Dynamische Veränderungen der Zahnverschiebung und der Knochenmorphometrie, hervorgerufen durch kieferorthopädische Kraft

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13672 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie nutzte eine neuartige 3D-Analyse zur Längsschnittbewertung der kieferorthopädischen Zahnbewegung (OTM) und der Knochenmorphometrie. Zwölf Wochen alte männliche Wistar-Ratten wurden einer OTM unterzogen, indem eine konstante kieferorthopädische Kraft (OF) von 25 cN zwischen einem der oberen ersten Molaren und einer Minischraube ausgeübt wurde. In-vivo-Mikro-CTs wurden vor und nach 10, 17, 24 und 31 Tagen Krafteinwirkung aufgenommen und mit einer neuartigen und starren voxelbasierten Registrierungsmethode überlagert. Dann wurden die Zahn- und Alveolarknochensegmente zu unterschiedlichen Zeitpunkten im selben Koordinatensystem vergleichbar, was die Analyse ihrer dynamischen Veränderungen in 3D erleichterte. Durch Vergleich zwischen Zeitpunkten und zwischen OF- und keiner OF-Seite zeigte diese Studie, dass die OTM-Rate über die Zeit hinweg nicht konstant war, sondern einem V-förmigen Änderungsmuster entsprach. Darüber hinaus verursachte OF eine Verschiebung sowohl der belasteten als auch der unbelasteten Zähne, wobei letztere verzögert die ersteren widerspiegelten. Darüber hinaus waren die morphometrischen Veränderungen der Knochen mit Änderungen der OTM-Rate synchronisiert, was darauf hindeutet, dass eine höhere OTM-Rate mit einem stärkeren Alveolarknochenverlust einherging. Die Druck- und Spannungsbereiche befinden sich möglicherweise nicht auf zwei gegenüberliegenden Seiten, sondern sind tatsächlich benachbart und miteinander verbunden. Diese Ergebnisse könnten aufschlussreiche Belege für die klinische, translationale und Grundlagenforschung in der Kieferorthopädie liefern.

Die Verkürzung der kieferorthopädischen Behandlungszeit ist sowohl für Ärzte als auch für Patienten von Interesse1. Infolgedessen wurden in den letzten Jahren zahlreiche Techniken und Produkte kommerzialisiert, die darauf abzielen, die kieferorthopädische Zahnbewegung (OTM) zu beschleunigen2,3. Aufgrund der hohen methodischen Heterogenität der OTM-Bewertung besteht jedoch immer noch ein Mangel an Wissen über die Physiologie der Zahnbewegung4,5. Grundlagenforschung in der Kieferorthopädie konzentriert sich häufig auf die mikroskopische Ebene, beispielsweise auf die Rolle spezifischer Moleküle, Signalwege oder Genexpressionsmuster, die an OTM beteiligt sind6,7,8,9,10. Allerdings sind makroskopische Veränderungen, die durch kieferorthopädische Kraft hervorgerufen werden, weniger untersucht, obwohl sie von hoher klinischer Relevanz sind. Dies kann teilweise auf die mit diesem Forschungsmodell verbundenen Schwierigkeiten zurückzuführen sein: Studien am Menschen würden Biopsien oder eine erhöhte radiologische Belastung nur zu Forschungszwecken erfordern, was nicht gerechtfertigt werden kann. Kieferorthopädische Tiermodelle, die meist an Nagetieren entwickelt werden, bieten wichtige Möglichkeiten. Die daraus abgeleiteten Forschungsergebnisse liefern jedoch häufig widersprüchliche Ergebnisse, was wahrscheinlich auf eine große methodische Heterogenität zurückzuführen ist, beispielsweise auf die Verwendung unterschiedlicher kieferorthopädischer Verankerungen, Kräfte und Geräte.

Klassischerweise wurde OTM entsprechend der Geschwindigkeit der Zahnverschiebung in verschiedene Phasen eingeteilt. Auf die Anfangsphase würde eine Stillstandsphase (Verzögerungsphase) folgen, nach der es zu einer Beschleunigung des OTM kommen würde, gefolgt von einem linearen Anstieg der Zahnverschiebung11,12,13. In Studien wird diese Verschiebung jedoch meist als Distanz gemessen, was nicht die reale 3D-Situation widerspiegeln kann, da es sich bei der Verschiebung eigentlich um einen Vektor handelt. Zweitens ist die dynamische Veränderung des Alveolarknochens bei Anwendung einer konstanten kieferorthopädischen Kraft weitgehend unbekannt. Obwohl frühere Tierversuche Veränderungen in der Knochenmineraldichte (BMD) von Alveolarknochen zeigten, die kieferorthopädischer Kraft ausgesetzt waren14,15, führten nur wenige Studien eine vollständige longitudinale knochenmorphometrische Beurteilung durch16,17. Ob es einen Zusammenhang zwischen den dynamischen Änderungen der OTM-Rate und den Änderungen der knochenmorphometrischen Parameter gibt, muss noch geklärt werden.

