*Marcel Firlej, Ewa Firlej, Agata Micker, Katarzyna Cieślińska, Aneta Olszewska, Anna Szponar-Żurowska, Barbara Biedziak
Wpływ ultradźwięków pulsacyjnych o niskim natężeniu na przebieg leczenia ortodontycznego
Klinika Wad Rozwojowych Twarzy, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu
Kierownik Kliniki: dr hab. n. med. Barbara Biedziak
Metoda zwana LIPUS (ultradz?wie?ki pulsacyjne o niskim nate?z?eniu, ang. low-intensity pulsed ultrasound) jest w medycynie obecna od ponad 20 lat. Od tamtego czasu badany był wpływ tych fal na wzrost proliferacji komórek kościotwórczych i remodelowanie kości na poziomie molekularnym (1), m.in. w leczeniu złamań.
Obecnie w medycynie aplikacja ultradz?wie?ko?w pulsacyjnych o niskim nate?z?eniu znajduje zastosowanie w leczeniu złamań kości (2), zapobieganiu resorpcji korzeni zębów w leczeniu ortodontycznym (3), indukcji odontogenezy niewykształconych zębów (4), zwiększeniu wzrostu żuchwy u dzieci z połowicznym niedorozwojem twarzy (5), indukcji gojenia tkanek miękkich, takich jak chrząstka (6), czy w przyspieszeniu gojenia mięśni po ich przecięciu (7). Dotychczasowo większość badań była przeprowadzana na zwierzętach lub in vitro.
Reakcje tkanek na wyzwoloną siłę i ortodontyczny ruch zębów regulowane są wieloma czynnikami. U niektórych pacjentów zastosowanie małych sił ortodontycznych może spowodować kaskadę reakcji biologicznych, a w innych przypadkach zastosowanie sił o dużo większych wartościach nie spowoduje negatywnych efektów klinicznych. Czas trwania leczenia ortodontycznego jest ograniczony indywidualną dla pacjenta zdolnością osteoklastów i osteoblastów do remodelowania kości wyrostka zębodołowego. Proces ortodontycznego ruchu zębów wyzwala zmiany w kształcie i morfologii kości wyrostka zębodołowego oraz tkanek miękkich. Tkanki zęba i przyzębia w odpowiedzi na bodźce uaktywniają mechanizmy naprawcze i dostosowują się do siły aparatów ortodontycznych. Siły zewnętrzne tworzą zlokalizowane obszary „nacisku” i „napięcia” w tkankach przylegających do zębów, a późniejsze reakcje zgodnie z prawem Wolffa wywołują przemodelowanie kostne (8). Wraz ze wzrostem powszechności leczenia ortodontycznego, które obejmuje zasięgiem coraz szersze grupy wiekowe pacjentów, pojawiają się oczekiwania pacjentów co do skrócenia czasu terapii. Sprzyja to rozwojowi nowych rozwiązań technologicznych i powoduje pojawianie się na rynku nowych produktów dedykowanych jako przyspieszające leczenie ortodontyczne. Wśród nich są: zamki, łuki, metody, w zamyśle których jest fizyczna i mechaniczna stymulacja (wibracje, terapia laserowa, prąd elektryczny i pulsujące pola elektromagnetyczne) oraz wspomagana chirurgicznie terapia ortodontyczna (kortykotomia, dystrakcja zębowo-zębodołowa, przecięcie włókien ozębnej).
W metodach niechirurgicznych, czyli nieinwazyjnych, bez naruszenia ciągłości tkanek obserwuje się mniejszą w porównaniu do metod chirurgicznych liczbę powikłań związanych z przyspieszaniem przesunięć zębów podczas leczenia ortodontycznego. Stąd cieszą się one większym zainteresowaniem lekarzy i częściej są wybierane przez pacjentów. Skrócenie czasu leczenia pozostaje jednak nadal dla klinicystów kwestią trudną i złożoną. Celem pracy była analiza zastosowania ultradźwięków o niskim nate?z?eniu w przebiegu leczenia chirurgicznego periodontologicznego i ortodontycznego. Przedmiotem analizy jest omówienie dotychczasowych badań stosowania ultradźwięków pulsacyjnych o niskim natężeniu na przemiany w ludzkim organizmie.
