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Kieferorthopädie 14.10.2013

Die Steuerung kieferorthopädischer Zahnbewegung

Die Steuerung kieferorthopädischer Zahnbewegung

Die Meilensteine in der biologischen Forschung auf Gewebe-, Zell- und molekularer Ebene haben das Wissen über die kieferorthopädische Diagnose und Behandlungsplanung vergrößert. Der heutige Wissensstand suggeriert die Möglichkeit, Mediatoren zur Steuerung des Behandlungsergebnisses nach Anwendung kieferorthopädischer Kräfte zu nutzen und dadurch die kieferorthopädische Zahnbewegung (Orthodontic Tooth Movement, OTM) zu beschleunigen, die Anzahl der Verankerungseinheiten zu erhöhen, den Rebound-Effekt zu verringern und Wurzelresorptionen zu vermeiden. Dieser Artikel vermittelt ein Update hinsichtlich der Biologie kieferorthopädischer Zahnbewegung und zeigt künftige Alternativen zur Beschleunigung kieferorthopädischer Prozesse mithilfe geringinvasiver Verfahren auf.

Einleitung

Wie weit kann uns als Behandler die Forschung auf dem Feld der Biologie bringen? Was sind die klinischen Perspektiven? Um diese Fragen zu beantworten, hat sich meine Forschungsgruppe mit den zellularen und molekularen Mechanismen bei der kieferorthopädischen Zahnbewegung befasst. Unser Fokus lag dabei auf der Identifikation der Rolle der Biomodulatoren, wie z. B. Zytokine und Chemokine, bei der Rekrutierung, Differenzierung und Aktivierung von Knochenzellen. Ziel war es, herauszufinden, welche Proteine produziert werden, wenn Knochen- und PDL-Zellen mechanischen Kräften ausgesetzt sind, ihre Effekte über isolierte Zellen verschieden mechanisch beansprucht und diese Effekte durch die Anwendung hemmender Medikamente umgekehrt werden.

Kieferorthopädische Zahnbewegung

Ein einzigartiges Charakteristikum der kieferorthopädischen Zahnbewegung sind abrupt auftretende Kompressions- und Tensionsbereiche im parodontalen Ligament (PDL) (Abb. 1). Dies kann schnell oder langsam geschehen, je nach physischer Eigenschaft der angewandten Kraft sowie der Größe und biologischen Reaktion des PDL.1 Frühere Studien2–4 legen nahe, dass, wenn die Geschwindigkeit der kieferorthopädischen Zahnbewegung gegen die Zeit aufgezeichnet wurde, es insgesamt vier Phasen gibt. Doch was sind die zellularen und molekularen Veränderungen in jeder dieser Phasen?

Erste Phase

Die erste Phase dauert 24 Stunden bis zwei Tage und beschreibt die Initialbewegung des Zahns innerhalb des Knochenlagers. Zellulare und molekulare Reaktionen treten dabei sofort nach Krafteinwirkung auf. Der Druck und die Spannung an den PDL-Zellen zwingen diese dazu, Proteine wie Zytokine zu produzieren. Diese starten den komplexen Prozess der Rekrutierung von Osteoklasten-(OC) und Osteoblasten-(OB)Vorläufern.

Zweite Phase

Kompressionsbereiche können anhand der Distorsion einer normalen PDL-Faseranordnung erkannt werden. Die Unterbrechung des Blutflusses lässt hyalinisierte Bereiche entstehen und resultiert in einem Stillstand der kieferorthopädischen Zahnbewegung von vier bis 30 Tagen. Dieser Prozess verlangt die Rekrutierung von Makrophagen und Osteoklasten (OC) des umgebenden, unbeschädigten Parodontalbereiches. Nur die Entfernung nekrotisierten Gewebes sowie indirekter und unterminierender Knochenresorption wird die Wiederaufnahme einer kieferorthopädischen Zahnbewegung ermöglichen. Gleichzeitig vergrößern sich ruhende Osteoblasten (OB) in den PDL-Spannungsregionen und beginnen mit der Produktion neuer Knochenmatrix.

