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正畸牙齿移动的目的是在成骨细胞和破骨细胞之间达到平衡。它有两种类型，压力侧和张力侧，会导致骨吸收和骨形成。当体外机械应力施加到骨组织时，成骨细胞和破骨细胞受到相应的拉伸力和压缩力，导致骨破坏和铁死亡反应，改变骨小梁排列和密度，进而诱导病理性骨重塑。

铁死亡是一种代谢性死亡类型，其特点是脂质过氧化和铁代谢之间的密切关系，导致骨骼生长。骨骼中的铁积累会随着年龄的增长而增加，并导致骨质流失。研究表明，铁代谢在骨矿化过程中产生显著的毒性，显著增加成骨细胞死亡并降低矿化能力。铁首先在成骨细胞中积累，并通过显著下调其向骨基质的进展来影响其分化。先前的研究报道了铁过载与骨质疏松症之间的关联，短暂的铁过载可能导致骨代谢的完全抑制以及骨形成和吸收的不平衡。因此，当铁含量过高时，铁死亡可能与组织降解有关。

谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）是一种抗氧化酶，已被发现通过耗竭谷胱甘肽来调节铁死亡和抑制细胞死亡。Erastin 等分子化合物抑制磷脂过氧化氢 GPX4 的活性并导致铁死亡。Fer-1 是一种选择性 Erastin 诱导的铁死亡抑制剂，通过阻断胱氨酸转运和谷胱甘肽产生来抑制氧化的铁依赖性癌细胞死亡。

Hippo 通路，如下游同源的转录共激活因子 YAP 和 TAZ，被激活，从而通过调节 ACSL4（酰基辅酶A 合成酶长链家族成员4）刺激癌细胞中的铁死亡。然而，以前的研究主要集中在与骨耗竭相关的分子水平和铁毒性上。一些研究人员认为，铁可以增加骨吸收，一些研究也表明其抑制成骨细胞分化。铁对骨矿化的毒性影响是值得注意的，可导致成骨细胞死亡率显著上升。因此，铁代谢与骨代谢的相互作用更为明显。

最近，山东省口腔组织再生重点实验室、南京大学医学院附属口腔医院口腔正畸科团队的一项研究旨在探索应力诱导的铁死亡如何破坏骨重吸收和骨形成之间的平衡。研究成果发表在  The Journal of Cellular and Molecular Medicine 期刊题为“GPX4-mediated bone ferroptosis under mechanical stress decreased bone formation via the YAP-TEAD signalling pathway”。

首先，HE 和 Masson 染色显示，在成骨细胞压力侧细胞形态收缩，死亡增加。对小鼠前成骨细胞 MC3T3 在体外施加压缩负荷（1 g/cm2），免疫组化染色显示，GPX4 水平急剧下降，但这被铁死亡抑制剂 fer-1 逆转。

在压缩力下，Fer-1 减少成骨细胞铁死亡，Erastin 增加铁死亡。用压缩力处理 MC-3T3 4h 后，GPX4 水平急剧下降，而 ACSL4 水平上升（图1 A、B），压缩力协同 Fer-1 处理后，GPX4 水平上升，ACSL4 水平下降。有趣的是，与对照组相比，MC-3T3 在压缩力负荷 4h 后，在压力侧发生了铁死亡，24h 后发生在张力侧（图1 C、D）。GPX4 和 ACSL4 水平在 4h 压缩负荷下表现出显著变化，而拉伸负荷下无显著差异。拉伸侧施加压缩力负荷 6h 后 GPX4 水平比压力侧低，导致成骨细胞铁死亡（图1 E、F）。这些结果证实了 Erastin 和 Fer-1 在机械压缩力下影响成骨细胞重塑。

图1    压力侧较张力侧较早发生铁死亡。

与对照组相比，压缩力降低了 MC-3T3 中 ACSL 和 GPX4 水平，Fer-1 处理后 GPX4 mRNA 水平升高，ACSL 水平显著下降（图2 B、C）。铁死亡检测表明，MC-3T3 上的压缩力负荷刺激脂质过氧化（图2 A）。这些结果表明，Fer-1 通过压缩力抑制铁死亡。此外，还发现 Fer-1 促进成骨细胞分化。当敲低 MC-3T3 细胞中的 GPX4 时，Fer-1 还逆转了 GPX4 诱导的低水平骨变形（图2 F-I）。这说明，Fer-1 调节 MC-3T3 中的铁死亡并促进骨形成。

