Toute la lumière sur le mystère de la régénération parodontale. Tissus différents, phénotypes différents Unlocking the mystery of periodontal regeneration. Different tissues, different phenotypes

Introduction

La régénération parodontale implique la régénération d’os nouveau, de nouveau cément, et d’un nouveau ligament parodontal permettant d’obtenir une nouvelle attache fonctionnelle. Par conséquent, le résultat d’une régénération réussie implique :

– un gain en niveau d’attache ;

– la formation d’un nouveau système de fibres ;

– la formation de cément et d’os alvéolaire coronairement au niveau initial avant traitement.

Deux problèmes sont associés au rétablissement des structures de support de la dent.

Le premier est lié aux différents phénotypes des tissus impliqués, et un « traitement lié au facteur » doit s’adresser spécifiquement à différents tissus/cellules cibles. Le deuxième concerne les défauts, et en particulier la surface radiculaire, qui sont contaminés par les bactéries et les substances cytotoxiques. Ces conditions plutôt défavorables conduisent à un taux de succès qui s’est avéré limité dans l’histoire de la régénération parodontale. Si l’on fait une revue de la littérature, seules quelques tentatives ont été faites pour cibler une régénération tissulaire dirigée vers tous les différents phénotypes. Bien que, d’un point de vue clinique, les valeurs de profondeur de poche au sondage ont pu être réduites avec différentes techniques, l’analyse histologique montre une cicatrisation avec un épithélium de jonction long, généralement considéré comme une réparation et non une régénération du parodonte (Bowers et al., ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁸⁹ ; Alger et al., ¹⁹⁹⁰ ; Listgarten et Rosenberg, ¹⁹⁷⁹ ; Moskow et al., ¹⁹⁷⁹). Par conséquent, le but de cette évaluation est de faire une revue de la littérature sur les médiateurs biologiques les plus couramment utilisés pour la régénération parodontale, et de déterminer leur influence sur les différentes cellules qui composent les tissus parodontaux.

Historique

Toute approche visant à obtenir une régénération parodontale est fondée sur le principe du contrôle des fonctions de différents types cellulaires conduisant au rétablissement de multiples tissus. Pour comprendre les approches thérapeutiques visant à obtenir une régénération parodontale, il est utile de revoir les bases anatomiques, c’est-à-dire les composantes cellulaires des différents tissus parodontaux (^fig. 1).

Le parodonte sain constitue le support des dents en fonction. Quatre structures principales définissent un parodonte normal : la gencive, le ligament parodontal, le cément et l’os alvéolaire. Chacune de ces structures est définie par ses propres caractéristiques, son architecture, sa localisation et ses interactions avec les tissus environnants, les cellules et les molécules. Néanmoins, afin d’assurer sa fonction, chacune des quatre parties doit interagir et travailler comme une seule unité.

Gencive

La gencive (^fig. 1) recouvre l’os alvéolaire et la racine dentaire jusqu’à un niveau coronaire à la jonction émail-cément. Elle est anatomiquement divisée en gencive marginale (libre), gencive attachée et en zones interdentaires. Les différentes zones gingivales se comportent comme une barrière mécanique et microbienne. La gencive se compose d’une couche épithéliale, qui est kératinisée à des degrés variables, et d’une couche de tissu conjonctif sous-jacente appelée lamina propria. Le tissu conjonctif gingival est riche en fibres de collagène, en fibroblastes, en vaisseaux, en nerfs et en matrice, il possède un taux de renouvellement élevé et est doté d’un bon potentiel de cicatrisation. Comme nous l’avons dit, l’épithélium gingival et le tissu conjonctif sous-jacent servent de barrière contre l’invasion ou la pénétration bactérienne. La gencive fonctionne comme un organe complexe avec un système immunitaire hautement développé. Le joint mécanique de l’attache parodontale dérive principalement de l’épithélium de jonction qui forme le sulcus gingival en regard de la dent (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶ ; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸ ; Nanci, ²⁰⁰⁷).

Ligament parodontal

Le ligament parodontal (^fig. 1) se compose de 3 tissus différents qui sont intimement liés entre eux :

– la matrice extracellulaire ;

– les fibres parodontales ;

– les cellules.

Ce tissu hautement vascularisé et cellulaire entoure les racines des dents et relie le cément radiculaire à l’os alvéolaire. La largeur moyenne du ligament est évaluée à 0,2 mm. Il existe des variations, en particulier durant les mouvements dentaires (orthodontie) et l’application de forces occlusales ; cependant, la largeur tend à s’accroître ou revenir à sa dimension normale respectivement après la fin du déplacement dentaire ou dès que les forces occlusales cessent de s’exercer. Il semble que l’élément le plus important du ligament parodontal soit les fibres s’insérant dans 2 types de tissus différents : le cément et l’os alvéolaire. Les principales fibres qui s’insèrent sont appelées fibres de Sharpey et se composent de collagène. Les cellules identifiées dans le ligament parodontal comprennent les cellules du tissu conjonctif (fibroblastes, cémentoblastes, ostéoblastes), les débris épithéliaux de Malassez et les cellules immunitaires. Les fibroblastes sont les cellules les plus communes synthétisant le collagène et sont capables de phagocyter des fibres de collagène par hydrolyse enzymatique. On observe également la présence d’ostéoblastes et de cémentoblastes dans le ligament parodontal, en particulier en regard des surfaces alvéolaires (ostéoblastes) et cémentaires (cémentoblastes). Les débris épithéliaux de Malassez sont considérés comme des résidus de la gaine épithéliale de Hertwig, résultant du développement dentaire. On trouve des types variés de cellules immunitaires dont des neutrophiles, des macrophages, des mastocytes et des polynucléaires éosinophiles.

La matrice extracellulaire qui remplit l’espace entre les cellules, les fibres, l’os alvéolaire environnant et la structure dentaire (cément) est constituée de glycosaminoglycanes. La fonction physiologique du ligament parodontal est la transmission des forces occlusales vers l’os, la résistance à celles-ci, et l’ancrage de la dent à l’os (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶ ; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸ ; Nanci, ²⁰⁰⁷).

