王美青， 杨鸿旭， 张虹云， 刘 倩

（第四军医大学口腔医学院颞下颌关节病科，陕西 西安 710032）

关节软骨主要功能之一是支持运动，并承受一定的负荷。 正常情况下，颞下颌关节髁突软骨在紧咬时，主要承受正压性负荷；在张口时，主要承受负压性负荷；在前伸等滑动运动时，则承受摩擦性负荷。 颞下颌关节具有较强的应功能需要而进行适应性改建的能力，这一特性与颞下颌关节和咬合之间密切的生物力关系相匹配[1]。 人一生中的咬合关系会历经建牙合、磨耗、牙齿脱落等自然变化，以及修复乃至正畸、正颌等医疗干预，颞下颌关节响应这些咬合变化而进行改建（remodeling）以维持咀嚼系统的正常功能活动。

颞下颌关节响应生物力刺激而进行的改建大致可分为生理性改建（physiological remodeling）和病理性改建（pathological remodeling）。 病理性改建主要因负荷超出了组织生理性改建能力而出现，可导致关节变形[2-3]。 从组织学上来看，改建活动可以是增殖性的（proliferative remodeling），也可以是退行性的（degenerative remodeling）。 建立动物模型是研究颞下颌关节改建规律的主要途径。 近年来基因修饰技术被广泛应用，出现了大量以各种转基因鼠为实验对象的骨关节炎病理机制的研究报道。 小鼠和大鼠的颞下颌关节髁突软骨由浅及深大致可分为表面纤维带、增殖带、过渡带、肥大细胞带和钙化软骨带，髁突不同带区软骨组织对不同咬合刺激的响应规律也不尽相同。 我们研究小组对大鼠、小鼠的实验研究结果表明，增殖性改建主要发生在浅层软骨（增殖带及过渡带），退行性改建则主要发生在深层软骨（钙化软骨带及肥大软骨带）。

1 髁突软骨对双侧前牙加高咬合的增殖性改建响应特征

许多研究表明， 牵张可促进骺板软骨增厚，从而刺激骨的生长[4-5]。 我们研究证实：以佩戴BAE 不良修复体的方式，增加小鼠咬合高度，也可以引起髁突软骨明显增厚[6]。

小鼠和大鼠的切牙都具有不断萌出的生理特征，小鼠和大鼠需要通过连续的啃食动作来磨耗切牙，降低切牙高度，从而抵消切牙因生理性萌出而造成咬合增高的变化，保持咀嚼系统生物力环境的稳定。 给小鼠上、下颌双侧切牙佩戴套筒冠，使戴冠后的上、下颌切牙处于对刃状态，一方面对刃关系增加了咬合高度，另一方面金属质地的修复体抗磨耗能力远强于牙釉质，使得切牙无法通过啃食动作产生生理性磨耗，而小鼠切牙的持续萌出导致小鼠的咬合随着切牙的不断萌出而日渐加高。 11 周的BAE 刺激可使小鼠上颌切牙长度平均增加0.21 mm，下切牙长度平均增加0.38 mm， 即切牙区咬合高度增加约0.6 mm。 从6 周龄开始佩戴BAE 不良修复体，3 周后小鼠髁突软骨便出现增殖性改建，主要表现为软骨的增殖层及前肥大层增厚；11 周时BAE刺激髁突厚度增加了120 μm， 而且软骨细胞的数量也明显增加，软骨下骨则表现出明显以破骨细胞介导的骨丢失增多为特征的改建活动[6]（图1）。

图1 小鼠髁突软骨对双侧前牙加高（BAE）和单侧前牙反牙合（UAC）的响应表现（×200）Figure 1 Responses of the mouse condylar cartilage to bilateral anterior elevation (BAE) and unilateral anterior crossbite (UAC)（×200）

2 髁突软骨对单侧前牙反牙合的退行性改建响应特征

颞下颌关节髁突软骨既具有承受压力的组织结构基础（例如：明显肥大的软骨带），又具有承受一定摩擦力的组织结构基础（例如：明显的表面纤维带）， 这一组织学特点可能与颞下颌关节以滑动和（或）转动运动形式承受咬合负荷等功能特征有关。 然而颞下颌关节软骨可能不适合承受较大的挤压力或剪切力，为论证这一判断的正确性，我们研究组根据啮齿类动物的咬合特征，构建了单侧前牙反牙合（UAC）小鼠、大鼠模型，并对UAC 模型动物进行了一系列研究。

