李紫嫣 李鑫 周進(jìn)茹 李磊口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華西口腔醫(yī)院修復(fù)科（四川大學(xué)） 成都 610041

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低強(qiáng)度脈沖超聲在牙周組織再生中的作用

李紫嫣 李鑫 周進(jìn)茹 李磊
口腔疾病研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華西口腔醫(yī)院修復(fù)科（四川大學(xué)） 成都 610041

［摘要］牙周病、根面齲以及頜面先天畸形和創(chuàng)傷等都會(huì)不同程度地導(dǎo)致牙槽骨、牙齦和牙周膜等牙周支持組織缺損。低強(qiáng)度脈沖超聲（LIPUS）的溫?zé)嵝?yīng)和機(jī)械刺激可促進(jìn)成骨質(zhì)細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞和牙周膜細(xì)胞（PDLC）的生成和分化。PDLC可分化成中胚層細(xì)胞譜系，進(jìn)而生成牙槽骨、牙骨質(zhì)和牙周膜等牙周組織。堿性磷酸酶（AKP）和骨鈣蛋白（OCN）為骨形成或骨分化的晚期標(biāo)志物，經(jīng)LIPUS刺激過(guò)的PDLC，其AKP活性和OCN的表達(dá)皆提高。經(jīng)LIPUS刺激可減少正畸過(guò)程中牙根的吸收，促進(jìn)修復(fù)牙根缺損的成牙骨質(zhì)細(xì)胞的增殖分化和礦化，促進(jìn)牙周組織傷口愈合和血管生成的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子的表達(dá)，從而加速牙周軟組織的愈合。LIPUS刺激在牙周支持組織再生中為一種安全無(wú)創(chuàng)的治療手段，但其最佳刺激強(qiáng)度和治療時(shí)間尚需繼續(xù)探索。

［關(guān)鍵詞］低強(qiáng)度脈沖超聲；牙周組織；再生

牙周組織由牙齦、牙周膜、牙槽骨和牙骨質(zhì)組成，牙周病和根面齲以及頜面先天畸形和創(chuàng)傷等都會(huì)不同程度地導(dǎo)致牙槽骨、牙齦和牙周膜等支持組織缺損，牙周附著喪失并最終失牙［1］。目前，牙周組織再生的一些主流治療方法，包括牙周翻瓣術(shù)、牙周植骨術(shù)及引導(dǎo)組織再生術(shù)已較為成熟［2］；然而，這些治療方法都是以手術(shù)這種有創(chuàng)的方式達(dá)到治療目的的。低強(qiáng)度脈沖超聲（lowintensity pulsed ultrasound，LIPUS）是一種頻率與能量都較低的超聲，美國(guó)食品和藥品管理局分別與1994年和2000年先后批準(zhǔn)LIPUS作為一種安全、無(wú)創(chuàng)的方式用于促進(jìn)骨折愈合和治療骨不連［3-5］。LIPUS在促進(jìn)牙周細(xì)胞與組織的代謝中起著重要的作用，本文就其促進(jìn)牙周組織再生的作用機(jī)制及研究現(xiàn)狀作一綜述。

1　LIPUS的生物作用機(jī)制

LIPUS主要的作用機(jī)制包括溫?zé)嵝?yīng)和機(jī)械作用，其中機(jī)械作用包括空穴效應(yīng)、聲流現(xiàn)象等，LIPUS用于治療的強(qiáng)度在20～50 mW·cm-2范圍內(nèi)。LIPUS利用溫度升高刺激組織與細(xì)胞的轉(zhuǎn)化分化，在這個(gè)強(qiáng)度范圍內(nèi)溫度的上升幅度小于1 ℃，不會(huì)導(dǎo)致組織受損［6］。溫?zé)嵝?yīng)可通過(guò)影響基質(zhì)金屬蛋白酶-1和膠原酶等的活性來(lái)加快組織細(xì)胞代謝生長(zhǎng)，使牙周組織缺損修復(fù)更為迅速［7］。在30～100 mW·cm-2強(qiáng)度范圍內(nèi)的LIPUS會(huì)產(chǎn)生機(jī)械能量，聲波壓力穿透組織，增加細(xì)胞通透性，進(jìn)而增強(qiáng)微小血管機(jī)械壓力，加速骨折愈合［8］。在體外，LIPUS可刺激成骨細(xì)胞與成軟骨細(xì)胞進(jìn)行合成代謝，例如產(chǎn)生生長(zhǎng)因子和信號(hào)分子，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化及產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)，影響細(xì)胞支架與細(xì)胞外基質(zhì)的附著等［9］。雖然大量的研究證明了LIPUS促進(jìn)骨修復(fù)再生的作用機(jī)制，但對(duì)于其復(fù)雜骨折愈合的作用機(jī)制研究者們尚不清楚，仍需進(jìn)一步研究。