Dritte und vierte Phase

Die dritte und vierte Phase sind als Beschleunigungs- und Linearphase bekannt und beginnen jeweils ca. 30 Tage nach der ersten Krafteinwirkung. Sie beschreiben den größten Anteil der kieferorthopädischen Zahnbewegung.Wie können wir jedoch die kieferorthopädische Zahnbewegung beschleunigen oder verringern? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir wissen, wie der Knochenumbau verläuft und die Rolle der Osteoklasten, Osteoblasten und Osteozyten während der kieferorthopädischen Zahnbewegung kennen.

Osteoklasten

Wollen wir die kieferorthopädische Zahnbewegung beschleunigen, ist der erste Schritt dazu das Auftreten von Osteoklasten in den Bereichen der Knochenresorption (Bone Resorption, BR). Im parodontalen Ligament treten so gut wie keine ausgereiften Osteoklasten in physiologischer Kondition auf. Dennoch erscheinen, wenn eine Kraft appliziert wird, binnen weniger Tage Osteoklasten, welche ihr höchstes Level nach 50 Stunden erreichen.5 In Studien wird berichtet, dass Prä-Osteoklasten das parodontale Ligament von den blutbildenden Organen aus über den Blutkreislauf sowie über alveoläre Knochenmarkskavitäten erreichen.6, 7

Die Osteoklastogenese wird durch Ablauf verschiedener Prozesse erreicht (Abb. 2):7 Stammzellenteilung und Osteoklasten-Vorläufer-Proliferation in den blutbildenden Geweben (1), Migration der mononuklearen Osteoklasten-Vorläufer zu den BR-Bereichen (2), Differenzierung in Prä-Osteoklasten, welche durch zelluläre Wechselwirkung (cell-to-cell interaction) mit den Osteoblasten geführt werden (3), Fusion zu multinuklearen Osteoklasten (4).

Osteoblasten

Die Bildung von Knochen entsteht durch komplexe Prozesse. Diese beinhalten die Differenzierung von Osteoblasten-Vorläuferzellen aus mesenchymalen Zellen, die Reifung der Osteoblasten sowie die Bildung einer Matrix, gefolgt von deren Mineralisierung (Abb. 3).8 Das Initialereignis in dieser appositionalen Phase stellt die chemische Affinität der Osteoblasten oder ihrer Vorläufer zum Ort der Knochenformation zur Bildung von Knochenmatrix dar.

Osteozyten

Osteozyten werden innerhalb der kortikalen und trabekularen Knochen ausgeschüttet. Diese Zellen bilden ein komplexes Netzwerk, das für den Erhalt der Lebensfähigkeit und Strukturintegrität des Knochens von großer Bedeutung ist. Die Osteozyten sind sowohl miteinander als auch mit anderen Zellen der Knochenoberfläche verbunden und spielen eine wichtige Rolle dabei, lokale Veränderungen und Stabilität zu erkennen.9 Bei Belastung senden diese Knochenzellen ein Signal zur Expression von Entzündungsmediatoren aus.

Osteoklasten-Osteoblasten-Interaktion

Rank-Rankl

Osteoklasten und Prä-Osteoklasten werden durch verschiedene Signalpfade und Moleküle reguliert. Ein Schlüsselmodul zur Regulation ist ein Protein, das als Rezeptor-Aktivator für den Nuklearfaktor-kB-Liganden (RANKL) bezeichnet wird. Es wird von unterschiedlichen Zelltypen produziert, einschließlich Osteoblasten und deren Vorläuferzellen im Verlauf der Interaktion mit den Osteoklasten-Oberflächenrezeptoren, RANK.10

Die Interaktion löst die Aktivierung der Signalpfade aus, die für die Differenzierung, Aktivierung und das Überleben der Osteoklasten eine Rolle spielen und zu einem Anstieg der BR führen.