2.1 髁突软骨退行性改建

髁突软骨退行性改建的表现包括软骨基质降解、软骨细胞死亡及终末分化增强（图1）。

2.1.1软骨基质降解与细胞凋亡 早期主要表现为蛋白多糖减少，随后便是胶原蛋白降解，后者包括主要表达于深层软骨的X 型胶原蛋白减少和软骨本体部的Ⅱ型胶原蛋白减少。 正常情况下在颞下颌关节髁突软骨的表面带中有少量Ⅰ型胶原的表达，UAC 则促进髁突软骨细胞表达Ⅰ型胶原蛋白[7]。 软骨基质降解可导致软骨变薄，采用在颞下颌关节每周局部注射绿色荧光蛋白标记的骨髓间充质干细胞 （green fluorescent protein-labeled bone marrow mesenchymal stem cells, GFP-BMSCs）的方法，可以有效改善UAC 引起的基质减少，增加软骨厚度[7]。

我们通过在UAC 小鼠颞下颌关节局部注射GFP-BMSCs 的实验发现，髁突软骨基质损伤和降解是UAC 所致髁突软骨退变的主要原因。 软骨细胞因基质的丢失而表现出失巢性凋亡，因为在颞下颌关节局部注射外源性GFP-BMSCs 后，UAC 所致的退变软骨中胞外基质明显增多，从而改善了细胞微环境，软骨细胞的生存状态得以改善，细胞凋亡减少。 研究还发现，定植于软骨中的GFP-BMSCs 并没有表现出明显的增殖活性，而如果UAC 持续存在，即导致髁突软骨微小创伤的刺激持续存在，软骨基质降解或丢失的原因依然存在，软骨细胞便仍然面临失巢性凋亡的威胁。一旦中止外源性GFP-BMSCs的供给，软骨基质的丢失便得不到及时补充，软骨细胞很快便因失巢性凋亡而减少，软骨迅速退变[8]。这说明，UAC 所致颞下颌关节髁突软骨的退变可能首先是基质损伤， 基质损伤后软骨细胞因丧失支撑、缺乏营养而最终出现失巢性凋亡。

2.1.2软骨细胞终末分化增强 UAC 在导致软骨基质降解的同时，还上调了软骨细胞缝隙连接蛋白43（Connexin43）的表达水平。 Connexin43 是半通道蛋白，6 个Connexin43 蛋白构成1 个细胞膜表面半通道[9-10]。力刺激不仅可以使软骨细胞中Connexin43蛋白高表达、 向细胞膜转位， 而且可以使Connexin43 半通道开放。开放的Connexin43 半通道可以无选择性地使小分子物质， 例如前列腺素E2（prostaglandin，PGE2）以及钙离子内流[11]，内流的钙离子被储存于内质网中， 导致内质网钙离子超载。内质网中超载的钙离子可以上调并激活表达于内质网内表面的钙离子敏感受体 （calcium sensitive

receptor，CaSR），CaSR 具有促进软骨细胞终末分化的作用[12]。 在UAC 的刺激下，CaSR 表达增高，通过激活印第安刺猬（Ihh）信号途径，使得髁突软骨细胞终末分化增强[13]。 软骨细胞终末分化增强导致表达甲状旁腺素受体1 （parathyroid hormone receptor-1，PTHR1）的软骨细胞数量减少，使得软骨浅层细胞分泌的甲状旁腺素相关蛋白 （parathyroid hormone related protein，PTHrP）因失去受体靶点而阻止软骨细胞成熟分化的功能减弱，进一步加强软骨细胞的分化活动[14]。

2.1.3软骨细胞自噬 自噬是髁突软骨细胞对UAC刺激的早期响应之一。对于大鼠，UAC 导致的软骨细胞自噬主要出现在实验开始4 周之前。 我们采取获得与缺失（gain and lost）的研究策略，对哺乳动物的mTOR基因及其上游抑制性基因结节性硬化复合体-1（tuberous sclerosis complex-1，TSC-1）进行基因修饰，从而获得mTOR基因敲除小鼠和mTOR基因过表达小鼠。 分别对2 种小鼠进行UAC 刺激， 结果表明：mTOR可以作为以自噬为主转为以凋亡为主的分子开关，mTOR 通路的活化将抑制软骨细胞自噬、 促进软骨细胞凋亡，从而加剧软骨退变[15]。

2.1.4髁突骨软骨交界区的矿化活动增强 骨软骨交界区对UAC 刺激非常敏感， 该部位由深层软骨和软骨下板层骨（subchondral plate bone）构成。采用冯库萨染色法以及透射电镜观察， 均可见UAC 刺激早期（2 周）深层软骨细胞周围即出现明显的矿物增多现象，而且这种矿物增多随时间的延长而愈加明显[16]。 软骨钙化的重要机制是基质丢失导致胶原纤维断端暴露，局部磷含量增高，局部小泡作为载体传递矿化相关物质[17-18]。在UAC 刺激下，基质蛋白酶增多导致大量胶原基质降解； 深层软骨细胞自噬、凋亡、坏死产生大量核酸代谢产物无机磷；软骨细胞自噬活动增强可产生大量的自噬小泡，这一系列活动为软骨钙化提供了充分条件。 我们的研究表明：UAC 髁突软骨中促进矿化的分子， 如组织非特异性碱性磷酸酶 （tissue-nonspecific alkaline phosphatase，TNAP）[19]和多次跨膜转运蛋白（the extracellular milieu by multipass transmembrane ankyloses，ANK）[20]的表达水平明显增高而抑制矿化的分子，如核苷酸焦磷酸酶/磷酸二酯酶1（nucleotide pyrophosphatase/phosphodiesterase 1，NPP1）[21]以及基质γ-羧基谷氨酸蛋白（matrix gla protein, MGP）[22]的表达水平明显降低[16]。

