低強度脈沖超聲波在牙周治療領域的研究進展

李 暉 綜述;楊永進，呂曉寧 審校

(1.遼寧醫學院研究生學院，遼寧錦州121001;2.北京第二炮兵總醫院，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，導致牙周支持組織的炎癥和破壞，如牙周袋形成、進行性附著喪失和牙槽骨吸收，最后可導致牙松動和被拔除，是我國成年人喪失牙齒的首位原因［1］。牙周炎的基礎治療包括潔治、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展，但不能促進病變區的牙周組織再生。低強度脈沖超聲波(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，相對產熱較弱且對組織無侵入性［2－3］。美國食品和藥物管理局(FDA)于1994年和2000年先后批準低強度脈沖超聲波可作為一種安全、無創的方法用于促進新鮮骨折愈合和治療骨不連。國內外已有大量動物實驗和臨床研究表明:LIPUS在關節軟骨再生、軟組織修復、抗感染和炎癥、腫瘤的治療、神經的再生、血管的溶栓和再造等多個方面有較顯著的輔助效應。目前，LIPUS也是牙周治療領域的研究熱點之一，本文就LIPUS促進牙周組織修復和再生作用的研究現狀作一綜述。

1 正常牙周支持組織的結構

牙周組織(periodontal tissues，periodontium)由牙齦、牙周膜、牙槽骨和牙骨質組成。牙骨質雖然屬于牙體組織，但它和牙周膜、牙槽骨一樣，都是由牙發育期牙囊中分化的細胞生成，且與牙齦、牙周膜和牙槽骨共同構成了一個功能系統。該系統將牙牢固地附著于牙槽骨，同時使口腔黏膜與牙體硬組織間呈一良好的封閉狀態。故習慣上將上述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促進牙周組織修復和再生的研究探索

2.1 在體實驗

牙槽骨的新生是牙周支持組織修復的關鍵，根據理論上LIPUS具有促進骨組織成熟和改建的生物學效應，可以推及研究其對牙槽骨缺損修復的作用。Ikai等［5］(2008)首次將其引入牙周治療領域，通過建立Beagle犬前磨牙急性牙周骨缺損模型，并在牙周翻瓣術后給予 LIPUS(30 mW/cm2，1.5 MHz，200 μs，1 kHz)處理，4 周后觀察發現，實驗側牙骨質和牙槽骨新生量明顯增加，提示LIPUS對牙周組織修復和再生有促進作用。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效應，發現LIPUS輻照對急性水平型牙槽骨缺損具有潛在的修復效應。何平等［7］(2011)在5只Beagle犬雙側下頜第四前磨牙頰側區建立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周后觀察發現實驗側新生牙槽骨中膠原的成熟度較對照組側高，說明LIPUS可促進根分叉病變區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的可能性，亦為深入探討LIPUS促進非手術治療Ⅱ度根分叉病變組織修復提供了參考。此后，鄭鴻等［8］在Beagle犬尖牙頰側根中1/3區建立牙周骨開窗缺損模型，用以探討LIPUS聯合引導組織再生術(guided tissue regeneration，GTR)對其的修復效應，結果顯示:LIPUS具有促進牙周骨缺損修復的潛能，LIPUS與GTR聯合更利于牙周組織缺損的修復。此與薛慧等［9］對安放正畸裝置的大鼠進行LIPUS刺激后取標本觀察所得出結論一致，即局部LIPUS刺激可促進牙槽骨改建過程中BMP－2的表達。以上實驗探索不僅肯定了低強度脈沖超聲波在牙槽骨缺損修復中的直接作用，同時還說明其在牙周炎手術和非手術治療過程中對牙周組織再生和重建的輔助效應。

2.2 離體研究

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

3 LIPUS促進牙周組織修復和再生的作用機制

3.1 LIPUS的機械作用

LIPUS作用于機體組織產生聲壓波，超聲信號轉化為對細胞的機械作用并給予功能上的負荷。一方面根據Wolf定律確立的機械應力環境、骨骼形態和結構的關系(即機械環境可通過骨塑形影響骨結構形態，塑形適應骨所承受應力的大小和方向)，LIPUS對牙槽骨產生的機械振蕩作用，能促進其組織排列和改建;另一方面LIPUS產生的細微機械按摩作用引起細胞膜結構的變化，從而改變離子通道的通透性，使第二信使活性提高，腺苷酸環化酶活性增加，進而刺激軟骨和骨特異性基因的表達上調，主要是促進轉化生長因子(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對人牙周膜細胞有促進增殖的作用;TGF－β可刺激牙周膜細胞蛋白合成，主要是細胞外基質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成分的分解，同時增加72 kD明膠酶和Ⅳ型膠原酶(MMP－2)的mRNA轉錄及其穩定性，促進MMP－2的分泌，間接促進基質成熟。Millhot等［19］發現:TGF－β對牙周膜細胞RNA和蛋白合成的促進作用都強于牙齦成纖維細胞，這一結果為TGF－β用于GTR技術提供了依據，更說明了LIPUS對于GTR術后牙周組織修復再生的輔助效應。

