第五章口腔骨组织生物学

口腔骨组织生物学 掌握 牙槽骨的生物学特征 骨组织细胞成分 骨改建的基本特征及研究口腔骨改建的意义 熟悉 牙周膜的细胞成分特征 力学刺激引起骨改建的基本原理和特征 了解 牙骨质的主要基质成分 骨改建的影响因素 为什么受压侧骨吸收 牵引侧骨形成 牙周组织 Periodontium 牙周膜 Periodontalligament 牙龈 Gingiva 牙骨质 Cement 牙槽骨 Alveolarbone 骨的生物学基础 第一节 骨组织的生物学特征骨组织的细胞成分骨基质成分 骨的分类及构造 一 骨的分类及其构造 成人骨共有206块 依据其形状大小可以分为 长骨 短骨 扁骨和不规则骨四种 依据其在人体中的存在部位可以分为 颅骨 29 躯干骨 含中轴骨 80 躯干 51 四肢骨 含上肢骨 64 和下肢骨 62 骨 是以骨组织为主体构成的器官 是在结缔组织或软骨基础上经过较长时间的发育过程 骨化 形成的 按形状分类的四种骨组织 1 长骨 主要存在于四肢 呈长管状 可分为一体两端 体又叫骨干 其外周部骨质致密 中央为容纳骨髓的骨髓腔 两端较膨大 称为骺 骺的表面有关节软骨附着 形成关节面 与相邻骨的关节面构成运动灵活的关节 以完成较大范围的运动 长骨 按形状分类的四种骨组织 2 短骨 为形状各异的短柱状或立方形骨块 多成群分布于手腕 足的后半部和脊柱等处 短骨能承受较大的压力 常具有多个关节面与相邻的骨形成微动关节 并常辅以坚韧的韧带 构成适于支撑的弹性结构 按形状分类的四种骨组织 3 扁骨 呈板状 主要构成颅腔和胸腔的壁 以保护内部的脏器 扁骨还为肌肉附着提供宽阔的骨面 如肢带骨的肩胛骨和髋骨 按形状分类的四种骨组织 4 不规则骨 形状不规则且功能多样 有些骨内还生有含气的腔洞 叫做含气骨 如构成鼻旁窦的上颌骨和蝶骨等 骨的构造 新鲜的骨由骨膜 骨组织和骨髓构成 密质骨与松质骨的差别 骨组织 细胞 细胞外基质 2 骨组织的细胞成分 骨组织的细胞成分 细胞名称成骨细胞破骨细胞骨衬里细胞骨细胞 细胞分布 骨的表面 骨基质 来源 单核细胞 局部骨组织 局部骨组织 局部骨组织 骨的表面 骨的表面 一 成骨细胞 osteoblast 骨组织的细胞成分 参与骨形成的主要细胞 能够分泌大量的胶原蛋白和非胶原蛋白等骨基质成分 同时启动骨质的钙化 多见于于骨内膜和骨外膜成骨细胞的分化成熟分为四个阶段前成骨细胞 成骨细胞 骨细胞 骨衬里细胞 成骨细胞 前成骨细胞 preosteoblst 成骨细胞 osteoblast 骨细胞 ostocyte 骨衬里细胞 bone liningcell 覆盖在骨表面 不活跃的成骨细胞 多潜能的间充质干细胞 钙化的骨基质陷窝内 成骨细胞的形态 成骨细胞在骨基质沉积活跃的部分呈单层排列 为立方状单核细胞 直径约20 30 m 细胞质嗜碱性 成熟的成骨细胞细胞质内含大量线粒体 高尔基复合体和粗面内质网 其合成蛋白质功能活跃 成骨细胞的功能 成骨细胞合成多种骨基质蛋白胶原 型胶原非胶原蛋白 骨钙素 osteocalcin 骨涎蛋白 bonesialoprotein 骨桥蛋白 osteopontin 蛋白多糖 proteoglycan 激素和生长因子的受体 成熟的成骨细胞可以合成膜结合型碱性磷酸酶参与矿化信号转导 二 骨细胞的特征 骨细胞存在于钙化的骨基质的陷窝内 失去了许多成骨细胞的特点 高尔基体 粗面内质网明显减少 骨细胞通过其细长的细胞质突起与相邻细胞 骨表面的骨衬里细胞以及新骨形成部位骨表面的成骨细胞相连接 毛细管 骨陷窝 三 破骨细胞 osteoclast 破骨细胞是唯一行使骨吸收功能的细胞 破骨细胞的来源 破骨细胞来源于造血系统的单核细胞 与巨噬细胞有共同的前体 在特定条件下融合成多核细胞 破骨细胞的鉴定标准 抗酒石酸酸性磷酸酶染色阳性 TRAP 高表达组织蛋白酶K CTSK 在骨表面形成骨吸收陷窝 破骨细胞的形态 位于骨吸收陷窝内多核巨细胞 其细胞胞体变异很大 直径可达10 100 m 无固定形状 多核 几个 上百个 细胞质嗜酸 超微结构特征皱褶缘 ruffledborder 清晰区 clearzone 