دانلود رایگان مقاله رابطه بین کیفیت استخوان و یکپارچگی استخوانی

چکیده

     انواع روش های طبقه بندی بالینی به عنوان وسیله ای برای شناسایی محل هایی در حفره دهان که در آن Osseo integration ایمپلنت احتمالا با موفقیت همراه است ،پیشنهاد شده است . اکثر طرح ها بر اساس ویژگی های ساختاری استخوان هستند، به عنوان مثال، درجه نسبی تراکم استخوان ، استخوان هموژن (نوع I) و استخوان اسفنجی ترابکولا (نوع III). با این وجود، هیچ کدام از این طرحها ویژگی های بیولوژیکی بالقوه استخوان را در نظر نمی گیرند. در اینجا، ما برای شناسایی و توصیف استخوان های نوع I و نوع III در فک موش ، از تحلیل های چند متغیره استفاده کردیم. سپس این ابزارهای تحلیلی را با مدل های in vivo استئوتومی و ایمپلنت Osseo integration ترکیب می کنیم تا تعیین کنیم که کدام نوع از روش های بهبود استخوان سریع تر است و یا بهتر از دیگر روش ها از یکپارچگی استخوانی پشتیبانی می کند. به طور خلاصه، این مطالعات همبستگی مثبت قوی بین میزان بازسازی استخوان، فعالیت های میتوزی و بهبود محل استئوتومی در استخوان نوع III و سیگنالینگ بالای Wnt اندوژن نشان داد. این همبستگی مثبت با مشاهداتی که نشان داد که ماتریکس استئوئیدی که مسئول osseointegration ایمپلنت است، از سلولهای واکنش Wnt و دودمان آنها به دست می آید، تقویت می شد. استفاده بالقوه از این دانش در عمل بالینی، همراه با یک نظریه که نقش بیولوژی و مکانیک در osseointegration ایمپلنت را ادغام می کند، مورد بحث قرار گرفته است. 

مقدمه

     Osseointegration ایمپلنت موفقیت آمیز بستگی به کیفیت و کمیت استخوان بین سطحی دارد، اما اندازه گیری کیفیت استخوان ها اساسا دشوار است (Licata 2009). انواع مختلفی از روشهای طبقه بندی بالینی برای رفع این شکاف علمی ارائه شده است و اکثر آنها بر اساس مقدار نسبی استخوان کورتیکال فشرده به استخوان ترابکولار اسفنجی (Lekholm and Zarb 1985؛ Misch 1989) است. نوع I استخوان به عنوان استخوان با حداقل عروق و همگن ترین در نظر گرفته می شود، نوع II ترکیبی از استخوان کورتیکال با حفره دارای مغز استخوان است، نوع III عمدتا از استخوان ترابکولار تشکیل شده و نوع IV با داشتن کورتکس بسیار نازک و ترابکول با تراکم پایین (Lekholm and Zarb 1985) شناخته شده است و به طور کلی قادر به حمایت از ایمپلنت (He et al. 2015) نیست . گونه های استخوانی به گونه های چوبی اعم از درخت بالسا تا بلوط (گرینستاین و همکاران 2010) مشابه هستند، در حالیکه روش های طبقه بندی بعدی انواع استخوان را با استفاده از مقادیر کمی مشخص کردند (Turkyilmaz و همکاران 2008). با وجود چنین پیشرفت هایی، ارزش تشخیصی بسیاری از این برنامه ها همچنان مورد سوال است (Ribeiro-Rotta et al. 2007؛ Ribeiro-Rotta et al. 2011؛ Lindh et al.، 2014). 

     پس از آن، این مسئله نقطه شروع برای مطالعه ما بود: برای درک این که چرا برخی از سایت های داخل دهان بهتر از سایر مکان ها از osseointegration حمایت می کنند. ما تصمیم گرفتیم که از یک مدل موشی، به دلیل زیاد بودن ابزار تحلیلی (مولکولی، سلولی، ژنتیک) در دسترس استفاده کنیم . اولین هدف ما این بود که استخوانهای فک را از لحاظ ریز ساختارها ، تراکم نسبی / ظاهری و میزان چرخش آنها طبقه بندی کنیم. هدف دوم ما استفاده از مدل های in vivo (بهبودی محل استئو اتومی و osseointegration ایمپلنت) برای تعیین این است که کدام نوع التیام استخوان سریعتر است و از osseointegration بهتر از دیگران حمایت می کند. به طور خلاصه، این مطالعات همبستگی مثبت قوی بین میزان بازسازی استخوان، فعالیت های میتوزی و التیام محل استئو اتومی در استخوان نوع III و سیگنالینگ بالای Wnt اندوژن را نشان داد. پیامدهای درمانی بالقوه این داده ها، همراه با یک مدل که داده های بیولوژیکی ما را در مورد مکانیک و osseointegration ایمپلنت ادغام کرده است، مورد بحث قرار گرفته است. 

