低强度脉冲超声在牙周组织再生中的作用

李紫嫣 李鑫 周进茹 李磊口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院修复科（四川大学） 成都 610041



低强度脉冲超声在牙周组织再生中的作用

李紫嫣 李鑫 周进茹 李磊
口腔疾病研究国家重点实验室 华西口腔医院修复科（四川大学） 成都 610041

［摘要］牙周病、根面龋以及颌面先天畸形和创伤等都会不同程度地导致牙槽骨、牙龈和牙周膜等牙周支持组织缺损。低强度脉冲超声（LIPUS）的温热效应和机械刺激可促进成骨质细胞、成牙本质细胞和牙周膜细胞（PDLC）的生成和分化。PDLC可分化成中胚层细胞谱系，进而生成牙槽骨、牙骨质和牙周膜等牙周组织。碱性磷酸酶（AKP）和骨钙蛋白（OCN）为骨形成或骨分化的晚期标志物，经LIPUS刺激过的PDLC，其AKP活性和OCN的表达皆提高。经LIPUS刺激可减少正畸过程中牙根的吸收，促进修复牙根缺损的成牙骨质细胞的增殖分化和矿化，促进牙周组织伤口愈合和血管生成的结缔组织生长因子的表达，从而加速牙周软组织的愈合。LIPUS刺激在牙周支持组织再生中为一种安全无创的治疗手段，但其最佳刺激强度和治疗时间尚需继续探索。

［关键词］低强度脉冲超声；牙周组织；再生

牙周组织由牙龈、牙周膜、牙槽骨和牙骨质组成，牙周病和根面龋以及颌面先天畸形和创伤等都会不同程度地导致牙槽骨、牙龈和牙周膜等支持组织缺损，牙周附着丧失并最终失牙［1］。目前，牙周组织再生的一些主流治疗方法，包括牙周翻瓣术、牙周植骨术及引导组织再生术已较为成熟［2］；然而，这些治疗方法都是以手术这种有创的方式达到治疗目的的。低强度脉冲超声（lowintensity pulsed ultrasound，LIPUS）是一种频率与能量都较低的超声，美国食品和药品管理局分别与1994年和2000年先后批准LIPUS作为一种安全、无创的方式用于促进骨折愈合和治疗骨不连［3-5］。LIPUS在促进牙周细胞与组织的代谢中起着重要的作用，本文就其促进牙周组织再生的作用机制及研究现状作一综述。

1　LIPUS的生物作用机制

LIPUS主要的作用机制包括温热效应和机械作用，其中机械作用包括空穴效应、声流现象等，LIPUS用于治疗的强度在20～50 mW·cm-2范围内。LIPUS利用温度升高刺激组织与细胞的转化分化，在这个强度范围内温度的上升幅度小于1 ℃，不会导致组织受损［6］。温热效应可通过影响基质金属蛋白酶-1和胶原酶等的活性来加快组织细胞代谢生长，使牙周组织缺损修复更为迅速［7］。在30～100 mW·cm-2强度范围内的LIPUS会产生机械能量，声波压力穿透组织，增加细胞通透性，进而增强微小血管机械压力，加速骨折愈合［8］。在体外，LIPUS可刺激成骨细胞与成软骨细胞进行合成代谢，例如产生生长因子和信号分子，促进成骨细胞的分化及产生细胞外基质，影响细胞支架与细胞外基质的附着等［9］。虽然大量的研究证明了LIPUS促进骨修复再生的作用机制，但对于其复杂骨折愈合的作用机制研究者们尚不清楚，仍需进一步研究。

2　LIPUS与牙周组织再生

LIPUS促进成骨质细胞、成牙本质细胞和牙周膜细胞（periodontal ligament cell，PDLC）生成分化的作用［10］，对于牙周组织愈合与再生是十分必要的。

2.1LIPUS与牙周膜及牙槽骨再生

PDLC来源于牙周膜，是具有异质性的细胞群体，具有类似干细胞的自我更新与多向分化的能力［11-14］。与骨髓基质细胞一样，PDLC可分化成中胚层细胞谱系，进而生成牙槽骨、牙骨质和牙周膜等牙周组织［15］。

碱性磷酸酶（alkaline phos-phatase，AKP）是一种水解酶，通常被认为是成骨分化的早期标志物。在碱性环境中，AKP可以水解有机磷酸盐复合物酯键，在骨钙化过程中起到重要的作用［16］。Hu等［17］发现，经LIPUS处理过的PDLC 其AKP活性较未经处理组明显提高。除了增加AKP活性，经过LIPUS处理后的PDLC会释放更多骨钙蛋白（osteocalcin，OCN）并随时间延长OCN的质量浓度相应增加。OCN属于γ-羧谷氨酸包含蛋白类，是一种由成骨细胞分泌并在骨改建与骨矿化中起重要作用的非胶原蛋白［18］，通常被认为是骨形成或骨分化晚期的标志物［19］。

许多研究发现在经LIPUS治疗后，成骨相关基因表达也有明显改变，包括核心结合因子-α1 （core binding factor α1，CBFA1）和整联蛋白（inte-grin，INT）等，这些发现有助于更好理解LIPUS促进PDLC成骨分化能力。

CBFA1旧称Runx2，是在成骨通路中十分重要的转录因子，能够转录激活包括AKP、OCN、胶原蛋白1、骨桥蛋白及骨涎蛋白（bone sialoprotein，BSP）等多种成骨相关蛋白基因［20］。Yang等［21］发现经LIPUS刺激后CBFA1 mRNA表达水平明显提高，CBFA1是LIPUS刺激PDLC的目标因子。Li等［22］也发现，LIPUS通过激活细胞外信号调节激酶1/2-Elkl促丝裂原激活蛋白激酶通路上调CBFA1的表达，进而促进PDLC成骨向分化。他们认为，LIPUS诱导的PDLC成骨分化与上调CBFA1有关。