2　LIPUS與牙周組織再生

LIPUS促進(jìn)成骨質(zhì)細(xì)胞、成牙本質(zhì)細(xì)胞和牙周膜細(xì)胞（periodontal ligament cell，PDLC）生成分化的作用［10］，對(duì)于牙周組織愈合與再生是十分必要的。

2.1LIPUS與牙周膜及牙槽骨再生

PDLC來(lái)源于牙周膜，是具有異質(zhì)性的細(xì)胞群體，具有類(lèi)似干細(xì)胞的自我更新與多向分化的能力［11-14］。與骨髓基質(zhì)細(xì)胞一樣，PDLC可分化成中胚層細(xì)胞譜系，進(jìn)而生成牙槽骨、牙骨質(zhì)和牙周膜等牙周組織［15］。

堿性磷酸酶（alkaline phos-phatase，AKP）是一種水解酶，通常被認(rèn)為是成骨分化的早期標(biāo)志物。在堿性環(huán)境中，AKP可以水解有機(jī)磷酸鹽復(fù)合物酯鍵，在骨鈣化過(guò)程中起到重要的作用［16］。Hu等［17］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)LIPUS處理過(guò)的PDLC 其AKP活性較未經(jīng)處理組明顯提高。除了增加AKP活性，經(jīng)過(guò)LIPUS處理后的PDLC會(huì)釋放更多骨鈣蛋白（osteocalcin，OCN）并隨時(shí)間延長(zhǎng)OCN的質(zhì)量濃度相應(yīng)增加。OCN屬于γ-羧谷氨酸包含蛋白類(lèi)，是一種由成骨細(xì)胞分泌并在骨改建與骨礦化中起重要作用的非膠原蛋白［18］，通常被認(rèn)為是骨形成或骨分化晚期的標(biāo)志物［19］。

許多研究發(fā)現(xiàn)在經(jīng)LIPUS治療后，成骨相關(guān)基因表達(dá)也有明顯改變，包括核心結(jié)合因子-α1 （core binding factor α1，CBFA1）和整聯(lián)蛋白（inte-grin，INT）等，這些發(fā)現(xiàn)有助于更好理解LIPUS促進(jìn)PDLC成骨分化能力。

CBFA1舊稱(chēng)Runx2，是在成骨通路中十分重要的轉(zhuǎn)錄因子，能夠轉(zhuǎn)錄激活包括AKP、OCN、膠原蛋白1、骨橋蛋白及骨涎蛋白（bone sialoprotein，BSP）等多種成骨相關(guān)蛋白基因［20］。Yang等［21］發(fā)現(xiàn)經(jīng)LIPUS刺激后CBFA1 mRNA表達(dá)水平明顯提高，CBFA1是LIPUS刺激PDLC的目標(biāo)因子。Li等［22］也發(fā)現(xiàn)，LIPUS通過(guò)激活細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2-Elkl促絲裂原激活蛋白激酶通路上調(diào)CBFA1的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)PDLC成骨向分化。他們認(rèn)為，LIPUS誘導(dǎo)的PDLC成骨分化與上調(diào)CBFA1有關(guān)。