Ziel dieser Studie ist es, die durch kieferorthopädische Kraft hervorgerufenen dynamischen Veränderungen bei Zahnverschiebungen und Knochenmorphometrie in einem Ratten-OTM-Modell über 31 Tage mithilfe einer neuartigen 3D-Analyse und Knochenverankerung zu untersuchen. Diese dynamischen Veränderungen können wichtige Hinweise auf die optimalen Fensterperioden zur Untersuchung mikroskopischer molekularer Veränderungen liefern. Darüber hinaus könnte die mögliche Korrelation zwischen der OTM-Rate und der Knochenmorphometrie zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Anwendung kieferorthopädischer Kraft direkt aufschlussreiche Leitlinien nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für Kliniker liefern.

In dieser Studie wurden zwölf junge erwachsene männliche Wistar-Ratten (9 Wochen alt) verwendet. Es wurde eine wöchentliche Überwachung durchgeführt, um etwaige Gewichtsveränderungen festzustellen und eine normale Fütterung sicherzustellen. Vor dem Experiment wurde die Mindestprobengröße anhand einer früheren Split-Mouth-Studie18,19 berechnet. Der primär berücksichtigte Parameter war die mesiale Verschiebung des ersten Molaren nach 31 Tagen kieferorthopädischer Krafteinwirkung. Eine Leistungsanalyse in der Software G*Power 3.1 (Düsseldorf, Deutschland) ergab eine Mindeststichprobengröße von 12 Tieren pro Gruppe (OF- und keine OF-Seite) für eine MANOVA mit wiederholten Messungen unter der Annahme einer Trennschärfe von 99 % mit α = 0,05.

Die Tiere wurden in drei Käfigen unter kontinuierlicher Temperatur (23 °C), einem 12-Stunden-Zeitplan mit abwechselndem Licht und Dunkel und einer Standard-Erhaltungsdiät für Ratten gehalten. Alle Tierversuche wurden im Labortierzentrum und im Molecular Small Animal Imaging Centre (MoSAIC) der KU Leuven, Belgien, mit Genehmigung der Ethikkommission für Tierversuche der KU Leuven (P197/2019) und in Übereinstimmung mit der EU-Richtlinie 2010 durchgeführt /63/EU und ARRIVE 2.0. Richtlinien.

Die Zahnbewegung wurde nach einem zuvor veröffentlichten Protokoll durchgeführt18. Kurz gesagt, wurde auf einer zufällig ausgewählten Seite des Oberkiefers eine selbstbohrende Minischraube (2,5 mm × 1,3 mm × 5 mm, DEWIMED, Tuttlingen, Deutschland) in den Alveolarknochen implantiert, etwa 2 mm distal der oberen Schneidezähne und mit einem Winkel von 45° zur Okklusionsebene, um eine Knochenverankerung zu gewährleisten. Zur Gewährleistung der Stabilität wurde eine Heilungszeit von 3 Wochen eingeplant20. Anschließend wurde eine konstante kieferorthopädische Kraft (OF) von 25 cN zwischen der Minischraube und dem oberen ersten Molaren ausgeübt, indem eine geschlossene Sentalloy-Spiralfeder (Ultra-light, Dentsply GAC, Rochecorbon, Frankreich) verwendet wurde (Abb. 1A). Auf der kontralateralen Seite wurde kein OF angewendet (keine OF-Seite). Zu diesem Zeitpunkt waren die Tiere 12 Wochen alt.

OTM-Tiermodell. (A) Grafische Darstellung des Tiermodells. Eine konstante Kraft von 25 cN wurde durch eine Federspirale zwischen dem ersten Molaren und der Minischraube auf der OF-Seite ausgeübt. Die Ratten wurden zu fünf verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) mit einem niedrig dosierten In-vivo-Mikro-CT gescannt. (B) Überblick über den Bildverarbeitungsworkflow. Mikro-CT-Scans zu verschiedenen Zeitpunkten (T1–T4) wurden räumlich mit dem Mikro-CT auf der Basislinie (T0) abgeglichen. Auf den rekonstruierten Mikro-CT-Daten wurde ein interessierendes Volumen (VOI) abgegrenzt, um eine genaue Auswahl der Zähne und des Alveolarknochens sicherzustellen. Diese wurden mithilfe eines globalen Schwellenwertalgorithmus segmentiert. Basierend auf den resultierenden Binärbildern wurde eine automatische 3D-morphometrische Quantifizierung durchgeführt und 3D-Modelle erstellt.

Alle Eingriffe wurden von demselben Prüfer durchgeführt, zunächst unter Sedierung mit 2,5–5 % Isofluran (1000 mg/g, Iso-Vet, Dechra, Skipton, UK), gefolgt von einer Anästhesie mit 100 mg/ml IP-Ketamin (80 mg/kg). , Nimatek, Bladel, Niederlande) und 2 % Xylazin (10 mg/kg, XYL-M, VMD, Arendonk, Belgien). Nach den Eingriffen wurden drei Tage lang Weichkost und schmerzstillende Medikamente (0,05 mg/kg Buprenorphin) verabreicht. Um unnötiges Leiden der Tiere und einen möglichen Geräteverlust zu verhindern, wurden eine tägliche Überwachung des Körpergewichts und eine intraorale Untersuchung unter Sedierung mit Isofluran durchgeführt. Mithilfe der Rattengrimassenskala21 wurde beurteilt, ob die Tiere Schmerzen hatten. Ein schematisches Diagramm, das die Behandlungen der Ratten von der Ankunft bis zur Euthanasie zeigt, ist in der ergänzenden Abbildung 1 dargestellt.