Metoda LIPUS polega na stosowaniu impulsów o częstotliwości 1.5 MHz o długości 200 μs, powtarzanych przy 1 kHz. Średnia przestrzenna i czasowa intensywność to 30 mW/cm2 przez 20 minut dziennie. Uważa się, z?e odpowiedz? naprawcza uwzględniająca stymulacje? LIPUS powstaje dzięki mechanicznemu uciskowi na komórki oraz ruchowi płynu wchodzącemu w interakcje? z błona? komórkowa?. Dodatkowo zwiększona jest adhezja i aktywność cytoszkieletu, która uruchamia wewnątrzkomórkowe sygnały stymulujące transkrypcje? i translacje? określonych genów (9, 10).
Wykazano tez? pozytywny wpływ na aktywność genów, ekspresje? białka oraz czynników wzrostu. To z kolei dodatkowo stymuluje wewnątrzkomórkowe procesy za pomocą mechanoreceptorów zlokalizowanych na ich powierzchni. Ultradz?wie?ki pulsacyjne o niskim nate?z?eniu przyspieszają i indukują przekształcanie komórek macierzystych w osteoblasty (11). Aktywacja czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego VEGF (czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego) powoduje szybsza? waskularyzacje? uszkodzonego obszaru kości zarówno w leczeniu złamań, jak i w ruchach ortodontycznych (11). Ultradz?wie?ki pulsacyjne o niskim nate?z?eniu powodują tez? wzbudzenie cyklooksygenazy. Enzym ten jest aktywowany pod wpływem czynników zapalnych. Wzrastające stężenie izoenzymu COX-2 katalizuje syntezę prostaglandyny PGE2. Dzięki temu osteoblasty uwalniają substancje stymulujące resorpcje? kości przez osteoklasty (1). Ten fakt jest wykorzystywany do leczenia ostrych złamań i w leczeniu braku zrostów kostnych. Fale ultradźwiękowe wpływają na produkcję białka morfogenetycznego kości biorącego udział w tworzeniu nowej tkanki kostnej: BMP-2, -4, -6, -7 (1). Dzięki ultradz?wie?kom zaobserwowano zwiększoną gęstość mineralna? kości w fazie mineralizacji (12). Ultradźwiękowe przyspieszanie gojenia się kości odbywa się na każdym etapie. W początkowej fazie zwanej zapaleniem polega ono na zwiększeniu dzielenia sie? komo?rek okostnej oraz aktywacji czynników wzrostu stymulujących waskularyzacje? potrzebna? do procesu gojenia (11). W drugim etapie kostniny miękkiej zwie?ksza się ro?z?nicowanie chondrocytów w kulturach wywołane TGFB (Transforming growth factor beta – Transformujący czynnik wzrostu beta) oraz przyspiesza wytwarzanie matrycy pozakomórkowej. W etapie kostniny twardej zwiększone są aktywność kostnienia s?ro?dchrze?stnego, mineralizacja (11) oraz ro?z?nicowanie sie? komo?rek osteoblasto?w (13).
Dokładny mechanizm oddziaływania LIPUS na naprawę tkanek nie został jeszcze szczegółowo wyjaśniony. Podejrzewa sie?, z?e wszystkie wymienione efekty biologiczne są spowodowane mechanicznym uciskiem i/lub mikrostrumieniami oddziałującymi na błonę komórkowa?, ogniskowa? adhezje? i na ruchy cytoszkieletu, które uruchamiają wewnątrzkomórkowe sygnały i następową transkrypcje? genów (10).
