DOI: https://doi.org/10.1038/s41368-024-00284-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38418457
تاريخ النشر: 2024-02-28
المؤلف: Wenhao Zheng وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقويم الأسنان وطب الأسنان الوجهية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة القوة المثلى المطلوبة لتحريك الأسنان بشكل فعال مع تقليل الآثار السلبية، مع التركيز بشكل خاص على المنطقة القمية البعيدة (A-D) من الجذور القريبة في نموذج الفئران. باستخدام تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد، حدد الباحثون أن المنطقة A-D حساسة بشكل خاص للقوى التقويمية. وقد لوحظ أنه عند قوة 40 جرام (غ)، كان هناك تراكم للخلايا العظمية الإيجابية للفوسفاتاز الحمضي المقاوم للتارترات (TRAP) في المنطقة A-D، مما يشير إلى بدء امتصاص العظم السنخي وحركة الأسنان اللاحقة. عند 80 غ، وُجدت أيضًا خلايا عظمية إيجابية لـ TRAP على سطح الجذر، مما يتوافق مع امتصاص الجذر الكبير كما تم تأكيده بواسطة التصوير المقطعي المحوسب الدقيق.
تشير النتائج إلى أن 40 غ هي الحد الأدنى من القوة الفعالة لتحقيق حركة الأسنان مع الحد الأدنى من الآثار الجانبية، كما تم تحديده من خلال تحليلات حركة الأسنان، والانحدار، والتصلب. تسلط استجابة المنطقة A-D للقوى التقويمية الضوء على أهميتها كمؤشر حساس لتقييم القوى المثلى في العلاجات التقويمية. توفر هذه الأبحاث رؤى حاسمة يمكن أن تساعد في تطوير استراتيجيات لمنع وتقليل امتصاص الجذر أثناء الإجراءات التقويمية لدى المرضى.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الطلب المتزايد على العلاج التقويمي بين البالغين، الذين يقدمون تحديات فريدة بسبب استجابة أنسجتهم الأقل للقوى التقويمية مقارنة بالمراهقين. تعتمد فعالية حركة الأسنان التقويمية (OTM) على الرباط اللثوي (PDL) واستجاباته البيولوجية المرتبطة به، والتي تتأثر بحجم القوى المطبقة. يُقترح أن تكون القوة التقويمية المثلى (OOF) هي أخف قوة تثير استجابة بيولوجية قصوى، ومع ذلك لا يزال هناك عدم توافق بشأن حجمها الدقيق. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى فهم أفضل لتوزيع الإجهاد والاستجابات البيولوجية داخل الرباط اللثوي لتعريف OOF، خاصة من خلال طرق متقدمة مثل تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد (FEA) والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (micro-CT).
تشير النتائج إلى أن امتصاص الجذر يحدث بشكل رئيسي في المنطقة A-D من الجذر القريب تحت قوى مفرطة (≥80 غ)، بينما تبدو القوى من 40-60 غ مثالية لـ OTM دون التسبب في امتصاص الجذر الكبير. تكشف الدراسة أن المنطقة A-D حاسمة لتقييم OOF، حيث تظهر نشاطًا بيولوجيًا متزايدًا واستجابات خلوية تحت هذه القوى. ومن الجدير بالذكر أن تعبير مؤشرات امتصاص العظم وتكاثر الخلايا بلغ ذروته عند 40 غ، مما يشير إلى أن هذه القوة قد توازن بشكل فعال بين الفوائد العلاجية مع الحد الأدنى من الآثار السلبية. بشكل عام، تقترح الأبحاث أن المنطقة A-D يمكن أن تكون نقطة محورية لتقييم حركة الأسنان وتوقع OOF مخصص في الممارسة التقويمية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام ذكور الفئران من نوع سبراجي-داولي، التي تبلغ من العمر ستة أسابيع، للتحقيق في تأثيرات الأجهزة التقويمية. تم تخصيص 36 فأرًا بشكل عشوائي إلى ست مجموعات (A-F) بناءً على وزنها، مما يضمن توزيعًا متوازنًا. تم إيواء الحيوانات تحت ظروف خالية من مسببات الأمراض (SPF) مع الوصول إلى طعام الفئران القياسي والماء، مع الالتزام بدورة ضوء/ظلام مدتها 12 ساعة. تم الموافقة على جميع البروتوكولات التجريبية من قبل لجنة رعاية واستخدام الحيوانات المؤسسية (رقم IACUC: 2639).