مواد و روش ها

حیوانات در گروه آزمایش و کنترل

     روش ها توسط کمیته دانشگاه تحقیقاتی دانشگاه استنفورد (13146) تایید شده و مطابق با دستورالعمل ARRIVE ( Kilkenny و همکاران 2011) می باشد. گروه آزمایشی در جدول پیوست 1 ارائه شده است. برای تحریک بیان + / Axin2CreERT2/+; R26RmTmG در موش ، دوز منفرد (4 میلی گرم / 25 میلی گرم وزن بدن) تاموکسیفن به صورت داخل صفاقی 2 روز قبل از عمل تزریق شد. دوز و طول مدت دوره کمون تایید شد (Ransom et al 2016). 

     4 گروه تجربی وجود داشت که حیوانات به صورت تصادفی بین آنها تقسیم شدند (جدول پیوست 1). در یک گروه، آنالیز چندمرحله ای بر روی استخوان آلوئولی اولیه (دست نخورده) و ریج بی دندان  برای مشخص کردن انواع استخوان انجام شد. در گروه دوم، استخراج سوکت التیام (سوکت بعد از جراحی) برای نظارت بر اینکه محل بهبود یافته، استخوان نوع III بوده است، انجام شد. در گروه سوم، میزان بهبودی استئواتومی در استخوانهای نوع I و III تعیین شد. در گروه چهارم، osseointegration ایمپلنت به عنوان تابعی از نوع استخوان مورد ارزيابی قرار گرفت. برای به حداقل رساندن تعداد حیوانات و کنترل تنوع بینابینی، یک طرح اسپلیت دهان استفاده شد. برای به حداقل رساندن تعداد حیوانات و کنترل تغییرات بین حیوانات، یک طرح تقسیم دهان  استفاده شد. قسمت آزمایشی، استخوان استخراج شده از محل مشخص شده بود.

جراحی

     پس از یک سطح مناسب بیهوشی از طریق تزریق داخل صفاقی کتامین / xylazine، مولرهای اولیه ماگزیلاری (به عنوان مثال، M1) استخراج شد. خونریزی توسط فشرده سازی موضعی کنترل می شود. موش ها با رژیم غذایی منظم تغذیه شدند و در گروه های 5 نفره قرار گرفتند. تغییرات وزن <10٪ بود. هیچ عوارض جانبی (مثلا درد ناخواسته، عفونت، التهاب طولانی مدت) رخ نداد. 

     پس از 4 هفته، موشها بیهوش شدند و 2 استئوتومی با استفاده از یک مته جراحی میکروسکوپی  ایجاد شد. یک استئوتومی با استفاده از یک موتور دندانی کم سرعت (800 دور در دقیقه) در محل استخراج بهبود یافته M1 ایجاد شد و دیگری در ریج بی دندان طرف مقابل (جدول پیوست 1) ایجاد شد. در یک زیرمجموعه از حیوانات، ایمپلنت های آلیاژ تیتانیوم (RETOPIN؛ Edenta) در استئوتومی معادل قرار داده شد ؛ دوباره، هیچ رویدادی ناخواسته ایجاد نشد.

آماده سازی نمونه، بافت شناسی، آزمایش سلولی، و واکنش PCR Real-Time کمی (qRT-PCR)

     موش ها در روزهای پس از استئوتومی (PODs) و یا روزهای پس از ایمپلنت (PID ها) قربانی شدند و برای آنالیز نشان دار و آماده شدند (جدول ضمیمه 2). برای qRT-PCR، ماکزیلا ها جدا شدند، بافت های نرم برداشته شد و از پانچ بیوپسی 2 میلیمتری برای جمع آوری استخوان از ریج بی دندان و محل استخراج التیام یافته برای استخراج RNA استفاده شد (Minear و همکاران، 2010). سطح بیان ژن با روش ΔΔCt تعیین شد و با مقادیر GAPDH نرمالایز شد. واکنش ها سه بار انجام شد و میانگین ها ± خطاهای استاندارد محاسبه شد. توالی پرایمر در جدول پیوست 2 ارائه شده است. 

