靜態正畸力下白細胞介素1β誘導人PDLs的細胞外基質金屬蛋白酶的表達
正畸牙移動 （OTM）在咬合不正的治療中起著關鍵作用，它最終是由施加的機械牽張力引起的。根據經典的“壓力-張力”假說，機械負荷會引起牙齒的移動，從而在施力方向上產生一個壓力區，而在相反部位產生一個張力區。這會產生局部無菌性炎癥，導致壓力部位的骨吸收和張力部位的骨形成。
牙周韌帶（PDL）是一種高度組織化的結締組織，是感知正畸力并將其從牙齒傳遞到牙槽骨的基本結構。除了骨吸收和骨形成外，PDLs 的細胞外基質（ECM）在 OTM 過程中經歷了持續的重塑。這種正在進行的重塑主要由 PDL 的細胞成分協調，它由異質的成纖維細胞樣的間充質基質細胞 （hPDL-MSCs） 群組成。
各種蛋白水解酶，例如基質金屬蛋白酶 (MMPs)，都參與了 PDL 內 ECM 蛋白的重塑。許多體外研究已經調查了機械應力對人 PDL 中各種 MMPs 表達的影響，主要集中在膠原酶 MMP-1 和明膠酶 MMP-2。
此外，研究表明，在施加機械力后，人類 PDL 細胞中多種局部金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMPs)的組成型表達發生了變化。在人 PDL 細胞中，當施加拉力時，TIMP-1 的表達增加，而壓力對 TIMP-1 的表達似乎有下降的影響。
白細胞介素 (IL)-1β 是一種重要的促炎細胞因子，在人牙周組織中具有多種作用。在正畸治療引起的無菌性炎癥期間，IL-1β 是張力區和壓力區中最豐富的細胞因子之一。它直接有助于 OTM 期間廣泛的牙槽骨重塑。
此外，IL-1β 通過調節 MMPs 和 TIMPs 的表達直接影響 PDLs 的ECM 的持續更新。IL-1β 和其他炎癥因子，如IL-6，在細菌依賴性的牙周組織慢性炎癥中也是必不可少的。因此，進一步研究正畸力和 IL-1β 聯合作用對 PDL 細胞中 MMPs 和 TIMPs 表達的影響至關重要。
兩項研究已經證明，使用循環應變裝置后，拉伸應變對 PDL 細胞中由 IL-1β 誘發的 MMP 和 TIMP 的產生具有顯著影響。然而，沒有數據顯示靜態拉伸應變 (STS) 對 PDL 細胞中
IL-1β 依賴性的 MMP 和 TIMP 的產生的影響。區分這兩種力的應用形式是必不可少的，因為它們模擬了不同的正畸矯治器對患者施加的不同的正畸力。
基于此，來自維也納醫科大學牙科的專家學者進行了更深層次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上發表了題為《Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces》的研究論文。
此體外研究第一部分的主要目的是研究靜態拉伸應變 (STS) 對 IL-1β 誘導的 hPDL-MSCs 中 MMPs 和 TIMPs 表達的影響。特別是，在應用具有 6% 伸長率的等雙軸 STS 6 和 24 小時后，評估了 IL-1β 誘發的 MMP-1、MMP-2、TIMP-1 和 IL-1β 自身的產生。
其次，實驗直接比較了 STS 在胎牛血清 (FBS) 不存在和存在下對 IL-1β 誘導的這些基因表達的影響。因為已知胎牛血清在體外培養過程中影響這些細胞，評估胎牛血清對 hPDL-MSC 體外模擬正畸力的影響程度至關重要。
1.細胞活力
圖1 顯示了活性/死亡細胞染色和暴露于靜態拉伸應變（STS）24 小時 IL-1β 處理的 hPDL-MSC 的代表性圖片。在所有使用的刺激條件下，綠色熒光活性 hPDL-MSCs 的外觀都具有可比性。在沒有 STS 的情況下，IL-1β 導致紅色熒光死亡 hPDL-MSCs 的數量從 1 ng/mL 增加到 5 ng/mL，與 FBS 濃度無關。
在 STS 存在的情況下，即使存在不同的 IL-1β 濃度，也觀察到較少數量的 hPDL-MSC死亡。在存在 2% FBS 的情況下，與沒有 FBS 孵育的 hPDL-MSCs 相比，STS 在不存在和存在 1 ng/mL IL-1β 的情況下導致 hPDL-MSCs 的死亡數量略多。然而，大多數 hPDL-MSCs 是有活力的，并且沒有觀察到實驗條件對細胞活力的不利影響。
2.MMP-1 表達
圖2 顯示在不存在或存在不同 IL-1β 濃度的情況下應用 STS 后 6 和 24 小時，在不存在 FBS 的情況下，hPDL-MSCs 中的 MMP-1 基因和蛋白質表達。
孵育 6 小時和 24 小時后，單獨使用 STS 不影響 MMP-1 基因表達水平。在蛋白質水平上，在沒有 IL-1β 的情況下，MMP-1 也不受 STS 的影響。
