低強(qiáng)度脈沖超聲波在牙周治療領(lǐng)域的研究進(jìn)展

李 暉 綜述;楊永進(jìn)，呂曉寧 審校

(1.遼寧醫(yī)學(xué)院研究生學(xué)院，遼寧錦州121001;2.北京第二炮兵總醫(yī)院，北京100088)

牙周炎是由牙菌斑中的微生物所引起的牙周支持組織的慢性感染性疾病，導(dǎo)致牙周支持組織的炎癥和破壞，如牙周袋形成、進(jìn)行性附著喪失和牙槽骨吸收，最后可導(dǎo)致牙松動(dòng)和被拔除，是我國(guó)成年人喪失牙齒的首位原因［1］。牙周炎的基礎(chǔ)治療包括潔治、齦下刮治、根面平整等，其與藥物配合雖可明顯控制疾病的進(jìn)展，但不能促進(jìn)病變區(qū)的牙周組織再生。低強(qiáng)度脈沖超聲波(Low－intensity pulsed ultrasound，LIPUS)是一種使用頻率和劑量較低的超聲波，強(qiáng)度在100 mW/cm2以下，其傳遞給組織的能量一般小于3 mg/cm2，相對(duì)產(chǎn)熱較弱且對(duì)組織無(wú)侵入性［2－3］。美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)于1994年和2000年先后批準(zhǔn)低強(qiáng)度脈沖超聲波可作為一種安全、無(wú)創(chuàng)的方法用于促進(jìn)新鮮骨折愈合和治療骨不連。國(guó)內(nèi)外已有大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床研究表明:LIPUS在關(guān)節(jié)軟骨再生、軟組織修復(fù)、抗感染和炎癥、腫瘤的治療、神經(jīng)的再生、血管的溶栓和再造等多個(gè)方面有較顯著的輔助效應(yīng)。目前，LIPUS也是牙周治療領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，本文就LIPUS促進(jìn)牙周組織修復(fù)和再生作用的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 正常牙周支持組織的結(jié)構(gòu)

牙周組織(periodontal tissues，periodontium)由牙齦、牙周膜、牙槽骨和牙骨質(zhì)組成。牙骨質(zhì)雖然屬于牙體組織，但它和牙周膜、牙槽骨一樣，都是由牙發(fā)育期牙囊中分化的細(xì)胞生成，且與牙齦、牙周膜和牙槽骨共同構(gòu)成了一個(gè)功能系統(tǒng)。該系統(tǒng)將牙牢固地附著于牙槽骨，同時(shí)使口腔黏膜與牙體硬組織間呈一良好的封閉狀態(tài)。故習(xí)慣上將上述4種組織合稱為牙周支持組織(periodontal supportive tissues)或牙附著裝置(attachment apparatus of the tooth)［4］。

2 LIPUS促進(jìn)牙周組織修復(fù)和再生的研究探索

2.1 在體實(shí)驗(yàn)