INT是細(xì)胞表面受體的主要家族成員之一，介導(dǎo)細(xì)胞骨架與細(xì)胞外基質(zhì)的黏附并調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)放大，在將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)化成生化信號(hào)過(guò)程中發(fā)揮著作用［23］。其中，INT-β1在成骨細(xì)胞、成骨樣細(xì)胞及PDLC中有大量表達(dá)［24］。INT-B1在機(jī)械刺激下能促進(jìn)牙周組織的重建。Ren等［25］認(rèn)為，LIPUS誘導(dǎo)INT-B1介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路活化，也可能是導(dǎo)致PDLC成骨活性增強(qiáng)的重要機(jī)制。

2.2LIPUS與牙骨質(zhì)再生

牙骨質(zhì)主要起到維持牙列結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與正常生理功能的作用。正畸治療的不良反應(yīng)之一就是牙骨質(zhì)吸收。在大部分正畸病例中，存在著從輕微的根尖吸收到整個(gè)牙體脫落等不同程度的牙骨質(zhì)吸收。El-Bialy等［26］發(fā)現(xiàn)，LIPUS可減少正畸過(guò)程中牙根的吸收，其可能的作用機(jī)制是LIPUS促進(jìn)具有修復(fù)牙根缺損的成牙骨質(zhì)細(xì)胞的增殖分化和礦化。

成牙骨質(zhì)細(xì)胞表現(xiàn)出許多與成骨細(xì)胞相同的特質(zhì)，包括相似的分子性質(zhì)和促進(jìn)礦化的能力［27］。過(guò)去的研究顯示，牙骨質(zhì)的合成代謝受機(jī)械刺激影響，在體內(nèi)機(jī)械刺激會(huì)增加成牙骨質(zhì)細(xì)胞表型標(biāo)志物OCN和BSP的表達(dá)［28］。

Dalla-Bona等［29］在體外使用LIPUS刺激小鼠的成牙骨質(zhì)細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，LIPUS上調(diào)了與礦化代謝相關(guān)的一些基因表達(dá)。Rego等［30］發(fā)現(xiàn)，LIPUS明顯上調(diào)COX2 mRNA的表達(dá)，增加的地諾前列酮（舊稱(chēng)前列腺素E2）促進(jìn)成牙骨質(zhì)細(xì)胞的分化，活化地諾前列酮受體EP2/EP4通路促進(jìn)基質(zhì)礦化。Rego等［31］建立小鼠上頜第一磨牙部分脫出后即刻復(fù)位模型，給予21 d的LIPUS刺激，在評(píng)估LIPUS抑制牙根吸收的效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，LIPUS治療組牙根吸收面積明顯較對(duì)照組減?。辉隗w外試驗(yàn)中，LIPUS可通過(guò)減弱腫瘤壞死因子-α信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路來(lái)降低創(chuàng)傷引起的炎癥反應(yīng)程度。該研究表明，LIPUS作為一種治療手段，在增強(qiáng)牙周組織再生方面有著巨大的潛力。

2.3LIPUS與牙齦再生

LIPUS已用于諸多臨床種植中，旨在骨整合的過(guò)程中加速軟組織的愈合。Mostafa等［10］經(jīng)過(guò)連續(xù)3周每天5 min的LIPUS刺激，人牙齦成纖維細(xì)胞量明顯提高，LIPUS通過(guò)上調(diào)AKP活性和增加骨橋蛋白表達(dá)來(lái)激發(fā)人牙齦成纖維細(xì)胞成骨向分化的潛能。Ikai等［32］連續(xù)4周每天20 min進(jìn)行LIPUS刺激，促進(jìn)了牙齦上皮細(xì)胞的增殖，加速了翻瓣術(shù)后牙周傷口的愈合。LIPUS可通過(guò)增加促進(jìn)牙周組織傷口愈合和血管生成的結(jié)締組織生長(zhǎng)因子的表達(dá)來(lái)加速牙周軟組織愈合［33］，但目前有關(guān)牙齦組織再生的研究甚少，其促進(jìn)牙齦組織再生的具體機(jī)制需繼續(xù)研究。

3　結(jié)語(yǔ)