培養 6 小時和 24 小時后，1 ng/mL 和 5 ng/mL IL-1β 在不存在 STS 的情況下顯著增加 MMP-1 基因表達。在條件培養基中，5 ng/mL IL-1β 導致 MMP-1 蛋白水平在兩個時間點均無顯著增加。
6 小時后，應用 STS 對 IL-1β 誘導的 MMP-1 基因表達沒有影響。然而，24 小時后，應用 STS 顯著增加了 IL-1β 誘導的 MMP-1 基因表達水平。在蛋白質水平上，在培養 6 小時后，STS 不顯著抑制 IL-1β 誘導的蛋白質產生。24 小時后，STS 進一步增加了 IL-1β 誘導的 MMP-1 蛋白產生，但無顯著性意義。
3.MMP-2 表達
在不同 IL-1β 濃度存在下應用 STS 后 6 和 24 小時，在不存在 FBS 的情況下，hPDL-MSCs 中的 MMP-2 基因表達。在不存在 IL-1β 的情況下應用 STS 對 MMP-2 基因表達水平沒有顯著影響。培養 6 小時和 24 小時后，IL-1β 顯著增強 hPDL-MSCs 中 MMP-2 基因的表達，導致培養 24 小時后 MMP-2 基因表達水平整體升高。在蛋白質水平上，未檢測到 MMP-2。
應用 STS 6 小時導致 IL-1β 誘導的 MMP-2 基因表達降低，顯示在 5 ng/mL IL-1β 存在下顯著下降。24 小時后，STS 以濃度依賴性方式增強 IL-1β 誘導的 MMP-2 基因表達，顯示在 1 ng/mL IL-1β 存在下顯著增加。
此外，選擇正確的正畸矯治器可能對成年患者尤為重要，其中正畸治療是牙周炎的一個危險因素，因為兩者具有相似的分子機制，并導致廣泛的 PDL 和牙槽骨重塑。
參考文獻：Behm C, Nemec M, Blufstein A, Schubert M, Rausch-Fan X, Andrukhov O, Jonke E. Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces. Int J Mol Sci. 2021 Jan 20;22(3):1027. doi: 10.3390/ijms22031027. PMID: 33498591; PMCID: PMC7864333.
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牙周韌帶（PDL）是一種高度組織化的結締組織，是感知正畸力并將其從牙齒傳遞到牙槽骨的基本結構。除了骨吸收和骨形成外，PDLs 的細胞外基質（ECM）在 OTM 過程中經歷了持續的重塑。這種正在進行的重塑主要由 PDL 的細胞成分協調，它由異質的成纖維細胞樣的間充質基質細胞 （hPDL-MSCs） 群組成。
各種蛋白水解酶，例如基質金屬蛋白酶 (MMPs)，都參與了 PDL 內 ECM 蛋白的重塑。許多體外研究已經調查了機械應力對人 PDL 中各種 MMPs 表達的影響，主要集中在膠原酶 MMP-1 和明膠酶 MMP-2。
此外，研究表明，在施加機械力后，人類 PDL 細胞中多種局部金屬蛋白酶組織抑制劑(TIMPs)的組成型表達發生了變化。在人 PDL 細胞中，當施加拉力時，TIMP-1 的表達增加，而壓力對 TIMP-1 的表達似乎有下降的影響。
白細胞介素 (IL)-1β 是一種重要的促炎細胞因子，在人牙周組織中具有多種作用。在正畸治療引起的無菌性炎癥期間，IL-1β 是張力區和壓力區中最豐富的細胞因子之一。它直接有助于 OTM 期間廣泛的牙槽骨重塑。
此外，IL-1β 通過調節 MMPs 和 TIMPs 的表達直接影響 PDLs 的ECM 的持續更新。IL-1β 和其他炎癥因子，如IL-6，在細菌依賴性的牙周組織慢性炎癥中也是必不可少的。因此，進一步研究正畸力和 IL-1β 聯合作用對 PDL 細胞中 MMPs 和 TIMPs 表達的影響至關重要。
兩項研究已經證明，使用循環應變裝置后，拉伸應變對 PDL 細胞中由 IL-1β 誘發的 MMP 和 TIMP 的產生具有顯著影響。然而，沒有數據顯示靜態拉伸應變 (STS) 對 PDL 細胞中
IL-1β 依賴性的 MMP 和 TIMP 的產生的影響。區分這兩種力的應用形式是必不可少的，因為它們模擬了不同的正畸矯治器對患者施加的不同的正畸力。
基于此，來自維也納醫科大學牙科的專家學者進行了更深層次的研究，在International Journal of Molecular Sciences 上發表了題為《Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces》的研究論文。