牙槽骨的新生是牙周支持組織修復(fù)的關(guān)鍵，根據(jù)理論上LIPUS具有促進(jìn)骨組織成熟和改建的生物學(xué)效應(yīng)，可以推及研究其對(duì)牙槽骨缺損修復(fù)的作用。Ikai等［5］(2008)首次將其引入牙周治療領(lǐng)域，通過建立Beagle犬前磨牙急性牙周骨缺損模型，并在牙周翻瓣術(shù)后給予 LIPUS(30 mW/cm2，1.5 MHz，200 μs，1 kHz)處理，4 周后觀察發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)側(cè)牙骨質(zhì)和牙槽骨新生量明顯增加，提示LIPUS對(duì)牙周組織修復(fù)和再生有促進(jìn)作用。吳鵬等［6］(2010)利用LIPUS輻照Beagle犬下頜前磨牙水平型牙槽骨缺損模型，通過檢測(cè)新生牙槽骨骨密度和脫鈣骨組織切片觀察新生牙槽骨的組織學(xué)效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)LIPUS輻照對(duì)急性水平型牙槽骨缺損具有潛在的修復(fù)效應(yīng)。何平等［7］(2011)在5只Beagle犬雙側(cè)下頜第四前磨牙頰側(cè)區(qū)建立Ⅱ度根分叉病變模型后，用 LIPUS(90 mW/cm2，1.5 MHz，200 μs，1kHz)處理(20 min/d)，6周后觀察發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)側(cè)新生牙槽骨中膠原的成熟度較對(duì)照組側(cè)高，說明LIPUS可促進(jìn)根分叉病變區(qū)新生牙槽骨膠原的成熟和改建，初步判斷其具有促根分叉病變組織修復(fù)的可能性，亦為深入探討LIPUS促進(jìn)非手術(shù)治療Ⅱ度根分叉病變組織修復(fù)提供了參考。此后，鄭鴻等［8］在Beagle犬尖牙頰側(cè)根中1/3區(qū)建立牙周骨開窗缺損模型，用以探討LIPUS聯(lián)合引導(dǎo)組織再生術(shù)(guided tissue regeneration，GTR)對(duì)其的修復(fù)效應(yīng)，結(jié)果顯示:LIPUS具有促進(jìn)牙周骨缺損修復(fù)的潛能，LIPUS與GTR聯(lián)合更利于牙周組織缺損的修復(fù)。此與薛慧等［9］對(duì)安放正畸裝置的大鼠進(jìn)行LIPUS刺激后取標(biāo)本觀察所得出結(jié)論一致，即局部LIPUS刺激可促進(jìn)牙槽骨改建過程中BMP－2的表達(dá)。以上實(shí)驗(yàn)探索不僅肯定了低強(qiáng)度脈沖超聲波在牙槽骨缺損修復(fù)中的直接作用，同時(shí)還說明其在牙周炎手術(shù)和非手術(shù)治療過程中對(duì)牙周組織再生和重建的輔助效應(yīng)。

2.2 離體研究

關(guān)于低強(qiáng)度脈沖超聲波在牙周組織修復(fù)和再生中作用的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的最終目的是為了探索其對(duì)于人牙周組織修復(fù)的效應(yīng)。牙周組織修復(fù)和再生不僅僅局限于骨質(zhì)的再生，還要更深入的研究如何促進(jìn)牙周膜細(xì)胞成骨分化和牙周組織中其他細(xì)胞成分的增殖。Reher等［10］(1998)以 1MHz，占空比20%的45 kHz連續(xù)波超聲分別作用于體外培養(yǎng)的人牙齦成纖維細(xì)胞、成骨細(xì)胞、單核細(xì)胞后，測(cè)定了各細(xì)胞增殖、膠原和非膠原蛋白的合成以及細(xì)胞因子的產(chǎn)生情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn):此類超聲可促進(jìn)離體細(xì)胞的增殖、膠原的產(chǎn)生以及骨和血管的生成，且與對(duì)照組(1 MHz、1∶4脈沖超聲處理)相比，低頻超聲作用下，成骨細(xì)胞膠原和非膠原合成較高頻超聲高。Inubushi等［11］(2008)通過觀察超聲對(duì)成牙骨質(zhì)細(xì)胞增殖和分化的影響，發(fā)現(xiàn)LIPUS可增強(qiáng)人牙骨質(zhì)細(xì)胞堿性磷酸酶活性以及Ⅰ型膠原合成。此前，Ishikawa等［12］實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，堿性磷酸酶誘導(dǎo)下合成Ⅰ型膠原是牙周膜細(xì)胞中成骨細(xì)胞和成牙骨質(zhì)細(xì)胞分化的第一步，從而為L(zhǎng)IPUS可促進(jìn)未分化成牙骨質(zhì)細(xì)胞分化提供了證據(jù)，并證明了其理論上具有促牙周組織修復(fù)的潛能。楊尊等［13］(2011)體外培養(yǎng)人牙周膜細(xì)胞(human periodontal ligamentcells，H －PDLCs)，用 LIPUS(90 mW/cm2，20 min/d)連續(xù)處理1周，于處理后1、3、5、7 d 收集標(biāo)本觀察 BMP－2 表達(dá)情況，結(jié)果顯示:LIPUS可有效誘導(dǎo)H－PDLCs的BMP－2基因表達(dá)，且隨時(shí)間變化呈一定規(guī)律性。BMP－2是誘導(dǎo)細(xì)胞成骨分化的重要生長(zhǎng)因子，可提高牙周膜細(xì)胞堿性磷酸酶的活性［14］，從而促進(jìn)牙周膜細(xì)胞分泌膠原以及分化成骨的能力［12］。

