正畸牙齒移動（OTM）依賴于力誘導的骨重塑，其中在張力側有新骨沉積，在壓力側有骨質吸收。牙槽骨骨髓間充質細胞（alveolar bone marrow mesenchymal cells，ABMMCs）是一類位于牙槽骨中的骨髓間充質干細胞，具有增殖、遷移和成骨分化特性。它們已被證明對機械力敏感，能夠感知機械信號并將其轉化為復雜的生物反應。因此，闡明機械力下ABMMCs中與骨重塑相關的細胞活動及其潛在機制對于正畸治療至關重要。

由機械力引發的骨重塑是一個復雜的生物過程，需要大量的能量來合成與細胞增殖、分化和功能相關的大分子（如DNA、RNA和蛋白質）。葡萄糖已被公認為骨骼發育和生長的主要能量來源，糖酵解已被證明是滿足骨重塑所需能量的主要途徑。在先前的研究中，觀察到在機械作用下糖酵解受刺激，葡萄糖消耗和乳酸生成增加。此外，糖酵解還為其他代謝途徑提供中間物和底物，如1，6-果糖二磷酸、丙酮酸和乳酸。最近有報道稱，這些中間物可以作為信號分子來調節各種細胞活動和功能。

乳酸作為糖酵解過程中產生的上述中間物之一，已被發現在生理和病理條件下發揮多種調節功能。乳酸的產生主要發生在細胞質中，它來源于乳酸脫氫酶 A（LDHA）對丙酮酸的轉化。乳酸通過其轉運蛋白（單羧酸轉運蛋白）和受體（G蛋白偶聯受體81）參與傷口愈合、內皮細胞遷移、腫瘤發展和免疫細胞極化的調節。據研究，乳酸在血液和健康組織中的生理濃度約為1.5-3 mM，但在炎癥部位可升至10 mM，在癌組織中可升至近20-30 mM。然而，目前尚不清楚乳酸在OTM過程中是否因機械力而改變，或者乳酸在這種濃度下對骨重塑的影響是什么。

基于此，山東省口腔組織再生重點實驗室和山東省口腔生物材料與組織再生工程實驗室研究團隊在一項研究中，觀察到在機械力下，ABMMCs的乳酸生成增加，伴隨成骨分化、增殖和遷移增強，此外，發現機械拉伸衍生的乳酸能夠通過組蛋白乳酸化促進ABMMCs的成骨分化、增殖和遷移，同時減少細胞凋亡。該研究結果揭示了乳酸作為OTM過程中牙槽骨重塑的介質和調節因子的關鍵作用，并在力相關代謝物的功能領域進行了一系列研究。具體內容發表在 CELLS期刊題為“Mechanical Force Modulates Alveolar Bone Marrow Mesenchymal Cells Characteristics for Bone Remodeling during Orthodontic Tooth Movement through Lactate Production”。
 

首先，研究人員在ALP染色和茜素紅S染色中分別觀察到成骨誘導后鈣沉積和礦化結節增強，證明了ABMMCs的成骨分化潛力。油紅O染色顯示ABMMCs具有成脂分化的潛力。然后，評估了機械刺激對ABMMCs成骨分化的影響，在循環機械拉伸下（10% 伸長率，0.5Hz，正弦波形，6、12、24h）評估基因轉錄和翻譯水平，結果表明成骨相關基因（ALP和RUNX2）的表達在6 h時開始增加，并在12 h時達到峰值。同時，ALP和RUNX2在蛋白水平上的表達也因機械力提高，ABMMCs細胞的ALP酶活性在循環拉伸24 h后顯著增加。此外，還證實了循環機械拉伸促進ABMMCs成骨分化的能力。上述研究結果證實了ABMMCs的多向分化潛力和克隆形成能力，表明ABMMCs是可自我再生的多能細胞。

