Low Laser Therapy, VEGF- acceleratetooth Movement: duringOrthodontic Treatment:Radiographical,Histological andImmuno - histochemical study

Abstract

Abstract

Background

Orthodontic tooth movement is dependent on efficient remodeling of

periodontal ligament and the alveolar bone, linkedwith several biological

and mechanical responses of the tissues surrounding the teeth.

A periodontal ligament placed under compressionwill result in bone

resorption whereas a periodontal ligament under tension results in bone

formation. In the primary stage of the application of orthodontic forces,

an acute inflammation occurs in periodontium, and several

proinflammatory cytokines are produced,the main molecules,

namely,vascular endothelial growth factor(VEGF).

Materials and Methods

Low-level laser therapy (LLLT) is increasingly used in medicine and

dentistry. It has been suggested that LLLT may be beneficial in the

management of many different orthodontic conditions. LLLT effect on

bone healing is a fundamental principle that may improve tooth

movement.Vascular endothelial growth factor (VEGF)is oneof

proliferation markers of osteoclasts and osteoblasts.Thebiomarkers of

bone resorption such as macrophage colony stimulating factor

andbiomarkers of bone formation such ascollagen I and alkaline

phosphataseenzymehad been used in present study.

Study design

The present study was carried out to evaluate the effect of exogenous

vascular endothelial growth factor(VEGF) and LLLT on orthodontic

tooth movement rate and bone remodeling in experimental animals

III

(rabbits) by studying the casesclinically, radiographically, histologically

and immunehistochemical investigation for Collagen typeI,macrophage

colony stimulating factor(M-CSF) andalkaline phosphatase (ALP).

The study group of total sixty healthy male New- Zealand white rabbits

(22-24) weeks of age received orthodontic appliancein the mandibular

central incisors (MCIs), the teeth were moved distally for 21 days using

pushing coil spring that apply a constant total amount of light continuous

orthodontic force of about100gm (50gm for each tooth).

The study group n=60were divided randomly into two main groups,

control group n= (15) and experimental group n= (45), after activation of

pushing coil spring they have beensubdivided as follows:

A. Controlling group consist of (15) rabbits treated with

orthodontic appliance only.

B. Experimental group-1 consists of (15) rabbits treated with

LLLT (wavelength of 800 nm).

C. Experimental group-2 consists of(15) rabbits treated with 0.1µm

VEGF.

D. Experimentalgroup-3 consists of (15) rabbits treated with LLLT

plus 0.1µm VEGF (Combination).

Application days for the above experimental groups (B, C and D)were at

days (0,7th

,14th

, 18th) of the total experimental period .

Five rabbits for each study groups were sacrificed at the end of each

period (1

st week,2

nd week,3

rd week)with inhalation anesthesia.

IV

Objectives

Clinical andradiographical assessment methods were performed first,

followed by histopathological examinations for the amount of bone

formation and resorption at the compression and tension sides of the

coronal level, and then with immunohistochemical based assessment for

tooth movement by stimulating PDL remodeling and increasing collagen

I, macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) and alkaline

phosphatase (ALP).

Results

In present study, Mean value, Standard Deviation, Standard Error, (95%)

Confidence interval for population Mean values, two Extreme values

(min. and max.) were used.

The clinical findings showed after 3 week: the mean ± SD values of

separation were increased and the highest one was (1.95 ±0.11), in

combination group, (1.78 ±0.03 mm) in laser, (1.23±0.01 mm) in VEGF, and

the lowest one was (0.92±0.01 mm) in control P<0.000 HS(high significant

difference). The increase in distance (mm) between MCIs compered to

control group were, (1.01 mm in combination group, 0.82 mm in laser group

and 0.31mm in VEGF group)respectively.

The radiographic measurement results of the distance that remained

between MCIs at the end of experiment were matched with the results of

the clinical measurement at the same period, with statistically no

significant difference (P > 0.05) between the two measurements of each

group.

The highest mean values of the Mandibular suture width at three points

that measured through radiographs at the end of the experiment were in

V

combination group, (0.492±0.04mm), and in laser(0.455±0.01mm), while

VEGF records a low value (0.242 ±0.02mm) and control is the lowest one

(0.215±0.01mm). With P<0.01 for the combination group at three periods

intervals.

Width of PDL of right and left mesial side highest in combination

group,theright and left distal side highest in laser group.Mesial Side:

Cutoff Point (0.25) at (right); Cutoff Point (0.24) at (left).Distal

side:Cutoff Point (0.22) at (right); Cutoff Point (0.22) at (left).