3 LIPUS促進(jìn)牙周組織修復(fù)和再生的作用機(jī)制

3.1 LIPUS的機(jī)械作用

LIPUS作用于機(jī)體組織產(chǎn)生聲壓波，超聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)細(xì)胞的機(jī)械作用并給予功能上的負(fù)荷。一方面根據(jù)Wolf定律確立的機(jī)械應(yīng)力環(huán)境、骨骼形態(tài)和結(jié)構(gòu)的關(guān)系(即機(jī)械環(huán)境可通過骨塑形影響骨結(jié)構(gòu)形態(tài)，塑形適應(yīng)骨所承受應(yīng)力的大小和方向)，LIPUS對(duì)牙槽骨產(chǎn)生的機(jī)械振蕩作用，能促進(jìn)其組織排列和改建;另一方面LIPUS產(chǎn)生的細(xì)微機(jī)械按摩作用引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的變化，從而改變離子通道的通透性，使第二信使活性提高，腺苷酸環(huán)化酶活性增加，進(jìn)而刺激軟骨和骨特異性基因的表達(dá)上調(diào)，主要是促進(jìn)轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(transforming grouth factor－β，TGF－β)和蛋白多糖的合成［15－16］。Oates［17］和 Dennison 等［18］的研究表明:人TGF－β對(duì)人牙周膜細(xì)胞有促進(jìn)增殖的作用;TGF－β可刺激牙周膜細(xì)胞蛋白合成，主要是細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原成分合成增多，并通過抑制膠原酶的合成減少基質(zhì)成分的分解，同時(shí)增加72 kD明膠酶和Ⅳ型膠原酶(MMP－2)的mRNA轉(zhuǎn)錄及其穩(wěn)定性，促進(jìn)MMP－2的分泌，間接促進(jìn)基質(zhì)成熟。Millhot等［19］發(fā)現(xiàn):TGF－β對(duì)牙周膜細(xì)胞RNA和蛋白合成的促進(jìn)作用都強(qiáng)于牙齦成纖維細(xì)胞，這一結(jié)果為TGF－β用于GTR技術(shù)提供了依據(jù)，更說明了LIPUS對(duì)于GTR術(shù)后牙周組織修復(fù)再生的輔助效應(yīng)。

3.2 LIPUS對(duì)血管的作用

LIPUS可擴(kuò)張組織局部毛細(xì)血管，并通過溫?zé)嵝?yīng)和產(chǎn)生聲壓梯度以及增加血管生成相關(guān)細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素(interleukin，IL)－8、堿性成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等［20］的合成，促進(jìn)新血管生成，增加血流，使無(wú)功能性毛細(xì)血管與其吻合開支，加速血液循環(huán)，加強(qiáng)了生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子等骨組織愈合必需成分的運(yùn)輸，促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝廢物排除［21］。以上這些影響均對(duì)牙周軟硬組織的再生和修復(fù)具有很大的促進(jìn)作用。此外還有研究表明:LIPUS可使血小板衍生因子(PDGF)分泌增加［22］，而PDGF可以誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化成熟，誘導(dǎo)其合成膠原纖維，進(jìn)而促進(jìn)牙槽骨的修復(fù)再生。