Cément

Le cément (^fig. 1) est un tissu minéralisé spécialisé recouvrant les surfaces radiculaires. Par opposition à l’os, on n’y trouve ni vaisseaux sanguins ni vaisseaux lymphatiques. Deux types principaux de céments sont décrits dans la littérature médicale :

– le cément acellulaire (primaire) ;

– le cément cellulaire (secondaire).

Le cément se compose principalement d’une matrice organique de collagène de type I (environ 90 %) et de type III (environ 5 %). Le cément acellulaire est le premier à se former : il se dépose dans les portions coronaire et médiane de la racine et ne contient pas de cellules. Sa formation se produit avant que la dent n’atteigne le plan occlusal. La partie principale du cément acellulaire est constituée de fibres de Sharpey. Ces fibres jouent un rôle majeur en tant que partie du système d’attache reliant la dent à l’os alvéolaire. Le cément cellulaire, formé une fois que la dent a atteint le plan occlusal, contient des cellules et est moins calcifié que le cément acellulaire. On y trouve significativement moins de fibres de Sharpey. On peut extraire des protéines du cément, qui favorisent la fixation cellulaire ainsi que la migration cellulaire et stimulent la synthèse des protéines, des fibroblastes gingivaux et des cellules du ligament parodontal (Ikezawa et al., ¹⁹⁹⁷). Des études publiées récemment ont identifié des protéines d’adhésion avec des motifs RGD (Arg-Gly-Asp) (telles que la sialoprotéine et l’ostéopontine de l’os), la protéine de fixation du cément (CAP : Cementum Attachment Protein) et un facteur de croissance dérivé du cément (CGF : Cementum-derived Growth Factor) (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶ ; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸ ; Nanci, ²⁰⁰⁷ ; Saito et Narayana, ¹⁹⁹⁹).

Os alvéolaire

L’os alvéolaire (^fig. 1) est défini comme étant la partie du maxillaire et de la mandibule qui forme et supporte les alvéoles dentaires. Il se forme durant l’éruption dentaire et procure un point d’ancrage osseux pour le ligament parodontal via les fibres de Sharpey. Le procès alvéolaire se compose d’os cortical du côté vestibulaire et lingual/palatin, d’une alvéole interne (lamina dura sur les radiographies) entourant le ligament parodontal, et de trabécules d’os spongieux, ou spongiosa, situé entre les corticales osseuses. L’os alvéolaire subit un processus de remaniement durant toute la vie et fait partie intégrante du système d’ancrage, d’où sa capacité à réagir aux forces occlusales s’exerçant sur les dents, de même qu’aux forces latérales appliquées par les dents antagonistes et/ou par un traitement orthodontique. Les principaux constituants de l’os alvéolaire sont les cellules, une matrice organique et inorganique. Les ostéoblastes, cellules qui produisent la matrice organique de l’os, dérivent de cellules mésenchymateuses pluripotentes. Durant le processus d’ossification, les ostéoblastes sont emprisonnés dans une matrice calcifiée, devenant ainsi des ostéocytes qui communiquent entre eux par l’intermédiaire de leurs canalicules. Un troisième groupe important de cellules est représenté par les ostéoclastes, qui jouent un rôle majeur dans la résorption osseuse. La matrice inorganique est principalement composée de calcium et de phosphate, ce qui représente environ les deux tiers du volume osseux. La matrice organique se compose essentiellement de collagène de type I et de petites quantités d’autres protéines (ostéocalcine, ostéonectine, protéine morphogénétique osseuse, phosphoprotéines et protéoglycanes) (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶ ; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸ ; Nanci, ²⁰⁰⁷).

Parodontite

La présente revue se centre sur la régénération des tissus parodontaux perdus à la suite d’une maladie chronique inflammatoire (parodontite). En général, ces processus peuvent conduire à une perte de l’insertion du tissu conjonctif (disparition des fibres de Sharpey) dans le ligament parodontal ainsi que d’une grande quantité d’os alvéolaire et à la contamination bactérienne du cément.

La parodontite est considérée comme une maladie infectieuse du tissu gingival (Loesche, ¹⁹⁷⁶ ; Slots, ¹⁹⁷⁹). Les modifications destructrices au sein de l’os et du ligament parodontal sont responsables de la perte ultérieure de la dent. En dehors de la modification de la flore bactérienne que cela entraîne, qui passe d’une composition naturelle à une flore pathologique (Socransky et Haffajee, ¹⁹⁹²), les facteurs liés à l’hôte sont considérés comme étant impliqués dans la destruction des tissus supports de la dent. Parmi les facteurs libérés par les cellules immuno-inflammatoires, en réaction à une inflammation d’origine bactérienne, on trouve les prostaglandines, les interleukines et le tumor necrosis factor (TNF-α) (Lamster et Novak, ¹⁹⁹²). Ces facteurs peuvent stimuler la résorption osseuse directement ou indirectement via l’activation des ostéoclastes (Lerner, ²⁰⁰⁴). De récentes publications ont découvert différentes voies associées à la résorption et à la formation osseuse. Des mécanismes moléculaires dirigés par la sécrétion de protéines (activateur du récepteur du facteur nucléaire kappa B ligand [RANK-L], ostéoprotégérine [OPG]) régulent les processus de remodelage de l’os (voir plus bas, « Études in vitro »). Dans ce contexte, le rapport RANK-L/OPG semble déterminer de façon essentielle s’il y aura résorption ou formation osseuse (Cochran, ²⁰⁰⁸ ; Jin et al., ²⁰⁰⁷).