بعد فترة تأقلم لمدة أسبوعين، تم تخدير الفئران باستخدام بنتوباربيتال الصوديوم (40 ملغ/كغ) لتركيب الأجهزة التقويمية. لتقليل معدل الانسحاب العالي لهذه الأجهزة بسبب الانفجار المستمر للأنياب، تم تطبيق قطع إضافية وربط عند هامش اللثة. تم قياس القوة الناتجة عن النوابض الحلزونية بدقة باستخدام مقياس ديناميكي رقمي. لتقليل آثار إزاحة الأسنان القريبة، تم إجراء فحوصات يومية وإعادة تنشيط أسبوعية للأجهزة التقويمية. بعد فترة تحميل مدتها أسبوعين، تم جمع عينات من الفك العلوي لمزيد من التحليل، مع تطبيق بروتوكولات مماثلة لفترة تحميل طويلة الأمد مدتها أربعة أسابيع.
النتائج
تكشف نتائج الدراسة عن توزيع دقيق للإجهاد داخل الرباط اللثوي (PDL) أثناء حركة الأسنان التقويمية، خاصة في الأسنان متعددة الجذور. على عكس النتائج السابقة التي اقترحت منطقة ضغط تقع بشكل رئيسي على الجانب القريب، حددت هذه التحقيقات باستخدام تحليل العناصر المحدودة (FEA) على الضرس الأول (M1) إجهادًا ضاغطًا ليس فقط في المنطقة القمية القريبة (C-M) ولكن أيضًا في المنطقة القمية البعيدة (A-D) من الجذر القريب (MR) والجذر القريب الحنكي (MPR). وهذا يشير إلى تفاعل أكثر تعقيدًا أثناء إعادة تشكيل العظم السنخي مما كان مفهوماً سابقًا.
بالإضافة إلى ذلك، تم ملاحظة إجهاد شد في المناطق القمية القريبة (A-M) والبعيدة العنقية (C-D) من MR وMPR، بينما أظهرت الجذور الأخرى إجهادًا ضاغطًا محصورًا في المنطقة C-M. تشير هذه النتائج إلى أن توزيع الإجهاد في MR وMPR يختلف عن ذلك في الجذور الأخرى، مما يعني تعقيدات محتملة في امتصاص العظم السنخي وميكانيكا حركة الضرس أثناء العلاج التقويمي.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على الدور المهم للقوة التقويمية في تعزيز ميل الضرس من خلال امتصاص العظم السنخي، خاصة في المنطقة القمية البعيدة (A-D) من الجذور القريبة (MR). أظهرت التحليلات النسيجية أن تكوين الخلايا العظمية، المشار إليه بوجود خلايا إيجابية لـ TRAP، كان أكثر وضوحًا في المنطقة A-D مقارنةً بالمنطقة القريبة العنقية (C-M) مع زيادة القوة المطبقة. ومن الجدير بالذكر أن قوة 40 جرام (غ) تم تحديدها كحد أدنى مطلوب لبدء حركة الأسنان الفعالة مع الحد الأدنى من امتصاص الجذر، مما يجعلها القوة التقويمية المثلى (OOF). وجدت الدراسة أيضًا أن القوى المفرطة (≥80 غ) لم تؤدي فقط إلى زيادة امتصاص العظم السنخي ولكن أيضًا إلى امتصاص الجذر، مما يؤثر على ديناميات حركة الأسنان بشكل عام.
علاوة على ذلك، استكشفت الأبحاث الاستجابة الالتهابية المرتبطة بتفاوت أحجام القوى، كاشفة أن القوى الأعلى (140 غ) تتوافق مع زيادة تسلل الخلايا البالعة الشبيهة بـ M1 الالتهابية وزيادة تعبير السيتوكينات الالتهابية (IL-1β، TNF-α، IL-6) في المنطقة A-D. وهذا يشير إلى أن الاستجابة البيولوجية في هذه المنطقة حاسمة لفهم ميكانيكا حركة الأسنان التقويمية (OTM). تشير النتائج إلى أن المنطقة A-D حساسة بشكل خاص لأحجام القوى، مما يؤثر على كل من نمط OTM وإمكانية امتصاص الجذر. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية تحسين تطبيق القوة في العلاج التقويمي لتقليل الآثار السلبية مع تحقيق حركة الأسنان المرغوبة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41368-024-00284-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38418457
Publication Date: 2024-02-28
Author(s): Wenhao Zheng et al.
Primary Topic: Orthodontics and Dentofacial Orthopedics
Overview
The study investigates the optimal orthodontic force required for effective tooth movement while minimizing adverse effects, specifically focusing on the apical distal (A-D) region of mesial roots in a rat model. Utilizing 3D finite element analysis, the researchers identified that the A-D region is particularly sensitive to orthodontic forces. They observed that at a force of 40 grams (g), there was an accumulation of tartrate-resistant acidic phosphatase (TRAP)-positive osteoclasts in the A-D region, indicating the onset of alveolar bone resorption and subsequent tooth movement. At 80 g, TRAP-positive osteoclasts were also found on the root surface, correlating with significant root resorption as confirmed by micro-computed tomography.
