正畸牙齒移動(dòng)的目的是在成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間達(dá)到平衡。它有兩種類型，壓力側(cè)和張力側(cè)，會(huì)導(dǎo)致骨吸收和骨形成。當(dāng)體外機(jī)械應(yīng)力施加到骨組織時(shí)，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞受到相應(yīng)的拉伸力和壓縮力，導(dǎo)致骨破壞和鐵死亡反應(yīng)，改變骨小梁排列和密度，進(jìn)而誘導(dǎo)病理性骨重塑。

鐵死亡是一種代謝性死亡類型，其特點(diǎn)是脂質(zhì)過(guò)氧化和鐵代謝之間的密切關(guān)系，導(dǎo)致骨骼生長(zhǎng)。骨骼中的鐵積累會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而增加，并導(dǎo)致骨質(zhì)流失。研究表明，鐵代謝在骨礦化過(guò)程中產(chǎn)生顯著的毒性，顯著增加成骨細(xì)胞死亡并降低礦化能力。鐵首先在成骨細(xì)胞中積累，并通過(guò)顯著下調(diào)其向骨基質(zhì)的進(jìn)展來(lái)影響其分化。先前的研究報(bào)道了鐵過(guò)載與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)聯(lián)，短暫的鐵過(guò)載可能導(dǎo)致骨代謝的抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，當(dāng)鐵含量過(guò)高時(shí)，鐵死亡可能與組織降解有關(guān)。

谷胱甘肽過(guò)氧化物酶4（GPX4）是一種抗氧化酶，已被發(fā)現(xiàn)通過(guò)耗竭谷胱甘肽來(lái)調(diào)節(jié)鐵死亡和抑制細(xì)胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂過(guò)氧化氫 GPX4 的活性并導(dǎo)致鐵死亡。Fer-1 是一種選擇性 Erastin 誘導(dǎo)的鐵死亡抑制劑，通過(guò)阻斷胱氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)和谷胱甘肽產(chǎn)生來(lái)抑制氧化的鐵依賴性癌細(xì)胞死亡。

Hippo 通路，如下游同源的轉(zhuǎn)錄共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，從而通過(guò)調(diào)節(jié) ACSL4（?；o酶A 合成酶長(zhǎng)鏈家族成員4）刺激癌細(xì)胞中的鐵死亡。然而，以前的研究主要集中在與骨耗竭相關(guān)的分子水平和鐵毒性上。一些研究人員認(rèn)為，鐵可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨細(xì)胞分化。鐵對(duì)骨礦化的毒性影響是值得注意的，可導(dǎo)致成骨細(xì)胞死亡率顯著上升。因此，鐵代謝與骨代謝的相互作用更為明顯。

最近，山東省口腔組織再生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬口腔醫(yī)院口腔正畸科團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究旨在探索應(yīng)力誘導(dǎo)的鐵死亡如何破壞骨重吸收和骨形成之間的平衡。研究成果發(fā)表在  The Journal of Cellular and Molecular Medicine 期刊題為“GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway"。

首先，HE 和 Masson 染色顯示，在成骨細(xì)胞壓力側(cè)細(xì)胞形態(tài)收縮，死亡增加。對(duì)小鼠前成骨細(xì)胞 MC3T3 在體外施加壓縮負(fù)荷（1?g/cm2），免疫組化染色顯示，GPX4 水平急劇下降，但這被鐵死亡抑制劑 fer-1 逆轉(zhuǎn)。

在壓縮力下，F(xiàn)er-1 減少成骨細(xì)胞鐵死亡，Erastin 增加鐵死亡。用壓縮力處理 MC-3T3 4h 后，GPX4 水平急劇下降，而 ACSL4 水平上升（圖1 A、B），壓縮力協(xié)同 Fer-1 處理后，GPX4 水平上升，ACSL4 水平下降。有趣的是，與對(duì)照組相比，MC-3T3 在壓縮力負(fù)荷 4h 后，在壓力側(cè)發(fā)生了鐵死亡，24h 后發(fā)生在張力側(cè)（圖1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 壓縮負(fù)荷下表現(xiàn)出顯著變化，而拉伸負(fù)荷下無(wú)顯著差異。拉伸側(cè)施加壓縮力負(fù)荷 6h 后 GPX4 水平比壓力側(cè)低，導(dǎo)致成骨細(xì)胞鐵死亡（圖1 E、F）。這些結(jié)果證實(shí)了 Erastin 和 Fer-1 在機(jī)械壓縮力下影響成骨細(xì)胞重塑。

圖1    壓力側(cè)較張力側(cè)較早發(fā)生鐵死亡。

與對(duì)照組相比，壓縮力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，F(xiàn)er-1 處理后 GPX4 mRNA 水平升高，ACSL 水平顯著下降（圖2 B、C）。鐵死亡檢測(cè)表明，MC-3T3 上的壓縮力負(fù)荷刺激脂質(zhì)過(guò)氧化（圖2 A）。這些結(jié)果表明，F(xiàn)er-1 通過(guò)壓縮力抑制鐵死亡。此外，還發(fā)現(xiàn) Fer-1 促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。當(dāng)敲低 MC-3T3 細(xì)胞中的 GPX4 時(shí)，F(xiàn)er-1 還逆轉(zhuǎn)了 GPX4 誘導(dǎo)的低水平骨變形（圖2 F-I）。這說(shuō)明，F(xiàn)er-1 調(diào)節(jié) MC-3T3 中的鐵死亡并促進(jìn)骨形成。

