姜倩综述张疆弢 审校

遵义医科大学附属口腔医院正畸科，贵州 遵义 563003

自然界中存在多种多样的节律模式，其中昼夜生物钟节律是被研究最广泛的生物节律之一。昼夜生物钟节律是以近24 h为周期单位的内源性系统，由生物钟基因及受其调控的蛋白质表达改变所介导的的昼夜节律振荡。昼夜节律可由体内外因素发生改变，机体再根据节律变化调控生理活动和行为进程。这些因素包括生物体进食时间及社会活动，以及外界环境中的光照、温度循环等[1]。昼夜生物钟节律与生物体的生理活动密不可分，在免疫、代谢包括骨改建等方面发挥着重要作用，这样的节律性是哺乳动物生理学的基本特征。除此之外，正常的昼夜生物钟节律对健康至关重要，当昼夜生物钟节律紊乱时，更容易导致癌症、心血管及内分泌等疾病的发生[2]。

正畸是改善牙颌面关系不调的治疗方式，其中骨改建是正畸治疗的重要作用机制和生物学基础。分别由成骨细胞及破骨细胞介导的骨形成和骨吸收，最终两者相互协调达到动态平衡。近年来，越来越多的学者发现昼夜生物钟节律与口腔的正畸治疗存在着紧密联系。昼夜生物钟节律除了参与调控长骨骨代谢，也对正畸治疗中牙槽骨改建、颌骨的生长发育等产生影响，但其具体的作用机制尚未明确[3-4]。本文就昼夜生物钟节律在正畸治疗中的作用、机制及临床意义进行综述，为昼夜节律指导正畸治疗的临床应用提供科学的理论依据，加快推进昼夜生物钟节律在正畸治疗中的临床应用研究。

1 昼夜生物钟节律对颌骨生长发育的影响

在颅颌面生长发育过程中，可因先天遗传、后天环境因素出现错畸形，表现为牙颌面的关系不调。研究发现昼夜生物钟基因在颌骨中表达，参与颌骨的生长发育[5-6]。周鑫等认为骨性下颌骨发育不良(Skeletal mandibular hypoplasia，SMH)青少年与下颌骨发育正常青少年的下颌骨中核心生物钟基因的表达存在差异，并发现SMH患者的Clock、Bmal1、Per1、Cry2等生物钟节律基因的mRNA及蛋白表达明显降低，而Cry1的mRNA及蛋白表达增加，其中以节律基因Bmal1的表达改变最为显著，初步证实了昼夜生物钟节律与SMH之间存在紧密关联性[5]。在随后的验证研究中，Bmal1-/-小鼠同样出现下颌骨的发育不足[6]。

核心生物钟Bmal1还调控软骨细胞的生长、分化，髁突软骨成骨是下颌骨生长发育的重要方式之一[7-10]。HIRAI发现Bmal1-/-小鼠的下颌骨髁突中同样呈现为类似表型，表现为髁突发育不良及过早老化[7]。昼夜生物钟节律紊乱导致核心生物钟Bmal1表达降低、炎症因子IL-6表达增加，最终颞下颌关节呈骨关节炎样组织病理学改变，表现为不规则的髁突软骨，细胞排列错乱。其中COL2作为软骨ECM中重要的组成蛋白，会随着Bmal1的表达而变化[8]。但髁突软骨中核心生物钟Bmal1表达会随着年龄增加逐渐下降，其转录作用也会随着下颌骨髁突的发育而逐渐降低[9]。目前认为过表达的Bmal1有利于抑制颞下颌关节的骨关节炎[8]。同时，过表达Bmal1的骨髓间充质干细胞在体外有着较好的迁移能力，在体内局部移植后减少髁突破骨细胞的活性，对关节软骨具有良好的再生作用[10]。一旦缺乏核心生物钟Bmal1的表达，则不利于下颌骨髁突中软骨形成及软骨内成骨。昼夜生物钟节律及相关基因在颌骨生长发育中具有积极意义，也为错畸形的防治增加了新的思路。