Régénération parodontale

La thérapeutique parodontale contemporaine repose sur le déroulement de trois étapes principales : l’élimination des facteurs étiologiques (agents infectieux situés dans le biofilm, la plaque et le tartre dentaire), l’arrêt de la destruction des tissus durs et mous et la reconstruction des tissus perdus. Durant la première étape, le patient reçoit une information sur l’étiologie de la maladie et une formation sur les modalités d’une bonne hygiène bucco-dentaire, puis la plaque et le tartre sont éliminés de façon mécanique et, si nécessaire, avec des agents chimiques. La deuxième étape comporte la suppression de la douleur si elle existe, l’élimination de l’inflammation gingivale et du saignement gingival, la réduction des poches parodontales et l’éradication de l’infection ainsi que la réduction des mobilités dentaires anormales. Durant la dernière étape, les tissus perdus doivent être réparés ou régénérés. Différents facteurs et processus sont impliqués dans la reconstruction des structures supports de la dent du fait que les tissus conjonctifs durs (os/cément) et mous (ligament parodontal) doivent être restaurés. En plus de la thérapeutique non chirurgicale et des techniques chirurgicales, plusieurs compléments à la thérapeutique chirurgicale ont été créés pour régénérer le tissu parodontal :

– l’utilisation de matériaux mainteneurs d’espace avec ou sans activité biologique (greffes d’os autogène, allogreffes, xénogreffes) (Nabers et O’Leary, ¹⁹⁶⁵ ; Mellonig, ¹⁹⁹¹, ²⁰⁰⁰) ;

– l’utilisation de membranes pour protéger le défaut (régénération tissulaire guidée, ou RTG) (Gottlow et al., ¹⁹⁸⁴, ¹⁹⁸⁶ ; Nyman et al., ¹⁹⁸²) ;

– l’incorporation de stimulants protéiques placés à l’intérieur du défaut (Mellonig, ¹⁹⁹⁹ ; Nevins et al., ²⁰⁰⁵).

Une des raisons pouvant expliquer les taux de succès souvent limités des techniques couramment utilisées pour la régénération parodontale pourrait résider dans l’effet thérapeutique d’une technique choisie qui ne s’adresse qu’à un seul type tissulaire et non à tous les composants des tissus parodontaux, par exemple les greffes de substitution osseuse qui ont été utilisées dans les défauts intra-osseux durant des années. Ces greffes ont pour objectif de combler des défauts osseux mais n’ont pas pour cible spécifique le cément ou le ligament parodontal. La compréhension des composants tissulaires et des processus de la régénération parodontale suggère que toute approche de régénération requiert la stimulation des cellules des tissus durs et mous. La ^{figure 2} illustre les étapes principales du processus de cicatrisation : une phase inflammatoire, une phase de formation tissulaire et une phase de remodelage tissulaire. Comme cela apparaît sur cette figure, des molécules de signalisation jouent un rôle important à toutes les étapes du processus de cicatrisation (Singer et Clark, ¹⁹⁹⁹). L’incorporation de médiateurs biologiques spécifiques pourrait ainsi présenter un avantage en favorisant et en coordonnant des étapes spécifiques des processus de régénération. Différentes approches utilisant des médiateurs biologiques comportent l’application :

– d’un seul facteur ;

– d’une association de facteurs ;

– d’une thérapeutique fondée sur les cellules ;

– des principes de génie tissulaire.

La suite de cette revue de la littérature va se pencher sur ces quatre voies thérapeutiques.

Application d’un seul facteur

Les médiateurs biologiques sont sécrétés en premier par les macrophages, les cellules endothéliales, les fibroblastes et les plaquettes, ou ils peuvent être trouvés dans la matrice extracellulaire. Ces facteurs peuvent agir localement, mais également sur le plan systémique pour influencer la croissance et la fonction de cellules et de tissus situés à distance. Selon leurs effets prédominants, les facteurs de croissance peuvent être divisés en facteurs de prolifération et facteurs de différenciation (Graves et Cochran, ¹⁹⁹⁰). Les facteurs de prolifération tels que le facteur de croissance dérivé des plaquettes (PDGF : Platelet-derived Growth Factor) ont essentiellement une fonction mitogène pour augmenter le nombre de cellules dans la zone, alors que les facteurs de différenciation tels que la protéine osseuse morphogénétique (BMP : Bone Morphogenic Protein) et le TGF-β (Tumor Growth Factor beta) sont avant tout responsables de la maturation des cellules. L’effet des facteurs de croissance sur différentes cellules cibles et divers tissus dépend d’un certain nombre de variables incluant la quantité utilisée, le nombre de récepteurs pour ces facteurs et le transporteur pour le facteur de croissance. La ^{figure 3} schématise la cinétique de relargage à partir de l’application unique d’un facteur de croissance. Un certain nombre de médiateurs biologiques ont été utilisés pour tenter de régénérer les structures parodontales (Nevins et al., ²⁰⁰⁵ ; Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵ ; Ripamonti et al., ¹⁹⁹⁶ ; Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷). Parmi eux, la BMP-2, le PDGF-BB et le dérivé de la matrice amélaire (EMD : Enamel Matrice Derivative) ont été le plus étudiés. La BMP-2 et le PDGF-BB sont appliqués en tant que « facteurs uniques », signifiant que seule une protéine est appliquée durant le traitement. L’EMD se compose d’un certain nombre de protéines et est par conséquent appliqué en tant que mélange de facteurs. Les avantages à utiliser des médiateurs biologiques en tant que facteurs uniques sont :

– un coût potentiellement plus faible (que l’association de facteurs) ;

– potentiellement moins d’interactions (avec d’autres facteurs/véhicules) ;

– une cinétique de relargage plus facile à comprendre ;

– potentiellement moins d’effets indésirables (par rapport à une association de facteurs) ;

– l’optimisation du transporteur pour le transport d’un seul facteur.

Aujourd’hui, seuls 2 médiateurs biologiques uniques ont obtenu l’autorisation de la FDA (Food and Drug Administration, États-Unis) pour leur utilisation dans la cavité buccale : la rhBMP-2 en association avec une éponge de collagène résorbable (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, États-Unis), et le rhPDGF-BB en association avec du phosphate tricalcique β (β-TCP) (GEM 21S® ; Osteohealth, Shirley, États-Unis).