Histologicalreports for numbers of osteoblast, osteoclast and blood

vessels revealed the followings:

1. Statistics evaluation for the mean difference in the number of

osteoblast and osteoclast cells revealed a mean and standard deviation (M

± SD) with a high value in combination group (5.50±0.84; 2.50±0.55,

P<0.01; P0<05, respectively).Followed by laser group (4.67±0.82;

1.83±0.75, P<0.01 highly significant differences (HS); P<0.05

respectively).

2. Analysis for blood vessel count, show a high value in it's mean in

combination group, followed by VEGF group (4.00 ±0.89; 3.67±0.52,

P<0.05; P<0.01, respectively), then laser group (3.33±1.03)

P<0.05.Lastly control group (1.83 ±0.41) P<0.001(HS). Highly

significant difference between control group and the experimental

ones.Cutoff Point (5) for osteoblast; Cutoff Point (2) for osteoclast;

Cutoff Point (2) for blood vessels.

Immunohistochemical assessment for positive expression of collagen I,

M-CSF and ALP showed that experimental groups, specifically

VI

combination group, recorded high significant differences in comparison

to control group and as follow:

1. Collagen I, the results showed that combination group recorded high

expression of collagen I (36.8± 1.14; 33.3 ± 1.17; 14.7 ± 0.42,

respectively) for different three periods P<0.001.

2. Macrophage colony stimulating factor(M-CSF), the results showed that

combination group recorded high expression of M-CSF for three periods

(9.8±0.60; 9.2±0.48; 8.0± 0.26, respectively)P<0.001.

3. Alkaline phosphatase (ALP), the results showedthat combination group

recorded high expression of ALP for 2 periods (1

stand 3

rd weeks)

(9.0±0.37; 7.5± 0.43, respectively)P<0.001, While the 2

nd week

showedhigh expression of ALP by laser group,M ± SD (19.0±

1.13).P<0.001.

Conclusion

From the present experimental study, it is concluded that the exogenous

application of VEGF and LLLtherapy can accelerate the rate and

percentage of orthodonticalveolar bone formation.

VII

المستخلص

تعتمد حركة الاسنان التقویمیة على كفاءة إعادة ھیكلة الرابط اللثوي وعظم الفك ،متلازمة مع

عدة استجابات بیولوجیة ومیكانیكیة من قبل انسجة ما حول الاسنان.

ان الرابط اللثوي الذي یتعرض للضغط ینتج عنھ تاكل العظم ،بینما الذي یتعرض للشد ینتج عنھ

تشكیل العظم. في المرحلة الأولیة لاستخدام القوة التقویمیة یحدث التھاب حاد لا انسجة ما حول

الاسنان مع انتاج عدة انزیمات (سایتوكینات) اھمھا VEGF)عامل النمو الخاص بالاوعیة

الدمویة) الذي یعتبر مؤشر لتكاثر ونمو الخلایا المھدمة والبناءة للعظم ) ، وھذه دراسة نسیجیة

مناعیة باستخدام المؤشرات التالیة :

( Collagen 1 , M-CSF and ALP )

المواد والطرائق :

العلاج باللیزر ذو المستوى المنخفض (LLLT ( یستخدم الان بازدیاد في المجال الطبي وطب

الاسنان ویعتقد ان لھ فائدة في ادارة مختلف حالات التقویم ولھ تأثیر في إلتئآم العظم وتعتبر

مھمة في تحسین حركة الاسنان .

ان الغرض من ھذه الدراسة ھو تقییم استخدام المادة الخارجیة VEGF وباللیزر ذو المستوى

المنخفض على معدل حركة الاسنان التقویمیة وإعادة ھیكلة العظم من خلال دراسة سریریھ

شعاعیھ بیولوجیة نسیجیة و نسیجیة مناعیة (ALP and CSF-M, I Collagen .(

مخطط الدراسة :

لقد تمت ھذه الدراسة باستخدام ستین ارنبا نیوزلندیا أبیض من فئة الذكوربین عمر (24-22 (

اسبوع وقسمت الى أربعة مجامیع عشوائیة (خمسة عشر أرنبا لكل مجموعة):

1 .مجموعة السیطرة

2 .مجموعة تجریبیة باستخدام LLLT بطول موجي nm 800

VEGF 0.1µm باستخدام تجریبیة مجموعة. 3

4 .مجموعة تجریبیة باستخدام VEGFو LLLT

لقد تلقت المجامیع الاربعة اجھزه تقویم الاسنان للقواطع الامامیة السفلیة ، وحركت الاسنان

باتجاه الخلف ولمده 21 یوم ،باستخدام الحلزون الفاتح والذي یعطي قوة تقویمیة ثابتة ومستمرة

وبمقدار 100 غم (50 غم لكل سن).

VIII

التجارب تمت في الأیام( 18,14,7,0 (وتم الذبح في الاسابیع (3,2,1(وبعدل خمسة ارانب لكل

مدة (بعد تخدیرھا).