Skuteczność kliniczna fal ultradz?wie?kowych pulsacyjnych o niskim nate?z?eniu została udowodniona już w 1994 roku na podstawie badania złamania kos?ci piszczelowej. W swoim badaniu w 1997 roku Kristiansen i wsp. udowodnili przyspieszenie gojenia złamania dalszego fragmentu kości promieniowej za pomoca? LIPUS. W ocenie wykorzystali badania pacjentów z kilku klinik. Badanie było prospektywne, randomizowane z podwójnie ślepą próbą i z zastosowaniem placebo (14). Stosowanie LIPUS podczas leczenia braków zrostów również wykazało pozytywna? indukcje? gojenia kości (15). Zbadano także gojenie złamań kości strzałkowej u szczurów na podstawie badan? radiologicznych i biochemicznych (fosfataza zasadowa). W swoim badaniu z 2014 roku Pomini i wsp. z Uniwersytetu z Sao Paulo wykazali, z?e stosowanie ultradz?wie?ko?w pulsacyjnych o niskim nate?z?eniu jest dobra? metoda? pomocnicza? w leczeniu złamań i prawdopodobnie skraca czas gojenia kos?ci, przynosząc pacjentom kliniczne korzyści (16). Pozytywny wpływ ultradz?wie?ko?w w mechanizmie naprawy kości znalazł zastosowanie także w stomatologii podczas zabiegów osteogenezy dystrakcyjnej i w procesach gojenia po osteotomii oraz po zabiegach przeszczepu bloku kostnego.
1. Naruse K, Sekiya H, Harada Y et al.: Prolonged endochondral bone healing in senescence is shortened by low-intensity pulsed ultrasound in a manner dependent on COX-2. Ultrasound Med Biol 2010; 36(7): 1098-1108.
2. Mundi R, Petis S, Kaloty R et al.: Low-intensity pulsed ultrasound: Fracture healing. Indian J Orthop 2009; 43(2): 132-140.
3. El-Bialy T, El-Shamy I, Graber T: Repair of orthodontically induced root resorption by ultrasound in humans. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2004; 126(2): 186-193.
4. Rego EB: Current Status of Low Intensity Pulsed Ultrasound for Dental Purposes. The Open Dentistry Journal 2012; 6: 220-225.
5. El-Bialy T, Hasan A, Janadas A, Albaghdad T: Nonsurgical treatment of hemifacial microsomia by therapeutic ultrasound and hybrid functional appliance. Br Med Bull 2010; (2): 29-36.
6. Khanna A, Nelmes RTC, Gougoulias N et al.: The effects of LIPUS on soft-tissue healing: a review of literature. Br Med Bull 2009; 89(1): 169-182.
7. Chan YS, Hsu KY, Kuo CH et al.: Using Low-Intensity Pulsed Ultrasound to Improve Muscle Healing After Laceration Injury: An in vitro and in vivo Study. Ultrasound in Medicine and Biology 2010; 36(5): 743-751.
8. Masella RS, Meister M: Current concepts in the biology of orthodontic tooth movement. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2006; 129(4): 458-468.
9. Romano CL, Romano D, Logoluso N: Low-intensity pulsed ultrasound for the treatment of bone delayed union or nonunion: a review. Ultrasound Med Biol 2009; 35(4): 529-536.
10. Khan Y, Laurencin CT: Fracture repair with ultrasound: clinical and cell-based evaluation. J Bone Joint Surg Am 2008; 90 (suppl.): 138-144.
11. Yang RS, Lin WL, Chen YZ et al.: Regulation by ultrasound treatment on the integrin expression and differentiation of osteoblasts. Bone 2005; 36: 376-383.
12. Schofer MD, Block JE, Aigner J, Schmelz A: Improved healing response in delayed unions of the tibia with low-intensity pulsed ultrasound: results of a randomized sham-controlled trial. BMC Musculoskelet Disord 2010; 11(1): 229.
