基于颌骨密度差异的近红外光协同振动个性化加速正畸牙移动的研究

《iScience》：Vibration tailored to jawbone density with near-infrared light expedites orthodontic tooth movement

本研究针对正畸治疗周期长、传统物理刺激方案“一刀切”效率不足的临床难题，通过分析不同年龄段患者颌骨密度差异，开发了十通道振动-光集成平台(VLIP)，发现低频率振动(L-Vib)更适用于颌骨密度较低的青少年，而高频率振动(H-Vib)对密度较高的年轻成人效果更佳，且振动与近红外光(NIR)协同应用可安全、高效加速正畸牙移动(OTM)，为个性化正畸辅助治疗提供了新策略。

　　

一口整齐的牙齿是许多人追求的目标，但漫长的正畸治疗过程常常令人望而却步。典型的正畸治疗通常需要持续2到3年，这不仅考验患者的耐心，长期佩戴矫治器还会增加牙釉质脱矿、牙根吸收等并发症的风险。因此，如何安全有效地加速正畸牙移动(Orthodontic Tooth Movement, OTM)，缩短疗程，成为口腔正畸领域亟待解决的关键问题。

非侵入性的物理刺激方法，如振动和光生物调节(Photobiomodulation, PBM)，因其创伤小、操作性好而备受关注。市场上已经出现了像AcceleDent（利用振动刺激）和well-lite（采用近红外光照射）这样的辅助正畸治疗设备。然而，临床研究中振动加速正畸的效果并不一致，一个重要原因可能在于现有的治疗方案往往采用“一刀切”的参数设置，忽略了不同患者群体之间的差异。众所周知，人类的骨密度会随着年龄和性别发生变化，那么，这种差异是否会影响物理刺激的效果呢？例如，正处于生长发育高峰的青少年（12-14岁）与骨骼已基本定型的年轻成人（20-29岁），他们的颌骨密度存在显著差异，这是否意味着他们对不同频率的振动刺激会有不同的反应？此外，振动和近红外光(Near-Infrared, NIR)虽然都能单独促进OTM，但两者结合是否会产生“1+1>2”的协同效应？这些问题都值得深入探究。

为了解决这些疑问，来自华中科技大学同济医学院附属协和医院口腔科的研究团队在《iScience》期刊上发表了他们的最新研究成果。研究人员首先通过分析人类颌骨计算机断层扫描(Computed Tomography, CT)数据和大鼠模型，证实了年轻成人的颌骨密度确实高于青少年。为了更精确地在动物实验中模拟人体并控制刺激参数，他们自主研发了一种十通道振动-光集成平台(Vibration-Light Integrated Platform, VLIP)。该平台可以独立控制十个通道，提供低频率振动(Low-Frequency Vibration, L-Vib, 40 Hz)、高频率振动(High-Frequency Vibration, H-Vib, 60 Hz)和近红外光(810 nm)刺激，有效减少了手动操作带来的误差。

研究的关键技术方法包括：利用人类颌骨CT数据和大鼠显微CT(Micro-CT)分析颌骨密度；建立大鼠OTM模型并通过VLIP施加精确的物理刺激；通过酶联免疫吸附测定(ELISA)检测血清中的骨代谢标志物如I型胶原C端肽(CTX-1)和I型前胶原N端前肽(PINP)；采用蛋白质印迹法(Western Blotting, WB)和免疫荧光(Immunofluorescent, IF)染色分析关键蛋白（如COX-2, IL-6, RUNX2, OSX）的表达；通过抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色观察破骨细胞活性；并进行组织学染色（如HE染色）评估牙根和牙槽骨吸收情况。

研究结果

人类颌骨密度在年轻成人中高于青少年

研究人员检索了青少年（10-14岁）和年轻成人（26-30岁）的颌骨CT数据，发现无论男女，年轻成人的上颌骨和下颌骨密度均显著高于青少年。

为了在动物模型中验证这一趋势，他们选择了与人类两个正畸高峰年龄段相对应的3月龄（青少年组，较年轻）和8月龄（成年组，较年长）Sprague-Dawley(SD)大鼠。Micro-CT结果同样显示，8月龄大鼠的上、下颌骨密度和骨体积分数均高于3月龄大鼠。这表明大鼠模型能够很好地模拟人类颌骨密度随年龄变化的特征。

