Micro-CT对遗传性牙本质发育缺陷离体患牙的特征研究

韩安鹏鲁方丽陆玉平李强陈栋

1.郑州大学第一附属医院 河南省口腔医院口腔科，郑州450052；

2.南宁市柏乐口腔医院有限公司，南宁530022；

3.郑州颐和医院口腔科，郑州450047；

4.兰州大学口腔医院口腔科，兰州730000

遗传性牙本质发育缺陷是一类表现为牙本质矿化障碍及结构异常的常染色显性遗传病，发病率约为1/100 000～1/6 000[1]。Shields将其分为牙本质发育不全（dentinogenesis imperfecta，DGI）和牙本质发育不良（dentin dysplasia，DD），其中DGI分为DGI-Ⅰ、DGI-Ⅱ、DGI-Ⅲ三型，DD分为DD-Ⅰ、DD-Ⅱ两型[2]。DGI-Ⅱ亦称遗传性乳光牙本质（hereditary opalescent dentin），是临床较为常见的牙本质发育异常类疾病，患牙呈蓝灰色半透明，釉质易剥脱，暴露的牙本质易磨损，影像学显示牙齿呈球形牙冠，颈部缩窄，髓腔及根管变窄或完全消失。DD-Ⅰ临床中较为罕见，患牙牙冠基本正常，牙根短小呈锥形或钝形，根柱或变长，髓腔部分或完全闭塞呈现“新月形”，部分患牙根尖周有不明原因的弧形低密度透射影。本课题组在临床接诊中通过牙齿表型和影像学检查确诊了来自同一地区的DGI-Ⅱ和DD-Ⅰ2个家系，经家系调查明确均为常染色体显性遗传（图1、2）。目前，已发现DGI-Ⅱ的致病基因主要与牙本质涎磷蛋白基因（dentin sialophosphoprotein，DSPP）突变有关[3]，DD-Ⅰ已报道的致病基因有SMOC2[4]、VPS4B[5]和SSHU2[6]。Micro-CT为一种高分辨率、非破坏性的影像学检查手段，边界、根管显影清晰，其分辨率最高可达1μm，能够直接、准确地反映牙齿内外结构的精细变化，研究矿物密度、体积、矿化模式等[7-8]。目前，大多数研究[9]集中于遗传性牙本质发育异常的家族和临床表型分析，很少有关于牙本质发育缺陷患牙的三维结构模型研究报告，由于该疾病的发病率低，也很难在体外获得患牙。因此，本研究应用Micro-CT技术对收集到的DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ家系患者下颌第三磨牙进行扫描和三维重建，对牙体不同硬组织部位进行矿物质密度计算，旨在探索2个家系的患牙硬组织矿化的差异性，进而为遗传性牙本质发育缺陷的病理特征提供理论基础。

图1 DGI-Ⅱ家系图谱Fig 1 The pedigree of DGI-Ⅱ

图2 DD-Ⅰ家系图谱Fig 2 Thepedigree of DD-Ⅰ

1 材料和方法

1.1 标本收集

DGI-Ⅱ家系先证者（Ⅲ-3），女，21岁，患牙呈琥珀色，釉质剥脱，牙齿中度磨耗，X线显示牙齿呈球形牙冠，颈部缩窄，冠部髓腔变窄甚至闭锁，根管完全闭锁（图3a、c）。DD-Ⅰ家系先证者（Ⅲ-5），男，21岁，上、下前牙部分缺失，牙冠颜色、外形、质地基本正常，X线显示牙根短小畸形甚至缺如，呈圆锥形，15，16，37，46根尖周见不明原因低密度透射影，17，37髓腔部分闭塞呈“新月形”，其余患牙髓腔及根管闭锁（图3b、d）。收集DGI-Ⅱ和DD-Ⅰ两个家系先证者拔除的下颌第三磨牙，去除周围牙周膜后放入2.5%戊二醛溶液中固定，4 h后保存于70%乙醇中，标记备用。正常对照牙为门诊同龄因正畸需要拔除的下颌第三磨牙，样本牙齿完好，色泽正常，无龋坏，X线显示牙根发育正常。研究对象均已签署知情同意书。

图3 2个家系先证者口内像及全口曲面体层片Fig 3 Intraoral photographsand radiographsof 2 pedigreeprobands