13. Lai CH, Chen SC, Chiu LH et al.: Effects of low-intensity pulsed ultrasound, dexamethasone/TGF-ß1 and/or BMP-2 on the transcriptional expression of genes in human mesenchymal stem cells: chondrogenic vs. osteogenic differentiation. Ultrasound Med Biol 2010; 36(6): 1022-1033.
14. Kristiansen TK, Ryaby JP, McCabe J et al.: Accelerated healing of distal radial fractures with the use of specific, low-intensity ultrasound. A multicenter, prospective, randomized, double-blind, placebo-controlled study. J Bone Joint Surg Am 1997; 79(7): 961-973.
15. Nolte PA, van der Krans A, Patka P et al.: Low-intensity pulsed ultrasound in the treatment of nonunions. J Trauma 2001; 51(4): 693-703.
16. Pomini KT, Andreo JC, Rodrigues Ade C et al.: Effect of low-intensity pulsed ultrasound on bone regeneration: biochemical and radiologic analyses. J Ultrasound Med 2014; 33(4): 713-717.
17. Scheven BA, Man J, Millard JL et al.: VEGF and odontoblast-like cells: stimulation by low frequency ultrasound. Arch Oral Biol 2009; 54: 185-191.
18. Nakashima M, Tachibana K, Iohara K et al.: Induction of reparative dentin formation by ultrasound mediated gene delivery of growth/differentiation factor 11. Hum Gene Ther 2003; 14: 591-597.
19. El-Bialy TH, el-Moneim Zaki A, Evans CA: Effect of ultrasound on rabbit mandibular incisor formation and eruption after mandibular osteodistraction. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2003; 124: 427-434.
20. Rego EB, Inubushi T, Miyauchi M et al.: Ultrasound stimulation attenuates root resorption on rat replanted molars and impairs TNF-α signaling in vitro. J Periodont Res 2011; 46: 648-654.
21. Kiyokawa T, Motoyoshi M, Inaba M et al.: A preliminary study of effects of low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) irradiation on dentoalveolar ankylosis. J Oral Sci 2017; 59(3): 447-451.
22. Tehranchi A, Badiee M, Younessian F et al.: Effect of Low-intensity Pulsed Ultrasound on Postorthognathic Surgery Healing Process. Ann Maxillofac Surg 2017; 7(1): 25-29.
23. Tanzer M, Harvey E, Kay A et al.: Effect of noninvasive low intensity ultrasound on bone growth into porous-coated implants. J Orthop Res 1996; 14(6): 901-906.
24. Hsu SK, Huang WT, Liu BS et al.: Effects of near-field ultrasound stimulation on new bone formation and osseointegration of dental titanium implants in vitro and in vivo. Ultrasound Med Biol 2011; 37: 403-416.
25. Ustun Y, Erdogan O, Kurkcu M et al.: Effects of low-intensity pulsed ultrasound on dental implant osseointegration a preliminary report. Eur J Dent 2008; 2: 254-256.
26. Mostafa NZ, Uludağ H, Dederich DN et al.: Anabolic effects of low-intensity pulsed ultrasound on human gingival fibroblasts. Arch Oral Biol 2009; 54(8): 743-748.
27. Ikai H, Tamura T, Watanabe T et al.: Low-intensity pulsed ultrasound accelerates periodontal wound healing after flap surgery. J Periodont Res 2008; 43: 212-216.
28. Shiraishi R, Masaki C, Toshinaga A et al.: The effects of low-intensity pulsed ultrasound exposure on gingival cells. J Periodontol 2011; 82: 1498-1503.
29. Chen R, Chiba M, Mori S et al.: Periodontal gene transfer by ultrasound and nano/microbubbles. J Dent Res 2009; 88: 1008-1013.