Protéines osseuses morphogénétiques

Les protéines osseuses morphogénétiques (BMP), décrites pour la première fois par Urist (Urist, ¹⁹⁶⁵), appartiennent à la superfamille des TGF-β. Parmi les BMP identifiées (plus de 30), seul un petit nombre (BMP-2, BMP-4, BMP-7 et BMP-9) possèdent des propriétés ostéo-inductrices et peuvent déclencher la différenciation des cellules souches mésenchymateuses et des cellules ostéoprogénitrices pour se transformer en ostéoblastes et pour favoriser la migration de cellules spécifiques à la formation osseuse à l’intérieur du défaut (Urist, ¹⁹⁶⁵ ; Campbell et Kaplan, ¹⁹⁹² ; Cheng et al., ²⁰⁰³ ; Reddi, ¹⁹⁸¹ ; Reddi et al., ¹⁹⁸⁷). Une grande variété et un grand nombre d’études in vitro et précliniques ont été menées pour évaluer et comprendre les mécanismes de l’ostéopromotion par les BMP (Wang, ¹⁹⁹³ ; Wang et al., ¹⁹⁹⁰ ; Wozney, ¹⁹⁹⁸ ; Wozney et al., ¹⁹⁸⁸). Depuis que différentes BMP ont été isolées et purifiées à l’aide de la technologie recombinante (Wozney et al., ¹⁹⁸⁸), il est possible d’évaluer les effets des BMP uniques. Les BMP ont été étudiées pour la régénération parodontale ainsi que pour la régénération osseuse locale. Parmi elles, ce sont la BMP-2 et la BMP-7 qui ont généré le plus d’intérêt. La BMP-2 montre des résultats prévisibles dans des études animales et humaines pour des défauts osseux localisés (Barboza et al., ²⁰⁰⁰ ; Boyne et al., ¹⁹⁹⁷ ; Howell et al., ¹⁹⁹⁷ ; Jung et al., ²⁰⁰³). Une revue récente a permis de conclure que l’application de BMP-2 montre des résultats prévisibles dans des études animales et humaines pour les défauts osseux localisés (Jung et al., ²⁰⁰⁸). En parodontologie, différents modèles animaux ont été utilisés pour étudier l’effet des BMP incluant un modèle de défaut parodontal enfoui et non enfoui (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵, ¹⁹⁹⁶ ; Ripamonti et al., ¹⁹⁹⁴, ¹⁹⁹⁶ ; Wikesjö et al., ¹⁹⁹⁹). Les résultats de ces études sont variables et dépendent du modèle utilisé, mais ils présentent néanmoins un point commun : ils montrent des effets prometteurs pour la BMP-2 en termes de formation osseuse. Par ailleurs, une minéralisation excessive autour des dents sur un modèle animal conduit au remplacement du ligament parodontal par de l’os et à une ankylose de la dent (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁴, ¹⁹⁹⁵ ; Bogle et al., ¹⁹⁸⁵). Des modèles de cicatrisation in vivo montrent la formation de cément acellulaire à fibres extrinsèques lorsque le parodonte des rats a été lésé (Beertsen et Everts, ¹⁹⁹⁰). Bien que les BMP soient impliquées dans différentes étapes durant le développement dentaire et soient exprimées durant l’induction de la cémentogenèse, la façon de les utiliser comme moyen thérapeutique pour moduler et réguler la cémentogenèse après l’éruption de la dent fait toujours l’objet de recherches (Ripamonti et Renton, ²⁰⁰⁶). La formation de cément acellulaire a été démontrée chez le chien, lorsque l’on applique de la rhBMP-2 dans des furcations ; mais aucune formation de cément cellulaire n’a pu être observée, contrairement aux défauts traités par des techniques de RTG (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵ ; Araujo et al., ¹⁹⁹⁷). Cependant, il est à noter qu’en termes de régénération osseuse, la BMP-2 s’est avéré être un grand succès et est approuvée par la FDA comme technique de substitution à la greffe osseuse autogène pour les greffes de sinus, et pour les augmentations de crête localisées dans les défauts associés à des alvéoles d’extraction (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, MN, États-Unis).