INT是细胞表面受体的主要家族成员之一，介导细胞骨架与细胞外基质的黏附并调节细胞信号级联放大，在将机械刺激转化成生化信号过程中发挥着作用［23］。其中，INT-β1在成骨细胞、成骨样细胞及PDLC中有大量表达［24］。INT-B1在机械刺激下能促进牙周组织的重建。Ren等［25］认为，LIPUS诱导INT-B1介导的信号转导通路活化，也可能是导致PDLC成骨活性增强的重要机制。

2.2LIPUS与牙骨质再生

牙骨质主要起到维持牙列结构稳定与正常生理功能的作用。正畸治疗的不良反应之一就是牙骨质吸收。在大部分正畸病例中，存在着从轻微的根尖吸收到整个牙体脱落等不同程度的牙骨质吸收。El-Bialy等［26］发现，LIPUS可减少正畸过程中牙根的吸收，其可能的作用机制是LIPUS促进具有修复牙根缺损的成牙骨质细胞的增殖分化和矿化。

成牙骨质细胞表现出许多与成骨细胞相同的特质，包括相似的分子性质和促进矿化的能力［27］。过去的研究显示，牙骨质的合成代谢受机械刺激影响，在体内机械刺激会增加成牙骨质细胞表型标志物OCN和BSP的表达［28］。

Dalla-Bona等［29］在体外使用LIPUS刺激小鼠的成牙骨质细胞发现，LIPUS上调了与矿化代谢相关的一些基因表达。Rego等［30］发现，LIPUS明显上调COX2 mRNA的表达，增加的地诺前列酮（旧称前列腺素E2）促进成牙骨质细胞的分化，活化地诺前列酮受体EP2/EP4通路促进基质矿化。Rego等［31］建立小鼠上颌第一磨牙部分脱出后即刻复位模型，给予21 d的LIPUS刺激，在评估LIPUS抑制牙根吸收的效果时发现，LIPUS治疗组牙根吸收面积明显较对照组减小；在体外试验中，LIPUS可通过减弱肿瘤坏死因子-α信号转导通路来降低创伤引起的炎症反应程度。该研究表明，LIPUS作为一种治疗手段，在增强牙周组织再生方面有着巨大的潜力。

2.3LIPUS与牙龈再生

LIPUS已用于诸多临床种植中，旨在骨整合的过程中加速软组织的愈合。Mostafa等［10］经过连续3周每天5 min的LIPUS刺激，人牙龈成纤维细胞量明显提高，LIPUS通过上调AKP活性和增加骨桥蛋白表达来激发人牙龈成纤维细胞成骨向分化的潜能。Ikai等［32］连续4周每天20 min进行LIPUS刺激，促进了牙龈上皮细胞的增殖，加速了翻瓣术后牙周伤口的愈合。LIPUS可通过增加促进牙周组织伤口愈合和血管生成的结缔组织生长因子的表达来加速牙周软组织愈合［33］，但目前有关牙龈组织再生的研究甚少，其促进牙龈组织再生的具体机制需继续研究。

3　结语

LIPUS应用于骨组织修复的疗效已被广泛的认同，但其作用于牙周组织再生的文献尚为缺乏。根据目前的文献数据表明，LIPUS作为一种安全无创的治疗手段在牙周支持组织再生中有着广阔的应用前景；但其作为在牙周再生治疗领域中的新方法，其作用于牙周组织再生的生物学机制，如何以最优化的LIPUS强度及治疗时间，如何达到最佳的细胞应答与牙周修复效果仍在探索当中。

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（本文采编王晴）

Effects of low-intensity pulsed ultrasound in periodontal tissue regeneration

Li Ziyan，Li Xin，Zhou Jinru，Li Lei.（State Key Laboratory of Oral Diseases，Dept.of Prosthodontics，West China Hospital of Stomatology，Sichuan University，Chengdu 610041，China）

［Abstract］Periodontal disease，root caries，maxillofacial deformity，and trauma will cause defects in periodontal supporting tissue，such as alveolar bone，gingiva，and periodontium.Low-intensity pulsed ultrasound（LIPUS） can generate hyperthermia and mechanical stimulation，which can promote the generation and differentiation of cementoblast，odontoblast，and periodontal ligament cell（PDLC）.PDLC can differentiate into mesodermal lineages and subsequently generate alveolar bone，cementum，and periodontium.Alkaline phosphatase（AKP） and osteocalcin（OCN） are the advanced markers of osteogenesis and osteogenic differentiation.LIPUS-stimulated PDLC shows improved AKP activity and OCN expression.LIPUS can also decrease the root absorption during orthodontic treatment；accelerate the proliferation，differentiation，and mineralization of cementoblast，which can repair root defects；and improve the expression of connective tissue growth factor that can accelerate angiogenesis and healing of periodontal tissue.LIPUS，as a safe and non-invasive treatment，can be applied in periodontal tissue regeneration.However，further research should be conducted to determine the most suitable stimulation intensity and treatment time.

［Key words］low-intensity pulsed ultrasound；periodontium；regeneration

［收稿日期］2015-07-17；［修回日期］2016-01-28

［作者简介］李紫嫣，硕士，Email：445821974@qq.com

［通信作者］李磊，副教授，博士，Email：geraldleelei@163.com

［中图分类号］R 781.4

［文献标志码］A［doi］ 10.7518/gjkq.2016.03.017