RANKL-OPG

Um den RANKL-Effekt auszugleichen, wird von den Osteoblasten auch Osteoprotegerin (OPG) abgesondert. Dieses Protein wirkt wie ein Lockstoff bei der Bindung an RANKL und verhindert seine Interaktion mit RANK auf der Oberfläche der Osteoklasten.11 Verschiedene Hormone, Wachstumsfaktoren und Zytokine sorgen für eine Balance zwischen RANKL und Osteoprotegerin (siehe Tabelle S. 10).

Entzündung und kieferorthopädische Zahnbewegung

Doch was löst das Auftreten dieser Zellen in den Kompressions- und Tensionsbereichen aus? Die Antwort darauf bilden die Beziehung zwischen Entzündung und kieferorthopädischer Zahnbewegung sowie die Rolle der Zytokine, Chemokine und Wachstumsfaktoren.

Wenn eine kieferorthopädische Kraft auf einen Zahn wirkt, können sofort Veränderungen im parodontalen Gewebe beobachtet werden (Abb. 4). Kompressionsbereiche werden durch Gewebe- und Zellschäden, eine Reduktion der Kapillarenzahl, Okklusion und eine partielle Desintegration der Blutgefäße gekennzeichnet, die zu Ischämie und Hypoxie führen können.12

Akute Phase

Die frühe Phase der kieferorthopädischen Zahnbewegung beinhaltet immer eine akute Entzündungsreaktion, die durch parodontale Vasodilatation und Migration der Leukozyten aus den Kapillaren gekennzeichnet ist. Diese migratorischen Zellen produzieren eine Vielzahl von Zytokinen, die direkt oder indirekt mit der gesamten Population der nativen parodontalen Zellen interagieren.

Der Patient verbindet eine akute Entzündung mit starken Schmerzempfindungen und einer eingeschränkten Kaufunktion. Dieses Phänomen spiegelt sich auch in der Sulkusflüssigkeit (Gingival Crevicular Fluid, GCF) sich bewegender Zähne wider, wo temporär signifikante Erhöhungen der Konzentration von Entzündungsmediatoren wie Zytokine und Prostaglandine auftreten (Abb. 5).

Chronische Phase

Einen oder zwei Tage später klingt die akute Entzündungsphase ab und wird durch einen chronischen Prozess abgelöst, der hauptsächlich proliferativ ist und Fibroblasten, Endothelzellen, OBs und alveolare Knochenmarkzellen enthält. Die chronische Entzündung hält bis zum folgenden klinischen Behandlungstermin an, wenn die Apparatur reaktiviert wird und ein neuer Abschnitt akuter Entzündung beginnt.

Zytokine

Zytokine sind extrazellulare Signalproteine, die direkt im Knochenumbau und in entzündlichen Prozessen während einer kieferorthopädischen Zahnbewegung involviert sind. Sie wirken direkt oder indirekt und ermöglichen die Differenzierung, Aktivierung und Apoptose von Knochen- und PDL-Zellen.12 RANKL, Monozytenkolonien-stimulierender Faktor (Macrophage Colony-Stimulating Factor, M-CSF) und Tumornekrosenfaktor (TNF)-α13 sind die wichtigsten proinflammatorischen Zytokine, die für die Rekrutierung, Differenzierung, Aktivierung und das Überleben der Osteoklasten verantwortlich sind (Abb. 2 bis 4).

Chemokine

Die Fähigkeit, Zellmigration herbeizuführen, ist eine Eigenschaft, welche die Gruppe der Chemokine von anderen Zytokinen unterscheidet. Sie senden Signale für die Zellkommunikation, -differenzierung und die Aktivierung von Knochenzellen aus und spielen damit eine wichtige Rolle beim Knochenumbau und entzündlichen Knochenerkrankungen (Abb. 2 bis 4).12 Darüber hinaus stimulieren Chemokine die Aktivität der OCs (CCL2, CCL3 und IL-8)14 und verlängern die Überlebensrate der Osteoklasten (CCL3 und CCL9).15 RANKL regt die OC-Produktion von CCL2, CCL3 und CCL5 an. Dies impliziert eine autokrine und parakrine Signalisierung während der Osteoklastogenese sowie einen Anstieg der BR.16