此體外研究第一部分的主要目的是研究靜態拉伸應變 (STS) 對 IL-1β 誘導的 hPDL-MSCs 中 MMPs 和 TIMPs 表達的影響。特別是，在應用具有 6% 伸長率的等雙軸 STS 6 和 24 小時后，評估了 IL-1β 誘發的 MMP-1、MMP-2、TIMP-1 和 IL-1β 自身的產生。
其次，實驗直接比較了 STS 在胎牛血清 (FBS) 不存在和存在下對 IL-1β 誘導的這些基因表達的影響。因為已知胎牛血清在體外培養過程中影響這些細胞，評估胎牛血清對 hPDL-MSC 體外模擬正畸力的影響程度至關重要。
部分實驗過程
1.細胞活力
圖1 顯示了活性/死亡細胞染色和暴露于靜態拉伸應變（STS）24 小時 IL-1β 處理的 hPDL-MSC 的代表性圖片。在所有使用的刺激條件下，綠色熒光活性 hPDL-MSCs 的外觀都具有可比性。在沒有 STS 的情況下，IL-1β 導致紅色熒光死亡 hPDL-MSCs 的數量從 1 ng/mL 增加到 5 ng/mL，與 FBS 濃度無關。
在 STS 存在的情況下，即使存在不同的 IL-1β 濃度，也觀察到較少數量的 hPDL-MSC死亡。在存在 2% FBS 的情況下，與沒有 FBS 孵育的 hPDL-MSCs 相比，STS 在不存在和存在 1 ng/mL IL-1β 的情況下導致 hPDL-MSCs 的死亡數量略多。然而，大多數 hPDL-MSCs 是有活力的，并且沒有觀察到實驗條件對細胞活力的不利影響。
2.MMP-1 表達
圖2 顯示在不存在或存在不同 IL-1β 濃度的情況下應用 STS 后 6 和 24 小時，在不存在 FBS 的情況下，hPDL-MSCs 中的 MMP-1 基因和蛋白質表達。
孵育 6 小時和 24 小時后，單獨使用 STS 不影響 MMP-1 基因表達水平。在蛋白質水平上，在沒有 IL-1β 的情況下，MMP-1 也不受 STS 的影響。
培養 6 小時和 24 小時后，1 ng/mL 和 5 ng/mL IL-1β 在不存在 STS 的情況下顯著增加 MMP-1 基因表達。在條件培養基中，5 ng/mL IL-1β 導致 MMP-1 蛋白水平在兩個時間點均無顯著增加。
6 小時后，應用 STS 對 IL-1β 誘導的 MMP-1 基因表達沒有影響。然而，24 小時后，應用 STS 顯著增加了 IL-1β 誘導的 MMP-1 基因表達水平。在蛋白質水平上，在培養 6 小時后，STS 不顯著抑制 IL-1β 誘導的蛋白質產生。24 小時后，STS 進一步增加了 IL-1β 誘導的 MMP-1 蛋白產生，但無顯著性意義。
3.MMP-2 表達
在不同 IL-1β 濃度存在下應用 STS 后 6 和 24 小時，在不存在 FBS 的情況下，hPDL-MSCs 中的 MMP-2 基因表達。在不存在 IL-1β 的情況下應用 STS 對 MMP-2 基因表達水平沒有顯著影響。培養 6 小時和 24 小時后，IL-1β 顯著增強 hPDL-MSCs 中 MMP-2 基因的表達，導致培養 24 小時后 MMP-2 基因表達水平整體升高。在蛋白質水平上，未檢測到 MMP-2。
應用 STS 6 小時導致 IL-1β 誘導的 MMP-2 基因表達降低，顯示在 5 ng/mL IL-1β 存在下顯著下降。24 小時后，STS 以濃度依賴性方式增強 IL-1β 誘導的 MMP-2 基因表達，顯示在 1 ng/mL IL-1β 存在下顯著增加。
實驗結果
將實驗的結果外推到臨床情況表明，不僅施加的力大小，而且力施加形式（靜態與循環）似乎對成功的 OTM 至關重要。因此，在選擇用于咬合不正治療的材料時，正畸醫生應注意到由于不同的材料所產生的不同的力大小以及不同的靜態和循環張力可能產生的不同影響。此外，選擇正確的正畸矯治器可能對成年患者尤為重要，其中正畸治療是牙周炎的一個危險因素，因為兩者具有相似的分子機制，并導致廣泛的 PDL 和牙槽骨重塑。
參考文獻：Behm C, Nemec M, Blufstein A, Schubert M, Rausch-Fan X, Andrukhov O, Jonke E. Interleukin-1β Induced Matrix Metalloproteinase Expression in Human Periodontal Ligament-Derived Mesenchymal Stromal Cells under In Vitro Simulated Static Orthodontic Forces. Int J Mol Sci. 2021 Jan 20;22(3):1027. doi: 10.3390/ijms22031027. PMID: 33498591; PMCID: PMC7864333.
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