Facteur de croissance dérivé des plaquettes

Le PDGF est un facteur de prolifération protéique libéré comme médiateur durant la coagulation normale et dans les premiers stades de la cicatrisation des plaies, prenant ainsi part au processus inflammatoire régulé par les plaquettes (Singer et al., ¹⁹⁹⁹). Deux chaînes de polypeptides forment 3 isomères : soit comme homodimère (AA, BB, CC ou DD), soit comme hétérodimère (AB) (Dereka et al., ²⁰⁰⁶). Les chaînes PDGF-A et B sont présentes dans l’épithélium gingival, où PDGF-A semble jouer un rôle important durant les premiers stades de la cicatrisation, alors que PDGF-B apparaît plus tard (Green et al., ¹⁹⁹⁷). Le PDGF a la capacité d’attirer et d’activer des cellules inflammatoires telles que les neutrophiles et les macrophages vers les sites de relargage des plaquettes (Deuel et al., ¹⁹⁸²). Il est également considéré comme un facteur mitogène pour les cellules du tissu conjonctif in vitro (Boyan et al., ¹⁹⁹⁴ ; Heldin et Westermark, ¹⁹⁸⁹ ; Ross et al., ¹⁹⁸⁶) et comme un agent chimique puissant pour les fibroblastes (Seppa et al., ¹⁹⁸² ; Senior et al., ¹⁹⁸³). Il a été introduit pour la première fois en dentisterie dans le domaine de la parodontologie et a également démontré ses capacités mitogène et chimiotactique pour les cellules du ligament parodontal, avec l’effet supplémentaire de promouvoir la régénération de l’os, du ligament parodontal et du cément (Lynch et al., ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁹¹). De nombreuses études animales et humaines ont été menées utilisant du PDGF seul ou en association avec de l’IGF-I (Insulin-like Growth Factor-I) en vue d’une régénération parodontale (Nevins et al., ²⁰⁰³, ²⁰⁰⁵ ; Giannobile et al., ¹⁹⁹⁶ ; Park et al., ¹⁹⁹⁸ ; Camelo et al., ²⁰⁰³). Les données cliniques et histologiques confirment que le PDGF-BB associé au DFDBA permet de régénérer une nouvelle attache dans des atteintes de furcations de classe II (Camelo et al., ²⁰⁰³ ; Nevins et al., ²⁰⁰³). Dans une vaste étude prospective, randomisée et contrôlée chez l’homme, l’utilisation du PDGF-BB associé avec du β-TCP (GEM 21S®) s’est avéré être une technique fiable et efficace pour traiter les défauts parodontaux intra-osseux. L’association de PDGF-BB et de β-TCP permet d’obtenir de meilleurs résultats que ceux observés au niveau des sites témoins, et ce à une période précoce (3 mois), mais aucune différence statistiquement significative n’a pu être observée à 6 mois par rapport aux sites témoins (Nevins et al., ²⁰⁰⁵). Dans une étude pilote, le PDGF-BB a également été appliqué en vue d’une régénération osseuse localisée (Simion et al., ²⁰⁰⁶, ²⁰⁰⁷). D’un côté, le rhPDGF-BB associé à un bloc d’os bovin déprotéinisé sans mise en place d’une membrane a la capacité de régénérer des quantités significatives d’os néoformé dans des défauts de crêtes mandibulaires importants sur un modèle animal (Simion et al., ²⁰⁰⁶) ainsi que chez des patients (Simion et al., ²⁰⁰⁷). En revanche, une autre étude montre que l’association de rhPDGF-BB avec un substitut osseux – des granules d’os bovin déprotéinisé (DBBM : Deproteinized Bovine Bone Mineral granules) – aboutit à une formation limitée d’os par rapport au DBBM seul (Lioubavina-Hack et al., ²⁰⁰⁵). Une revue récente, analysant des études réalisées chez l’homme et chez l’animal en termes de potentiel de régénération osseuse, a montré que l’effet du PDGF sur la régénération osseuse localisée était variable (Jung et al., ²⁰⁰⁸). Ces résultats étayent l’hypothèse selon laquelle, lorsqu’il est utilisé en facteur unique, le PDGF favorise la prolifération de cellules mésenchymateuses mais n’est pas toujours capable de régénérer tous les tissus supports de la dent étant donné que son influence sur la régénération osseuse est discutable. Il faut d’ailleurs rappeler que le GEM 21S® est approuvé par la FDA pour les défauts intra-osseux parodontaux mais pas pour la régénération osseuse localisée.

Association de facteurs

En dépit du succès obtenu en régénération tissulaire avec l’utilisation de facteurs uniques, il existe tout de même des limites. La technique la plus couramment utilisée applique les médiateurs biologiques une seule fois au cours d’un traitement. Cette option rencontre quelques difficultés du fait que les facteurs montrent une forte concentration initiale dans les tissus. La concentration diminue ensuite selon le transporteur utilisé, le facteur lui-même et l’environnement (^fig. 3). S’il est nécessaire qu’un facteur soit présent dans plusieurs étapes du processus de cicatrisation, une seule application ne sera sans doute pas assez efficace. Ces problèmes liés à la cinétique de relargage peuvent être surmontés en appliquant le facteur de façon alternative (par exemple transporteur optimisé, purification du facteur) ou répétée (par exemple peut-être par des injections en série durant le traitement) (^fig. 4). Cependant, étant donné que l’environnement (cellules, récepteurs) change durant le processus de cicatrisation, même des injections en série peuvent ne pas constituer une approche thérapeutique idéale. Comme nous l’avons montré plus haut, la BMP et le PDGF ont des cellules/tissus cibles spécifiques et ne couvrent pas toutes les structures supports de la dent lorsqu’ils sont appliqués en tant que facteurs uniques.

De plus, il y a peu d’information disponible concernant le moment le plus efficace pour appliquer la plupart des facteurs.

En revanche, une association de médiateurs biologiques offre plusieurs avantages potentiels (^fig. 5) :

– plusieurs cellules/récepteurs/tissus cibles ;

– facteurs pour plusieurs/toutes les étapes du processus de cicatrisation ;

– applications en série non nécessaires ;

– chronologie de libération pouvant permettre une stimulation plus efficace de la cicatrisation.

Aujourd’hui, un seul produit est commercialisé (Emdogain®, Biora AB, Straumann, Malmö, Suède) : c’est une association de protéines qui a reçu l’approbation de la FDA pour la régénération des défauts parodontaux intra-osseux, utilisée en application topique sur des surfaces radiculaires exposées et pour le traitement chirurgical des récessions.

Protéines/dérivés de la matrice amélaire

Les protéines de la matrice amélaire (EMP : Enamel Matrix Proteins), composées principalement d’amélogénine mais contenant également d’autres protéines, sont sécrétées par la gaine épithéliale de Hertwig durant le développement de la dent. Le dérivé de la matrice amélaire (EMD) est une association de protéines essentiellement hydrophobes. L’effet de l’EMD pour stimuler la régénération parodontale a été étudié de façon extensive dans des études précliniques et cliniques (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷ ; Gutierrez et al., ²⁰⁰³ ; McGuire et Cochran, ²⁰⁰³ ; Heard et al., ²⁰⁰⁰ ; Schwartz et al., ²⁰⁰⁰ ; Boyan et al., ²⁰⁰⁰). Ces extraits amélaires ont montré leur capacité à induire à la fois l’ostéogenèse et la cémentogenèse (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷ ; Boyan et al., ²⁰⁰⁰). Cela est important étant donné qu’en l’absence de cémentogenèse, la régénération du ligament parodontal est impossible. Les paragraphes suivants offrent une revue des études in vitro, in vivo (animales) et cliniques (humaines) réalisées à l’aide de protéines EMD hétérogènes. Les études discutées sont résumées dans les ^{tableaux 1} à ³ avec les principaux effets de l’EMD tel qu’il est décrit dans les publications.

