Биологический контроль перемещения зубов

Прежде чем детально описывать реакцию на ортодонтическую на­грузку, необходимо рассмотреть механизм биологического контро­ля, начиная от раздражителя и заканчивая реакцией на ортодонтическое перемещение зуба. В двух основных теориях ортодонтичес­кого перемещения зубов противопоставлены два возможных конт­рольных элемента: биологическое электричество и давление-натя­жение в ПДС, влияющее на ток крови. Биоэлектрическая теория, по крайней мере, отчасти связывает перемещение зуба с изменениями костного метаболизма, контролируемыми электрическими им­пульсами, производимыми при прогибе альвеолярной кости. Тео­рия давления-натяжения связывает перемещение зуба с клеточны­ми изменениями на химическом уровне, что традиционно считает­ся связанным с изменением тока крови в ПДС. Давление и натяже­ние внутри ПДС при сокращении (давление) или увеличении (на­тяжение) диаметра кровеносных сосудов в пространстве связки, безусловно, может изменять ток крови. Обе эти теории не совмес­тимы, но и не взаимоисключающи. С современной точки зрения оба механизма могут играть определенную роль в биологическом контроле зубных перемещений.

Пьезоэлектрические импульсы имеют две необычные характе­ристики: 1) высокую скорость распада (например, при приложении нагрузки образуется пьезоэлектрический импульс, который быстро уменьшается до нуля даже при сохранении действия силы); 2) со­здание эквивалентных импульсов противоположной направленно­сти при прекращении действия силы (рис. 9-3).

Обе эти характеристики объясняются миграцией электронов внутри кристаллической решетки, деформируемой давлением. При деформации кристаллической структуры электроны мигриру­ют от одного положения к другому, и наблюдается электрическая нагрузка. При поддержании усилия кристаллическая структура ос­тается стабильной, и других электрических явлений не наблюдает­ся. Однако при снятии усилия кристалл возвращается к своей на­чальной форме, и появляется обратный ток электронов. Таким об­разом, в результате ритмической активности наблюдается постоян­ное взаимодействие электрических сигналов, производимых в ходе приложения или снятия усилия.

Рис. 9-3. Когда к кристаллической структуре (такой, как кость или кол­лаген) прилагается нагрузка, то возникает электрический ток, который бы­стро исчезает. При снятии нагрузки появляется противоположный ток. Та­кой пьезоэлектрический эффект обусловлен миграцией электронов внутри кристаллической решетки.

С самого начала считалось, что электрические импульсы, спо­собные инициировать перемещение зуба, являются пьезоэлектри­ческими. Феномен пьезоэлектричества наблюдается во многих кристаллических материалах, где деформация кристаллической структуры приводит к образованию электрического тока при пере­мещении электронов из одной части кристаллической решетки в другую. Пьезоэлектричество во многих неорганических кристал­лах было открыто много лет назад и используется в повседневных технологиях (например, в фонографических системах). Органичес­кие кристаллы также могут иметь пьезоэлектрические свойства. Не только костный минерал является кристаллической структурой с пьезоэлектрическими свойствами, но и коллаген сам по себе об­ладает этими свойствами, а потенциалы накопления напряжения в образцах сухих костей также относятся к пьезоэлектричеству.

Ионы в омывающих живую кость жидкостях взаимодействуют со сложным электрическим полем, создаваемым при изгибании ко­сти, вызывая температурные изменения и электрические сигналы. В результате во внеклеточных жидкостях могут быть обнаружены как токи конвекции, так и токи проводимости, на которые влияние оказывает природа жидкостей. Наблюдаемое небольшое напряже­ние называется «потенциалом потока». Хотя эти напряжения и от­личаются от пьезоэлектрических импульсов в сухих материалах, они в основном характеризуются быстрым нарастанием и измене­нием при приложении к кости переменных напряжений. Также имеется и обратный пьезоэлектрический эффект. Не только прило­жение силы может вызвать искажение кристаллической структуры и возникновение электрического импульса, но и применение элек­трического поля может вызвать деформацию кристалла и привести, таким образом, к возникновению усилия. Обратное пьезоэлектри­чество не используется в естественных системах контроля, на­сколько известно в настоящее время, однако потенциалы потока могут создаваться при применении внешних электрических полей, и потенциал терапевтического использования такого феномена сразу приобретает интерес⁶.

Нет сомнений в том, что создаваемые напряжением импульсы важны для сохранения целостности скелета. Без таких импульсов теряются костные минералы, что приводит к общей скелетной ат­рофии — ситуация, наблюдаемая у астронавтов, чьи кости не испы­тывают давления обычной силы притяжения в безвоздушном про­странстве. Импульсы, создаваемые при прогибе альвеолярной кос­ти в ходе процесса жевания, очень важны для сохранения кости во­круг зубов. С другой стороны, длительное усилие такого типа, ис­пользуемое для ортодонтического перемещения зуба, не создает значительных, обусловленных нагрузкой импульсов. При приложе­нии усилия создается краткий импульс; когда усилие ослабевает, появляется обратный импульс. Однако, пока сохраняется усилие, ничего не происходит. Если создаваемые нагрузкой импульсы важ­ны для осуществления костной реконструкции, связанной с ортодонтическим перемещением зуба, то эффективным было бы при­менение вибрирующего давления. На самом деле эксперименты свидетельствуют о крайне малой эффективности вибрирующих длительных усилий для перемещения зубов⁷. Оказывается, что со­здаваемые нагрузкой импульсы, как бы они ни были важны для нормального скелетного функционирования, вероятно, имеют мало или вообще ничего общего с реакцией на ортодонтическое пере­мещение зубов.