Die Tiere wurden zu fünf Zeitpunkten in Längsrichtung mittels Mikro-CT nachverfolgt: direkt vor der Anwendung von OF (T0, Basislinie) und 10 (T1), 17 (T2), 24 (T3) und 31 (T4) Tage nach OF . Für die Bildaufnahme wurde ein niedrig dosiertes, hochauflösendes In-vivo-Mikro-CT (Skyscan 1278, Bruker, Kontich, Belgien) verwendet. Es wurde ein hochauflösendes Scanprotokoll bei 65 kVp, 500 μA und 180° mit einem Winkeldrehschritt von 0,5° verwendet, was zu einer Belichtungszeit von 50 ms führte. Um den Strahlaufhärtungseffekt zu eliminieren, wurde ein 1-mm-Aluminiumfilter verwendet. Zur Kalibrierung wurde vor den eigentlichen Scans eine Flat-Field-Korrektur basierend auf einem leeren Sichtfeld durchgeführt. Während der Bildaufnahme wurden die Tiere mit 2,5–5 % Isofluran sediert. Nach der Bildaufnahme wurden die Bildstapel mit der NRecon-Software (Version 1.7.1, Bruker, Kontich, Belgien) rekonstruiert. Die Korrektur für die Nachausrichtung und die Reduzierung von Ringartefakten wurden bei Bedarf pro Scan optimiert. Der Glättungsgrad und die Strahlhärtung wurden mit Werten von 0 bzw. 10 % angewendet. Der dynamische Bildbereich des Histogramms wurde auf 0,003 bis 0,03 eingestellt.

Die dynamischen Veränderungen des OTM wurden volumetrisch auf der Grundlage der räumlichen Verschiebung der Zähne von T0 bis T4 bewertet, wobei T0 als Basislinie verwendet wurde, ohne von anderen externen Referenzstrukturen abhängig zu sein. Vor der Auswertung wurden starre voxelbasierte Registrierungsschritte durchgeführt, um sicherzustellen, dass sich alle Zähne im gleichen Koordinatensystem befanden und zu jedem Zeitpunkt zeitlich und räumlich vergleichbar waren.

Zunächst wurden die nachfolgenden Mikro-CT-Scans bei T1, T2, T3 und T4 manuell mit dem entsprechenden Basisscan bei T0 überlagert, basierend auf den Oberkieferstrukturen als Referenz, gefolgt von einer optimierten automatischen Überlagerung durch MTM Scaffold Strain (KU Leuven). , Leuven, Belgien)22,23. Die strukturelle Kompatibilität der anatomischen Referenzpunkte im Oberkiefer wurde überprüft, um die Gültigkeit der manuellen und automatischen Überlagerung zu überprüfen. Zweitens wurden der Oberkiefer, die Minischraube sowie der erste und zweite Molar zu jedem Zeitpunkt von demselben Untersucher abgegrenzt und als interessierende Volumina (VOI) in der CTAnalyser-Software (Version 1.17.5, Bruker, Kontich, Belgien) gespeichert. Drittens wurden die ausgewählten VOIs mithilfe eines adaptiven Schwellenwertalgorithmus22,23 automatisch segmentiert und als einzelne 3D-Modelle in der Standard-Tessellationssprache (stl) importiert, die zur Längsschnittbewertung von OTM und Knochenmorphometrie in 3-Matic (Materialise, Leuven, Belgien) geladen wurden . Der vollständige Arbeitsablauf ist in Abb. 1B dargestellt.

Zur Beurteilung der Verschiebung des ersten und zweiten Molaren wurden sechs Referenzpunkte an den Höckern und fünf an den Wurzelspitzen erstellt. Ihre Verschiebung über die verschiedenen Zeitpunkte wurde als okklusale bzw. apikale Bewegung definiert. Die Okklusionsebene wurde durch den mesialen Höcker, den distobukkalen und den distolingualen Punkt definiert. Der Winkel zwischen den Okklusionsebenen wurde als Winkelbewegung definiert. Die okklusalen, apikalen und Winkelbewegungen der ersten und zweiten Molaren bei T0–T1, T0–T2, T0–T3, T0–T4, T1–T2, T2–T3, T3–T4 wurden sowohl auf der OF- als auch auf der Nicht-OF-Seite gemessen . Die OTM-Rate wurde aus der okklusalen Bewegung dividiert durch die OTM-Zeit berechnet. Die Längsmessungen der oben genannten Parameter und deren dynamische Änderungen sind in Abb. 2 dargestellt.

Längsschnittbewertung von OTM. (A) Im T0-Modell wurden okklusale, apikale Punkte und Okklusionsebene definiert. Anschließend wurden dieselben Punkte durch automatisierte globale Registrierung in die T1–T4-Modelle extrapoliert. Die Abstände oder Winkel zwischen ihnen wurden dann als okklusale, apikale oder Winkelbewegung gemessen. (B) Dynamische Veränderungen der Molarenverschiebung und der Alveolarknochenmorphometrie. (Rot = OF-Seite, Blau = Keine OF-Seite).

Zur Beurteilung der Minischraubenverschiebung wurden im T0-Modell zwei Referenzpunkte in der Mitte des Schraubenkopfes und an der Schraubenspitze erstellt. Die Verbindungslinie zwischen diesen beiden Punkten wurde als Mittelachse definiert. Anschließend wurden die Abstände der Kopf- und Spitzenpunkte von T0 bis T1 als Kopf- und Spitzenbewegung im Zeitraum T0–T1 gemessen. Als Winkelbewegung wurde der Winkel zwischen den Mittelachsen in T0 und T1 gemessen. Auf diese Weise wurde auch die Verschiebung der Minischraube bei T0–T2, T0–T3, T0–T4, T1–T2, T2–T3, T3–T4 gemessen.