1.2 样本扫描

将3份牙齿样本分次固定于Micro-CT（SCANCO Medical AG，瑞士）配套的操作台上。通过Micro-CT扫描对样本进行三维定位，使红外线光轴与牙齿长轴重合。扫描参数：电压90 kVp，电流278μA，分辨率12.0μm，扫描时间隔每层

0.62°，旋转360°。3份样本各获得TIF格式的700～800张样本的二维横断面图像。

1.3 样本的数据分析

将3份样本的二维横断面图像导入Mimics 17.0软件（Materialise，比利时）中，三维重建后观察3份样本的三维结构，并截取矢状面和横断面观察其内部结构。

1.4 牙齿矿物质密度的计算及矿化模式的观察

在3份样本截取的二维结构中随机选择釉质、冠部牙本质、根部牙本质各8个区域，分别计算各区域的平均灰度值，比较3份牙齿硬组织的矿化密度；成矿模式表示为灰度-距离图，沿着每颗牙齿的横截面，划出通过釉质、牙本质的一条线，计算此线周围的灰度值，分析此类疾病的矿化模式。

1.5 统计学分析

采用SPSS 21.0软件分析灰度值相关数据，采用单因素方差分析，数据均用±s表示，P＜0.01为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 样本三维结构重建

成功构建出DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ下颌第三磨牙的釉质帽、牙本质核和牙髓腔的三维精细模型。与正常对照牙（图4）相比：DGI-Ⅱ患牙牙冠外形基本正常，牙根长度基本正常，釉质表面可见有凹陷孔隙，牙本质表面不光滑，牙髓腔稍变小，根管变窄（图5）；DD-I患牙牙冠外形基本正常，牙根缺如，釉质表面较光滑，牙本质表面稍显粗糙，根尖处可见凹凸不平的结构，且无根部（图6）。

图4 正常牙齿三维结构模型Fig 4 Three-dimensional structural model of normal tooth

图5 DGI-Ⅱ患牙三维结构模型Fig 5 Three-dimensional structural model of DGI-Ⅱaffected tooth

图6 DD-Ⅰ患牙三维结构模型Fig 6 Three-dimensional structural model of DD-Ⅰaffected tooth

2.2 矢状面和横断面观察牙齿结构

分别从矢状面和横断面截取DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙影像与正常对照牙（图7）相比较，结果显示：DGI-Ⅱ患牙根管内存在不规则的钙化物，矿物密度比根管周围牙本质低，而根管髓周牙本质密度较高（图8）；DD-Ⅰ患牙的牙本质与髓腔异常钙化物间的界限不清晰，且钙化物之间可见“月牙形”或“点状”间隙，牙根缺如（图9）。

图7 正常牙齿三维重建结构Fig 7 Normal tooth three-dimensional reconstruction structure

图8 DGI-Ⅱ患牙三维重建结构Fig 8 DGI-Ⅱaffected tooth three-dimensional reconstruction structure

图9 DD-Ⅰ患牙三维重建结构Fig 9 DD-Ⅰaffected tooth three-dimensional reconstruction structure

2.3 牙齿各结构灰度值比较

DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙和正常对照牙的釉质、冠部牙本质、根部牙本质的灰度值比较见表1。结果显示：DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙釉质、冠部牙本质及根部牙本质灰度值较正常对照组低（F值分别为23 483.52、448.19、757.75，P＜0.01）；DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ两组相比，DD-Ⅰ组根部牙本质的灰度值较低（P＜0.01），釉质、冠部牙本质灰度值差异无统计学意义（P＞0.05）。

表1 3组牙齿釉质、冠部牙本质和根部牙本质的灰度值比较Tab 1 Comparison of grayscale values of enamel，crown dentin and root dentin in three groups of teeth ±s

表1 3组牙齿釉质、冠部牙本质和根部牙本质的灰度值比较Tab 1 Comparison of grayscale values of enamel，crown dentin and root dentin in three groups of teeth ±s

注：*为DGI-Ⅱ组、DD-Ⅰ组与正常对照组相比，差异均有统计学意义（P＜0.01）；#为DGI-Ⅱ组与DD-Ⅰ组相比，差异有统计学意义（P＜0.01）。

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2.4 釉质牙本质的灰度-距离

DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ和正常对照牙的矿化模式相似，但DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ在一定的距离中，灰度值较正常对照牙低（图10）。

