自体牙的研究及应用进展

Research and Application Progress of Autogenous Teeth

摘要: 牙齿的结构在物理和生物化学上都与骨骼非常相似，利用牙齿作为自体骨移植的来源是一种创新和巧妙的技术，目前大量的临床及动物研究证明，自体牙在愈合潜力、物理特性和临床结果方面具有与植骨材料相似的特点，而本文就从自体牙成骨原理及相关影响因素、制备方法、临床与动物研究等方面阐述。

Abstract: The structure of teeth is very similar to bone in both physical and biochemical aspects. It is an in-novative and ingenious technology to use human teeth as the source of autologous bone transplan-tation. At present, a large number of clinical and animal studies have proved that autologous teeth have similar characteristics with bone graft materials in terms of healing potential, physical char-acteristics and clinical results. This paper focuses on the principle of autologous tooth osteogenesis and related influencing factors, preparation methods, clinical and animal studies are described.

1. 引言

良好的骨移植材料具备骨传导、骨诱导、骨生成、安全性及良好生物降解率等特点。骨移植材料中自体骨是金标准，但会给患者带来不必要的二次术区，异体和异种骨存在免疫反应、疾病传播和细菌感染等风险 [1] [2]。所以良好的骨移植材料对于现代组织工程学及医学领域任然具有挑战性。从1967年Urist首次报道脱矿牙本质是一种骨诱导材料之后 [3]，到2007年自体牙研磨压碎机(osteo-Mill)在日本研试成功，学者们将人类牙齿自体牙(autogenous tooth Auto)作为新的研究方向。

2. Auto成骨原理

牙齿的结构在物理和生物化学上都与骨骼非常相，牙齿同牙槽骨、颌骨都来源于胚胎期神经嵴细胞，虽然牙本质与骨组织结构不同，但两者生化成分含量相似，都约由70%的无机物、20%的有机基质和10%的水组成。Auto成骨原理是牙本质内骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein-2, BMP-2)起到骨诱导作用。BMP-2可以诱导间充质干细胞(mesenchymal stem cells, MSCs)分化为成骨细胞，进而发挥骨生成作用 [4]。而牙本质可以作为BMP-2良好的缓释系统和载体 [5]。除了BMP-2外，牙本质含有骨桥蛋白、骨连接蛋白、骨钙素、牙本质唾液蛋白、骨连接蛋白和碱性磷酸酶。这些蛋白质都对骨骼的形成有一定的作用，促进和维持骨骼的钙化 [6]。除了这些特异性蛋白外，牙本质还含有胰岛素等丰富的生长因子，这些生长因子通过诱导间充质干细胞介导它们的作用，有利于骨组织改建 [7] [8] [9] [10]。牙本质涎、磷蛋白(Dentin sialoprotein, Dentin phosphoprotein, DSPP)在骨、牙骨质和某些非矿化组织中表达。人类和小鼠研究表明，DSPP基因突变和消失导致牙本质和骨骼矿化缺陷，这表明DSPP在生物矿化中的重要性 [11]。牙本质的无机成分由四种磷酸钙和低晶态磷灰石组成，羟基磷灰石晶体比骨骼中的大，比牙釉质中的小得多，与骨和牙骨质相似，具有较高的溶解度 [12] [13]。Kim等学者发现在钙磷离子溶解试验中Auto表现出与自体骨相似的溶解度，Bio-Oss骨移植材料生物溶解度最低，所以Auto具有良好的溶解度，同时显微镜下可见牙本质小管粗糙的表面结构 [13] [14]。牙本质表面粗糙的结构有利于成骨细胞的黏附和增殖。因此Auto具有良好的骨诱导、骨引导作用，同时因其良好的生物相容性、生物降解率，Auto具有成为骨移植材料的潜能。