Die Alveolarknochenmorphometrie wurde mit der von Chatterjee et al. vorgeschlagenen Methode quantifiziert, wie in Abb. 324 dargestellt. Die registrierten Mikro-CT-Bilder wurden an CTAnalyser übertragen und ein interessierendes Volumen (VOI) erstellt, das nur den Molarenbereich jeder Oberkieferhälfte enthielt durch die Definition eines oberen und eines unteren Slice ausgewählt werden. Als oberste Schicht wurde die Schicht definiert, die 2 mm mesial von der Stelle entfernt lag, an der der Höcker des ersten Molaren erschien. Als unterste Schicht wurde die Stelle definiert, an der der mesiale Höcker des dritten Molaren erschien. Der Alveolarknochen in dieser Region wurde mithilfe eines automatischen globalen Schwellenwertalgorithmus halbautomatisch ausgewählt und segmentiert.

Längsschnittbeurteilung der Knochenmorphometrie. Die VOIs des Alveolarknochens, des ersten und zweiten Molaren wurden separat ausgewählt und in einem Workflow als 3D-Modelle auf dem registrierten Mikro-CT segmentiert. Die Knochenmorphometrie wurde zu jedem Zeitpunkt in VOIs ausgewertet und in Längsrichtung verglichen.

Um die BMD zu bewerten, wurden Phantome (Standard-Hydroxylapatitblöcke) mit 0,25 g/cm3 und 0,75 g/cm3 gescannt, um eine BMD-Kalibrierung in Bezug auf die Dämpfungswerte durchzuführen. Die BMD zu den verschiedenen Zeitpunkten wurde durch lineare Extrapolation berechnet unter Verwendung von: Y \(-{y}_{1}= ({y}_{2}-{y}_{1})/({x}_{ 2}-{x}_{1}) \times\) (X \(-{x}_{1}\)), wobei x1 und x2 die Graustufenindizes von Standard-Hydroxylapatit 0,25 und 0,75 g/cm3, y1 sind und y2 sind als 0,25 und 0,75 g/cm3 bekannt, und X und Y sind die Grauindizes.

Für die Beurteilung der Knochenmorphometrie im CTAnalyser wurden auch die dynamischen Änderungen der folgenden Parameter in VOIs ausgewertet:

Knochenvolumenanteil (BV/TV, %): Der Anteil des VOI, der von binarisierten festen Objekten in 3D innerhalb des VOI eingenommen wird, was direkt das Knochenvolumen widerspiegelt.

Knochenoberflächendichte (BS/TV, mm−1): das Verhältnis der Oberfläche zum Gesamtvolumen in 3D innerhalb des VOI.

Trabekelzahl (Tb.N, mm−1): Die Anzahl der Durchquerungen einer Trabekel- oder Festkörperstruktur pro Längeneinheit auf einem zufälligen linearen Pfad durch den VOI.

Trabekeldicke (Tb.Th, mm): im Wesentlichen die Dicke der festen Voxel, wie durch Binarisierung innerhalb des VOI definiert.

Trabekelabstand (Tb.Sp, mm): im Wesentlichen die Dicke der Räume zwischen den Trabekelknochen.

Zweiwege-Wiederholungsmessungen MANOVA und Post-hoc-Tukey-Test wurden verwendet, um das OTM und die Knochenmorphometrie zwischen verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) und zwischen der OF- und keiner OF-Seite zu vergleichen. Es wurde eine nichtparametrische Analyse (Friedman-Test) durchgeführt, um die Verschiebung der Minischraube zu verschiedenen Zeitpunkten zu vergleichen. Die Korrelation der dynamischen Änderungen zwischen knochenmorphometrischen Parametern und der OTM-Rate wurde durch Pearson-Korrelationskoeffizienten bewertet. Wenn die Normalität nicht mit dem Kolmogorov-Smirnov-Test bestätigt werden konnte, wurden nichtparametrische statistische Methoden verwendet. Die statistische Analyse wurde in GraphPad (Version 8.4.3, San Diego, USA) durchgeführt.

Während der gesamten Versuche konnte bei den Tieren kein relevanter Gewichtsverlust festgestellt werden.

Signifikante Unterschiede in der Okklusions-, Apikal- und Winkelbewegung wurden zwischen den verschiedenen Zeitpunkten (P \(<\) 0,01) sowohl für den ersten (Abb. 4) als auch für den zweiten Molaren (Abb. 5) auf der OF-Seite festgestellt. Die OTM-Rate des ersten Molaren war zu den verschiedenen Zeitpunkten nicht konstant, sondern folgte einem V-förmigen Änderungsmuster: Sie nahm zunächst von T1 auf T2 ab (P \(<\) 0,01) und stieg dann von T2 auf T4 (P \(<\) 0,01).

Verschiebung des ersten Molaren. Das OTM wurde zwischen verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) und zwischen der OF- und der Nicht-OF-Seite durch Zwei-Wege-MANOVA mit wiederholten Messungen und Post-hoc-Tukey-Test (n = 12) verglichen. *P < 0,01 im Vergleich zu keiner OF-Seite. †P < 0,01 im Vergleich zur Vorperiode.

