙槽骨发生了骨吸收，但更远处的牙槽骨却发生了骨形成，后者就不大能用牙周膜的力学反应来解释。
图1 在上颌切牙舌移的过程中，虽然邻近腭侧牙周膜的牙槽骨发生了骨吸收，但更远处的牙槽骨却发生了骨形成
因此，基于近年来关于牙周组织相关的细胞力学生物学研究，包括对骨细胞作为牙槽骨的重要力学感受器以及PDLCs与骨细胞生物信号交流的新认识，本文提出OTM骨改建的“应力-牙周膜细胞-骨细胞” 机制假说。该假说认为，牙周膜细胞和骨细胞是OTM中的两种主要应力感应细胞，牙周膜细胞主要调控软组织改建及内侧（靠近牙周膜区域）的骨改建，而骨细胞则主要调控外侧（远离牙周膜区域）的骨改建，二者可能发生交互作用（图1）。根据这个理论，上切牙内收时，腭侧靠近牙周膜的内侧牙槽骨主要发生由“应力-牙周膜细胞”介导的骨改建过程，即“骨吸收-牙齿移动-轻微松动-骨形成-牙齿稳定”；远离牙周膜的外侧牙槽骨则主要发生由“应力-骨细胞”介导的骨塑建或骨改建。
3. OMT牙周力学生物学反应的4个步骤
在前人提法的基础上，本文略作修改，将OTM的力学生物学反应分为4个阶段，分别是：胞外力学、细胞受力、细胞反应、组织改建。
3.1 胞外力学
曾经有一种假说，认为充满液体的牙周膜就像一个“游泳圈”，受到正畸力时整体都在均匀受压，压力侧与张力侧的受力并没有区别。该假说的漏洞在于，牙周膜并非游泳圈那样的密闭整体，而是一种多孔的粘弹性组织。受到压应力后，压力侧的液体瞬间从孔隙挤出，应力得到缓冲；但当施加的是正畸力这样的持续压应力时，液体的缓冲作用消失后，细胞便会直接感受压应力。牙周膜的核心生理功能便是稳定牙、缓冲应力，它就像是牙与骨两种硬组织之间的一个“缓冲垫”，在生理性应力刺激下不断改建，厚度基本维持不变。当牙齿受到过度应力时，牙周膜间隙增宽，其实是对牙齿的保护；当牙齿长久失去生理性应力刺激时（比如对𬌗牙缺失），牙周膜则发生废用性萎缩。而在正畸压力侧，牙周膜间隙受压变薄以后，天然使命需要其恢复正常宽度以继续发挥缓冲垫作用，由此必须破坏掉邻近的硬组织——牙槽骨或牙骨质，而有赖于牙骨质对于骨吸收更强的抵抗能力，牙槽骨成为主要的被吸收对象——这才有了“正畸牙移动”的生物学基础。此外，基质硬度或许与细胞的粘附、分化有关，而在OTM中牙周膜的弹性模量是下降的，但其具体意义尚不明了。
3.2 细胞受力
应力由牙周膜细胞的胞外基质，经其胞膜上的粘附斑，通过整合素构象改变传递到细胞骨架、细胞核。除了整合素，牙周膜细胞的应力感受器还包括 PDGFRβ、钙离子通道、Piezo1离子通道、TRPV4离子通道等（图2）——以上细胞结构共同参与了PDLCs对外界力学刺激的感受以及进一步的分子反应，最终调控成骨与破骨。另一方面，骨细胞通过突起感受流体剪切力等应力刺激，调控骨改建。去除骨细胞后，正畸牙移动速度减慢，可能是因为骨细胞参与了OTM的破骨细胞形成，提示骨细胞是牙周组织内另一重要的力学信号转导者。
有一个力学概念叫“张拉整体（tensegrity）”。细胞的“张拉整体”指细胞存在对应力反应的整体性，力学刺激可直接诱导染色质形变，进而调控转录与翻译。“张拉整体”对于维持细胞的正常生理活性非常必要。当胞外、胞内应力等级相当时，细胞对外部应力更加敏感；而一旦失去“张拉整体”，细胞将不能感受外部应力刺激，甚至发生凋亡。此外，近年来有学者提出牙周膜成纤维细胞在张应力作用下会转变为一种“肌成纤维细胞”，伴随α-SMA表达上调，其在OTM中的意义有待进一步探究。
图2 牙周膜细胞应力转导的假说机制
3.3 细胞反应
直接调控骨改建的细胞是破骨细胞与成骨细胞。正畸压力侧首先募集造血干细胞来源的单核细胞，在来源于上游力学感受器（牙周膜细胞或骨细胞）的M-CSF与RANKL作用下，分化为破骨细胞（图3）。
体外实验表明，三维培养的牙周膜细胞在持续压应力作用下炎性因子COX-2表达上调，很可能参与了RANKL的上调；同时一个有趣的发现是，甲状旁腺激素相关蛋白(parathyroid hormone related protein ,PTHrP)表达上调[2]。PTHrP具有成骨-破骨双相调节作用，在牙萌出过程发挥不可或缺的作用。压应力诱导PDLCs中PTHrP表达上调，很容易让人推测其可能同样参与了OTM中的骨改建调控。在OTM压力侧注射缓释的PTHrP，牙移动速度加快，提示其有望作为辅助OTM的临床药物[4]。
而在牙周膜细胞与骨细胞可能存在的对话方面，关注较多的是sclerostin蛋白。OTM压力侧sclerostin表达上调，可能主要是来源于牙周膜细胞而非骨细胞，但牙周膜细胞与骨细胞的信号交流会促进骨细胞进一步分泌sclerostin以辅助破骨。
图3 破骨细胞生成的机制
3.4 组织改建
压力侧的骨和牙周膜发生降解、吸收，随后新的骨与牙周膜组织形成。破骨细胞附于骨表面后，释放H+离子溶解骨的无机物，释放MMP和cathepsins降解有机基质。张力侧的成骨细胞很可能来源于有成骨分化潜能的牙周膜细胞和骨髓基质细胞。成骨细胞形成基质，继而矿化，将自身包裹于内，最后变成骨细胞。随着骨形成，张力侧增大的牙周膜间隙逐渐变小，恢复初始宽度，松动牙重新稳定。牙骨质由于缺乏活跃的矿物质改建，且OPG表达可能更高，因而相对于改建活跃的牙槽骨有更强的抵抗吸收能力。然而，OTM中破牙质细胞仍会造成牙骨质，甚至牙本质的吸收。
4. 临床提示
4.1 关于最适正畸力