3. 影响成骨因素

3.1. 处理方法

为了提高成骨活性及降低免疫排斥和消除感染等风险，学者们已使用了各种技术手段对Auto进行处理，如：煅烧、煮沸、冷冻、液氮、脱细胞、脱矿等方法 [15] [16] [17] [18] [19]。煅烧方法利用高温条件去除有机成分同时保留无免疫原性的无机成分即羟基磷灰石，羟基磷灰石结构提供骨再生和能量转移的支架，但在煅烧过程中无机物的羟基磷灰石结构改变，结晶度增高，反而不利于Auto的吸收。煅烧等方法都能有效降低免疫原性，但只是无机物羟基磷灰石结构提供骨引导作用，而脱矿法是利用试剂去除免疫同时溶解牙本质中的无机物，牙本质小管变粗，小管和疏松的胶原基质为牙本质内BMP-2等生长因子的释放提供通道。Nina等人的实验也证实了脱矿有利于BMP-2的释放，和未脱矿组相比，脱矿过程可以提高BMP-2的生物利用度 [20]。一般常用EDTA、磷酸、盐酸、硝酸、氧化氢、乙醚和乙醇等试剂进行脱矿 [21]。脱矿保留了大量的胶原蛋白及非胶原蛋白，胶原蛋白给骨组织提供支架。非胶原蛋白如骨钙蛋白、骨钙化素、唾液蛋白和骨细胞黏附有关并且促进骨的钙化，使软骨组织钙化，目前常用脱矿法处理Auto。

3.2. 脱矿程度

有学者将Auto根据脱矿程度分为3组；未脱矿组、部分脱矿(70%)、完全脱矿，分别植入老鼠颅骨缺损处，4周后发现部分脱矿组具有良好的结缔和类骨组织，8周后观察到缺损与新骨完全闭合，其余两组效果不如部分脱矿组出现材料降解慢等问题 [22]。分析可知完全脱矿组可能破坏无机物羟基磷灰石结构，羟基磷灰石无法提供支架结构，影响骨组织的稳定性。因此，部分脱矿的基础上引伸出脱矿牙本质基质(Demineralized dentin matrix, DDM)的概念，DDM被定义为一种酸溶性胶原支架，含有10%~30%的羟基磷灰石、磷酸三钙和BMP-2等非胶原生长因子 [23]。

3.3. Auto类型

Auto可以制备成片状、块形、颗粒状等。用牙本质片和自体骨片用于牙槽嵴重建并且后期植入种植体观察，两组临床并发症、水平硬组织丢失、骨整合和颊板的完整性无明显差别，牙本质片组38个种植体中一例水平硬组织损失为1 mm，其余种植体无硬组织缺损 [24]。块型进一步细分为根形或根上形。根形用于保存拔牙窝，因为它的形状类似于牙根。根上型用于牙槽嵴增强手术。如Frank等学者尝试利用根上型使牙槽嵴缺损宽度增加达到6.5 mm，后期植入种植体稳定性良好 [25] [26]。及后期实验自体牙根上型和自体骨在联合垂直和水平牙槽嵴增强方面具有相当的疗效和安全性 [27]。为了增加Auto表面积学者们利用颗粒状。颗粒状是将牙齿粉碎成300~800 μm大小的颗粒，具有牙本质小管衍生的微孔(直径1~3 μm，约5万个小管/mm²) [28]。关于颗粒直径的早期实验中记录到(250~500 μm)的颗粒在成骨诱导方面是高效的 [29]。但MURATA等学者记录直径在(500~1000 μm)小鼠体内4周诱导骨和软骨 [30]。关于颗粒大小没有具体直径规定，大部分实验选择300~800 μm之间。颗粒太小会容易被巨噬细胞吞噬，颗粒太大影响其降解速率。