Verschiebung des zweiten Molaren. Das OTM wurde zwischen verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) und zwischen der OF- und der Nicht-OF-Seite durch Zwei-Wege-MANOVA mit wiederholten Messungen und Post-hoc-Tukey-Test (n = 12) verglichen. *P < 0,01 im Vergleich zu keiner OF-Seite. †P < 0,01 im Vergleich zur Vorperiode.

Bemerkenswerterweise erfuhren auch die ersten und zweiten Molaren der nicht-OF-Seite nach 31 Tagen Krafteinwirkung auf die kontralaterale Hemi-Oberkiefer-Seite eine signifikante Verschiebung (P \(<\) 0,01). Obwohl im Vergleich zur OF-Seite natürlich deutlich weniger OTM gefunden wurde (P \(<\) 0,01), war das sich ändernde Muster der OTM-Rate des zweiten Molaren auf der OF-Seite und beider Molaren auf der OF-freien Seite ähnlich des belasteten ersten Molaren.

Während der Nachbeobachtungszeit hat sich keine Minischraube gelöst oder ist vollständig verloren gegangen. Es wurde jedoch eine Verschiebung der Minischraube beobachtet, dargestellt durch Boxplots (Minimum, Q1, Median, Q3, Maximum) in Abb. 6. Die nichtparametrische Analyse (Friedman-Test) zeigt, dass die Minischraube eine deutlich unterschiedliche Verschiebung aufwies Kopf (P \(<\) 0,01), aber nicht an der Spitze (P \(>\) 0,05) im Laufe der Zeit.

Mini-Schraubenverdrängung. Die Verschiebung der Minischraube wurde zu verschiedenen Zeitpunkten mittels Friedman-Test (n = 12) verglichen. *P < 0,05.

Die Alveolarknochenmorphometrie wurde quantifiziert und zwischen der OF- und keiner OF-Seite sowie zwischen verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) durch Zwei-Wege-ANOVA mit wiederholten Messungen verglichen. Die dynamischen Veränderungen der Knochenmorphometrie sind in Abb. 7 dargestellt.

Dynamische Veränderungen in der Knochenmorphometrie. Die knochenmorphometrischen Parameter wurden zwischen verschiedenen Zeitpunkten (T0–T4) und zwischen der OF- und der No-OF-Seite durch Zwei-Wege-MANOVA mit wiederholten Messungen und Post-hoc-Tukey-Test (n = 12) verglichen. BMD = Knochenmineraldichte, BV/TV = Knochenvolumenanteil, BS/TV = Knochenoberflächendichte, Tb.Th = Trabekeldicke, Tb.N = Trabekelzahl, Tb.Sp = Trabekelabstand. *P < 0,01 im Vergleich zu keiner OF-Seite. †P < 0,01 im Vergleich zur Vorperiode.

Beim Vergleich der OF- und keiner OF-Seite wurde kein signifikanter Unterschied in der Knochenmineraldichte (BMD, g cm−3) beobachtet (P \(>\) 0,05). Allerdings nahmen der Knochenvolumenanteil, die Knochenoberflächendichte und die Trabekelzahl (BV/TV, %, BS/TV, mm−1 und Tb.N, mm−1) auf der OF-Seite im Vergleich zur nicht OF-Seite (P \ (<\) 0,05). Im Gegensatz dazu nahm die Trabekeldicke (Tb.Th, mm) signifikant zu (P \(<\) 0,05). Die Trabekeltrennung (Tb.Sp, mm) wies keinen signifikanten Unterschied zwischen beiden Seiten auf (P \(>\) 0,05).

Beim Vergleich der verschiedenen Zeitpunkte zeigten BMD und Trabekeltrennung keine signifikante Veränderung (P \(>\) 0,05). Aber BS/TV und Tb.N nahmen mit der Zeit signifikant ab (P \(<\) 0,05), während Tb.Th signifikant zunahm (P \(<\) 0,01). Darüber hinaus entsprachen die dynamischen Änderungen von BV/TV, BS/TV, Tb.Th und Tb.N einem V-förmigen Änderungsmuster und zeigten eine lineare Korrelation mit der Änderung der OTM-Rate (P \(<\) 0,05). in Abb. 8.

Übereinstimmung zwischen den Änderungen der OTM-Rate und der Knochenmorphometrie. Die OTM-Rate korrelierte negativ mit dem Knochenvolumen und der Trabekelzahl und positiv mit der Trabekeldicke (n = 12, P \(<\) 0,05). Außerdem gibt es keine signifikante lineare Korrelation zwischen der OTM-Rate und der BMD oder der Trabekeltrennung (P \(>\) 0,05, in dieser Abbildung nicht dargestellt).