الغرض من الدراسة :

التقییم السریري والشعاعي ثم التقییم النسیجي لفحص كمیھ العظم المتكون والمتاكل في مناطق

الضغط والشد للمستوى القمي للعینات ( level Coronal، (كما تم التقییم النسیجي المناعي

Collagen 1, M-CSF,ALP

النتائج :

اظھرت النتائج السریریة بوجود فرق معنوي في النسب المئویة لحركة الاسنان بین المجامیع

التجریبیة ومجموعة السیطرة وسجلت مجموعة ال (Combination (أعلى القیم وكانت 95.1(

(11.0 ، ±أما مجموعة اللیزر فكانت (mm 03.0 ±78.1 ، (في حین كانت قیم مجموعة

.السیطرة لمجموعة) 0.92±0.01 mm) كانت القیم وأقل ، VEGF(1.23±0.01 mm)

التقییم الشعاعي والسریري حسب جدول ( t-Student (یظھر عدم وجود فروق إحصائیة بین

القرائتین ، وسجلت المجموعة ج (Combination ( أعلى القیم بمعدل (933.1 (وكانت قیم

P< 0.05

ولخط الإلتئآم للفك الأسفل أوسع عرض تم تسجیلھ على ثلاثة نقاط أخذت علیھ ، وكان لمجموعة

تلیھا) ، 0.492±0.04mm) القیم أعلى) Combination)

واخیرا) ، 0.242 ±0.02mm) النمو عامل مجموعة ثم، لمجموعةاللیزر)0.455±0.01mm)

مجموعة السیطرة التي كانت أقل القیم (01mm.0±215.0.(

عرض النسیج اللثوي للجانبین الایمن والایسر لخط وسط الفك السفلي كانت الاعلى في

مجموعــة ال (combination ( بالنســـــبة للجھــة الأنســـــیة ( القریبــة من خط وســط الفك)

Mesial Side: Cutoff Point (0.25) at (right); Cutoff Point (0.24) at (left)

في حین بالنسبة للجھة الوحشیة (البعیدة عن خط الوسط) كانت النتائج الأعلى لمجموعة (laser (

التقییمDistal side: Cutoff Point (0.22) at (right); Cutoff Point (0.22) at (left).

النسیجي كان كالآتي :

1 -معدل الفرق لخلایا العظم البناءة والھدامة كان كالآتي :

IX

على)5.50±0.84; 2.50±0.55( Combination) ج للمجموعة كان الأعلى 

P<0.01; P0<05.التوالي

P<0.01 s .التوالي على 4.67±0.82; 1.83±0.75 اللیزر مجموعة تلیھا 

.إحصائي فرق أعلى) HS); P<0.05

2 -التحلیل الإحصائي لعدد الأوعیــة الدمویــة أظھر بأن أعلى قیمة كانت للمجموعة ج

ثم، 3.67±0.52P<0.05; P<0.01 النمو عامل مجموعة تلیھا ، 4.00 ±0.89

.(3.33±1.03P<0.001(HS اللیزر مجموعة

التقییم النسیجي المناعي :

التقییم النسیجي المناعي للخلایا المناعیة المختلفة (ALP and CSF-M, I collagen (أظھر

بأن المجامیع التجریبیة وبشكل خاص المجموعة (ج) قد سجلت أعلى القیم مقارنة بمجموعة

السیطرة وكما یلي :

 بالنسبة للكولاجین (I collagen ( فقد سجلت المجموعة (ج) القیم التالیة للأسابیع الثلاثة

P<0.000. التوالي على)36.8± 1.14; 33.3 ± 1.17; 14.7 ± 0.42)

 وبالنسبة لل (CSF-M (كذلك سجلت المجموعة (ج) أعلى القیم للأسابیع الثلاثة

P<0.000.التوالي على) 9.8±0.60; 9.2±0.48; 8.0± 0.26)

 أما بالنسبة لل (ALP(فقد كانت النتائج أعلى للمجموعة (ج) في الأسبوعین الأول

والثالث(43.0± 5.7; 37.0±0.9 (على التوالي ، في حین سجلت مجموعة اللیزر أعلى

P<0.000 .(19.0± 1.13) التجارب من الثاني الأسبوع في النتائج

الملخص

من ھذه الدراسة التجریبیة نستنتج ان استخدام المادة الخارجیة VEGF و العلاج باللیزر ذو

المستوى المنخفض یؤدیان الى زیادة معدل النسب المئویة لحركة الاسنان التقویمیة بتحفیز اعادة

ھیكلیة الرابط اللثوي و زیاده تكوین العظم الفكي. عملیة ھدم وبناء العظم ودینامیكیة التغذیة

الدمویة لھذه العملیة.