接下來，為了評估體內OTM過程中LDHA和乳酸生成的表達，實驗建立了大鼠OTM模型，并觀察了左上頜第一磨牙的近中移動。IHC結果顯示，正畸力應用7天后，牙槽骨張力側和壓力側LDHA的表達增加，LDHA陽性細胞百分比增加，平均光密度（AOD）增加（圖1 A-C）。與壓力側相比，張力側LDHA的表達略高，但無統計學意義（圖1 A-C）。一致地，在 OTM 7 天后，移動磨牙周圍的牙槽骨中的乳酸濃度也上調（圖1 D）。就體外研究結果而言，實驗觀察到在循環張力作用12 h后ABMMCs 中 LDHA 在 mRNA 和蛋白質水平表達顯著升高（圖1 E-G）。此外，循環機械拉伸24h后，細胞內乳酸增加約2.5倍，細胞外乳酸達到2-3 mM（圖1 H、I）。上述研究結果表明，機械力在體內和體外均能促進LDHA的表達和乳酸的產生。

圖1 機械力增加乳酸脫氫酶A（LDHA）的表達和乳酸的產生。

（A）通過免疫組織化學（IHC）確定 OTM 期間 LDHA 在張力側（a）和壓力側（b）的表達。LDHA的表達由LDHA陽性細胞百分比（B）和平均光密度（AOD）（C）測定。（D）經正畸力7天后牙槽骨中的乳酸含量。（E）拉伸0、6、12和24 h后LDHA在mRNA水平上的表達。（F、G）拉伸0、6、12和24 h后LDHA在蛋白質水平上的表達。 （H）拉伸0、6、12和24 h后的細胞內乳酸濃度。（I）拉伸0、6、12和24h后的細胞外乳酸濃度。

進一步地，為了研究機械力誘導的乳酸對ABMMCs成骨分化的影響，實驗應用了GNE-140（一種特異性LDHA抑制劑）來抑制循環機械拉伸過程中乳酸的產生。在循環機械拉伸期間暴露于 GNE-140 24h導致 ABMMCs 中細胞內和細胞外乳酸顯著降低，但在靜態條件下未發現具有統計學意義的抑制作用。GNE-140在基因轉錄水平和蛋白翻譯水平上顯著減弱了生理機械力導致的成骨標志物ALP和RUNX2的表達升高，同時，減弱了由循環機械拉伸增強的細胞內 ALP 活性和 ABMMCs 中的礦化結節。這些結果表明，通過抑制乳酸生成可以抑制ABMMCs在機械力下增強的成骨分化。上述結果揭示了，機械力誘導的乳酸可以促進ABMMCs的成骨分化。

此外，實驗還評估了機械力誘導的乳酸對其他骨重塑相關細胞活動的影響，包括ABMMCs的增殖、凋亡和遷移。結果表明，循環拉伸處理24 h后，促進了ABMMCs的增殖，而GNE-140明顯減弱了這種效應（圖2 A）。同時，生理性周期拉伸可以誘導細胞周期進程，如S期和G2/M期細胞比例增加，而GNE-140明顯抑制了這一趨勢（圖2 B-D）。細胞凋亡方面，在機械力作用下未觀察到ABMMCs的顯著改變，而GNE-140顯著增加ABMMCs的凋亡（圖2 E、F）。此外，生理性周期性拉伸顯著誘導了ABMMCs的遷移（圖2 G、H），而GNE-140可以消除ABMMCs中機械力的這種促遷移效應。這些結果表明，機械力誘導的生理性乳酸促進了ABMMCs的增殖和遷移，但抑制了細胞凋亡。上述結果揭示了，乳酸通過調節ABMMCs的細胞特性在骨重塑過程中發揮重要功能。

圖2 GNE-140在循環機械拉伸下抑制ABMMCs的增殖和遷移，但促進細胞凋亡。

（A）有或沒有循環機械拉伸下通過 CCK-8 測試確定 ABMMCs 在 GNE-140/DMSO 處理組中的增殖。（B-D）有或沒有循環機械拉伸下GNE-140/DMSO 處理組中 ABMMCs 的細胞周期分布（B）、細胞周期分布百分比（C）以及S和G2/M期百分比（D）。（E、F）有或沒有循環機械拉伸下在 GNE-140/DMSO 處理組ABMMCs 中Annexin V-FITC/PI 雙染色。（G、H）有或沒有循環機械拉伸下GNE-140/DMSO 處理組中 ABMMCs 劃痕測定的代表性圖像（G）和傷口愈合區域（H）。