Von digitalen Messschiebern bis hin zu Intraoralscannern, von der Histologie bis zu Cephalogrammen und von 2 bis 3D: Die Methodik zur Messung von In-vivo-OTM wird seit Jahren weiterentwickelt19,25,26,27,28,29,30. Obwohl die Messungen immer genauer geworden sind, bleibt die Bewertung der durch OF hervorgerufenen dynamischen Änderungen immer noch schwierig, da es schwierig ist, eine zuverlässige Referenzstruktur zu finden. Frühere Studien an Ratten bewerteten 2D- oder 3D-OTM auf indirekte Weise basierend auf externen Referenzstrukturen wie dem kontralateralen Oberkiefer (Split-Mouth-Designs)19,31, den Schneidezähnen28,32, dem Jochbogen17 oder dem zwischen dem ersten und dem Jochbogen gebildeten Diastema Zweiter Molar10,15,33,34,35,36. Diese Methoden basieren jedoch darauf, dass diese Referenzstrukturen während der OTM stabil bleiben. Die vorliegende Studie verwendet eine neuartige Methode zur Längsschnittbewertung dynamischer OTM unabhängig von externen Referenzstrukturen18. Nach starren Voxelregistrierungsschritten basierend auf dem Oberkiefer werden die Scans zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Laufe der Zeit im selben Koordinatensystem vergleichbar. Somit wird der Zahn zu seiner eigenen Selbstkontrolle für die OTM-Beurteilung.

Ein weiteres Novum dieser Studie liegt in den dynamischen Messungen. Erstens wurde OTM tatsächlich in 3D statt in 2D oder Pseudo-3D ausgewertet (unter Verwendung eines rekonstruierten Cephalogramms aus der CT). Dies ist ein klarer Vorteil, da echtes OTM eine zusammengesetzte Verschiebung aus vertikaler, transversaler und sagittaler Bewegung ist. Zweitens wurden die okklusale, apikale und winklige Bewegung separat bewertet, anstatt einen Durchschnitt zu bilden, da für Kieferorthopäden nicht nur die zusammengesetzte Körperbewegung, sondern auch Kippen und Drehmoment von entscheidender Bedeutung sind. Drittens wurde OTM sowohl relativ zu T0 als auch zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten berechnet, um die OTM-Entwicklung zu registrieren. Da die tatsächliche 3D-Verschiebung desselben Zahns nicht unbedingt immer in derselben Richtung oder Ebene erfolgte (ergänzende Abbildung 2), sollte die Entwicklung von OTM nicht einfach durch Subtrahieren des OTM in Richtung T0 der benachbarten Perioden (z. B. T0) bewertet werden –T1 und T0–T2), sondern durch direkte Messung des OTM zwischen den einzelnen benachbarten Perioden (T1–T2). Dies stellt einen Fortschritt gegenüber früheren kephalometrischen, geometrischen und optometrischen Messungen dar.

In der vorliegenden Studie ermöglichte uns die 3D-Analyse der Verschiebung des ersten Molaren, deren Muster zu untersuchen. Nach einer anfänglichen Bewegungsphase wurde 10 Tage nach Krafteinwirkung ein deutlicher Rückgang der OTM-Rate festgestellt, gefolgt von einem linearen Anstieg eine Woche später. Dies deckt sich mit den Berichten klassischer Artikel über die Phasen der Zahnbewegung11,12,13. Da die Beobachtungszeit unserer Studie 31 Tage betrug und in den meisten verwandten Artikeln nur Beobachtungszeiträume bis zu 4 Wochen berücksichtigt werden, können keine Aussagen zu möglichen Veränderungen darüber hinaus gemacht werden.

Das überraschendste Ergebnis unserer Studie betrifft die Verschiebung unbelasteter Zähne. Es wurde festgestellt, dass sich der zweite Molar auf der OF-Seite deutlich nach mesial verschiebt, obwohl kein OF direkt darauf aufgetragen wurde. Dieses Phänomen bestätigt die Unzuverlässigkeit, das zwischen dem ersten und zweiten Molaren gebildete Diastema als Referenzpunkt für die OTM-Beurteilung zu wählen. In ähnlicher Weise wurde auch eine signifikante Bewegung der ersten und zweiten Molaren auf der Seite ohne OF festgestellt, die dem gleichen Muster folgte, das auf der OF-Seite beschrieben wurde. Dieses Muster steht jedoch im Widerspruch zu dem Muster früherer Studien, in denen der OTM auf der Seite ohne OF mit Null angenommen wurde37. Eine mögliche Erklärung ist, dass bei den in diesen Studien verwendeten 2D-Messungen möglicherweise Verschiebungen in anderen als sagittalen Ebenen übersehen wurden.

In Anbetracht der Tatsache, dass Rattenmolaren im Laufe des Alterns nach distal wandern38,39, kann die in der vorliegenden Studie festgestellte Zahnmesialisierung auf der Seite ohne OF nicht auf physiologische Bewegung zurückzuführen sein. Es könnte sich um eine adaptive Reaktion auf die Veränderung der Zahnokklusion und der mikroskopischen biologischen Umgebung handeln, die durch OF auf der kontralateralen Seite verursacht wird, was durch die Tatsache gestützt wird, dass das OTM auf der Seite ohne OF das Muster des OTM auf der OF-Seite widerspiegelt18 (Abb. 4, 5). Das OTM-Muster des zweiten Molaren auf der OF-Seite entsprach ebenfalls dem des belasteten ersten Molaren, begann jedoch mit einer kurzen Verzögerung, wahrscheinlich aufgrund der Zeit, die für die okklusale Veränderung oder die Dehnung der parodontalen Fasern benötigt wurde. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass die an einem Zahn angewendete OF tatsächlich Einfluss auf die anderen Zähne haben kann, sogar auf der kontralateralen Seite, was daher nicht mehr als „Kontrolle“ angesehen werden kann, da Zahnverschiebungen getarnt werden können, was zu einer systematischen Unterschätzung der echten OTM führt .