آنالیز هیستومورفومتری و میکرو توموگرافی کامپیوتری میکروسکوپی (μCT)

     اندازه گیری های هیستومورفومتریک از حداقل 4 بخش بافت برای اندازه گیری مقدار استخوان جدید در اطراف ایمپلنت استفاده می شود (یین و همکاران، 2015). اندازه گیری های هیستومورفومتریک از حداقل 4 بخش بافت برای اندازه گیری مقدار استخوان جدید در اطراف ایمپلنت استفاده کرد (یین و همکاران، 2015). درصد تشکیل استخوان جدید با استفاده از نسبت تشکیل استخوان جدید / کل ناحیه استخوان - ایمپلنت محاسبه شد. 

     اسکنهای ماگزیلار موشی با رزولشن 4 میکرومتر (MicroXCT؛ Xradia) تکمیل شد. حجم های مورد نظر برای آنالیز ریزساختارهای بر ریج بی داندان پیشین در قسمت قدام M1 و سوکت ترمیم ، متمرکز بود. از کل پلاگین BoneJ مبتنی بر هیستوگرام انباشته (نسخه 1.4.1) (نسخه 1.4.1) برای تقسیم بندی اتوماتیک دوتایی استخوان (Doube et al 2010) و برای ارزیابی حجم استخوان / کل حجم (BV / TV)، فضای ترابکولار و ضخامت ترابکولار استفاده شد (Bouxsein et al 2010).

Abstract

     A variety of clinical classification schemes have been proposed as a means to identify sites in the oral cavity where implant osseointegration is likely to be successful. Most schemes are based on structural characteristics of the bone, for example, the relative proportion of densely compact, homogenous (type I) bone versus more trabeculated, cancellous (type III) bone. None of these schemes, however, consider potential biological characteristics of the bone. Here, we employed multiscale analyses to identify and characterize type I and type III bones in murine jaws. We then combined these analytical tools with in vivo models of osteotomy healing and implant osseointegration to determine if one type of bone healed faster and supported osseointegration better than another. Collectively, these studies revealed a strong positive correlation between bone remodeling rates, mitotic activity, and osteotomy site healing in type III bone and high endogenous Wnt signaling. This positive correlation was strengthened by observations showing that the osteoid matrix that is responsible for implant osseointegration originates from Wnt-responsive cells and their progeny. The potential application of this knowledge to clinical practice is discussed, along with a theory unifying the role that biology and mechanics play in implant osseointegration.

Introduction

     Successful implant osseointegration depends on the quality and quantity of interfacial bone, but measuring bone quality is fundamentally difficult (Licata 2009). A variety of clinical classification schemes have been proposed to address this knowledge gap, and most are based on the relative proportion of compact cortical bone to spongy trabecular bone (Lekholm and Zarb 1985; Misch 1989). Type I bone is considered the least vascular and most homogenous, type II is a combination of cortical bone with a marrow cavity, type III is predominantly composed of trabecular bone, and type IV is described as having a very thin cortex and low-density trabeculae (Lekholm and Zarb 1985) and is generally viewed as being unable to support an implant (He et al. 2015). Bone types have been analogized to species of wood ranging from balsa to oak (Greenstein et al. 2010), whereas subsequent classification schemes have codified bone types using quantitative measures (Turkyilmaz et al. 2008). Despite such advances, the diagnostic value of many schemes remains questionable (Ribeiro-Rotta et al. 2007; Ribeiro-Rotta et al. 2011; Lindh et al. 2014).

     This, then, was the launching point for our study: to gain insights into why some intraoral sites support osseointegration better than others. We opted to use a mouse model because of the wealth of analytical (molecular, cellular, genetic) tools available. Our first objective was to categorize jaw bones in terms of their microarchitecture, their relative/apparent density, and their level of turnover. Our second objective was to use in vivo models (osteotomy site healing and implant osseointegration) to determine if one type of bone healed faster and supported osseointegration better than another. Collectively, these studies revealed a strong positive correlation between bone remodeling rates, mitotic activity, and osteotomy site healing in type III bone and high endogenous Wnt signaling. The potential therapeutic implications of these data are discussed, along with a model integrating the biological data into our current understanding of mechanics and implant osseointegration.