L-Vib在年轻组加速OTM更快，而H-Vib在年长组效果更佳

在年轻（3月龄）大鼠的OTM模型中，L-Vib组的第一磨牙移动距离显著长于对照组和H-Vib组。血清CTX-1浓度（骨吸收标志物）在L-Vib组也最高。TRAP染色显示L-Vib组压力侧破骨细胞数量最多，WB和IF分析也表明L-Vib组炎症相关蛋白COX-2和IL-6的表达水平最高。这些结果说明L-Vib能更有效地促进年轻、低密度颌骨的骨重塑，从而加速OTM。

相反，在年长（8月龄）大鼠中，H-Vib组表现出最长的牙齿移动距离、最高的血清CTX-1浓度、最多的破骨细胞数量以及最高的COX-2和IL-6蛋白表达。这表明对于密度较高的颌骨，H-Vib是更有效的刺激频率。

振动和NIR光的协同作用导致更快的OTM速率

研究人员进一步探讨了振动与NIR光结合的效应。在年轻大鼠中，与单独使用L-Vib相比，L-Vib与NIR光协同作用能诱导更高的COX-2、IL-6蛋白表达、更多的破骨细胞、更高的CTX-1水平以及更显著的牙齿移动。在年长大鼠中，H-Vib与NIR光的协同也表现出比单独H-Vib更强的促进骨重塑和OTM的效果。这证实了振动与NIR光在加速OTM方面存在协同效应。

长期应用证明振动与NIR光协同加速OTM的安全性和有效性

为期四周的长期观察显示，在年轻和年长大鼠中，协同组均能持续加速OTM，并保持较高的COX-2和IL-6表达。重要的是，HE染色显示协同组与对照组相比，第一磨牙根尖区域未出现病理性吸收或坏死，牙根吸收水平和牙槽骨吸收水平无显著差异。同时，协同组血清中PINP（骨形成标志物）浓度显著升高，颌骨中成骨相关蛋白RUNX2和OSX的表达也上调，表明协同刺激在促进骨吸收的同时也诱导了反应性骨形成，确保了治疗的安全性。

结论与讨论

本研究揭示了颌骨密度是影响振动加速OTM效率的关键因素。针对颌骨密度较低的青少年，低频率振动(L-Vib, 40 Hz)更为有效；而对于颌骨密度较高的年轻成人，高频率振动(H-Vib, 60 Hz)效果更佳。这种差异可能与不同密度骨组织的机械特性有关：密度较低的骨组织更具顺应性，更容易在低频振动下发生形变，从而有效激活骨细胞信号通路；而密度较高的骨结构则需要更高频率的振动才能产生有效的能量耦合和共振。

更重要的是，振动与近红外光(NIR)的协同应用产生了“1+1>2”的效应，能更显著地促进OTM。其协同机制可能在于：振动主要通过机械刺激激活破骨细胞和成骨细胞活性，而NIR光则通过提供生物能量改善细胞代谢，两者相辅相成，共同优化了牙周组织的重塑环境。为期四周的长期实验证实了该联合方案的安全性，未发现对牙根和牙槽骨的不良影响，并且促进了反应性骨形成，这得益于NIR光强大的组织修复能力。

该研究突破了传统物理刺激“一刀切”的局限，为基于个体颌骨密度制定个性化正畸辅助治疗方案提供了重要的理论依据和实践指导。自主研发的十通道VLIP平台也为未来相关领域的精准动物实验提供了可靠工具。尽管其具体分子机制（如特定频率振动如何影响细胞信号通路）以及临床转化效果仍需进一步探索，但这项研究无疑为缩短正畸疗程、提高治疗效率开辟了新的个性化路径。