Neben der Zahnverschiebung ist auch der Umbau des Alveolarknochens für Ärzte von entscheidender Bedeutung. Obwohl die BMD bereits zuvor untersucht wurde und Knochenveränderungen widerspiegeln kann15,40,41, ermöglicht dies keine differenzielle Analyse des Knochenvolumens und der Mineralisierungsdichte42, die zusammen mit dem Knochenvolumenanteil, der Knochenoberflächendichte, der Trabekeldicke, -anzahl und -trennung wichtige Aspekte sind der Knochenmorphometrie, da sie den Umbau des Alveolarknochens widerspiegeln können23,43. In der vorliegenden Studie wurde auf der OF-Seite ein signifikant geringeres Knochenvolumen (BV/TV, BS/TV) gefunden als auf der Seite ohne OF, es gab jedoch relevanterweise keinen signifikanten Unterschied in der BMD zwischen den Seiten. Dies impliziert, dass die durch die aseptische Entzündung von OTM44 verursachte Knochenresorption mit der Knochenbildung einhergeht und die durchschnittliche BMD aufrechterhält. Dies steht im Gegensatz zu pathologischen Prozessen wie Osteoporose45 oder Parodontitis46,47,48, bei denen sowohl das Knochenvolumen als auch die BMD abnehmen. Entsprechend den Veränderungen im Knochenvolumen war auch die Anzahl der Trabekel in den Zähnen/Knochen auf der OF-Seite niedriger, was ebenfalls eine höhere Trabekeldicke aufwies. In Längsrichtung nahmen sowohl das Knochenvolumen als auch die Trabekelzahl von T0 bis T4 ab, wobei als Ausgleich eine konstante Zunahme der Trabekeldicke zu verzeichnen war. Ähnlich wie bei BMD unterschied sich die Trabekeltrennung zwischen den Seiten nicht signifikant. Obwohl die Veränderungen der Knochenmorphometrie im Vergleich zum Ausgangswert statistisch signifikant waren, war die Entwicklung dieser Veränderungen wahrscheinlich aufgrund der Stichprobengröße dieser Studie nicht signifikant. Nach unserem besten Wissen wurde die Knochenmorphometrie nach OTM in keiner früheren Studie auf der Grundlage einer derart starren, voxelbasierten Registrierungsmethode in Längsrichtung beurteilt. Aus diesem Grund haben wir die Stichprobengröße aus früheren Untersuchungen berechnet, basierend auf OTM statt auf knochenmorphometrischen Parametern.

Die Längsverfolgung der Stichprobe zeigt, dass die Unterschiede zwischen OF- und keiner OF-Seite nicht auf zufällige Fehler zurückzuführen sind, da sie zu jedem Zeitpunkt gemessen und visualisiert wurden und der Unterschied konstant war. Interessanterweise zeigen die Kurven, die die Veränderungen der Knochenmorphometrie im Laufe der Zeit darstellen, einen Trend (Abb. 7), im Gegensatz zum V-förmigen Änderungsmuster der OTM-Rate (Abb. 4). Die lineare Regressionsanalyse zeigte eine signifikante Korrelation zwischen den Veränderungen von OTM und BV/TV, BS/TV, Tb.N (positiv) und Tb.Th (negativ). Obwohl die Korrelation keine Kausalität impliziert, deutet dieser Befund darauf hin, dass eine höhere OTM-Rate mit einem stärkeren Alveolarknochenverlust einherging, was klinisch sehr relevant ist. Für die zukünftige Forschung und klinische Praxis ist es von entscheidender Bedeutung, ein Gleichgewicht zwischen der Beschleunigung der OTM und einer minimalen Alveolarknochenresorption zu finden.

Es ist zu beachten, dass die Analysemethode für die Gültigkeit der Schlussfolgerung von entscheidender Bedeutung ist, da die Ergebnisse der Knochenmorphometrie vom VOI abhängen. Frühere Studien wählten VOIs entweder in Abhängigkeit von der Druck-/Spannungsseite16 oder anatomischen Stellen wie der Furkation49,50 oder der mesialen Wurzel15,51 des ersten Molaren in verschiedenen Kiefern und Tierarten aus52,53. Es ist jedoch schwierig, diese Bereiche genau zu bestimmen. Da es sich bei OTM außerdem nicht nur um eine einfache mesiale Körperbewegung (auch Winkelbewegung und nicht unbedingt nur in sagittaler Richtung) handelt, handelt es sich bei den Druck- und Spannungsbereichen nicht einfach um die mesialen und distalen Wurzelbereiche (ergänzende Abbildung 3). In der vorliegenden Studie wurde der gesamte Alveolarknochen um den ersten und zweiten Molaren als VOI ausgewählt, der gleichzeitig Druck- und Spannungsstellen umfassen sollte, da die Auswahl nur einer der beiden zu verzerrten BMD-Ergebnissen führen könnte. Andererseits könnte der relativ breite VOI die statistische Aussagekraft verringern, da möglicherweise auch Alveolarknochen ausgewählt wird, der nicht von der Bewegung beeinflusst wird, und daher die Veränderung des betroffenen Knochens verdeckt wird. Dies könnte jedoch durch das longitudinale Design der Studie kompensiert werden, da der „nicht betroffene“ Alveolarknochen bei der Subtraktion der verschiedenen Zeitpunkte eliminiert wird.

