低强度脉冲超声波在牙周治疗领域的研究进展

李 晖 综述;杨永进，吕晓宁 审校

(1.辽宁医学院研究生学院，辽宁锦州121001;2.北京第二炮兵总医院，北京100088)

牙周炎是由牙菌斑中的微生物所引起的牙周支持组织的慢性感染性疾病，导致牙周支持组织的炎症和破坏，如牙周袋形成、进行性附着丧失和牙槽骨吸收，最后可导致牙松动和被拔除，是我国成年人丧失牙齿的首位原因［1］。牙周炎的基础治疗包括洁治、龈下刮治、根面平整等，其与药物配合虽可明显控制疾病的进展，但不能促进病变区的牙周组织再生。低强度脉冲超声波(Low－intensity pulsed ultrasound，LIPUS)是一种使用频率和剂量较低的超声波，强度在100 mW/cm2以下，其传递给组织的能量一般小于3 mg/cm2，相对产热较弱且对组织无侵入性［2－3］。美国食品和药物管理局(FDA)于1994年和2000年先后批准低强度脉冲超声波可作为一种安全、无创的方法用于促进新鲜骨折愈合和治疗骨不连。国内外已有大量动物实验和临床研究表明:LIPUS在关节软骨再生、软组织修复、抗感染和炎症、肿瘤的治疗、神经的再生、血管的溶栓和再造等多个方面有较显著的辅助效应。目前，LIPUS也是牙周治疗领域的研究热点之一，本文就LIPUS促进牙周组织修复和再生作用的研究现状作一综述。

1 正常牙周支持组织的结构

牙周组织(periodontal tissues，periodontium)由牙龈、牙周膜、牙槽骨和牙骨质组成。牙骨质虽然属于牙体组织，但它和牙周膜、牙槽骨一样，都是由牙发育期牙囊中分化的细胞生成，且与牙龈、牙周膜和牙槽骨共同构成了一个功能系统。该系统将牙牢固地附着于牙槽骨，同时使口腔黏膜与牙体硬组织间呈一良好的封闭状态。故习惯上将上述4种组织合称为牙周支持组织(periodontal supportive tissues)或牙附着装置(attachment apparatus of the tooth)［4］。

2 LIPUS促进牙周组织修复和再生的研究探索

2.1 在体实验

牙槽骨的新生是牙周支持组织修复的关键，根据理论上LIPUS具有促进骨组织成熟和改建的生物学效应，可以推及研究其对牙槽骨缺损修复的作用。Ikai等［5］(2008)首次将其引入牙周治疗领域，通过建立Beagle犬前磨牙急性牙周骨缺损模型，并在牙周翻瓣术后给予 LIPUS(30 mW/cm2，1.5 MHz，200 μs，1 kHz)处理，4 周后观察发现，实验侧牙骨质和牙槽骨新生量明显增加，提示LIPUS对牙周组织修复和再生有促进作用。吴鹏等［6］(2010)利用LIPUS辐照Beagle犬下颌前磨牙水平型牙槽骨缺损模型，通过检测新生牙槽骨骨密度和脱钙骨组织切片观察新生牙槽骨的组织学效应，发现LIPUS辐照对急性水平型牙槽骨缺损具有潜在的修复效应。何平等［7］(2011)在5只Beagle犬双侧下颌第四前磨牙颊侧区建立Ⅱ度根分叉病变模型后，用 LIPUS(90 mW/cm2，1.5 MHz，200 μs，1kHz)处理(20 min/d)，6周后观察发现实验侧新生牙槽骨中胶原的成熟度较对照组侧高，说明LIPUS可促进根分叉病变区新生牙槽骨胶原的成熟和改建，初步判断其具有促根分叉病变组织修复的可能性，亦为深入探讨LIPUS促进非手术治疗Ⅱ度根分叉病变组织修复提供了参考。此后，郑鸿等［8］在Beagle犬尖牙颊侧根中1/3区建立牙周骨开窗缺损模型，用以探讨LIPUS联合引导组织再生术(guided tissue regeneration，GTR)对其的修复效应，结果显示:LIPUS具有促进牙周骨缺损修复的潜能，LIPUS与GTR联合更利于牙周组织缺损的修复。此与薛慧等［9］对安放正畸装置的大鼠进行LIPUS刺激后取标本观察所得出结论一致，即局部LIPUS刺激可促进牙槽骨改建过程中BMP－2的表达。以上实验探索不仅肯定了低强度脉冲超声波在牙槽骨缺损修复中的直接作用，同时还说明其在牙周炎手术和非手术治疗过程中对牙周组织再生和重建的辅助效应。