30. Wang Y, Qiu Y, Li J et al.: Low-intensity pulsed ultrasound promotes alveolar bone regeneration in a periodontal injury model. Ultrasonics 2018; 90: 166-172.
31. Shirakata Y, Imafuji T, Sena K et al.: Periodontal tissue regeneration after low-intensity pulsed ultrasound stimulation with or without intra-marrow perforation in two-wall intra-bony defects-A pilot study in dogs. J Clin Periodontol 2020; 47(1): 54-63.
32. Kasahara Y, Usumi-Fujita R, Hosomichi J et al.: Low-intensity pulsed ultrasound reduces periodontal atrophy in occlusal hypofunctional teeth. Angle Orthod 2017; 87(5): 709-716.
33. Xue H, Zheng J, Cui Z et al.: Low-intensity pulsed ultrasound accelerates tooth movement via activation of the BMP-2 signaling pathway. PLoS One 2013; 8(7): e68926.
34. Matias MA, Li H, Young WG, Bartold PM: Immunohistochemical localization of extracellular matrix proteins in the periodontium during cementogenesis in the rat molar. Arch Oral Biol 2003; 48: 709-716.
35. Bosshardt DD: Are cementoblasts a subpopulation of osteoblasts or a unique phenotype? J Dent Res 2005; 84: 390-406.
36. Pavlin D, Gluhak J: Effect of mechanical loading on periodontal cells. Crit Rev Oral Biol Med 2001; 12: 414-424.
37. Dalla-Bona DA, Tanaka E, Oka H et al.: Effects of ultrasound on cementoblast metabolism in vitro. Ultrasound Med Biol 2006; 32: 943-948.
38. Dalla-Bona DA, Tanaka E, Inubushi T et al.: Cementoblast response to low- and high-intensity ultrasound. Arch Oral Biol 2008; 53: 318-323.
39. Rego EB, Inubushi T, Kawazoe A et al.: Ultrasound stimulation induces PGE2 synthesis promoting cementoblastic differentiation through EP2/EP4 receptor pathway. Ultrasound Med Biol 2010; 36: 907-915.
40. Gul Amuk N, Kurt G, Guray E: Effects of Photobiomodulation and Ultrasound Applications on Orthodontically Induced Inflammatory Root Resorption; Transcriptional Alterations in OPG, RANKL, Cox-2: An Experimental Study in Rats. Photomed Laser Surg 2018; 36(12): 653-659.
41. Alazzawi MMJ, Husein A, Alam MK et al.: Effect of low-level laser and low intensity pulsed ultrasound therapy on bone remodeling during orthodontic tooth movement in rats. Prog Orthod 2018; 19(1): 10.
42. Liu Z, Xu J, Wang D: Ultrasound enhances the healing of orthodontically induced root resorption in rats. Angle Orthod 2012; 82(1): 48-55.
43. El-Bialy T, Lam B, Aldaghreer S, Sloan AJ: The effect of low intensity pulsed ultrasound in a 3D ex vivo orthodontic model. J Dent 2011; 39(10): 693-699.
44. Pavlin D, Anthony R, Raj V, Gakunga PT: Cyclic loading (vibration) accelerates tooth movement in orthodontic patients: A double-blind, randomized controlled trial. Seminars in Orthodontics 2015; 21(3): 187-194.
45. Lobre WD, Brent J, Gardner G et al.: Pain control in orthodontics using a micropulse vibration device: A randomized clinical trial. The Angle Orthodontist 2016; 86(4): 625-630.
46. Fujita M, Sato-Shigeta M, Mori H et al.: Protective Effects of Low-Intensity Pulsed Ultrasound on Mandibular Condylar Cartilage Exposed to Mechanical Overloading. Ultrasound Med Biol 2019; 45(4): 944-953.
47. Ravindran S, Chaudhary M, Tumsare M et al.: A Scanning electron microscopic study of the patterns of external root resorption under different conditions. J Appl Oral Sci 2009; 17: 481-486.