接下来，敲低 GPX4，GO 分析显示，表达最多的蛋白质与“膜的组成部分”和“蛋白质结合”有关。此外，在对照组和 GPX4 敲低组之间的比较中，定位于细胞外空间和细胞核的蛋白质占了近三分之一，其中“ECM-receptor interaction”的存在更为显著。基于KEGG 通路富集的簇分析显示，“RNA recognition motif domain” 和 “protein kinase domain pathway” 中的蛋白质富集程度更高。

图2    机械压缩力诱导MC-3T3细胞铁死亡。

YAP 水平随压缩力负荷而急剧增加，而 β-catenin 水平降低。β-catenin 在 ECM-整合素反应中起重要作用，并随着压缩力负荷和 Fer-1 处理的增加而增加。然后检测细胞骨架在压力下的变化，发现压缩应力诱导细胞骨架变形和断裂（图3 A），作为信号转导因子，kit配体随压缩力负荷和 Fer-1 处理的增加而增加。敲低 GPX4 后，YAP 和 β-catenin 不能在压缩力下被激活（图3 B-D）。

为了确认压缩力是否可以通过 fer-1 调节 YAP 通路，实验检测了单独用 fer-1 处理的成骨细胞和用 fer-1 和压缩应力协同处理的成骨细胞。当用 Fer-1 处理 MC-3T3 时，YAP 和 β-catenin 水平升高。免疫荧光分析显示，Fer-1 增加了 YAP 水平，降低了 ACSL 和 β-catenin 水平。因此，可以证实 GPX4-依赖性铁死亡通过压缩力负荷刺激 YAP 通路，导致细胞结构重塑。ROS 测定也证实了压缩力诱导的细胞死亡。Fer-1 可以抑制脂质过氧化产生的代谢物引起的细胞死亡。当 GPX4 被敲低，fer-1 增加 ROS 并促进成骨细胞存活（图3 E）。为了研究压缩力对 GPX4 的影响，过表达 GPX4 以检测 YAP 和catenin 基因表达的变化，发现其过表达增加了成骨细胞对压力侧铁死亡的抵抗力，而且 YAP 和 catenin 在压缩力作用下增加（图3 F-I）。这些结果表明，在压缩力作用下 GPX4-依赖性铁死亡刺激 YAP 通路。

图3     Fer-1抑制机械压力诱导的YAP通路激活。

最后，实验发现在核内靶点中，TEAD1 和 TEAD2 水平随着压缩力刺激的增加而增加。此外，在 GPX4 处理和压缩力负荷下，TEAD1 和 TEAD2 水平均显著增加。YAP 核蛋白水平也呈现出类似的上升趋势。与 MC-3T3 相比，压缩力抑制了敲低 GPX4 的 MC-3T3 中的 TEAD1 和 TEAD2 水平。同时，Fer-1促进了 MC-3T3 中 TEAD1 和 TEAD2 的水平，而慢病毒lv-GPX4 细胞则表现出相反的趋势。结果揭示了，Fer-1 对 YAP-TEAD 通路的刺激，该通路将信号从细胞质传递到细胞核，并发现它对 MC-3T3 中的铁死亡有潜在影响（图4 A、B），即 GPX4 在机械压缩力作用下通过 YAP-TEAD 信号通路促进铁死亡。

图4    压缩力在MC-3T3铁死亡中的作用示意图。

（1）当成骨细胞受到压缩力负荷时，整合素接受机械信号传导至GPX4，随后YAP细胞信号激活，导致细胞增殖受到抑制。（2）压缩力协同fer-1处理后，GPX4被恢复并被诱导抑制YAP通路，随后细胞增殖。

综上所述，该研究描述了机械压缩力诱导的成骨细胞铁死亡的潜在机制，特别是在与 YAP-TEAD 通路相关的铁死亡中。此外，GPX4 在压缩力诱导的铁死亡中起着至关重要的作用。这一发现可能有助于了解正畸治疗中预防骨质破坏的潜在疗法。

参考文献：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.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38494855

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