LIPUS應(yīng)用于骨組織修復(fù)的療效已被廣泛的認(rèn)同，但其作用于牙周組織再生的文獻(xiàn)尚為缺乏。根據(jù)目前的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，LIPUS作為一種安全無(wú)創(chuàng)的治療手段在牙周支持組織再生中有著廣闊的應(yīng)用前景；但其作為在牙周再生治療領(lǐng)域中的新方法，其作用于牙周組織再生的生物學(xué)機(jī)制，如何以最優(yōu)化的LIPUS強(qiáng)度及治療時(shí)間，如何達(dá)到最佳的細(xì)胞應(yīng)答與牙周修復(fù)效果仍在探索當(dāng)中。

4　參考文獻(xiàn)

［1］Chen FM，Jin Y.Periodontal tissue engineering and regeneration： current approaches and expanding opportunities［J］.Tissue Eng Part B Rev，2010，16 （2）：219-255.

［2］Needleman IG，Worthington HV，Giedrys-Leeper E，et al.Guided tissue regeneration for periodontal infra-bony defects［J］.Cochrane Database Syst Rev，2006（2）：CD001724.

［3］Romano CL，Romano D，Logoluso N.Low-intensity pulsed ultrasound for the treatment of bone delayed union or nonunion： a review［J］.Ultrasound Med Biol，2009，35（4）：529-536.

［4］Malizos KN，Hantes ME，Protopappas V，et al.Lowintensity pulsed ultrasound for bone healing： an overview［J］.Injury，2006，37（Suppl 1）：S56-S62.

［5］Azuma Y，Ito M，Harada Y，et al.Low-intensity pulsed ultrasound accelerates rat femoral fracture healing by acting on the various cellular reactions in the fracture callus［J］.J Bone Miner Res，2001，16（4）：671-680.

［6］Chang WH，Sun JS，Chang SP，et al.Study of thermal effects of ultrasound stimulation on fracture healing ［J］.Bioelectromagnetics，2002，23（4）：256-263.

［7］Welgus HG，Jeffrey JJ，Eisen AZ.Human skin fibroblast collagenase.Assessment of activation energy and deuterium isotope effect with collagenous substrates［J］.J Biol Chem，1981，256（18）：9516-9521.

［8］Rawool NM，Goldberg BB，F(xiàn)orsberg F，et al.Power Doppler assessment of vascular changes during fracture treatment with low-intensity ultrasound［J］.J Ultrasound Med，2003，22（2）：145-153.

［9］Claes L，Willie B.The enhancement of bone regeneration by ultrasound［J］.Prog Biophys Mol Biol，2007，93（1/2/3）：384-398.

［10］Mostafa NZ，Uluda? H，Dederich DN，et al.Anabolic effects of low-intensity pulsed ultrasound on human gingival fibroblasts［J］.Arch Oral Biol，2009，54（8）：743-748.

［11］Seo BM，Miura M，Gronthos S，et al.Investigation of multipotent postnatal stem cells from human periodontal ligament［J］.Lancet，2004，364（9429）：149-155.

［12］Lim K，Kim J，Seonwoo H，et al.In vitro effects of low-intensity pulsed ultrasound stimulation on the osteogenic differentiation of human alveolar bonederived mesenchymal stem cells for tooth tissue engineering［J］.Biomed Res Int，2013：269724.

［13］Bains VK，Mohan R，Bains R.Application of ultrasound in periodontics： PartⅡ［J］.J Indian Soc Periodontol，2008，12（3）：55-61.

［14］Liu Y，Zheng Y，Ding G，et al.Periodontal ligament stem cell-mediated treatment for periodontitis in miniature swine［J］.Stem Cells，2008，26（4）：1065-1073.

［15］Washio K，Iwata T，Mizutani M，et al.Assessment of cell sheets derived from human periodontal ligament cells： a pre-clinical study［J］.Cell Tissue Res，2010，341（3）：397-404.

［16］Ciavarella S，Dammacco F，De Matteo M，et al.Umbilical cord mesenchymal stem cells： role of regulatory genes in their differentiation to osteoblasts［J］.Stem Cells Dev，2009，18（8）：1211-1220.