4. Auto作为异种骨移植材料在基础实验中的应用

不管是作为自体骨移植材料应用于临床研究，还是异体骨移植材料应用于动物实验，都会发现其成骨方面的潜能。Kabir等学者在Auto上打孔改良并脱矿植入绵羊髂骨临界骨缺损处，CT显示支架与原生骨良好结合，4个月较2个月有较多骨形成量 [31]。将Auto高温煅烧制备成牙本质源性无机矿物(dentin-derived inorganic Mineral, DIM)植入大鼠颅骨缺损，体内实验发现DIM组骨缺损中心部位生长了大量新骨，空白对照组未有新骨形成。体外实验证明细胞活力测定显示DIM无细胞毒性并且DIM可通过触发ERK和p38 MAPK信号通路促进间MSCs成骨分化 [32]。Kim等人对Auto进行脱矿，植入裸鼠背侧(皮下)分别于移植后2、4、8周处死，对标本进行HE和Masson染色，可见成骨细胞和成纤维细胞独立诱导骨和软骨 [33]。也有学者将脱矿和未脱矿牙齿分别植入大鼠的颅骨、胫骨和背侧皮下袋对比发现脱矿组具有更好的增骨作用 [34]。牙齿内I型胶原蛋白也具有成骨作用，当包括I型胶原蛋白和BMP-2在内的有机物的比例下降时，骨诱导电位就会降低，从而增加骨形成所需的时间。将不含有机物的Auto中加I型胶原植入在兔子颅骨缺损处，发现血管化更强烈，与其他实验组和对照组相比，新生骨形成较早 [35]。该实验的结论和闻澜学者总结的观点一致，牙齿中有机成分有一定的成骨作用。Adel等学者将Auto制备成2 mm厚脱矿牙本质块和取自胫骨的自体骨块被移植到兔子胫骨上，处死后使用10倍放大的光学显微镜(Nicon Eclipse E600)对剩余牙本质、骨移植和软组织进行分析：与植骨接触的结缔组织占63.3% (范围60.0~73.0)、而与牙本质接触的结缔组织占72.6% (范围54.4~89.6)。结缔组织置换在牙本质移植物的界面区域更为明显，而骨移植物与宿主表面的融合更为明显。牙本质组和自体骨组12周内被相似的速率吸收，也看到类似的剩余量 [36]。崔婷婷等学者将Auto植入犬上颌窦底提升术发现与邻近正常骨组织界限较明显，骨形成量少且缓慢 [37]。脱矿有利于牙齿内具有成骨作用的各种生长因子及胶原蛋白的释放，同时以上实验证明了Auto的成骨潜能和生物相容性。

5. Auto在临床研究中的应用

5.1. 位点保存

临床上学者尝试用Auto进行位点保存。Elfana等人将拔出的牙制备成脱矿和未脱矿Auto植入拔牙窝，用锥形束计算机断层扫描(CBCT)比较基线和6个月的牙槽嵴水平情况，6个月时收集移植部位骨组织进行活检。两组在牙槽嵴保存术中同样有效。然而，组织学上脱矿似乎表现出更好的移植物重塑、整合和骨诱导特性，如HE染色切片显示厚而成熟的骨小梁被纤维血管间质包围，Auto和骨组织结合;而未脱矿组显示纤维血管间质中有成熟骨形成，无炎症反应，和脱矿组相比只有一个标本内可见Auto和骨组织结合 [38]。同时有学者用脱矿Auto和加载rhBMP-2的脱矿Auto对拔牙窝进行保存，骨形成量分别为29.75%、34.39%，两组成功保存了拔牙窝并对后期种植提供条件 [39]。在对200颗Auto进行脱矿植入拔牙窝试验中发现不同时间间隔都有骨形成，和相邻骨组织无显著差异 [40]。

