活性酸素による歯肉線維芽細胞の老化：歯周病における炎症反応の増悪における意義

ROS-Induced Gingival Fibroblast Senescence: Implications in Exacerbating Inflammatory Responses in Periodontal Disease.

抄録

歯周病は、歯周組織における圧倒的な炎症の病理学的結果である。細胞老化はいくつかの疾患における慢性炎症と関連している。しかし、歯周病発症における細胞老化の役割は不明であった。本研究では、歯周病における細胞老化の役割とそのメカニズムを明らかにすることを目的とした。まず、シングルセルRNAシークエンシングを用いて、炎症を起こした歯肉組織から採取した線維芽細胞と内皮細胞において、細胞老化のレベルが上昇していることを見いだした。その後、健康な歯肉組織と炎症を起こした歯肉組織から単離したヒト歯肉線維芽細胞を、それぞれH-GFとI-GFとラベルした。H-GFと比較して、I-GFは、老化関連β-ガラクトシダーゼ（SA-β-gal）陽性細胞の割合の増加、細胞形態の肥大化、p16発現の有意な上昇など、明瞭な細胞老化表現型を示した。さらに、I-GFの細胞内活性酸素種（ROS）活性、ミトコンドリアROS、DNA損傷の増加が観察された。これらの表現型は活性酸素消去剤であるNACによって回復し、I-GFにおける細胞老化の原因が示唆された。遊走および増殖アッセイでは、I-GFの活性が低下する一方、IL-1β、IL-6、TGF-β、IL-8などの老化関連分泌表現型（SASP）因子の遺伝子発現はいずれも有意に増加した。最後に、I-GF培養の上清は好中球細胞外トラップ（NET）形成をより誘導し、CD86陽性M1炎症性表現型へのマクロファージ分極化を促進することがわかった。以上の結果から、炎症を起こした歯肉では、ヒト歯肉線維芽細胞が酸化ストレスによるDNAおよびミトコンドリア損傷によって老化表現型を獲得し、SASP因子の分泌を介して好中球やマクロファージを活性化することが示唆された。

Periodontal disease is the pathological outcome of the overwhelming inflammation in periodontal tissue. Cellular senescence has been associated with chronic inflammation in several diseases. However, the role of cellular senescence in the pathogenesis of periodontal disease remained unclear. This study aimed to investigate the role and the mechanism of cellular senescence in periodontal disease. Using single-cell RNA sequencing, we first found the upregulated level of cellular senescence in fibroblasts and endothelial cells from inflamed gingival tissue. Subsequently, human gingival fibroblasts isolated from healthy and inflamed gingival tissues were labeled as H-GFs and I-GFs, respectively. Compared to H-GFs, I-GFs exhibited a distinct cellular senescence phenotype, including an increased proportion of senescence-associated β-galactosidase (SA-β-gal) positive cells, enlarged cell morphology, and significant upregulation of p16 expression. We further observed increased cellular reactive oxygen species (ROS) activity, mitochondrial ROS, and DNA damage of I-GFs. These phenotypes could be reversed by ROS scavenger NAC, which suggested the cause of cellular senescence in I-GFs. The migration and proliferation assay showed the decreased activity of I-GFs while the gene expression of senescence-associated secretory phenotype (SASP) factors such as IL-1β, IL-6, TGF-β, and IL-8 was all significantly increased. Finally, we found that supernatants of I-GF culture induced more neutrophil extracellular trap (NET) formation and drove macrophage polarization toward the CD86-positive M1 pro-inflammatory phenotype. Altogether, our findings implicate that, in the inflamed gingiva, human gingival fibroblasts acquire a senescent phenotype due to oxidative stress-induced DNA and mitochondrial damage, which in turn activate neutrophils and macrophages through the secretion of SASP factors.