［17］Hu B，Zhang Y，Zhou J，et al.Low-intensity pulsed ultrasound stimulation facilitates osteogenic differentiation of human periodontal ligament cells［J］.PLoS One，2014，9（4）：e95168.

［18］Lee NK，Sowa H，Hinoi E，et al.Endocrine regulation of energy metabolism by the skeleton［J］.Cell，2007，130（3）：456-469.

［19］Bharadwaj S，Naidu AG，Betageri GV，et al.Milk ribonuclease-enriched lactoferrin induces positive effects on bone turnover markers in postmenopausal women［J］.Osteoporos Int，2009，20（9）：1603-1611.

［20］Eriksen EF.Cellular mechanisms of bone remodeling［J］.Rev Endocr Metab Disord，2010，11（4）：219-227.

［21］Yang Y，Yang Y，Li X，et al.Functional analysis of core binding factor a1 and its relationship with related genes expressed by human periodontal ligament cells exposed to mechanical stress［J］.Eur J Orthod，2010，32（6）：698-705.

［22］Li L，Han M，Li S，et al.Cyclic tensile stress during physiological occlusal force enhances osteogenic differentiation of human periodontal ligament cells via ERK1/2-Elk1 MAPK pathway［J］.DNA Cell Biol，2013，32（9）：488-497.

［23］Juliano RL.Signal transduction by cell adhesion receptors and the cytoskeleton： functions of integrins，cadherins，selectins，and immunoglobulin-superfamily members［J］.Annu Rev Pharmacol Toxicol，2002，42：283-323.

［24］Palaiologou AA，Yukna RA，Moses R，et al.Gingival，dermal，and periodontal ligament fibroblasts express different extracellular matrix receptors［J］.J Periodontol，2001，72（6）：798-807.

［25］Ren L，Yang Z，Song J，et al.Involvement of p38 MAPK pathway in low intensity pulsed ultrasound induced osteogenic differentiation of human periodontal ligament cells［J］.Ultrasonics，2013，53（3）：686-690.

［26］El-Bialy T，El-Shamy I，Graber TM.Repair of orthodontically induced root resorption by ultrasound in humans［J］.Am J Orthod Dentofacial Orthop，2004，126（2）：186-193.

［27］Bosshardt DD.Are cementoblasts a subpopulation of osteoblasts or a unique phenotype［J］.J Dent Res，2005，84（5）：390-406.

［28］Pavlin D，Gluhak-Heinrich J.Effect of mechanical loading on periodontal cells［J］.Crit Rev Oral Biol Med，2001，12（5）：414-424.

［29］Dalla-Bona DA，Tanaka E，Inubushi T，et al.Cementoblast response to low- and high-intensity ultrasound［J］.Arch Oral Biol，2008，53（4）：318-323.

［30］Rego EB，Inubushi T，Kawazoe A，et al.Ultrasound stimulation induces PGE（2） synthesis promoting cementoblastic differentiation through EP2/EP4 receptor pathway［J］.Ultrasound Med Biol，2010，36 （6）：907-915.

［31］Rego EB，Inubushi T，Miyauchi M，et al.Ultrasound stimulation attenuates root resorption of rat replanted molars and impairs tumor necrosis factor-α signaling in vitro［J］.J Periodont Res，2011，46（6）：648-654.

［32］Ikai H，Tamura T，Watanabe T，et al.Low-intensity pulsed ultrasound accelerates periodontal wound healing after flap surgery［J］.J Periodont Res，2008，43（2）：212-216.

［33］Shiraishi R，Masaki C，Toshinaga A，et al.The effects of low-intensity pulsed ultrasound exposure on gingival cells［J］.J Periodontol，2011，82（10）：1498-1503.

（本文采編王晴）

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

［作者簡(jiǎn)介］李紫嫣，碩士，Email：445821974@qq.com

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

［中圖分類(lèi)號(hào)］R 781.4

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A［doi］ 10.7518/gjkq.2016.03.017