3.2 LIPUS對血管的作用

LIPUS可擴張組織局部毛細血管，并通過溫熱效應和產生聲壓梯度以及增加血管生成相關細胞因子，如白細胞介素(interleukin，IL)－8、堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor，BFGF)、血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等［20］的合成，促進新血管生成，增加血流，使無功能性毛細血管與其吻合開支，加速血液循環，加強了生長因子和細胞因子等骨組織愈合必需成分的運輸，促進了營養物質轉運和代謝廢物排除［21］。以上這些影響均對牙周軟硬組織的再生和修復具有很大的促進作用。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可以誘導成骨細胞分化成熟，誘導其合成膠原纖維，進而促進牙槽骨的修復再生。

3.3 LIPUS的溫熱效應

LIPUS作用于機體時，組織對超聲波的吸收可產生熱能，但不會對缺損區周圍組織造成損傷，而且盡管熱效很小(＜1℃)，但有些酶(如膠原酶)對溫度變化非常敏感，因此，LIPUS還可以通過其溫熱效應增加酶活性來促進組織細胞的代謝活動［23］，使牙周組織缺損修復過程加快。

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

4 LIPUS用于促進牙周組織修復和再生的方法和實驗參數

各動物實驗研究處理方法基本相近，處理時將LIPUS治療儀探頭涂以醫用超聲波耦合劑接觸處理區，保持探頭穩定。

Ikai等［5］首次將LIPUS應用于牙周治療領域時，在實驗中采用的工作參數是:強度30 mW/cm2，頻率 1.5 MHz，調制信號 200 μs，重復率1 kHz，處理時長20 min/d，可使牙骨質和牙槽骨的新生量增加。吳鵬等［6］所用工作參數參照Ikai等的設定，得出結論與Ikai等的一致。何平等［7］給予根分叉病變解剖結構較深以及能量衰減的考慮，先期選用較高強度的90 mW/cm2LIPUS進行處理，其余參數不變，未見局部處理區灼傷，且得出結論LIPUS可促進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］對體外人牙周膜細胞進行超聲波處理時所用參數與何平等相同，發現了LIPUS可有效誘導H－PDLCs的BMP－2表達增強。鄭鴻等［8］基于安全無創性原則，采用的參數［25］是:ISATA60 mW/cm2，頻率 1.5 MHz，波寬 200 μs，重復率1 kHz，處理時間20 min/d，共處理28 d，得出 LIPUS具有促進牙周骨開窗缺損修復的潛能，且可能提高GTR的療效。由上可見，各研究者所選的處理參數不一，實際應用時應針對牙周組織的具體缺損情況和多方面斟酌來選擇。

5 展望

低強度脈沖超聲波能非侵入性地通過機械效應、抗炎作用、信號傳導、提高基因表達、改善血流、溫熱效應增強酶活性、刺激膠原成熟和骨組織改建等多種生物學機制，促進牙周膜細胞增殖分化和牙周軟硬組織的再生修復，不失為安全無創、簡單有效的治療手段，在牙周病治療后牙周組織的修復再生研究領域有著廣闊的前景。但盡管LIPUS對牙周組織修復再生有明顯的促進作用和部分作用機制已為很多動物實驗和細胞培養研究所證實，但在牙周治療領域仍屬于較新的治療方法，其生物學機理和臨床應用尚待進一步研究。

［1］曹采方.臨床牙周病學［M］.北京:北京大學醫學出版社，2009:161.

［2］王文平，孫江川，常淑芳.低強度脈沖超聲的臨床應用進展［J］.重慶醫學雜志，2008，37(24):2842 －2844.

［3］Hckman K，Ryaby JP，McCabe J，et al.Anabolic of tibial fracture－healing by non－invasive，low－intensity pulsed ultrasound［J］.J Bone Joint Surg Am，1994，76(1):26 －34.

