Periodontal ligament and peri innervation in humans: a basis for physiological integration of oral implants

Abstract

This thesis is composed of 2 literature reviews and 6 scientific studies focusing on the mechanosensory function related to periodontal ligament (PDL) and periimplant region. The scientific research first started with the exploration of PDL nerve fibre distribution in humans (1) and the investigation of special PDL structures, namely the epithelial rests of Malassez (ERM) (2). This was followed by the histological search for mechanoreceptors in the peri-implant tissue of humans (3). Besides these histological approaches, more clinically accessible tools were investigated as possible indication for physiological changes of bone, especially dental radiographs which are daily used in clinic. Thus, morphological aspects of periimplant bone were assessed by cone beam computed tomography (CBCT) and intraoral (IO) radiography, using histological imaging as gold-standard (4). Finally, the influence of implant treatment on mandibular anatomy and innervation was investigated using 3D CBCT images. For this, the variability of neurovascular canals in the mandibular bone had first to be addressed (5, 6). PDL innervation and mechanoreceptors have been extensively described according to their morphology, neurophysiological aspects, spatial arrangement and functional significance (chapter 2). Yet, researches exploring the 3D reconstruction of the PDL and mechanoreception function at cellular and molecular levels are expected to further our understanding of mechanosensory function in teeth. Three-dimensional volume reconstruction from 2D histological slices showed some potential in visualising the complex PDL anatomy, spatial arrangement and interrelationship among the different PDL structures (chapter 2). Regarding nerve fibre distribution in human PDL, bundles of nerve fibres were mostly found at the alveolar related part of the PDL and in the vicinity of blood vessels (chapter 3). The highest number of fibres was found at the buccal and mesial region as well as at the root apex. The diameter of PDL fibres ranged between 2-15µm, and those that were myelinated and in the range of 5-6µm were most frequently seen in the human PDL. Overall, the lingual region showed higher concentration of nerve fibres of larger diameter (8-9µm). The highest concentration of isolated fibres was found at the intermediate region between apex and tooth fulcrum, and this in the cemental part of the PDL. Other PDL special structures such as ERM and cementicles have been described in the literature, however their role in the PDL function is not fully understood (chapter 4). An altered ERM morphology after tooth autotransplantation suggested that this structure is related to PDL regeneration. Additional studies are needed to confirm this finding and to research the likely influence of this finding in PDL regeneration treatments. For the first time in humans, myelinated and unmyelinated nerve fibres were shown in the peri-implant bone mostly localized in the Haversian canals close to the bone-implant interface (chapter 5). However in this study, no structure even resembling a mechanoreceptor was observed in the peri-implant region, which does not explain why some PDL mechanoreceptor functions are partially restored after implant treatment. Therefore, the exact location and mechanism of the structures that would be responsible for those functions remains mostly unknown in fully implant rehabilitated patients. Regarding peri-implant bone tissue estimations, significant correlations could be observed between bone levels histologically assessed and bone levels measured on IO radiographs and CBCT images (chapter 6). Tissue parameters as measured on IO radiographs correlate significantly with some histomorphometric parameters. However, such correlation could not be established for CBCT images. An increased bone loss (>2mm) seemed more likely to occur at low density bones (<5mmAleq). No reliable information about geometrical arrangement of trabecular bone could be obtained from radiographic images since IO and CBCT fractal analysis did not correlate to histological fractal analysis. Using 3D CBCT scans, the anatomical variability of neurovascular canals of the mandible was addressed, not only between modern humans from different timeperiods and different geographical regions, but also between mandibles of human and non-human primates. This contributed to an elaborate overview about neurovascular canal anatomy and the relation with adjacent tooth roots (chapter 7). Geographically, anatomical features which characterize some populations could be related to potential surgical and pathological risks. Furthermore, the incisive canal is suggested to be a unique feature of human mandibles (chapter 7). Considering some study limitations, this thesis suggested that neurovascular canals do not change significantly after tooth extraction and that the resorption rate of mandibular bone after implant treatment in the first years after tooth extraction seemed to be about 50% less than the rate reported in literature (chapter 8). To conclude, PDL and peri-implant tissue were assessed to understand the underlying mechanisms of osseoperception influencing the oral implant rehabilitation. A special focus was also given to the innervation of those tissues, their functional relation and spatial arrangement with other adjacent structures.