破骨细胞有两个与骨吸收功能相关的独特结构 皱褶缘 清晰区 皱褶缘 破骨细胞与骨表面相对部分 高度折叠 膜上有质子泵 行使骨吸收功能的破骨细胞所特有 扩大接触面积 物质交换 吸收陷窝只在正对皱褶缘形成 清晰区 清晰区细胞膜与骨基质通过整合素紧密附着 形成封闭区 封闭区膜上存在整合素 玻连蛋白受体 是破骨细胞附着的分子基础 破骨细胞的功能 骨吸收与成骨细胞相互作用参与造血干细胞的迁移作为免疫细胞参与炎症反应 吸收骨基质 骨表面附着 细胞极性化 形成封闭区 形成骨吸收陷窝 脱离骨面 转移 破骨细胞对矿物质的降解 1 骨基质中的矿物质的存在方式 羟基磷灰石2 在生物环境中 只有低pH状态可以溶解羟基磷灰石3 影响因素 质子泵碳酸脱氢酶 CA 氯离子通道 破骨细胞对骨基质中有机质的降解 主要的两种酶 溶酶体半胱氨酸蛋白酶基质金属蛋白酶 MMPs 另外的降解因子 1 MMP 1 胶原酶 成骨细胞分泌2 游离氧基 加强细胞外基质的降解 参与破骨细胞在骨表面附着的调节1 为破骨细胞的附着提供条件骨代谢调节因子 成骨细胞 1 胞体变圆 从矿化的骨表面移开 2 分泌蛋白酶消化骨表面的类骨质 暴露矿化的骨面 成骨细胞与破骨细胞的相互作用 成骨细胞对破骨细胞的作用 2 提供破骨细胞与骨基质附着的位置合成骨涎蛋白 骨桥蛋等还有Ary Gly Asp氨基酸序列 与玻连蛋白受体结合 成骨细胞与破骨细胞的相互作用 成骨细胞合成破骨细胞骨吸收刺激因子前列腺素E 血小板衍生生长因子 IL 6 成骨细胞参与破骨细胞分化成熟的调节巨噬细胞集落刺激因子 核因子 B受体活化因子配体 诱导破骨细胞前体分化因子 成骨细胞膜上存在诱导破骨细胞前体分化的因子 接触 成骨细胞与破骨细胞之间存在双向信号通路Eph Ephrin 维持骨代谢平衡 破骨细胞皱褶缘上高表达质子泵的一种组成蛋白ATP6V0D2可抑制成骨细胞的骨形成活性 破骨细胞可分泌局部的一些因子刺激成骨细胞的分化 或者改变成骨细胞的胶原合成 破骨细胞对成骨细胞的作用 二 骨基质成分 无机物钙磷胶原占有机成分的90 95 非胶原蛋白骨钙素骨涎蛋白骨桥蛋白骨黏连蛋白生长因子 骨钙素osteocalcin骨基质中最丰富的非胶原蛋白作用 提供钙结合位点参与骨基质矿化或调节晶体增长 临床意义 血清中骨钙素的水平可以作为成骨细胞活性的一个指标 骨涎蛋白bonesialoprotein存在于矿化的骨基质中作用 1 与细胞表面的整合素结合2 与羟基磷灰石和细胞结合3 促进破骨细胞与骨基质中的分子结合 增加破骨细胞的骨吸收能力4 与胶原纤维结合形成局部高浓度的钙 导致矿物质沉积 骨桥蛋白osteopontin在分化的骨细胞和许多软组织中表达作用 1 在骨的矿化 成骨细胞和破骨细胞与骨基质的黏附过程中起作用2 在细胞介导的免疫反应中起关键作用 骨黏连蛋白osteonectin具有与钙和胶原结合的区域作用 推测其参与骨基质矿化的开始过程 生长因子growthfactors成骨细胞分泌种类 骨形成蛋白 转化生长因子 集落刺激因子 1颗粒细胞集落刺激因子碱性成纤维细胞生长因子 bFGF 胰岛素样生长因子 生长因子的作用 作用方式1 以自分泌或旁分泌的方式2 结合进骨基质以后作用时间 破骨细胞进行骨吸收时作用 调节成骨与破骨的活动 骨形成蛋白BMPbonemorphogeneticprotein表达在骨细胞和很多软组织中作用 1 BMP 1参与胶原纤维的形成2 BMP 2 3 4 6 7诱导骨生成3 BMP 2成骨细胞的化学趋化剂4 BMP 7与IGF 1协同作用刺激骨细胞的增值与分化 骨形成蛋白的临床应用 1 应用BMP 2和BMP 7的骨诱导作用可加速骨折的愈合2 BMP 2可以加强成骨细胞中IL 6和TGF 的表达 三 研究骨组织生物学的意义 牙周病 颜面骨组织缺损 牙列缺失和缺损 即刻及延期种植 口腔正畸 颞下颌关节以及根尖病变 口腔骨组织及相关组织的生物学特性 第二节 一 牙槽骨 一 牙槽骨的结构 固有牙槽骨 密质骨 松质骨 alveolarboneproper corticalbone spongebone 牙槽骨是颌骨包围牙根的突起部分 又称为牙槽突 固有牙槽骨 筛状板 固有牙槽骨是牙槽窝的内壁 