5.2. 牙槽嵴增强及种植修复领域

2010年KIM等人研制出Auto骨粉新型骨移植材料给6名患者做引导骨再生术后期植入种植体。对3~6个月的标本进行组织学分析，在46%~87%区域可见新骨形成，并实现了良好的骨重塑。并且进行5年的长期随访结果显示：骨面积的变化范围为8.1%~36.2%，除了1例外颊侧骨吸收1 mm外，其余患者皮质松质骨已形成并成功维持 [41] [42]。后期大量学者临床上使用Auto进行种植前骨缺损修复。对16名患者用部分脱矿Auto来增高牙槽嵴并且两年内植入种植体成功获得了口腔修复，在低倍显微镜下可见骨和Auto融合，高倍镜下可见新骨成熟和骨细胞的凹陷，Auto周围可见胶原结构 [43]。韩国学者在21个位点植入脱矿Auto骨粉，12个位点植入Bio-Oss骨粉，后期植入种植体观察。分别在植骨及种植后6个月后测量牙槽骨垂直尺寸，发现脱矿组为5.38 ± 2.65 mm，Bio-Oss组为6.56 ± 3.54 mm，两组牙槽骨增加量无明显区别。在6个月的随访中，两组移植部位显示相似数量的骨再生和初始植入物稳定性。组织学显示两组骨替代物被新形成的骨包围及其与新骨直接接触 [44]。学者们尝试在Auto和自体骨块进行牙槽嵴增强手术并后期种植，两组牙槽嵴高度降低都在安全范围内(Auto：4.48 ± 2.42 mm，自体骨：4.46 ± 3.31 mm)，到后期两组种植体都表现相当的疗效和安全性 [27]。Korsch等学者分别用牙周病变牙(periodontally compromised teeth, PCT)与非牙周病变牙non-periodontally compromised teeth, NPCT)，应用于牙槽嵴增强术，PCT组中仅有1例移植物丢失，3例出现轻微并发症，分别在不同时间段CBCT测得结果：T1时，PCT组患者平均牙槽嵴宽度为8.8 mm、NPCT组为8.8 mm；T2时，PCT组牙槽嵴宽度为8.5 mm、NPCT组8.3 mm；PCT显示吸收量为0.4 mm、NPCT组为0.5 mm。分析结果可知T1和T2期两组牙槽嵴宽度和吸收在两组间均无统计学差异，使用PCT组在并发症和移植物吸收方面与NPCT组结果相当 [45]。这个结果为因牙周炎丧失牙槽骨的患者带来福音。也有文献报道在自体牙作为骨移植材料中，182例植入物中生存率为97.7%，失败率为2.3%。在组织学分析中，大多数研究报道骨形成 [46]。

5.3. 口腔其他骨缺损领域

在矫正过程中对于牙槽骨菲薄缺失患者使用Auto，发现可以扩大牙齿移动安全范围，虽然术后牙槽骨有吸收，但厚度较术前仍明显改善，术后3个月、术后6个月与术前相比，牙槽骨厚度均显著增加 [47]。对垂直骨吸收牙周炎患者使用引导组织再生术(GTR)结合植入Auto与Bio-Oss治疗牙周骨缺损，在术后3、6、12个月回访，两组术后牙周袋深度、附着丧失均明显减少且两组骨缺损处牙槽骨修复均明显，两组临床效果无明显差异 [48]。对于下颌磨牙II˚根分叉病变植入Auto，分别在9个月、12个月，水平探测深度的平均减少分别为(1.40 ± 0.57 mm)和(1.52 ± 0.59 mm)、线性骨充填的平均增加分别为(3.90 ± 0.15 mm)和(5.33 ± 0.10 mm) [49]。我国学者也尝试使用Auto解决颌骨骨缺损问题，在对15名颌骨囊肿患者二期刮治术后6~12个月植入Auto，发现可缩短较大颌骨囊肿术后的成骨时间，保存拔牙窝的高度，防止牙槽骨萎缩 [50]。

6. 总结及展望

Auto目前大量应用于牙槽嵴增强术及种植前的位点保存、牙周组织再生、上颌骨窦提升术及颌面骨缺损领域中并且取得了良好的效果。在动物骨缺损实验中作为异种来源的骨移植材料也表现出安全性及可靠性。但Auto也存在以下几点问题：目前采取脱矿法处理Auto，有学者对牙齿脱矿，也有学者对牙本质、牙根脱矿，脱矿试剂、浓度及时间没有统一标准。其次临床上随访观察病例数量较少及无长期随访观察时间。同时关于牙齿能否作为同种异体材料的临床研究较少。日本韩国等国家有Auto骨粉机，关于Auto研究较多，而我国主要分布在东北地区，资源配置不均衡等问题仍然存在。根据目前的结果可知，Auto成骨主要和牙本质内生长因子有关，但分析牙齿成分可知牙骨质覆盖牙根表面，牙根包埋在牙槽骨内和骨组织具有更好的生物相容性，同时牙骨质含有骨钙素、骨连接素等非胶原蛋白促进骨组织的矿化，因牙根同时含有具有成骨作用的牙本质及牙骨质，可以将牙根作为研究方向。以后的研究中可以更加优化技术且充分利用牙齿有利成分，有望将医疗垃圾牙齿经过处理后成为一种骨移植材料。

NOTES

^*第一作者。

^#通讯作者。