［4］曹采方.臨床牙周病學［M］.北京:北京大學醫學出版社，2009:7－8.

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

［6］吳鵬，宋錦璘，馮格，等.低強度脈沖超聲波對Beagle犬牙槽骨缺損的修復效應［J］.華西口腔醫學雜志，2010;28(5):522－525.

［7］何平，高翔，宋錦璘，等.低強度脈沖超聲波對Beagle犬Ⅱ度根分叉病變的輔助效應［J］.中國組織工程研究與臨床康復，2011，15(7):1219－1223.

［8］鄭鴻，盧禮，宋錦璘，等.低強度脈沖超聲波聯合引導組織再生術促進牙周骨開窗缺損修復的動物實驗［J］.中華口腔醫學雜志，2011，46(7):431－436.

［9］薛慧，彭惠，楊東紅，等.低強度超聲對大鼠牙槽骨改建中BMP－2表達的影響［J］.黑龍江醫藥科學，2007，30(6):9 －10.

［10］Reher P，Doan N，Bradnock B，et al.Therapeutic ultrasound for osteoradionecrosis:an in vitro comparison between 1MHz and 45kHz machines［J］.Eur J Cancer，1998，34(12):1962 －1968.

［11］Inubushi T，Tanaka E，Rego EB，et al.Effects of ultrasound on the proliferation and differentiation of cementoblast lineage cells［J］.J Periodontal，2008，79(10):1984 －1990.

［12］Ishikawa S，Iwasaki K，Komaki M，et al.Role of ascorbic acid in periodontal ligament cell differentiation［J］.J Periodontol，2004，75(5):709－716.

［13］楊尊，任蕾西，宋錦璘，等.低強度脈沖超聲波刺激對人類牙周膜細胞BMP－2表達效應的研究［J］.中國美容醫學，2011，20(5):767－770.

［14］Zaman KU，Sugaya T，Kato H.Effect of recombinant human platelet－derived growth factor－BB and bone morphogenetic protein－2 application to demineralized dentin on early periodontal ligament cell response［J］.J Periodontal Res，1999，34(5):244－250.

［15］Parvizi J，Paroura V，Greenleaf JF.Calcium signaling is required for ultrasound－stimulated aggrecan synthesis by rat chondrocytes［J］.J Orthop Res，2002，20(1):51 －57.

［16］Ryaby JT，Mathew J，Duarte－Alves P.Low－intensity pulsed ultrasound affects adenylate cyclase activity and TGF－β synthesis in osteoblastic cells［J］.Trans Orthop Res Soc，1992，7(3):590－596.

［17］Oates TW，Kose KN，Xie JF，et al.Receptor binding of PDGF－AA and PDGF－BB，and the modulation of PDGF receptors by TGF－beta，in human periodontal ligament cells［J］.J Cell Physiol，1995，162(3):359 －366.

［18］Dennison DK，Vallone DR，Pinero GJ，et al.Differential effect of TGF－β 1 and PDGF on proliferation of periodontal ligament cells and gingival fibroblasts［J］.J Periodontol，1994，65(7):641－648.

［19］Millhot JM，Schuster GS，Garnick JJ，et al.Human periodontal ligament and gingival fibroblast response to TGF－beta 1 stimulation［J］.J Clin Periodontol，1995，22(9):679 －685.

［20］陳廣棟，陳建常.低強度脈沖超聲波促進組織工程骨血管化重建的研究進展［J］.中國矯形外科雜志，2010，18(17):1450－1452.

［21］王成，曾融生.低強度脈沖超聲在頜骨牽張成骨中的應用［J］.國際口腔醫學雜志，2007，34(5):374 －377.

［22］Shimazaki A，Inui K，Azuma Y，et al.Low－intensity pulsed ultrasound accelerates bone maturation in distraction osteogenesis in rabbits［J］.J Bone Joint Surg Br，2000，82(7):1077 －1082.

［23］任可，蘇佳燦，許碩貴，等.低強度超聲促進骨折愈合研究進展［J］.現代康復，2000，4(12):1856 －1857.

［24］袁奎封，來慶國，李德仁，等.低強度超聲在下頜埋伏智牙拔除術中的應用［J］.上海口腔醫學，2006，15(5):497 －499.

［25］Kobayashi Y，Sakai D，Iwashina T，et al.Low－intensity pulsed ultrasound stimulates cell proliferation，proteoglycan synthesis and expression of growth factor－related genes in human nucleus pulposus cell line［J］.Eur Cell Mater，2009，17(1):15－22.