Wie bereits erwähnt, war das Bewegungsmuster des ersten Molaren auf der OF-Seite und aller anderen Molaren ähnlich, jedoch verzögert. Man könnte argumentieren, dass die Verschiebung unbelasteter Molaren ein adaptives Ergebnis an die Verschiebung des belasteten ersten Molaren war. Da die morphometrischen Veränderungen der Knochen mit den Veränderungen der OTM-Rate synchronisiert waren, konnten die Veränderungen im Alveolarknochen weder die Ursache noch das Ergebnis sein, sondern nur mit OTM einhergehen. Nach der klassischen Druck-Spannungs-Theorie resultiert die mesiale Körperbewegung des Zahns aus mesialer Alveolarknochenresorption und distaler Knochenapposition. In diesem Fall sollte es jedoch auch zu einer Verzögerung zwischen dem kritischen Punkt im sich ändernden Muster der OTM-Rate und der Knochenmorphometrie kommen, die in unserer Stichprobe nicht beobachtet wurde. Dies bestärkt die bereits in der Literatur dargelegte Idee54, dass die Druck- und Spannungsbereiche nicht auf zwei gegenüberliegenden Seiten liegen, sondern tatsächlich verteilt, benachbart und weitläufig sowohl auf der mesialen als auch auf der distalen Seite verbunden sind (ergänzende Abbildung 3), wobei Knochenresorption und -bildung stattfinden gleichzeitig. Wenn dies richtig ist, sollte in der klinischen Kieferorthopädie vielleicht eher eine Kippbewegung als eine Körperverschiebung das Ziel sein, da sie zu einer effizienteren OTM führen könnte. Dieses diskrete Kippen mit minimalem Kippen könnte durch Kräfte hervorgerufen werden, die geringer sind als die, die derzeit klinisch angewendet werden. Zukünftige Forschungen sollten sich darauf konzentrieren, wie die Spannungs- und Druckbereiche optimal genutzt werden können, um die Gesamtbewegung des Zahns zu optimieren, und dabei Faktoren wie die Stärke der Kraft oder die Wurzelresorption zu berücksichtigen. Die in der vorliegenden Studie vorgestellte longitudinale 3D-Analyse kann methodische Unterstützung für zukünftige Forschungen bieten.

Diese Studie untersucht in Längsrichtung OTM und Knochenmorphometrie in 3D mit einer neuartigen Methode bei Ratten. Die Zahnverschiebung war in den verschiedenen Zeiträumen nicht konstant, sondern folgte einem V-förmigen Änderungsmuster. Obwohl auf den zweiten Molaren kein OF aufgetragen wurde, kam es bei diesem Zahn sowie bei beiden Molaren auf der Seite ohne OF zu einer erheblichen Verschiebung, in einem ähnlichen Muster wie beim belasteten ersten Molaren. Die dynamische Beurteilung der Knochenmorphometrie zeigte, dass eine höhere OTM-Rate mit einem stärkeren Alveolarknochenverlust einherging, was aufschlussreiche Belege für die klinische, translationale und Grundlagenforschung im Bereich OTM liefert.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Chen Zong wurde vom China Scholarship Council unterstützt (Aktenzeichen 201806270252). Greetje Vande Velde dankte der KU Leuven IF (C24/17/061, STG/15/024) und der Flemish Research Foundation (FWO; 1506114N, G057721N) für die Finanzierung. Wir danken Stephanie de Vleeschauwer, Marie Roelandt und Jordi Penedo für ihre Hilfe bei den Tierversuchen und Steffen Fieuws für seine Hilfe bei der Statistik.

Abteilung für Mundgesundheitswissenschaften – Kieferorthopädie, KU Leuven und Zahnmedizin, Universitätskliniken Leuven, Kapucijnenvoer 7, Blok A, Bus 7001, 3000, Leuven, Belgien

Chen Zong, Guy Willems und Maria Cadenas de Llano-Pérula

Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Universitätskliniken Leuven und OMFS-IMPATH-Forschungsgruppe, Abteilung für Bildgebung und Pathologie, Medizinische Fakultät, KU Leuven, Leuven, Belgien

Jeroen Van Dessel

Biomedizinisches MRT/Molecular Small Animal Imaging Center (MoSAIC), Abteilung für Bildgebung und Pathologie, Medizinische Fakultät, KU Leuven, Leuven, Belgien

Grüße Vande Velde

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Alle Autoren haben zur Konzeption und Entwicklung der Forschung beigetragen. Als Hauptforscher konzipierte und organisierte CZ die gesamte Studie, analysierte die Daten und verfasste das wissenschaftliche Manuskript. JVD, GVV und MCDL-P. beteiligte sich an der Datenanalyse und -interpretation. GW trug zur Dateninterpretation und zum Verfassen des Manuskripts bei. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Chen Zong.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zong, C., Van Dessel, J., Vande Velde, G. et al. Dynamische Veränderungen der Zahnverschiebung und der Knochenmorphometrie, hervorgerufen durch kieferorthopädische Kraft. Sci Rep 12, 13672 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17412-8

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Eingegangen: 26. Januar 2022

Angenommen: 25. Juli 2022

Veröffentlicht: 11. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17412-8

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