Wachstumsfaktoren

Wachstumsfaktoren (Growth Factors, GF) sind Stoffe, welche die zelluläre Proliferation, Migration und Differenzierung stimulieren. Darüber hinaus sind sie lokal beim Knochenumbau und folglich auch bei der kieferorthopädischen Zahnbewegung aktiv.17, 18 Vaskuläre Endothelial-GFs (VEGF) haben die stärkste Beziehung zur kieferorthopädischen Zahnbewegung. Sie können die BR verstärken.18 Auch die transformierenden Wachstumsfaktoren (TGF)-β, welche die Osteoklastogenese unterdrücken19, und die wachstumsauslösenden Proteine (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs), die eine Rolle bei der Knochenbildung spielen (Abb. 2 bis 4), stehen in enger Beziehung zur kieferorthopädischen Zahnbewegung.

Klinische Perspektiven

In der Literatur werden verschiedene klinische Verfahren zur Beschleunigung oder Reduktion der kieferorthopädischen Zahnbewegung aufgezeigt: Kortikotomie (Abb. 6a), Lasertherapie (Abb. 6b), Schockwellentherapie (Vibration, Abb. 6c), Gentherapie (Abb. 6d) und parodontale Injektion von Biomodulatoren (PIB, Abb. 6e). Das Grundprinzip dieser Verfahren ist die Steuerung von Osteoklasten und Osteoblasten. Studien haben gezeigt, dass sie die Expression proinflammatorischer Biomodulatoren wie M- CSF und RANKL im parodontalen Ligament vergrößern und damit die kieferorthopädische Zahnbewegung verstärken.20–24 Dennoch könnten einige von ihnen genutzt werden, um die kieferorthopädische Zahnbewegung durch Osteoprotegerin zu verringern, z. B. die Gentherapie und PIB.25, 26 Darüber hinaus können Medikamente wie met-RANTES und P8A, die spezifische Chemokinrezeptoren blockieren, verwendet werden, um Knochenerkrankungen wie Osteoporose und rheumatische Arthritis zu behandeln.14

In Zukunft könnte die lokale Anwendung gegenwärtiger und künftiger Medikamente hilfreich dabei sein, die biologischeVerankerung und Stabilität der Endergebnisse zu erhöhen. Weiterhin können potenzielle kieferorthopädische Patienten nach Polymorphismen des IL-1β-Genotyps überprüft werden, der das Risiko für eine externe Wurzelresorption während der kieferorthopädischen Zahnbewegung erhöht. Ein solches Screening erfolgt durch Analyse der DNA nach einem einfachen Wangenabstrich oder einer Mundspülung während der Erstuntersuchung. Danach wäre es möglich, die Patienten über ihre genetischen Veranlagungen vor Behandlungsbeginn zu informieren und Risikopatienten durch regelmäßige Röntgenaufnahmen zu überwachen.27

Außerdem kann die Analyse der Zytokinlevel in der Sulkusflüssigkeit während der kieferorthopädischen Zahnbewegung in Zukunft deren Geschwindigkeit anzeigen und bestimmen, welches Kraftniveau für die kieferorthopädischen Apparaturen optimal ist. Die Analyse der Zytokinlevel in der Sulkusflüssigkeit kann auch hilfreich bei der Überwachung der biologischen Aktivitäten des Parodontiums während der Retentionsphase sein und damit Informationen über ein mögliches Rezidiv zur Verfügung stellen. Insgesamt wird durch den gegenwärtigen Wissensstand impliziert, dass die mechanische Beanspruchung die Expression vieler Zytokine, Hormone und GFs stimuliert. Diese spielen beim Umbau von Knochen und des parodontalen Ligaments in den frühen Phasen der kieferorthopädischen Zahnbewegung sowohl in den tensilen als auch kompressiven Bereichen eine Rolle. Zukünftig könnten lokale Injektionen von Mediatoren in den Parodontalgeweben die Geschwindigkeit der kieferorthopädischen Zahnbewegung anpassen oder die Stabilität der kieferorthopädischen Behandlungsergebnisse verbessern.

Hier geht's zur vollständigen Literaturliste.

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