2.2 离体研究

关于低强度脉冲超声波在牙周组织修复和再生中作用的动物实验研究的最终目的是为了探索其对于人牙周组织修复的效应。牙周组织修复和再生不仅仅局限于骨质的再生，还要更深入的研究如何促进牙周膜细胞成骨分化和牙周组织中其他细胞成分的增殖。Reher等［10］(1998)以 1MHz，占空比20%的45 kHz连续波超声分别作用于体外培养的人牙龈成纤维细胞、成骨细胞、单核细胞后，测定了各细胞增殖、胶原和非胶原蛋白的合成以及细胞因子的产生情况，结果发现:此类超声可促进离体细胞的增殖、胶原的产生以及骨和血管的生成，且与对照组(1 MHz、1∶4脉冲超声处理)相比，低频超声作用下，成骨细胞胶原和非胶原合成较高频超声高。Inubushi等［11］(2008)通过观察超声对成牙骨质细胞增殖和分化的影响，发现LIPUS可增强人牙骨质细胞碱性磷酸酶活性以及Ⅰ型胶原合成。此前，Ishikawa等［12］实验研究认为，碱性磷酸酶诱导下合成Ⅰ型胶原是牙周膜细胞中成骨细胞和成牙骨质细胞分化的第一步，从而为LIPUS可促进未分化成牙骨质细胞分化提供了证据，并证明了其理论上具有促牙周组织修复的潜能。杨尊等［13］(2011)体外培养人牙周膜细胞(human periodontal ligamentcells，H －PDLCs)，用 LIPUS(90 mW/cm2，20 min/d)连续处理1周，于处理后1、3、5、7 d 收集标本观察 BMP－2 表达情况，结果显示:LIPUS可有效诱导H－PDLCs的BMP－2基因表达，且随时间变化呈一定规律性。BMP－2是诱导细胞成骨分化的重要生长因子，可提高牙周膜细胞碱性磷酸酶的活性［14］，从而促进牙周膜细胞分泌胶原以及分化成骨的能力［12］。

3 LIPUS促进牙周组织修复和再生的作用机制

3.1 LIPUS的机械作用

LIPUS作用于机体组织产生声压波，超声信号转化为对细胞的机械作用并给予功能上的负荷。一方面根据Wolf定律确立的机械应力环境、骨骼形态和结构的关系(即机械环境可通过骨塑形影响骨结构形态，塑形适应骨所承受应力的大小和方向)，LIPUS对牙槽骨产生的机械振荡作用，能促进其组织排列和改建;另一方面LIPUS产生的细微机械按摩作用引起细胞膜结构的变化，从而改变离子通道的通透性，使第二信使活性提高，腺苷酸环化酶活性增加，进而刺激软骨和骨特异性基因的表达上调，主要是促进转化生长因子(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对人牙周膜细胞有促进增殖的作用;TGF－β可刺激牙周膜细胞蛋白合成，主要是细胞外基质中的胶原成分合成增多，并通过抑制胶原酶的合成减少基质成分的分解，同时增加72 kD明胶酶和Ⅳ型胶原酶(MMP－2)的mRNA转录及其稳定性，促进MMP－2的分泌，间接促进基质成熟。Millhot等［19］发现:TGF－β对牙周膜细胞RNA和蛋白合成的促进作用都强于牙龈成纤维细胞，这一结果为TGF－β用于GTR技术提供了依据，更说明了LIPUS对于GTR术后牙周组织修复再生的辅助效应。