又称筛状板 围绕于牙根周围 与牙周膜相邻 密质骨位于牙槽骨的外层 和固有牙槽骨一样是致密骨 骨的外表面是平行骨板 深部是哈弗系统 松质骨介于固有牙槽骨和密质骨之间 由骨小梁和骨髓构成 二 牙槽骨的生物特征 成分 无机成分70 有机成分22 水8 羟基磷灰石 I型胶原95 蛋白糖原 非胶原蛋白 形态 致密骨 松质骨 固有牙槽骨 密质骨 胚胎发育上看属于扁骨 是膜内化骨高度可塑性变化活跃 与牙的发育和萌出 乳牙替换 恒牙移动和咀嚼功能均有关系牙萌出和移动的过程中 受压力侧的牙槽骨发生吸收 受牵张侧的牙槽骨骨质增生不同部位的牙槽骨其结构不尽相同 二 牙周膜 牙周膜 牙周韧带 由致密结缔组织所构成 多纤维排列成束 纤维的一端埋于牙骨质内 另一端则埋于牙槽窝骨壁里 使牙齿固定于牙槽窝内 基本结构牙周膜是纤维性结缔组织 由细胞 纤维及基质组成 在牙周膜内分布着血管 淋巴 神经及上皮剩余基质成分胶原I型胶原80 粘蛋白糖蛋白 主要细胞成分成纤维细胞是牙周膜中主要细胞 位于纤维与基质之间 分泌胶原 合成基质未分化干细胞 具有分化成为骨细胞 成牙骨质细胞和成纤维细胞的能力干细胞牙齿修复 牙周膜再生 牙周膜的功能 支持功能 supportivefunction 改建功能 remodelingfunction 感觉功能 sensoryfunction 营养功能 nutritivefunction 三 牙骨质 无机成分45 55 钙和磷 羟基磷灰石有机成分22 胶原 型胶原 95 非胶原蛋白牙骨质附着蛋白 cementum derivedattachmentprotein CAP 牙骨质来源生长因子 cementum derivedgrowthfactor CGF 无定型基质 牙骨质是覆盖于牙根表面的薄层矿化组织 位于牙根部牙本质表面 牙骨质的生物学特征 在生理情况下 牙骨质不像骨组织可以不断地改建和重塑 只有新生 不被吸收 只有在病理情况下才会发生吸收 口腔骨组织改建 第三节 一 骨组织改建的生物学特征 终身改建处于骨吸收和新骨形成的动态过程骨改建对于维持正常骨的形状 骨折后修复 维持正常的生理活动都十分重要 正常生理改建病理性改建 二 骨改建的影响因素 花生四烯酸代谢产物前列腺素 第二信号系统骨改建的调节因子 一 花生四烯酸代谢产物 前列腺素1 与骨吸收的关系 1 促进破骨细胞的产生和骨组织改建 2 介导其他细胞激肽 生长因子引起骨吸收 如IL 12 与骨形成的关系低浓度促进成骨细胞DNA合成和细胞复制 高浓度抑制细胞分化 一 花生四烯酸代谢产物 前列腺素3 影响前列腺素产生的因素 1 激素 生长因子和细胞激肽 2 前列腺素的自身放大作用 3 机械力 细胞信号分子包括 短肽 蛋白质 气体分子 NO CO 以及氨基酸 核苷酸 脂类和胆固醇衍生物等等 其共同特点是 特异性 只能与特定的受体结合 高效性 几个分子即可发生明显的生物学效应 这一特性有赖于细胞的信号逐级放大系统 可被灭活 完成信息传递后可被降解或修饰而失去活性 保证信息传递的完整性和细胞免于疲劳 二 第二信号系统在骨改建中的作用 脂溶性信号分子 如甾类激素和甲状腺素 可直接穿膜进入靶细胞 与胞内受体结合形成激素 受体复合物 调节基因表达 水溶性信号分子 如神经递质 细胞因子和水溶性激素 不能穿过靶细胞膜 只能与膜受体结合 经信号转换机制 通过胞内信使 如cAMP 或激活膜受体的激酶活性 如受体酪氨酸激酶 引起细胞的应答反应 所以这类信号分子又称为第一信使 primarymessenger 而cAMP这样的胞内信号分子被称为第二信使 secondarymessenger 目前公认的第二信使有cAMP cGMP 三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 DG Ca2 第二信使的作用 转换和放大的作用 cAMP和IP3均属于G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路 激素 G蛋白耦联受体 G蛋白 腺苷酸环化酶 cAMP 依赖cAMP的蛋白激酶A 基因调控蛋白 基因转录 cAMP传导途径 