生長分化因子15（GDF15）屬于轉化生長因子（TGFB）超家族，與肥胖、癌癥和心血管疾病等多種疾病以及衰老密切相關。GDF15有助于調節細胞分化和炎癥，也被證明參與細胞修復和細胞死亡的調節。最近證明，GDF15由人牙周韌帶成纖維細胞（HPdLF）以力依賴性方式表達和分泌。

PdL成纖維細胞，作為牙周韌帶的主要細胞類型，它們在維持牙周健康和功能方面起著重要作用。PdLF位于牙根和牙槽骨之間，調節力和致病誘導的各種關鍵炎癥分子的局部合成和釋放，如前列腺素E2（PGE2）、各種白細胞介素（IL1、IL6和IL8）以及 TNFα。

牙周炎癥是一種復雜的傳染性口腔疾病，其特征在于細菌誘導的對牙齒支撐組織的炎癥性破壞。牙齦卟啉單胞菌（P. gingivalis）是牙周病中被認為致病性的細菌之一，由于其逃避免疫反應的能力，已被廣泛研究。雖然牙齦卟啉單胞菌及其脂多糖（LPS）都不能單獨引起牙周炎，但牙齦卟啉單胞菌 LPS的體外培養已被證明可以刺激促炎細胞因子的產生，因此用于模擬牙周炎引起的疾病。

對包括 P. gingivalis 在內的多微生物感染小鼠進行的研究表明，PdL組織中Gdf15的表達增加。然而，GDF15是否有助于調節PdL成纖維細胞對 P. gingivalis 炎癥的反應仍然未知。此外，目前還沒有研究調查GDF15在力刺激的HPdLF增強炎癥反應中的作用，這種炎癥反應通常發生在P. Gingivalis -LPS并發感染中。因此，德國耶拿大學附屬醫院口腔正畸科課題組的一項研究的目的是（1）研究GDF15在體外HPdLF對P. Gingivalis -LPS的炎癥反應中的作用，以及（2）揭示當這些細胞額外加載壓縮力時GDF15的依賴性變化。

GDF15參與P. gingivalis LPS的炎癥反應

P. gingivalis-LPS誘導HPdLF出現強烈的促炎反應。在LPS刺激的HPdLF 的六小時內檢測到GDF15的表達增加（圖1 a）。為了闡明GDF15在HPdLF對致病刺激的反應中的作用，實驗進行了siRNA-誘導的GDF15敲低（圖1 b）。GDF15缺乏沒有改變單核細胞的激活，如THP1粘附測定所示（圖1 c、d）。然而，與對照siRNA處理的HPdLF相比，GDF15缺失細胞中，由于LPS處理引起的貼壁THP1細胞的增加顯著降低，表明GDF15在對致病刺激的炎癥反應中具有重要作用。

為了進一步分析對THP1激活很重要的炎癥信號傳導介質的GDF15依賴性變化，實驗分別對處理過的HPdLF中的IL6、IL8、COX和TNFα進行了qPCR（圖1 f）。LPS刺激誘導了對照siRNA處理的HPdLF中所有細胞因子的上調表達，在GDF15敲低時顯著降低。值得注意的是，GDF15缺失細胞在未受到LPS刺激時也顯示出IL6、IL8和TNFα的表達減少。然而，轉錄本分析表明，GDF15在HPdLF的致病性反應中具有促炎作用。為了驗證RNA數據，分別分析了受刺激細胞上清液中的細胞因子分泌（圖1 i-l）。盡管 PGE2 和 TNFα 分泌保持不變，但 LPS 刺激導致對照組以及 GDF15 siRNA 處理的 HPdLF 中IL6 和 IL8 水平升高。雖然沒有檢測到IL8分泌中的GDF15依賴性變化，但與相應的對照組相比，GDF15缺失的HPdLF中IL6的增加顯著降低。這些數據表明，GDF15在HPdLF對致病刺激的反應中具有促炎作用，這似乎取決于IL6信號傳導。

圖1   GDF15促進HPdLF對脂多糖P. gingivalis的炎癥反應。

GDF15促進HPdLF對壓縮力的炎癥反應

正畸治療期間發生的壓縮力不僅誘導促炎細胞因子的釋放，還誘導GDF15的釋放。除TNFα外，六小時的機械壓縮（2 g/cm2）導致所有細胞因子的表達水平增加（圖2 a-d ）。與對照siRNA處理的細胞相比，GDF15缺失的HPdLF顯示出IL6、IL8和COX2的上調顯著降低（圖2 a-c）。應該提到的是，與受壓縮力刺激的siRNA處理的細胞相比，機械應激HPdLF中的GDF15敲低也導致TNFα水平降低（圖2 d）。RNA表達數據強調了GDF15在HPdLF對壓縮應激的反應中的促炎作用。六小時的壓縮力觸發了對照siRNA處理的細胞中IL6和PGE2的分泌增加，但IL8和TNFa的分泌不變（圖2 e-h），在受壓縮力刺激的 GDF15 缺失型 HPdLF 中，這些細胞因子的水平顯著降低（圖2 e-h）。此外，THP1測定證實了GDF15的促炎功能，因為基因敲低導致貼壁THP1細胞數量減少（圖2 i、j）。GDF15似乎促進PdL細胞對壓縮刺激的促炎反應。