图10 釉质牙本质的灰度-距离图Fig 10 Grayscale-distancemap of the enamel and dentin

3 讨论

遗传性牙本质发育缺陷是一组以牙本质结构异常为主要表现的常染色体显性遗传病，分为DGI和DD两大类。目前针对遗传性牙本质发育异常疾病患牙的超微结构研究，主要是通过光学显微镜、扫描电镜、透射电镜等仪器进行观察[10-11]，但是这些研究方法需要对标本进行破坏性处理，失去了牙齿的完整性。Micro-CT又称为微型CT，其成像具有高分辨率、高精度、无创和重复性好等优势，分辨率可达1μm，广泛应用在各种领域，尤其适于小鼠等活体样本及骨细微结构和骨密度测量方面的研究[12]。在口腔医学研究领域，Micro-CT主要应用于牙齿三维数字化模型的重建、测量以及牙根管系统的研究等，通过阈值的调整可将釉质、牙本质、髓室形态清晰地显现出来，还能准确分析牙齿钙化的情况[13-14]。近几年来Micro-CT技术已成为牙齿硬组织无创研究的重要和极有价值的工具，其高分辨率对揭示正常釉质和牙本质以及矿化障碍组织具有重要三维信息[15]。Olejniczak等[16]应用Micro-CT首次提出了牙釉质帽和牙本质核的三维形态概念。也有学者[17]应用Micro-CT成功重建了人下颌第一磨牙及其牙周膜的三维模型。因此，本实验通过收集DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患者及健康人拔除的下颌第三磨牙，首次采用Micro-CT评估遗传性牙本质发育缺陷类疾病患者的牙齿矿物结构。

对DGI-Ⅱ患牙的组织学研究中，很多学者发现其牙本质结构异常而釉质剥脱，髓腔变窄甚至闭塞。本实验中运用Micro-CT重建三维结构显示DGI-Ⅱ患牙不仅牙本质有异常增生钙化，而且釉质表面也有凹陷孔隙，提示DGI-Ⅱ患牙的釉质剥脱与异常牙本质和釉质有关。矢状面和横断面发现髓腔变窄，根管不完全钙化，其原因可能是由于釉质的早期剥脱加剧了反应性牙本质过度沉积，从而导致髓室逐渐丧失，根管部分或完全消失[18]。

DD-Ⅰ患牙的组织学研究中可见牙本质表面不光滑且牙本质矿化能力降低等牙本质结构异常的表现。牙根短小畸形是最主要病变，其中病变发生时期不同，受累牙的牙根形态也各不相同，若发生在牙根发育早期，牙根几乎缺如；如果发生在牙根发育晚期，可以形成各种短根畸形[19]。本实验中运用Micro-CT重建三维结构显示DD-Ⅰ患牙牙根缺如，提示其牙根发育早期便出现缺陷；根尖可见凹凸不平的髓腔钙化物，牙本质表面不光滑，进一步验证了此类型牙齿牙本质结构异常的特点；矢状面和横断面显示牙本质与髓腔钙化物界限不明显，可能是因为第三磨牙的变异性多及病变发生在早期有关；髓腔呈现典型的“溪流围绕圆石”特征，其原因可能是周期性的成熟前期牙本质细胞的死亡，新成牙本质细胞的募集，牙本质的沉积和成牙本质细胞的死亡[20]。

为进一步研究此类疾病牙齿硬组织的矿化情况，本实验对3组牙齿各结构的灰度值及釉质牙本质的灰度距离图进行比较，分析结果发现遗传性牙本质发育缺陷患者牙齿矿化模式与正常对照牙相似，DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙的釉质、冠部牙本质及根部牙本质的灰度值均减少，提示DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙硬组织的矿物密度降低，矿化能力下降；DD-Ⅰ根部牙本质的灰度值比DGI-Ⅱ低，提示DD-Ⅰ牙本质异常矿化能力较DGI-Ⅱ更严重。

Micro-CT以高分辨率、高精确度、无创的优点增加了研究此类疾病牙齿超微结构的方法，且能从三维角度进行观察硬组织结构，对牙体不同硬组织进行矿物质密度估值。本研究应用Micro-CT初步探索了遗传性牙本质发育缺陷患牙硬组织矿化的差异性，结果显示DGI-Ⅱ、DD-Ⅰ患牙的牙本质矿化密度均降低，其中DD-Ⅰ患牙降低更显著，髓腔内均有异常钙化物质，根管狭窄甚至闭塞。这些研究结果进一步为遗传性牙本质发育缺陷疾病的病理特征提供了理论资料。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。