UAC 导致的软骨下小梁骨（subchondral trabecular bone）改建以破骨细胞介导的骨丢失为主，采用显微CT 及组织形态学检测和分析的方法进行比较，证实UAC 导致了髁突软骨下骨吸收。 组织学观察发现，破骨细胞活动明显增强，但同时骨髓间充质干细胞的活动也明显增强[23]。 采用钙黄绿素荧光标记的方法证实，UAC 刺激下髁突的骨软骨交界区，骨形成活动比较活跃。 采用纳米力学检测证实，UAC 刺激下髁突骨软骨交界区，硬度明显增加。 这些结果说明：髁突软骨下骨在UAC 刺激下出现了成骨、破骨失耦联；在软骨下板层骨区域（骨软骨交界区），骨形成活跃；在软骨下小梁骨区域，骨丢失明显。 最终髁突出现明显退行性改建乃至变形[24]。

2.2 UAC 导致颞下颌关节盘退行性变

颞下颌关节的关节盘以纤维成分为主，其作用主要有协调髁突与关节窝之间形态差异，调节髁突运动过程中关节腔大小变化，以及调节由此而产生的关节腔内压变化等。 在颞下颌关节紊乱病（temporomandibular disorders, TMD）弹响机制假说中，关节盘发挥着核心作用。 纤连蛋白或纤黏连素（fibronectin，FN）是一种细胞外基质的大分子糖蛋白，构成细胞膜和基质蛋白在基质端的结合位点。 当组织损伤时，FN 及其N 末端降解产物FN-N 的表达水平上调，FN-N 的累积可导致椎间盘退变[25-26]，并促进炎性因子等软骨基质降解相关物质的表达，进一步加剧关节盘的退变[27]。在UAC 大鼠的颞下颌关节盘中，胶原基质减少，FN-N 明显增加。 当UAC 刺激20 周时，关节盘呈现出瘢痕化的变化[28]，这导致关节盘弹性下降。 正常情况下关节盘可以通过吸入或排出关节液的方式改变其体积，以较好的纤维组织柔韧性改变其形态，来适应下颌运动过程中髁突和关节窝之间的动态紧密接触关系，并调节关节腔的大小和关节内压的大小[29-30]。 关节盘组织瘢痕化将严重影响关节盘的这一功能活动，造成关节运动中的盘髁关系不协调。

3 临床意义

颞下颌关节髁突软骨虽然具有滑膜关节软骨的主要形态特征，但同时也是生长板，而且其表面纤维带比较厚，这些形态和结构特点使其具有较强的终身改建能力，表现之一便是对咬合刺激产生明显的生物学响应。 临床上常见到生长发育期下颌后缩的错牙合患者，佩戴功能矫治器使下颌牙列被前导至正常牙合位置后，髁突通过向后上方生长而逐渐居于下颌窝中央（前导初期髁突位置靠前），最终实现咬合和髁突位置都达到正常的矫治目标，其机制可能就是促进了髁突生长板软骨的增殖性改建。

人群中的错牙合发生率高达90%左右[31]，错牙合患者的咬合常有不对称，髁突也表现出双侧不对称的形态特征[3,32]，其主要机制之一是应颞下颌关节响应咬合的功能需要而进行了功能改建[24]。 如上文所述，UAC 可导致颞下颌关节髁突软骨出现以退行性变为主要特征的病理性改建，表现为髁突软骨细胞分化活动增强、凋亡活动增强、自噬活动减弱、骨软骨交界区异常钙化、软骨下骨的成骨和破骨活动失耦联，以及关节盘的瘢痕样变等，最终导致髁突形态异常。 关节软骨通常被认为是无血管、无神经的组织， 但在生长发育过程中，BAE 可以引起颞下颌关节髁突软骨出现增殖性改建。 合理利用髁突软骨的增殖性改建特性，有效限制乃至干预关节软骨的退行性改建活动，是牙合学及颞下颌关节病学面临的重要课题。 探索有关规律，掌握有关知识，无疑将有利于我们采取有效的咬合治疗措施，促进髁突软骨的增殖性改建，治疗髁突软骨的退行性变，预防咬合源性颞下颌关节问题的发生。