最近的研究發現了一種新的組蛋白修飾，稱為組蛋白乳酸化，它參與了巨噬細胞的修復性轉化。由于乳酸是組蛋白乳酸化的底物，因此，實驗最后研究了乳酸的上述作用是否由組蛋白乳酸化介導。在OTM過程中，乳酸化組蛋白水平在牙槽骨的張力側和壓力側均上調，而在張力側的表達水平明顯高于壓縮側（圖3 A-C）。同時，免疫熒光（IF）和WB結果也證實了ABMMCs在循環拉伸24 h后乳酸化組蛋白水平升高（圖3 D-G）。這些結果表明，在機械力作用下，乳酸化組蛋白和乳酸生成之間存在相似的改變模式。

接著分析了組蛋白乳酸化與乳酸生成之間的關系。與對照組（DMSO）相比，GNE-140顯著降低乳酸化組蛋白水平（圖3 H-K）。此外，染色質免疫沉淀測序結果顯示，GNE-140 處理組中代表性基因的轉錄起始位點（TSS）上游 2 kb區域中乳酸化組蛋白的富集受到抑制（圖3 L）。RT-qPCR結果也進一步驗證了GNE-140在ABMMCs中降低了這些基因的表達（圖3 M）。這些結果表明，機械力衍生乳酸對骨重塑的調節作用是由組蛋白乳酸化介導的。因此，組蛋白乳酸化被證實為乳酸的關鍵介質，以發揮其在OTM期間牙槽骨重塑中的調節功能。

圖3 組蛋白乳酸化介導乳酸對ABMMCs的調節作用。

（A、B）OTM 期間，IHC 在張力側（a）和壓力側（b）測定的組蛋白乳酸化水平。組蛋白乳酸化水平由 Pan-Kla 陽性細胞（B）和 AOD（C）的百分比確定。（D、E）有或沒有周期拉伸下乳酸化組蛋白的水平由 IF 確定。（F、G）有或沒有周期拉伸下乳酸化組蛋白的水平由 WB 確定。（H、I）GNE-140/DMSO 處理組中由 IF 測定的乳酸化組蛋白水平。（J、K）在 GNE-140/DMSO 處理組中WB 測定的乳酸化組蛋白水平。（L）相關基因位點組蛋白乳酸化染色質免疫沉淀測序信號的基因組快照。（M）DMSO/GEN-140 組中代表基因在 mRNA 水平上的表達。

圖4 拉伸刺激的乳酸通過組蛋白乳酸化促進ABMMCs中ALP、Runx2、Ki67、CCNA1、BCL2和SDF1的表達。在拉伸刺激下，ABMMCs中乳酸的產生可以升高。拉伸誘導的乳酸通過相關基因的組蛋白乳酸化進一步促進ABMMCs的增殖、遷移和成骨分化。ABMMCs：牙槽骨骨髓間充質細胞；NADH：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；LDH：乳酸脫氫酶。

總之，該研究證實了在 OTM 期間，在機械力作用下存在生理性升高的乳酸。此外，還揭示了乳酸在調節骨重塑相關細胞活性和ABMMCs特征中的作用。研究發現了乳酸是 OTM 期間牙槽骨重塑的潛在調節因子，為改善正畸過程中牙槽骨重塑提供了新的治療靶點。

參考文獻：Zhai M, Cui S, Li L, Cheng C, Zhang Z, Liu J, Wei F. Mechanical Force Modulates Alveolar Bone Marrow Mesenchymal Cells Characteristics for Bone Remodeling during Orthodontic Tooth Movement through Lactate Production. Cells. 2022 Nov 22;11(23):3724. doi: 10.3390/cells11233724. PMID: 36496983; PMCID: PMC9738738.
原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36496983/

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