IP3传导途径 胞外信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合 激活质膜上的磷脂酶C PLC 使质膜上4 5 二磷酸磷脂酰肌醇 PIP2 水解成1 4 5 三磷酸肌醇 IP3 和二酰基甘油 DG 两个第二信使 胞外信号转换为胞内信号 三 骨改建影响因素概论 全身因素 systemicfactors 局部因素 localfactors 其他因素 全身因素 钙调节激素 甲状旁腺素 Parathormone PTH 1 25 OH 2维生素D3 activevitaminD3 降钙素 Calcitonin CT 性激素 雌激素 Estrogen 睾丸激素 Testosterone 其他 生长激素 growthhormone 甲状腺激素 Thyroidhormone 皮质醇激素 Cortisol 局部因素 生长因子 Growthfactors 白细胞介素Interleukins IL 肿瘤坏死因子 Tumournecrosisactors 干扰素 Interferons 集落刺激因子 Colonystimulatingfactors 其他 生长因子 胰岛素样生长因子Insulin likegrowthfactors IGF I II 转化生长因子 家族Transforminggrowthfactors TGF s1 3 成纤维细胞生长因子Fibroblastgrowthfactorsacidicandbasic aFGF bFGF 血小板衍生的生长因子Plateletderivedgrowthfactor PDGF 骨形成蛋白BonemorphogeneticproteinsBMPs1 7 白细胞介素 IL 1 IL 3 MultiCSF IL 4 IL 6 IL 8 肿瘤坏死因子 TNF TNF IFN 干扰素 集落刺激因子 GM 粒细胞 巨噬细胞 CSF M 巨噬细胞 CSF 前列腺素Prostaglandins 甲状旁腺激素相关肽Parathyroidhormonerelatedpeptide PTH RP 降钙素相关肽Calcitoningenerelatedpeptide CGRP 其他 局部 其他 电刺激Electricalstimulus 环境因素Environmental 温度 氧水平 酸碱平衡 局部应力Localstresses 1 25 OH 2维生素D3 1 25 OH 2维生素D3总的调节效果是使血钙 血磷增高 对骨亦有溶骨和成骨的双重作用 作用与PTH 甲状旁腺激素 相反 其作用是抑制破骨作用 抑制钙 磷的重吸收 降低血钙和血磷 降钙素CT 雌激素 对成骨细胞和破骨细胞均有作用 抑制骨盐溶解 促进成骨 睾丸激素 对骨形成直接的促进作用 并且通过促进肌肉生长间接促进骨形成 可在脂肪细胞里转化为雌激素 胰岛素样生长因子IGF 促进成骨细胞增值 通过成骨细胞介导 促进单核的破骨细胞前体分化 促进成熟破骨细胞骨吸收 转化生长因子 家族 作用比较复杂 多变 促进成骨细胞增值 分化 抑制IL 1和维生素D3诱导的骨吸收和破骨细胞的成熟分化 成纤维细胞生长因子FGF 促进间充质细胞 前成骨细胞增值 促破骨细胞分化与PGE有关 血小板衍生的生长因子 可以增加间充质细胞IGF的合成 促进成熟破骨细胞骨吸收 骨形成蛋白 目前已知的唯一可以独立在体内异位成骨的生长因子 肿瘤坏死因子TNF 促进破骨细胞前体向破骨细胞转化 通过成骨细胞的介导 具有明显的促进骨吸收的作用 干扰素 可抑制前破骨细胞的增生 分化 从而抑制破骨细胞性骨吸收 是一种多功能的细胞因子 IL IL 1是骨吸收的有效的强力刺激因子 它可以刺激成骨细胞产生PGE2 介导骨吸收 还可刺激成纤维细胞与吞噬细胞产生胶原酶 活化破骨细胞而促进骨吸收 IL 2可以通过刺激破骨细胞分泌促进骨吸收 IL 6为多功能的细胞因子 是介导破骨细胞性骨吸收的中心因子 具有显著促进骨吸收的作用 集落刺激因子 M CSF是破骨细胞分化过程中不可缺少的因子 前列腺素PGE 通过增加cAMP含量促骨吸收 几乎所有促进或抑制骨吸收的细胞因子均影响PGE的合成 对成骨细