最适正畸力（optimal orthodonticforce，OOF）一般指能较快移动牙齿，同时组织损伤和患者不适感较小的正畸力。过轻的力激活破骨细胞生成太慢，而过重的力并不能进一步加快牙移动，反而会造成更大的组织损伤。因此，OOF是正畸医生追求的理想力值。
对于OOF的阐释包含三个层面：细胞层面、组织层面、个体层面。
在细胞层面，OOF可以理解为“能够高效诱导牙周膜细胞上调RANKL表达，且不对其造成明显伤害的力值”。而细胞的最适力值显然与其培养体系的力学强度有直接关系。传统二维平层培养的细胞，其胞外基质无法形成三维支架，因此对持续压应力的抵抗能力极低，只能承受非常小的力值，无法与体内真实情况相提并论。而通过多孔PLGA形成的支架，胞外基质附于支架形成三维网状支撑，其压缩弹性模量大小与真实牙周膜类似，可以更好地从细胞水平研究OOF。对多孔PLGA支架三维培养的人牙周膜细胞分别加载5、15、25、35 g/cm2的持续压应力，只有25、35g/cm2的力值可快速（6h以内）诱导RANKL表达上调，且两种力值无显著差别[2]，提示在该模拟OTM核心生物学过程的体外模型中，25g/cm2是能高效激活破骨诱导的最小力值。有趣的是，毛细血管的压力也是25g/cm2左右。综上，25g/cm2的力值能高效诱导牙周膜细胞介导的破骨细胞生成，而更大的应力不但不会进一步增强破骨活化，还可能压闭血管加重组织损伤；因此，25g/cm2或许就是细胞层面的OOF。
然而，在组织层面，希望通过临床实验或动物实验进一步厘清OOF的美好愿望却很难实现。这是因为在“托槽-弓丝”的临床正畸体系中，施加的正畸力首先要克服矫治系统阻力才能传递到细胞，因此细胞感受到的真正的“有效力值”多大很难准确测定；而如果抛开“托槽-弓丝”体系直接施力（如大鼠磨牙近移模型），牙齿必然为倾斜移动，其牙周膜的受压位点和实际受压面积便很难确定。再者，在个体层面，OOF必然存在个体差异。患者不同的年龄、激素水平、牙槽骨条件、牙周膜厚度、生物节律……这些因素都会影响OOF。
因此，OOF只能是个性化的，因不同个体、不同牙位、不同移动方式、不同矫治体系而异。尽管如此，正畸医生仍应有意识地估算并记录OOF进行加载，再根据组织反应进行力值增减调整。
4.2 关于牙根吸收
牙根吸收通常被认为与过重的力有关，重力被认为会造成牙周膜透明样变，进而导致牙根吸收；然而，力值大小与透明样变之间的相关性却并未确认，有时即使很轻的力值，也会在局部造成透明样变。
尽管正畸中的牙根吸收不可完全避免，但研究者仍在探索用各种方式减少牙根吸收。某些药物，如抑制骨吸收的阿仑膦酸钠，可以减少牙根吸收，而阿司匹林（抗炎药物）则没有效果。但这类研究的质量并不高，还有待高质量的临床实验进一步验证。外科手术对牙根吸收的影响没有定论，既有减少牙根吸收，也有增加牙根吸收的报道。正畸力压入造成牙根吸收，在停止加力，休息6周后有一定的修复。相比于持续力，间歇力有利于减少牙根吸收。研究表明，透明矫治器较固定矫治器造成的牙根吸收程度更轻微[5]，很可能因为透明矫治器在一天中有摘下的时候，使得牙周细胞可以暂时摆脱压力，得到一定的休息和修复。
综上，近十年来我们对正畸牙移动牙周力学生物学的理解进一步加深，但依然有很多未解之谜，而未来针对这些谜团的研究有助于我们进一步明确OTM的机制，改进临床治疗手段，获得更高效、更健康的正畸疗效。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41368-021-00125-5
参考文献
1. Li, Y., et al., Biomechanical and biological responses ofperiodontium in orthodontic tooth movement: up-date in a new decade. IJOS,2021. 13(1): p. 20.
2. Li,Y., et al., Expression ofosteoclastogenesis inducers in a tissue model of periodontal ligament undercompression. J Dent Res, 2011. 90(1):p. 115-20.
3. Yang,L., et al., In vitro mechanical loadingmodels for periodontal ligament cells: from two-dimensional tothree-dimensional models. Arch Oral Biol, 2015. 60(3): p. 416-24.
4. Lu,W., et al., PTH/PTHrP in controlledrelease hydrogel enhances orthodontic tooth movement by regulating periodontalbone remodaling. 2021. 56(5): p.885-896.
5. Li,Y., et al., Prevalence and severity ofapical root resorption during orthodontic treatment with clear aligners andfixed appliances: a cone beam computed tomography study. 2020. 21(1): p. 1.