Однако из этого не следует делать вывод, что все типы электри­ческих импульсов не имеют значения для контроля зубных пере­мещений. В кости, не подвергающейся нагрузке, может наблю­даться второй тип эндогенного электрического импульса, который называется «биоэлектрическим потенциалом». Метаболически ак­тивные клетки кости или соединительной ткани (в областях актив­ного роста или реконструкции) производят электрически отрица­тельные нагрузки, которые пропорциональны уровню их активно­сти; неактивные клетки и области электрически почти нейтраль­ны. Хотя цель этого биоэлектрического потенциала неизвестна, клеточная активность может быть модифицирована посредством добавления экзогенных электрических импульсов. Эффект ощу­щается на клеточных мембранах. Мембранная деполяризация вы­зывает нервные импульсы и сокращение мышц, но изменение мембранных потенциалов сопровождает также и другие клеточные реакции. Внешние электрические сигналы могут воздействовать как на рецепторы клеточной мембраны, так и на проницаемость мембраны⁸.

Рис. 9-4. У подопытных животных изменения в токе крови в ПДС можно наблюдать при перфузии туши в сосудистую систему и умерщвлении животного. Сосуды заполняются тушью, так что их размер может быть легко виден. На данной фотографии показан горизонтальный срез, где виден корень зуба, а в левом верхнем углу — камера пульпы. ПДС расположена внизу справа. Обратите внимание на сжатие сосудов в области ПДС, куда перемещался зуб. В области сжатия клетки исчезают, и иногда такая область называется гиалини-зированной из-за ее сходства с гиалиновой соединительной областью. (Снимок предоставлен Dr. F.E. Khouw.)

Исследования на животных и на людях показали, что при под­ключении постоянного тока низкого напряжения к альвеолярной кости происходит модификация биоэлектрического потенциала и зубы перемещаются быстрее, чем при реакции на идентичную пружину⁹. Электромагнитные поля могут также воздействовать на мембранные потенциалы и проницаемость мембран клеток и, та­ким образом, вызывать изменения клеточной активности. В экспе­риментах с животными пульсирующее электромагнитное поле уве­личивало роль зубного перемещения посредством сокращения на­чальной фазы отставания перед началом перемещения зуба¹⁰. Электромагнитные поля могут создаваться внутри тканей посред­ством смежных магнитов без необходимости электронных контак­тов, и при этом некоторые типы полей способствовали заживлению костей конечностей и челюстей. Возможно, данный эффект будет использован в будущем для стимуляции ортодонтического переме­щения зубов и для изменения челюстного роста. Быть может, пра­вильным выводом является то, что даже если создаваемые нагруз­кой импульсы не объясняют зубное перемещение, электрические и электромагнитные влияния могут модифицировать костную ре­конструкцию, от которой зависит зубное перемещение, и могут быть терапевтически полезными.

Теория давления-натяжения. Теория давления-натяжения, классическая теория зубного перемещения, основывается на хими­ческих, а не электрических сигналах, как стимулах клеточной диф­ференциации и зубного перемещения. Несомненно, химические элементы имеют определенное значение в последовательности со­бытий, приводящих к реконструкции альвеолярной кости и зубно­му перемещению. Поскольку данная теория действительно дает разумное объяснение перемещению зубов, она остается основой дальнейшего описания.

Согласно данной теории изменение тока крови внутри ПДС осуществляется посредством длительного давления, что вызывает смещение зубов внутри пространства ПДС при сокращении связки в одних местах и растяжении в других. При сжатии ПДС ток крови уменьшается (рис. 9-4), а при растяжении связки он обычно под­держивается или усиливается (рис. 9-5).

Рис. 9-5. На стороне, противоположной направлению зубного перемеще­ния, ПДС увеличена, а кровеносные сосуды расширены. На данном сним­ке представлен вертикальный срез зуба животного с перфузией тушью во время смерти. Частично заполненные тушью расширенные сосуды видны в растянутой части ПДС. (Снимок предоставлен Dr. F.E. Khouw.)

При чрезмерном растяже­нии участков ПДС ток крови временно увеличивается. Изменения тока крови приводят к быстрым изменениям химической среды. Например, уровень кислорода, безусловно, будет снижаться в обла­сти сжатия, но он будет увеличен в области растяжения, а также в течение минут будут происходить изменения относительных про­порций других элементов, участвующих в обмене веществ. Такие химические изменения, либо непосредственные, либо выраженные в стимуляции выработки других биологически активных веществ, затем будут стимулировать клеточную дифференциацию и актив­ность. Таким образом, существует три стадии зубного перемеще­ния:

1) изменения тока крови в зависимости от давления внутри ПДС;

2) формирование и/или выработка химических элементов;

3) активация клеток (табл. 9-2).

Величина силы

Чем сильнее длительное давление, тем больше будет сокращение тока крови в сжатых областях ПДС, до полного коллапса сосудов и отсутствия тока крови (рис. 9-6). Теоретическая вероятность та­кой последовательности событий была продемонстрирована при экспериментах с животными, когда увеличение давления на зуб приводило к снижению перфузии ПДС со стороны сжатия (см. рис. 9-4 и 9-5)¹¹. Рассмотрим временную последовательность собы­тий после применения ортодонтических усилий большой и малой величины (см. табл. 9-2).

Рис. 9-6. Схематичное изображение увеличивающе­го сжатия кровеносных сосудов с ростом давления внутри ПДС. При определенной величине постоянно­го давления происходит полное спадение кровенос­ных сосудов и стерильный некроз тканей связки.