Études in vitro

Une variété d’études in vitro (^tabl. 1) et in vivo ont été réalisées pour analyser les effets biologiques (prolifération, chimiotaxie, angiogenèse, ostéopromotion, cémentogenèse) engendrés par l’EMD (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷ ; Chong et al., ²⁰⁰⁶ ; Jiang et al., ²⁰⁰⁶ ; Zeldich et al., ²⁰⁰⁷). L’une des études in vitro recherche l’effet de l’EMD sur des cellules de ligament parodontal humain, sur des fibroblastes gingivaux et sur une lignée de cellules osseuses concernant les taux de comblement de lésions à l’aide d’un modèle expérimental : elle montre un comblement de lésion nettement meilleur par rapport aux sites non traités (sans EMD). Les cellules du ligament parodontal montrent en particulier un taux de prolifération statistiquement plus élevé par rapport aux autres cellules. Il a été conclu que l’EMD pouvait favoriser la régénération des lésions parodontales en modifiant spécifiquement la prolifération des cellules du ligament parodontal et leur migration (Hoang et al., ²⁰⁰⁰). En revanche, l’EMD semble avoir un effet cytostatique sur la prolifération des cellules épithéliales (Kawase et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰¹, ²⁰⁰²). Ces découvertes confirment les observations cliniques selon lesquelles l’EMD inhiberait la migration apicale de l’épithélium de jonction, un processus qui interfère avec la formation d’un nouveau système d’attache conjonctif. Lors d’une autre expérimentation in vitro, l’évaluation des effets de l’EMD sur l’angiogenèse et sur le recrutement des cellules du ligament parodontal a montré que l’EMD stimulait directement l’angiogenèse en stimulant les cellules endothéliales, et indirectement en stimulant la production de facteurs angiogéniques (VEGF : Vascular Endothelial Growth Factor) par les cellules du ligament parodontal. L’EMD semble favoriser la communication entre les cellules endothéliales microvasculaires et les cellules du ligament parodontal durant l’angiogenèse associée à la cicatrisation. Ces données suggèrent que la communication peut s’étendre dans les deux sens et que l’EMD est capable de favoriser l’activation de chaque cellule (Schlueter et al., ²⁰⁰⁷). L’EMD est également impliqué dans la régulation de la prolifération des ostéoblastes et dans leur différenciation (Schwartz et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰⁰ ; He et al., ²⁰⁰⁴). Dans une étude, les ostéoblastes pris à deux stades différents de la maturation ostéogénique sont traités avec de l’EMD. Les résultats montrent que celui-ci régule la prolifération et la différenciation ostéoblastique mais que les effets sont spécifiques aux cellules. Lors des étapes précoces de la maturation ostéoblastique, l’EMD stimule la prolifération ; lors des stades plus tardifs, il favorise la différenciation (Schwartz et al., ²⁰⁰⁰). Des études récentes ont identifié des molécules clés (la cyclo-oxygénase 2 [COX2], le Core binding factor alpha 1 [Cbfα1], l’activateur du récepteur du facteur nucléaire kappa B ligand [RANK-L] et l’ostéoprotégérine [OPG]), qui régulent la différenciation et l’activation des cellules ostéoblastiques et ostéoclastiques (Suda et al., ¹⁹⁹² ; Yasuda et al., ¹⁹⁹⁸). L’effet de l’EMD sur la régulation de ces molécules clés dans la formation et la résorption osseuse a été recherché (Takayanagi et al., ²⁰⁰⁶ ; Galli et al., ²⁰⁰⁶ ; Itoh et al., ²⁰⁰⁶). L’EMD est considéré comme un régulateur de la stimulation de la formation des tissus minéralisés en harmonie avec la régénération parodontale, en modulant les molécules de régulation telles que COX2, Cbfα1 et RANK-L, et l’OPG (Takayanagi et al., ²⁰⁰⁶). Il a été démontré que l’EMD augmentait de façon significative la croissance cellulaire. On détecte une quantité significativement plus élevée d’OPG et une quantité plus faible de RANK-L dans les groupes traités avec de l’EMD. Celui-ci favorise la croissance cellulaire des ostéoblastes ainsi que l’expression des marqueurs du phénotype ostéoblastique et de la différenciation, créant ainsi un micro-environnement ostéogénique favorable en modulant le rapport RANK-L/OPG (réduisant RANK-L et favorisant la production d’OPG ostéoblastique) (Galli et al., ²⁰⁰⁶). À travers ce même processus, l’EMD contrôle également la régulation ostéoclastique (Itoh et al., ²⁰⁰⁶).

Un autre processus de minéralisation important impliqué dans la régénération parodontale est le développement de nouveau cément. Des cellules du stroma dérivées de la moelle osseuse (BMSC : Bone Marrow-derived Stromal Cells) obtenues par aspiration de moelle iliaque porcine ont été transférées sur la surface de tranches de racines autologues et traitées avec et sans EMP. Après une période de 7 jours de coculture, toutes les tranches de racines ensemencées de BMSC ont été implantées en sous-cutané chez la souris. Les résultats de l’analyse histologique montrent la différenciation des BMSC en cémentoblastes, qui ont déposé du tissu minéralisé (tissu ressemblant à du cément cellulaire) sur les tranches de racines (Song et al., ²⁰⁰⁷). Récemment, la recherche s’est intéressée aux composants bioactifs de l’EMD. Comme nous l’avons décrit plus haut, l’EMD se compose essentiellement d’amélogénine mais inclut une variété d’autres protéines (tufteline, protéine tuft, protéines sériques, améloblastine, améline) (Brookes et al., ¹⁹⁹⁵), ainsi qu’une activité semblable à la BMP et à celle du TGF-β (Kawase et al., ²⁰⁰¹ ; Iwata et al., ²⁰⁰²). Par conséquent, plusieurs études ont évalué différentes fractions d’EMD (Mumulidu et al., ²⁰⁰⁷ ; Suzuki et al., ²⁰⁰⁵). Dans une étude in vitro, l’EMD est fractionné en 22 sous-fractions par chromatographie d’exclusion en fonction de la taille. Dans l’EMD non fractionné, l’activité TGF-β-like est détectée à partir des sous-fractions 8 à 13, alors que l’activité BMP-like est observée dans les sous-fractions 4 à 6. Ces résultats indiquent que l’EMD contient une activité BMP-like et TGF-β-like, ce qui pourrait expliquer sa capacité à induire une biominéralisation (Suzuki et al., ²⁰⁰⁵).