3.2 LIPUS对血管的作用

LIPUS可扩张组织局部毛细血管，并通过温热效应和产生声压梯度以及增加血管生成相关细胞因子，如白细胞介素(interleukin，IL)－8、碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)、血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等［20］的合成，促进新血管生成，增加血流，使无功能性毛细血管与其吻合开支，加速血液循环，加强了生长因子和细胞因子等骨组织愈合必需成分的运输，促进了营养物质转运和代谢废物排除［21］。以上这些影响均对牙周软硬组织的再生和修复具有很大的促进作用。此外还有研究表明:LIPUS可使血小板衍生因子(PDGF)分泌增加［22］，而PDGF可以诱导成骨细胞分化成熟，诱导其合成胶原纤维，进而促进牙槽骨的修复再生。

3.3 LIPUS的温热效应

LIPUS作用于机体时，组织对超声波的吸收可产生热能，但不会对缺损区周围组织造成损伤，而且尽管热效很小(＜1℃)，但有些酶(如胶原酶)对温度变化非常敏感，因此，LIPUS还可以通过其温热效应增加酶活性来促进组织细胞的代谢活动［23］，使牙周组织缺损修复过程加快。

另外，LIPUS还能抑制炎性介质的产生，炎性介质(如PGE2等)的基因在低强度超声波刺激下表达下降［24］，但其原因尚待研究。

4 LIPUS用于促进牙周组织修复和再生的方法和实验参数

各动物实验研究处理方法基本相近，处理时将LIPUS治疗仪探头涂以医用超声波耦合剂接触处理区，保持探头稳定。

Ikai等［5］首次将LIPUS应用于牙周治疗领域时，在实验中采用的工作参数是:强度30 mW/cm2，频率 1.5 MHz，调制信号 200 μs，重复率1 kHz，处理时长20 min/d，可使牙骨质和牙槽骨的新生量增加。吴鹏等［6］所用工作参数参照Ikai等的设定，得出结论与Ikai等的一致。何平等［7］给予根分叉病变解剖结构较深以及能量衰减的考虑，先期选用较高强度的90 mW/cm2LIPUS进行处理，其余参数不变，未见局部处理区灼伤，且得出结论LIPUS可促进Ⅱ度根分叉病变组织中新生牙槽骨胶原成熟和改建。杨尊等［13］对体外人牙周膜细胞进行超声波处理时所用参数与何平等相同，发现了LIPUS可有效诱导H－PDLCs的BMP－2表达增强。郑鸿等［8］基于安全无创性原则，采用的参数［25］是:ISATA60 mW/cm2，频率 1.5 MHz，波宽 200 μs，重复率1 kHz，处理时间20 min/d，共处理28 d，得出 LIPUS具有促进牙周骨开窗缺损修复的潜能，且可能提高GTR的疗效。由上可见，各研究者所选的处理参数不一，实际应用时应针对牙周组织的具体缺损情况和多方面斟酌来选择。

5 展望

低强度脉冲超声波能非侵入性地通过机械效应、抗炎作用、信号传导、提高基因表达、改善血流、温热效应增强酶活性、刺激胶原成熟和骨组织改建等多种生物学机制，促进牙周膜细胞增殖分化和牙周软硬组织的再生修复，不失为安全无创、简单有效的治疗手段，在牙周病治疗后牙周组织的修复再生研究领域有着广阔的前景。但尽管LIPUS对牙周组织修复再生有明显的促进作用和部分作用机制已为很多动物实验和细胞培养研究所证实，但在牙周治疗领域仍属于较新的治疗方法，其生物学机理和临床应用尚待进一步研究。

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