接下來(lái)，敲低 GPX4，GO 分析顯示，表達(dá)最多的蛋白質(zhì)與“膜的組成部分"和“蛋白質(zhì)結(jié)合"有關(guān)。此外，在對(duì)照組和 GPX4 敲低組之間的比較中，定位于細(xì)胞外空間和細(xì)胞核的蛋白質(zhì)占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction"的存在更為顯著?；贙EGG 通路富集的簇分析顯示，“RNA recognition motif domain" 和 “protein kinase domain pathway" 中的蛋白質(zhì)富集程度更高。

圖2    機(jī)械壓縮力誘導(dǎo)MC-3T3細(xì)胞鐵死亡。

YAP 水平隨壓縮力負(fù)荷而急劇增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反應(yīng)中起重要作用，并隨著壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。然后檢測(cè)細(xì)胞骨架在壓力下的變化，發(fā)現(xiàn)壓縮應(yīng)力誘導(dǎo)細(xì)胞骨架變形和斷裂（圖3 A），作為信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，kit配體隨壓縮力負(fù)荷和 Fer-1 處理的增加而增加。敲低 GPX4 后，YAP 和 β-catenin 不能在壓縮力下被激活（圖3 B-D）。

為了確認(rèn)壓縮力是否可以通過(guò) fer-1 調(diào)節(jié) YAP 通路，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)了單獨(dú)用 fer-1 處理的成骨細(xì)胞和用 fer-1 和壓縮應(yīng)力協(xié)同處理的成骨細(xì)胞。當(dāng)用 Fer-1 處理 MC-3T3 時(shí)，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫熒光分析顯示，F(xiàn)er-1 增加了 YAP 水平，降低了 ACSL 和 β-catenin 水平。因此，可以證實(shí) GPX4-依賴性鐵死亡通過(guò)壓縮力負(fù)荷刺激 YAP 通路，導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)重塑。ROS 測(cè)定也證實(shí)了壓縮力誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡。Fer-1 可以抑制脂質(zhì)過(guò)氧化產(chǎn)生的代謝物引起的細(xì)胞死亡。當(dāng) GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促進(jìn)成骨細(xì)胞存活（圖3 E）。為了研究壓縮力對(duì) GPX4 的影響，過(guò)表達(dá) GPX4 以檢測(cè) YAP 和catenin 基因表達(dá)的變化，發(fā)現(xiàn)其過(guò)表達(dá)增加了成骨細(xì)胞對(duì)壓力側(cè)鐵死亡的抵抗力，而且 YAP 和 catenin 在壓縮力作用下增加（圖3 F-I）。這些結(jié)果表明，在壓縮力作用下 GPX4-依賴性鐵死亡刺激 YAP 通路。

圖3     Fer-1抑制機(jī)械壓力誘導(dǎo)的YAP通路激活。

最后，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在核內(nèi)靶點(diǎn)中，TEAD1 和 TEAD2 水平隨著壓縮力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 處理和壓縮力負(fù)荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均顯著增加。YAP 核蛋白水平也呈現(xiàn)出類似的上升趨勢(shì)。與 MC-3T3 相比，壓縮力抑制了敲低 GPX4 的 MC-3T3 中的 TEAD1 和 TEAD2 水平。同時(shí)，F(xiàn)er-1促進(jìn)了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 細(xì)胞則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。結(jié)果揭示了，F(xiàn)er-1 對(duì) YAP-TEAD 通路的刺激，該通路將信號(hào)從細(xì)胞質(zhì)傳遞到細(xì)胞核，并發(fā)現(xiàn)它對(duì) MC-3T3 中的鐵死亡有潛在影響（圖4 A、B），即 GPX4 在機(jī)械壓縮力作用下通過(guò) YAP-TEAD 信號(hào)通路促進(jìn)鐵死亡。

圖4    壓縮力在MC-3T3鐵死亡中的作用示意圖。

（1）當(dāng)成骨細(xì)胞受到壓縮力負(fù)荷時(shí)，整合素接受機(jī)械信號(hào)傳導(dǎo)至GPX4，隨后YAP細(xì)胞信號(hào)激活，導(dǎo)致細(xì)胞增殖受到抑制。（2）壓縮力協(xié)同fer-1處理后，GPX4被恢復(fù)并被誘導(dǎo)抑制YAP通路，隨后細(xì)胞增殖。

綜上所述，該研究描述了機(jī)械壓縮力誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞鐵死亡的潛在機(jī)制，特別是在與 YAP-TEAD 通路相關(guān)的鐵死亡中。此外，GPX4 在壓縮力誘導(dǎo)的鐵死亡中起著至關(guān)重要的作用。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于了解正畸治療中預(yù)防骨質(zhì)破壞的潛在療法。

參考文獻(xiàn)：Mengjia W, Jun J, Xin Z, Jiahao Z, Jie G. GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway. J Cell Mol Med. 2024 Apr;28(7):e18231. doi: 10.1111/jcmm.18231. PMID: 38494855; PMCID: PMC10945084.

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