2 昼夜生物钟节律对正畸治疗的影响

在不同时间段进行正畸治疗，牙齿移动量及牙周组织改建的变化也有所不同。IGARASHI等[11]进行了为期21 d的大鼠正畸牙近中移动实验，根据正畸治疗时间段将其分全天组、白天组及夜晚组，发现大鼠正畸疗效因所选择的治疗时间段发生改变。首先，白天组的牙齿移动距离不仅是黑夜组的近两倍，其压力区破骨细胞数量及张力侧骨形成也较黑夜组多，表明正畸力作用下的骨吸收及骨形成在白天组更为活跃；其次，虽然全天组和白天组的牙齿移动距离差距不大，但白天组中牙周膜透明样变的范围及牙根吸收较少[11]。在不同时间段施加矫形力牵引下颌向后移动的大鼠正畸实验模型中，同样也观察到了类似现象，发现白天组较黑夜组更有效地抑制髁突生长及软骨细胞的分化及增殖[12]。由于大鼠是夜间动物，即白天属于休息时间，提示在休息时间施加矫治力，不仅能获得良好的正畸疗效，还可减少牙周膜透明样变、牙根吸收等牙周损害的发生，这将对临床正畸时间的选择具有重要的指导意义。除此之外，研究还发现进行牵张成骨的山羊成骨细胞增殖活性呈现昼夜节律波动，峰值均出现于晚19：44～19：47，而谷值出现于早7：44～7：47[13]，成骨相关基因峰值也呈现昼高夜低的节律性[6]。这是否意味着骨形成在夜间更为活跃，因此在此基础上或许可探索出正畸治疗的恰当时间点。

正畸患者常感觉到疼痛，是因为正畸力作用引起炎症因子释放，同时这一主观症状与性别及年龄有关[14]。目前已有研究证明正畸疼痛也与昼夜节律有关，在进行上颌快速扩弓的青春发育高峰期患者中，显示疼痛值峰值出现于24：00左右，谷值出现于12：00左右。由此建议正畸扩弓加力在午间进行，此时疼痛值为最低[15]。除此，在固定矫治使用弓丝排齐牙列时，正畸疼痛感有着显著的昼夜变化，特别是在施加正畸力后的前2 d[16]。当早上施加正畸力后，疼痛最剧烈的时期发生在下午和夜晚之间[16]。因此，了解昼夜生物钟节律有助于获得更好的生物疗效及疼痛控制，甚至缩短正畸时间，对正畸临床治疗有着指导意义。

3 昼夜生物钟节律在正畸治疗中作用机制

骨组织的代谢过程复杂，受到多种激素、多种因子和交互关联的信号通路的调控。骨改建作为重要的骨代谢过程，主要受到旁分泌和远距分泌作用影响。即成骨细胞及破骨细胞等受到旁分泌产生的局部效应影响，以及通过远距分泌的全身性激素如瘦素、甲状旁腺激素、褪黑素等产生全身性系统效应影响。因此，接下来将重点阐述局部因素和全身性因素对昼夜生物钟节律介导正畸骨改建的具体机制。

3.1 昼夜生物钟节律对局部作用调控骨改建的影响研究表明局部的作用因素可以通过影响成骨细胞、破骨细胞及牙周膜成纤维细胞等介导正畸治疗过程。有学者在体外以地塞米松模拟生物钟传出信号，研究牙周膜细胞在机械负荷下成骨相关基因如Ⅰ型胶原蛋白、骨桥蛋白、骨涎蛋白的表达水平变化。研究发现，空白对照组即无应力作用下的牙周膜细胞中成骨相关基因的表达增加，并且表达变化极大程度地与生物钟基因Per1保持一致[17]。

昼夜生物钟节律同样对破骨细胞产生影响，通过改变光照起始时间的方法构建时差昼夜节律紊乱动物模型，结果显示小鼠的下颌骨发育水平低于正常昼夜节律的野生型小鼠，其中骨量及骨细胞数目下降且破骨细胞数目增加[5]。在Bmal1-/-小鼠中同样证实上述结果，并在下颌骨中显著地上调了基质金属蛋白酶3(Matrix metallopeptidase 3，MMP3)的表达。特别是当Bmal1表达的缺乏时，不仅可通过影响p65的磷酸化来间接上调MMP3的表达，还能下调骨保护素(Osteoprotegerin，OPG)的表达增加破骨细胞的分化，从而导致抑制下颌骨的发育[5-6]。

另外，牙周膜细胞中也检测出核心生物钟基因Clock、Bmal1、Per1、Per2的mRNA表达[4]。近期研究表明，牙周膜细胞中的Bmal1参与正畸机械力的传导，促进破骨细胞前体细胞迁移和分化的功能[18]。初步推测昼夜生物钟节律可以通过调控牙周膜细胞中节律基因的表达来影响正畸过程。以上实验结果均为昼夜生物钟节律参与正畸骨改建进程的可能提供了直接证据，同时昼夜生物钟节律正常与否关系着骨的生理活动。当昼夜生物钟节律发生紊乱时，可引起成骨细胞及破骨细胞的功能改变，其增殖、分化能力受损，导致骨形成与骨吸收失衡，最终对正畸的骨改建产生不利影响，阻碍了正畸的正常进展[17，19]。