Études (animales) in vivo

Les études in vivo (^tabl. 2) ont pour objectif principal de savoir si l’EMD a la capacité d’induire une formation osseuse (c’est-à-dire ostéo-inductrice) et/ou une formation de cément. Dans un modèle expérimental chez le singe, quatre incisives latérales maxillaires et mandibulaires sont extraites. Après l’extraction, une cavité expérimentale est réalisée sur un côté de la racine, éliminant le cément et la dentine. Les cavités sont remplies d’EMD et les dents sont réimplantées. Les dents témoins sont réimplantées sans rien mettre dans les cavités. Après 8 semaines de cicatrisation, les animaux sont sacrifiés et l’analyse histologique montre la formation d’un nouveau cément acellulaire sur les sites tests (EMD), alors que les sites témoins montrent la formation de tissu dur cellulaire. L’étude prouve que l’EMD est impliqué dans la formation de néocément et que ces protéines peuvent régénérer du cément acellulaire fibrillaire extrinsèque (Hammarström, ¹⁹⁹⁷). Dans une autre étude expérimentale chez le singe, l’effet de l’EMD sur un modèle de déhiscence vestibulaire a été testé (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷). Diverses préparations d’EMD avec ou sans transporteur ont été appliquées dans les défauts parodontaux, le groupe témoin est traité sans EMD. Les résultats de l’étude montrent un gain important de cément acellulaire pour les groupes traités avec de l’EMD. Les fibres de collagène insérées dans le cément néoformé s’étendent jusque dans l’os alvéolaire régénéré. Cette étude montre que l’EMD est capable de régénérer les trois tissus (os, cément acellulaire, et ligament parodontal) indispensables à la régénération parodontale (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷).

D’autres études ont spécialement ciblé la formation osseuse (activité ostéo-inductrice de l’EMD). Sur un modèle de souris ectopique, l’EMD a été appliqué avec ou sans matériau support (allogreffe d’os déminéralisé congelé et lyophilisé [DFDBA : Demineralized Freeze-dried Bone Allograft]). Les résultats de cette recherche montrent que l’EMD seul n’est pas ostéo-inducteur. Cependant, il favorise la formation osseuse par le DFDBA à travers l’activité ostéo-inductrice de ce dernier (Boyan et al., ²⁰⁰⁰). En s’appuyant sur les résultats de différentes études réalisées in vitro et in vivo, des études histologiques ont également été effectuées in vivo afin d’évaluer le potentiel de l’EMD pour traiter des défauts intra-osseux (Cochran et al., ²⁰⁰³) et des furcations de classe III (Hovey et al., ²⁰⁰⁶) sur des modèles animaux. Dans une étude chez le babouin, les furcations de classe III créées chirurgicalement sont traitées soit avec de l’EMD associé à un substitut dermique humain dérivé des fibroblastes, soit avec de l’EMD seul, pour le comparer à un lambeau-curetage. Les mesures histométriques montrent des réponses de régénération différentes en fonction du traitement administré à chaque animal. On n’observe aucune différence statistiquement significative entre ces groupes peu nombreux. Cependant, les sites traités à l’EMD présentent en général des résultats positifs de régénération (Hovey et al., ²⁰⁰⁶). Ces découvertes étayent les considérations suivantes : il y a trois paramètres majeurs qui seraient essentiels pour la régénération parodontale :

– le maintien de l’espace ;

– la formation de cément ;

– la prévention de la migration apicale de l’épithélium (fonction de barrière).

Parce que l’EMD ne procure pas de comblement volumétrique du défaut parodontal et que l’on ne sait pas s’il pourrait également servir de barrière, c’est-à-dire empêcher la migration apicale de l’épithélium, une étude animale a été lancée. Elle cherche à déterminer si l’EMD peut être moins ou aussi efficace dans les défauts osseux parodontaux larges que dans ceux plus étroits (Cochran et al., ²⁰⁰³). Les défauts parodontaux d’une taille allant de 1 à 6 mm sont randomisés et créés bilatéralement à côté de 3 dents mandibulaires chez le babouin. Une parodontite induite par ligature est réalisée afin de créer des défauts. Sur un côté de la mandibule, on applique en premier lieu de l’acide tétra-acétique diamine éthylène neutre (EDTA) et de l’EMD pour traiter le défaut. De l’os autogène prélevé sur le même site chirurgical est traité à l’EMD puis ajouté à l’intérieur du défaut. L’autre côté de la mandibule sert de témoin, il est traité à l’EDTA et subit un détartrage et un surfaçage. Cinq mois plus tard, les animaux sont sacrifiés et les dents sont préparées en vue d’une évaluation histologique. Les résultats montrent la formation d’un nouveau cément, d’un ligament parodontal avec des fibres de Sharpey et d’un nouveau tissu osseux dans les sites traités à l’EMD qui sont similaires aux tissus parodontaux d’origine. Une véritable régénération parodontale s’est produite dans la totalité des défauts parodontaux. En général, le traitement associant de l’EMD et une greffe d’os autogène permet d’obtenir plus de formation tissulaire que dans les sites témoins. Dans le groupe test (EMD plus greffe autogène), on observe une formation tissulaire qui s’étend coronairement bien au-dessus de la base des défauts et qui est importante dans les défauts les plus larges. Pour les plus petites lésions, on observe des différences statistiquement significatives en faveur des sites expérimentaux par rapport aux sites témoins. Il est intéressant de noter que la régénération parodontale s’est produite dans ces défauts en l’absence de membrane (Cochran et al., ²⁰⁰³). Ces découvertes étayent indirectement l’observation in vitro démontrant une régénération du ligament parodontal sans interférence d’une migration apicale de l’épithélium (Kawase et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰²).