圖2   HPdLF對機械和細菌刺激的促炎反應部分由GDF15調節。

額外暴露于細菌刺激物增強了機械應力刺激的HPdLF的炎癥反應，即使在GDF15缺乏的情況下

由于GDF15似乎參與調節對致病性和機械刺激（2 g/cm2）的炎癥反應，因此對它在同時暴露中的作用進行了研究。雖然COX2表達不受影響，但與未用LPS刺激的壓縮對照組相比，同時暴露于致病性和機械刺激導致對照siRNA處理的HPdLF中IL6、IL8和TNFα更高的表達水平（圖2 a–d）。當比較受到機械和細菌刺激的GDF15缺失的HPdLF與那些沒有用LPS額外刺激的HPdLF時，雙重刺激導致分析的所有細胞因子的表達增加。然而，除IL8外，表達水平仍低于siRNA處理的HPdLF（圖2 a-d）。值得注意的是，與各自的LPS刺激細胞相比，在同時刺激的對照中檢測到IL6和COX2的過度表達，而在GDF15缺失的HPdLF中僅上調COX2水平（圖2 a-d）。

對細胞因子分泌的分析證實，與未受LPS刺激的細胞相比，對照siRNA和GDF15 siRNA處理的HPdLF同時暴露于機械和致病刺激的IL6和IL8水平增加，而PGE2水平不受影響（圖2 e-g）。然而，盡管IL8分泌相對較高，但HPdLF中的IL6水平較低，GDF15表達減少（圖2 e、f）。此外，與對照組相反，GDF15缺失型HPdLF除了機械壓迫，在用P. gingivalis LPS刺激時，TNFα分泌輕微增加（圖2 h）。與LPS刺激的HPdLF相比，對照siRNA處理的HPdLF顯示，由于IL6、PGE2和TNFα的同時刺激，細胞因子分泌進一步增加，而GDF15缺失的細胞僅顯示TNFα分泌的上調（圖2 e-h）。

為了了解細胞因子分泌的這些變化在多大程度上影響了THP1細胞的粘附，實驗進行了相應的測定（圖2 i、j）。對照siRNA和GDF15 siRNA處理的HPdLF均顯示THP1細胞的粘附增加，表明當細胞除機械壓縮（7.13 g/cm2）外，還用 P. gingivalis LPS刺激細胞時，存在過度的炎癥反應。然而，在GDF15缺失下，貼壁的 THP1 細胞數量僅輕微減少（圖2 i、j），表明在機械刺激和致病刺激的雙重刺激中，除GDF15外的其他關鍵因素在HPdLF的炎癥反應中起調節作用。盡管LPS誘導的粘附THP1細胞增加導致了顯著不同倍數變化，對照siRNA處理的HPdLF為7.73 ± 1.54，GDF15缺失HPdLF中為3.76 ± 0.86，但額外的機械刺激顯示，可比較的倍數變化為對照組為2.07 ± 0.18，而GDF15缺失細胞為2.76 ± 0.58。

綜上所述，數據表明，GDF15 在 HPdLF對P. gingivalis LPS和機械壓縮的促炎反應中非常重要。然而，在同時暴露于這兩種刺激的情況下，其他機制和調節器似乎獨立于GDF15起作用。

總之，該研究是對進一步了解GDF15的調節能力的一個重要貢獻，但目前GDF15的調節作用仍然知之甚少。因此，通過調節關鍵細胞因子的表達和分泌以及單核細胞的活化，證明了GDF15在人牙周韌帶成纖維細胞對致病性和機械刺激的反應中的促炎作用。然而，研究數據基于體外方法，應該在體內驗證。因此，為了更全面地理解和可能擴展與病理條件下有效的正畸牙齒運動相關的診斷和治療治療方案，對GDF15信號傳導和功能的進一步研究至關重要。

參考文獻：Stemmler A, Symmank J, Steinmetz J, von Brandenstein K, Hennig CL, Jacobs C. GDF15 Supports the Inflammatory Response of PdL Fibroblasts Stimulated by P. gingivalis LPS and Concurrent Compression. Int J Mol Sci. 2021 Dec 19;22(24):13608. doi: 10.3390/ijms222413608. PMID: 34948405; PMCID: PMC8708878.

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