Dit proefschrift bestaat uit 2 literatuurstudies en 6 wetenschappelijke onderzoeken gericht op de mechanosensorische functie gerelateerd aan het parodontale ligament (PDL) en de peri-implantaat regio. Het wetenschappelijk werk begon met het verkennen van de distributie van PDL zenuwvezels bij de mens (1) en met het onderzoek naar bijzondere PDL structuren, namelijk de epitheliale resten van Malassez (ERM) (2). Vervolgens werd een histologische zoektocht ondernomen naar mechanoreceptoren in het peri-implantaat weefsel van de mens (3). Naast deze histologische aanpak, werden meer bruikbare klinische tools onderzocht als mogelijke indicatoren voor fysiologische veranderingen van bot, en meer bepaald dental radiografieën die dagelijks in de tandheelkundige praktijk gebruikt worden. Zo werden meer morfologische aspecten van het peri-implantaat bot beoordeeld aan de hand van intra-orale (IO) en cone beam computed tomography (CBCT) radiografie, met als gouden standaard de histologische beeldvorming (4). Tenslotte, werd de invloed van de implantaat behandeling op de onderkaak anatomie en innervatie onderzocht aan de hand van 3D CBCT beelden. Hiervoor moest eerst devariabiliteit van neurovasculaire kanalen in de onderkaak aangekaart worden (5,6). PDL innervatie en mechanoreceptoren werden tot nu toe reeds uitgebreid beschreven op basis van hun morfologie, neurofysiologische aspecten, ruimtelijke rangschikking en functionele betekenis (hoofdstuk 2). Toch wordt verwacht dat onderzoeken die de 3D-reconstructie van het PDL en die de mechanoreceptor-functie ervan op cellulair en moleculair niveau verkennen, ons een beter begrip van mechanosensorische functie in tanden kan bijbrengen. Driedimensionale volume reconstructie van 2D histologische coupes toonde effectief potentieel aan in het visualiseren van de complexe PDL anatomie, de ruimtelijke rangschikking en verwevenheid tussen de verschillende PDL structuren (hoofdstuk 2). Met betrekking tot de zenuwvezel verdeling in het menselijke PDL werden zenuwvezelbundels meestal gevonden in het alveolaire deel van het PDL en in de nabijheid van bloedvaten (hoofdstuk 3). Het hoogste aantal vezels werd gevonden op de buccale en mesiale regio’s, alsmede aan de wortel apex. De diameter van PDL vezels varieerde tussen 2-15 µm, waarvande gemyeliniseerde vezels in het bereik van 5-6 µm het vaakst voorkomen. De linguale regio vertoonde over het algemeen de hoogste concentratie aan zenuwvezels van grotere diameter (8-9μm) i. Het hoogste aantal geïsoleerde vezels werd gevonden in het intermediaire gebied tussen apex en tand rotatiepunt, en dit ter hoogte van het cement-gedeelte van het PDL. Andere bijzondere PDL structuren zoals ERM en cementicles werden in de literatuur reeds beschreven, maar hun rol in de PDL functie is nog niet volledig begrepen (hoofdstuk 4). Een veranderde ERM morfologie na tand autotransplantatie suggereert dat deze structuur gerelateerd is aan PDL regeneratie. Bijkomende studies zijn nodig om dit te bevestigen en om de waarschijnlijke invloed ervan te onderzoeken in PDL regeneratie- behandelingen. Voor het eerst bij mensen, werden niet-myeliniseerde en gemyeliniseerde zenuwvezels in het peri-implantaat bot gelokaliseerd, vooral ter hoogte van de Haverse kanalen dichtbij het bot-implantaat grensvlak (hoofdstuk 5). In deze studie werden er weliswaar geen enkele structuren die ook maar op mechanoreceptoren gelijken, waargenomen in de peri-implantaat regio, wat dus geen verklaring geeft waarom sommige PDL mechanoreceptor functies gedeeltelijk worden hersteld na behandeling met implantaten. Hierdoor blijft de exacte locatie en werking van de structuren die verantwoordelijk zijn voor deze functies nog vrijwel onbekend in volledig implantaat gerehabiliteerde patiënten. Op het gebied van de berekening van peri-implantaat botweefsel, konden significante correlaties waargenomen worden tussen het botniveau dat histologisch geëvalueerd werd en het bot datopgemeten werd op CBCT en IO röntgenfoto’s (hoofdstuk 6). Bepaalde weefselparameters opgemeten op IO röntgenfoto’s correleren significant met enkele histomorfometrische parameters. Weliswaar kon een dergelijke correlatie niet worden vastgesteld voor CBCT beelden. Een verhoogd botverlies (> 2 mm) leek vaker op te treden bij beenderen met lage dichtheid (<5mmAleq). Geen betrouwbare informatie over de geometrische configuratie van trabeculair bot kon worden verkregen van de radiografische beelden aangezien IO en CBCT fractaal-analyse niet bleek te correleren met de histologische fractaalanalyse. Aan de hand van 3D CBCT opnames, werd de anatomische variabiliteit van de neurovascularisatie binnen onderkaken aangekaart, niet alleen voor de moderne mens uit verschillende tijdsperiode en tussen verschillende geografische regio's, maar ook tussen menselijke en niet-menselijke primaten.Dit heeft bijgedragen tot een uitgebreid overzicht van de neurovasculaire kanaal anatomie en de relatie met aangrenzende tandwortels (hoofdstuk 7). Geografisch worden sommige anatomische kenmerken gerelateerd aan mogelijke chirurgische en pathologische risico's. Verder blijkt het incisale kanaal een uniek kenmerk te zijn van de menselijke onderkaak (hoofdstuk 7). Uitgaande van een aantal methodologische beperkingen, suggereert dit proefschrift dat neurovasculaire kanalen niet significant veranderen na het trekken van tanden en dat de botresorptie ratio na behandeling met implantaten in het mandibulaire bot in de eerste jaren na het trekken van tanden 50% minder was dan wat reeds beschreven werd in de literatuur(hoofdstuk 8). Tot slot, PDL en peri-implantaat weefsel werden beoordeeld om de onderliggende mechanismen van osseoperceptie te begrijpen. Ook werd een bijzondere aandacht besteed aan de innervatie van deze weefsels, hun functionele relatie en ruimtelijke rangschikking met andere aangrenzende structuren.