Methods and Materials

Animals in Experimental and Control Groups

     Procedures were approved by the Stanford University Committee on Animal Research (#13146) and conformed to ARRIVE guidelines (Kilkenny et al. 2011). Experimental groups are presented in Appendix Table 1. To induce Cre expression in Axin2CreERT2/+; R26RmTmG/+ mice, a single dose (4 mg/25 mg body weight) of tamoxifen was delivered intraperitoneally 2 d before surgery. The dose and duration of the latency period were verified (Ransom et al. 2016).

     ency period were verified (Ransom et al. 2016). There were 4 experimental groups to which animals were randomly assigned (Appendix Table 1). In one group, multiscale analyses were performed on pristine alveolar bone and the edentulous ridge to characterize bone types. In a second group, extraction socket healing was monitored to ensure that the healed site represented type III bone. In a third group, osteotomy healing rates were assessed in type I and type III bones. In the fourth group, implant osseointegration was evaluated as a function of bone type. To minimize animal numbers and control for interanimal variability, a split-mouth design was employed. The experimental unit was bone harvested from the indicated site.

Surgeries

     After an appropriate level of anesthesia was reached via an intraperitoneal injection of ketamine/xylazine, maxillary first molars (e.g., M1) were extracted. Bleeding was controlled by local compression. Mice were fed a regular diet and housed in groups of 5. Weight changes were <10%. No adverse events (e.g., uncontrolled pain, infection, prolonged inflammation) were encountered.

     After 4 wk, mice were anesthetized, and 2 osteotomies were created using a micro-dissecting trephine. One osteotomy was created using a low-speed (800 rpm) dental engine in the healed M1 extraction site, and another was created in the contralateral edentulous ridge (Appendix Table 1). In a subset of animals, titanium alloy implants (RETOPIN; Edenta) were placed in equivalent osteotomies; again, no adverse events were encountered.

Sample Preparation, Histology, Cellular Assay, and Quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR)

     Mice were sacrificed on postosteotomy days (PODs) or postimplant days (PIDs) as indicated and prepared for analyses (Appendix Table 2). For qRT-PCR, maxillae were dissected, soft tissues were removed, and a 2-mm biopsy punch was used to collect bone from the edentulous ridge and from a healed extraction site for RNA extraction (Minear et al. 2010). Gene expression levels were determined by the ΔΔCt method and normalized to GAPDH values. Reactions were performed in triplicate, and means ± standard errors were calculated. Primer sequences are presented in Appendix Table 2.

Histomorphometry and Micro–Computed Tomography (µCT) Analyses

     Histomorphometric measurements used a minimum of 4 tissue sections to quantify the amount of new bone around the implant (Yin et al. 2015). The percentage of new bone formation was calculated using the ratio of new bone formation/total area of the bone-implant area.

     Scans of murine maxillae were completed at a 4-µm resolution (MicroXCT; Xradia). Volumes of interest for microarchitecture analyses focused on the pristine edentulous ridge anterior to M1 and the healed socket. The whole stacked histogram–based threshold BoneJ plugin (Version 1.4.1) was used for automatic binary segmentation of bone (Doube et al. 2010) and to evaluate the bone volume/total volume (BV/TV), trabecular spacing, and trabecular thickness (Bouxsein et al. 2010).

 چکیده

مقدمه

مواد و روش ها

حیوانات در گروه آزمایش و کنترل

جراحی

آماده سازی نمونه، بافت شناسی، آزمایش سلولی، و واکنش PCR Real-Time کمی (qRT-PCR)

آنالیز هیستومورفومتری و میکرو توموگرافی کامپیوتری میکروسکوپی (μCT)

تجزیه و تحلیل آماری

نتایج

آنالیز چند عاملی از انواع استخوان های موش

استخوان های نوع I و III نوع دارای پتانسیل های بهبودی مختلفی هستند

ایمپلنت های Osseointegrate (ایمپلنت های ادغام شونده با استخوان )بیشتر در استخوان نوع III موثر هستند

سلول های واکنشی Wnt مسئول Osseointegration ایمپلنت هستند

بحث

پیش بینی کننده های آناتومیک موفقیت ایمپلنت

پیش بینی کننده های بیولوژیک موفقیت ایمپلنت

یک تئوری متحد برای پیش بینی کننده های مکانیکی موفقیت ایمپلنت

Abstract

Introduction

Methods and Materials

Animals in Experimental and Control Groups

Surgeries

Sample Preparation, Histology, Cellular Assay, and Quantitative Real-Time Polymerase Chain

Reaction (qRT-PCR)

Histomorphometry and Micro–Computed Tomography (µCT) Analyses

Statistical Analyses

Results

Multiscale Analyses of Murine Bone Types Type I and Type III Bones Have Different Healing Potentials

Implants Osseointegrate More Efficiently in Type III Bone

Wnt-Responsive Cells Are Responsible for Implant Osseointegration

Discussion

Anatomic Predictors of Implant Success

Biological Predictors of Implant Success

A Unifying Theory for Mechanobiological Predictors of Implant Success

References