3.2 昼夜生物钟节律对全身作用调控骨改建的影响

3.2.1 瘦素瘦素是来源于脂肪组织的多功能激素，具有调控食物摄取、新陈代谢及内分泌等功能[20]。瘦素对骨组织有双重作用，影响成骨和破骨细胞的增殖和分化，在骨形成和骨吸收中发挥作用[20-21]。昼夜生物钟节律紊乱会引发代谢紊乱，出现肥胖、代谢综合征等，肥胖患者的瘦素水平高于非肥胖患者[20-21]。在正畸治疗中，唾液中的瘦素水平与正畸牙移动速率呈正相关，但龈沟液中的瘦素水平会随着牙齿的移动降低[22-23]。肥胖患者的血清中瘦素水平高于非肥胖患者，肥胖患者的平均正畸牙移动速率较低[23]。瘦素与破骨细胞中瘦素受体作用后，通过下调RANKL表达抑制了破骨细胞的生成及功能[24]。另一方面，BOTERO等[25]认为肥胖加重了正畸力下的骨改建炎症反应，促进了正畸牙周围牙槽骨的丧失，表现为肥胖患者正畸牙周围牙槽骨的骨体积和骨密度低于非肥胖患者。肥胖不仅影响颅颌面的生长发育，且通过瘦素对骨组织的双重作用及炎症反应参与正畸骨改建，影响正畸牙移动的速率。

3.2.2 甲状旁腺激素甲状旁腺激素主要由甲状旁腺合成分泌，是调节细胞外钙及磷酸盐水平的主要内分泌分子。甲状旁腺激素对骨组织有双重作用，可调节软骨的生物钟[26]。甲状旁腺激素呈昼夜节律表达，峰值出现在12:00左右[27]。在近期研究发现甲状旁腺中也存在生物钟，昼夜生物钟基因在甲状旁腺中呈有规律的昼夜节律表达[28]。HANYU等[29]认为Per1可作为骨中甲状旁腺激素信号传导的特殊靶点，因甲状旁腺激素促进昼夜生物钟基因Per1表达水平，增加股骨、胫骨等长骨的骨密度值和骨小梁厚度及数量。甲状旁腺激素促进正畸骨改建进程，可加快正畸牙移动速率[30-31]。甲状腺激素常用于治疗骨质疏松，虽然不能促进骨质疏松大鼠的正畸牙移动速率，但有利于降低正畸治疗的复发率[32]。正畸治疗大鼠经短期局部注射甲状旁腺激素后，通过增加RANKL表达以促进破骨细胞的增殖分化，并且增加胰岛素样生长因子-1表达以促进成骨细胞的增殖分化，表明甲状旁腺激素同时对破骨细胞和成骨细胞具有促进作用[31，33]。

3.2.3 褪黑素褪黑素主要由脑松果体分泌，受到光照循环的影响呈现昼低夜高的节律性，参与促进良好的睡眠和稳定的昼夜生物钟节律[34]。缺乏褪黑素不利于骨组织的健康。褪黑素通过减少RANKL的合成以抑制破骨细胞的形成，直接抑制破骨细胞前体向成熟破骨细胞的分化，促进成熟破骨细胞的细胞凋亡以抑制骨吸收；通过增加OPG的合成以促进成骨细胞分化以促进骨形成[35-37]。褪黑素有助于牙周膜干细胞在长期传代中恢复自噬，减弱细胞衰老机制，使其恢复干细胞活性[38]。在大鼠上颌快速扩弓研究中发现，经腹腔注射褪黑素后，导致血清中碱性磷酸酶水平的增加且降低了IL-1、IL-6的表达，推测褪黑素可能有助于加速骨形成及防止快速扩弓后的复发[32]。当睡眠不规律导致昼夜生物钟节律发生紊乱时，褪黑素的表达水平也随之降低。研究发现夜班人员的唾液褪黑素低于非夜班人员，其口腔牙周组织炎症较也高于非夜班人员[33]。这提示了褪黑素可在一定程度上减轻炎症反应，在牙周组织改建及健康中有着重要意义。

综上所述，这些激素分别受昼夜生物钟节律的调控，并且在正畸治疗中发挥着不可或缺的作用。这意味着规律的昼夜生物钟节律使正畸骨改建在健康的状态下发生，促进骨吸收和骨形成，影响着正畸牙移动的速率，并有益于正畸治疗后骨组织的稳定与保持。

4 展望

昼夜生物钟节律与正畸治疗之间存在着密切关联，但目前关于昼夜生物钟节律与骨改建的研究中，多数以胫骨、股骨等长骨为研究对象，缺乏昼夜生物钟节律与牙槽骨改建广泛而深入的直接研究。其中仅有细胞水平的体外实验具有一定的局限性，为了更好地探讨昼夜生物钟节律在正畸骨改建中的作用及分子机制，在体外实验的基础上还需要结合体内实验，并且进一步考虑转录及翻译后调控对其蛋白表达的影响，以明确其具体的调控作用。昼夜生物钟节律作为正畸骨改建的新方向，其介导骨改建或将成为今后正畸治疗中的研究热点和最具发展潜力的研究之一。