3.3 LIPUS的溫?zé)嵝?yīng)

LIPUS作用于機(jī)體時(shí)，組織對(duì)超聲波的吸收可產(chǎn)生熱能，但不會(huì)對(duì)缺損區(qū)周圍組織造成損傷，而且盡管熱效很小(＜1℃)，但有些酶(如膠原酶)對(duì)溫度變化非常敏感，因此，LIPUS還可以通過其溫?zé)嵝?yīng)增加酶活性來促進(jìn)組織細(xì)胞的代謝活動(dòng)［23］，使牙周組織缺損修復(fù)過程加快。

另外，LIPUS還能抑制炎性介質(zhì)的產(chǎn)生，炎性介質(zhì)(如PGE2等)的基因在低強(qiáng)度超聲波刺激下表達(dá)下降［24］，但其原因尚待研究。

4 LIPUS用于促進(jìn)牙周組織修復(fù)和再生的方法和實(shí)驗(yàn)參數(shù)

各動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究處理方法基本相近，處理時(shí)將LIPUS治療儀探頭涂以醫(yī)用超聲波耦合劑接觸處理區(qū)，保持探頭穩(wěn)定。

Ikai等［5］首次將LIPUS應(yīng)用于牙周治療領(lǐng)域時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中采用的工作參數(shù)是:強(qiáng)度30 mW/cm2，頻率 1.5 MHz，調(diào)制信號(hào) 200 μs，重復(fù)率1 kHz，處理時(shí)長(zhǎng)20 min/d，可使牙骨質(zhì)和牙槽骨的新生量增加。吳鵬等［6］所用工作參數(shù)參照Ikai等的設(shè)定，得出結(jié)論與Ikai等的一致。何平等［7］給予根分叉病變解剖結(jié)構(gòu)較深以及能量衰減的考慮，先期選用較高強(qiáng)度的90 mW/cm2LIPUS進(jìn)行處理，其余參數(shù)不變，未見局部處理區(qū)灼傷，且得出結(jié)論LIPUS可促進(jìn)Ⅱ度根分叉病變組織中新生牙槽骨膠原成熟和改建。楊尊等［13］對(duì)體外人牙周膜細(xì)胞進(jìn)行超聲波處理時(shí)所用參數(shù)與何平等相同，發(fā)現(xiàn)了LIPUS可有效誘導(dǎo)H－PDLCs的BMP－2表達(dá)增強(qiáng)。鄭鴻等［8］基于安全無(wú)創(chuàng)性原則，采用的參數(shù)［25］是:ISATA60 mW/cm2，頻率 1.5 MHz，波寬 200 μs，重復(fù)率1 kHz，處理時(shí)間20 min/d，共處理28 d，得出 LIPUS具有促進(jìn)牙周骨開窗缺損修復(fù)的潛能，且可能提高GTR的療效。由上可見，各研究者所選的處理參數(shù)不一，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)針對(duì)牙周組織的具體缺損情況和多方面斟酌來選擇。

5 展望

低強(qiáng)度脈沖超聲波能非侵入性地通過機(jī)械效應(yīng)、抗炎作用、信號(hào)傳導(dǎo)、提高基因表達(dá)、改善血流、溫?zé)嵝?yīng)增強(qiáng)酶活性、刺激膠原成熟和骨組織改建等多種生物學(xué)機(jī)制，促進(jìn)牙周膜細(xì)胞增殖分化和牙周軟硬組織的再生修復(fù)，不失為安全無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)單有效的治療手段，在牙周病治療后牙周組織的修復(fù)再生研究領(lǐng)域有著廣闊的前景。但盡管LIPUS對(duì)牙周組織修復(fù)再生有明顯的促進(jìn)作用和部分作用機(jī)制已為很多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和細(xì)胞培養(yǎng)研究所證實(shí)，但在牙周治療領(lǐng)域仍屬于較新的治療方法，其生物學(xué)機(jī)理和臨床應(yīng)用尚待進(jìn)一步研究。

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