The findings suggest that 40 g is the minimum effective force for achieving tooth movement with minimal side effects, as determined through analyses of tooth movement, inclination, and hyalinization. The A-D region’s response to orthodontic forces highlights its importance as a sensitive indicator for evaluating optimal forces in orthodontic treatments. This research provides critical insights that could help in developing strategies to prevent and minimize root resorption during orthodontic procedures in patients.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the increasing demand for orthodontic treatment among adults, who present unique challenges due to their lower tissue responsiveness to orthodontic forces compared to adolescents. The effectiveness of orthodontic tooth movement (OTM) is contingent upon the periodontal ligament (PDL) and its associated biological responses, which are influenced by the magnitude of applied forces. An optimal orthodontic force (OOF) is proposed as the lightest force that elicits a maximum biological response, yet consensus on its precise magnitude remains elusive. The study emphasizes the need for a better understanding of stress distribution and biological responses within the PDL to define the OOF, particularly through advanced methods like 3D finite element analysis (FEA) and microcomputed tomography (micro-CT).
The findings indicate that root resorption predominantly occurs in the A-D region of the mesial root under excessive forces (≥80 g), while forces of 40-60 g appear optimal for OTM without causing significant root resorption. The study reveals that the A-D region is critical for evaluating the OOF, as it shows increased biological activity and cellular responses under these forces. Notably, the expression of bone resorption indicators and cellular proliferation peaked at 40 g, suggesting that this force may effectively balance therapeutic benefits with minimal adverse effects. Overall, the research proposes that the A-D region can serve as a focal point for assessing tooth movement and predicting personalized OOF in orthodontic practice.
Methods
In this study, male Sprague-Dawley rats, aged six weeks, were utilized to investigate orthodontic appliance effects. A total of 36 rats were randomly assigned to six groups (A-F) based on their weight, ensuring a balanced distribution. The animals were housed under specific pathogen-free (SPF) conditions with access to standard rodent chow and water, adhering to a 12-hour light/dark cycle. All experimental protocols were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC number: 2639).
Following a two-week acclimatization period, the rats were anesthetized with pentobarbital sodium (40 mg/kg) for the installation of orthodontic appliances. To mitigate the high dropout rate of these appliances due to the continuous eruption of the incisors, additional undercuts and ligations were applied at the gingival margin. The force exerted by the coil springs was meticulously measured using a digital dynamometer. To minimize the effects of mesial tooth displacement, daily checks and weekly reactivations of the orthodontic appliances were conducted. After a loading period of two weeks, maxillary specimens were collected for further analysis, with similar protocols applied for a long-term loading duration of four weeks.
Results
The results of the study reveal a nuanced distribution of stress within the periodontal ligament (PDL) during orthodontic tooth movement, particularly in multirooted teeth. Contrary to earlier findings that suggested a pressure zone primarily located on the mesial side, this investigation using finite element analysis (FEA) on the first molar (M1) identified compressive stress not only in the cervical mesial (C-M) region but also in the apical distal (A-D) region of the mesial root (MR) and the mesial palatal root (MPR). This indicates a more complex interaction during alveolar bone remodeling than previously understood.
Additionally, tensile stress was observed in the apical mesial (A-M) and cervical distal (C-D) regions of the MR and MPR, while other roots exhibited compressive stress confined to the C-M region. These findings suggest that the stress distribution in the MR and MPR is distinct from that of other roots, implying potential complexities in alveolar bone resorption and the mechanics of molar movement during orthodontic treatment.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant role of orthodontic force in promoting molar tipping through alveolar bone resorption, particularly in the apical distal (A-D) region of mesial roots (MR). Histological analyses demonstrated that osteoclastogenesis, indicated by the presence of tartrate-resistant acidic phosphatase (TRAP)-positive cells, was more pronounced in the A-D region compared to the cervical mesial (C-M) region as the applied force increased. Notably, a force of 40 grams (g) was identified as the minimum required to initiate effective tooth movement with minimal root resorption, establishing it as the optimal orthodontic force (OOF). The study also found that excessive forces (≥80 g) not only led to increased alveolar bone resorption but also resulted in root resorption, affecting the overall tooth movement dynamics.
Furthermore, the research explored the inflammatory response associated with varying force magnitudes, revealing that higher forces (140 g) correlated with increased infiltration of pro-inflammatory M1-like macrophages and elevated expression of inflammatory cytokines (IL-1β, TNF-α, IL-6) in the A-D region. This suggests that the biological response in this area is crucial for understanding the mechanics of orthodontic tooth movement (OTM). The findings indicate that the A-D region is particularly sensitive to force magnitudes, influencing both the pattern of OTM and the potential for root resorption. Overall, the study emphasizes the importance of optimizing force application in orthodontic treatment to minimize adverse effects while achieving desired tooth movement.