Études cliniques

Un grand nombre d’études cliniques (^tabl. 3 ) ont été réalisées pour évaluer la sécurité et l’efficacité de l’EMD dans de nombreuses indications de régénération parodontale (Gutierrez et al., ²⁰⁰³ ; McGuire et Cochran, ²⁰⁰³ ; Heard et al., ²⁰⁰⁰ ; Chitsazi et al., ²⁰⁰⁷). Étant donné que l’EMD est un dérivé du porc, des inquiétudes sont apparues concernant les réactions immunitaires potentielles lors de son utilisation chez l’homme (Yuan et al., ²⁰⁰⁶). Une étude multicentrique a évalué les modifications observées dans les taux d’immunoglobulines des patients à la suite d’un traitement à l’EMD. Aucune augmentation d’anticorps liés à l’EMD n’a été trouvée (Zetterström et al., ¹⁹⁹⁷). Une autre étude clinique visant à déterminer si l’exposition répétée à l’EMD modifiait l’évolution de la cicatrisation n’a révélé aucun impact négatif de l’EMD (Heard et al., ²⁰⁰⁰). L’utilisation clinique de l’EMD fondée sur ces études ainsi que les études de sécurité conformes aux exigences de la FDA pour l’autorisation de mise sur le marché indiquent que le traitement à l’EMD chez des patients est sûr. L’EMD a également été utilisé pour traiter des récessions (McGuire et Cochran, ²⁰⁰³), en tant qu’adjuvant à une thérapeutique non chirurgicale, des défauts parodontaux intra-osseux (Francetti et al., ²⁰⁰⁴ ; Heijl et al., ¹⁹⁹⁷ ; Tonetti et al., ²⁰⁰⁴) ainsi que des atteintes de la furcation de classe II (Chitsazi et al., ²⁰⁰⁷ ; Hoffmann et al., ²⁰⁰⁶ ; Aimetti et al., ²⁰⁰⁷) et de classe III (Hovey et al., ²⁰⁰⁶). Une étude chez l’homme visant à caractériser la nature du tissu qui se forme sur les surfaces radiculaires après un traitement à l’EMD montre que le tissu régénéré à l’EMD ressemble soit à du cément fibreux intrinsèque, soit à un type d’os. En effet, on note l’absence d’un front de minéralisation distinct ; de petits foyers de minéralisation sont observés de façon régulière, de même que de larges plages de matrice organique (Bosshardt et al., ²⁰⁰⁶). Des découvertes similaires, avec la formation de cément cellulaire au lieu du cément acellulaire espéré par suite de l’application d’EMD, avaient déjà été observées dans une étude plus ancienne menée par le même groupe de chercheurs (Bosshardt et al., ²⁰⁰⁵). Dans une autre étude clinique, l’EMD est utilisé dans des défauts intra-osseux de dents condamnées. Ces dents sont ensuite extraites et préparées pour analyse histologique. Des anticorps polyclonaux dirigés contre l’ostéopontine et le collagène de types I et II montrent une plus forte expression de ces trois protéines au niveau du tissu néoformé par rapport aux surfaces non traitées des dents extraites. Il en a été conclu que l’EMD crée un environnement favorable pour la régénération parodontale (Sculean et al., ²⁰⁰³). Prises globalement, les études in vitro ainsi que les études précliniques et cliniques montrent que l’EMD a non seulement toutes les qualités requises pour la régénération des différents tissus parodontaux mais qu’il permet également une régénération parodontale clinique, comme le démontrent les études histologiques et cliniques. L’EMD a aussi fait l’objet de recherches dans le cadre du traitement parodontal non chirurgical (Gutierrez et al., ²⁰⁰³ ; Mombelli et al., ²⁰⁰⁵). On n’observe aucune différence statistiquement significative lorsque l’on compare l’EMD utilisé comme additif dans un traitement parodontal non chirurgical au traitement non chirurgical seul effectué chez des patients présentant des poches infra-osseuses (Gutierrez et al., ²⁰⁰³ ; Mombelli et al., ²⁰⁰⁵). Lors d’une étude multicentrique, le traitement comparatif de défauts intra-osseux utilisant soit de l’EMD et une greffe d’os synthétique (Straumann® BoneCeramic, Straumann, Bâle, Suisse), soit de l’EMD seul montre des améliorations cliniques significatives dans les deux groupes. Cependant, on n’observe aucune différence clinique entre les groupes (Jepsen et al., ²⁰⁰⁸). De plus, dans une étude clinique randomisée en double aveugle, on a utilisé une association d’EMD avec 24 % d’EDTA (Pref-Gel®, Straumann, Bâle, Suisse) dans des furcations proximales de classe II et comparé avec un lambeau-curetage seul. On observe un taux plus élevé de conversions de furcations de classe II en classe I, mais tous les autres paramètres testés ne montrent aucune différence statistiquement significative (Casarin et al., ²⁰⁰⁸). Les données cliniques provenant de nombreuses séries de cas d’essais­cliniques contrôlés démontrent l’efficacité de l’EMD dans le traitement de défauts intra-osseux parodontaux. Néanmoins, on a pu observer une variation significative dans les résultats cliniques et histologiques, comme le montrent des articles récents d’une revue de la littérature (Giannobile et al., ²⁰⁰³ ; Esposito et al., ²⁰⁰⁵ ; Kalpidis et Ruben, ²⁰⁰² ; Trombelli et al., ²⁰⁰² ; Venezia et al., ²⁰⁰⁴).

Thérapeutique fondée sur les cellules

La thérapeutique fondée sur les cellules constitue une autre approche pour traiter les défauts parodontaux. Comme cela a été décrit plus haut, le processus de cicatrisation est caractérisé par différentes étapes et divers événements cellulaires. Les cellules recrutées peuvent répondre à des changements d’environnement et sont sensibles à la matrice extracellulaire. Les molécules et les cytokines de cette matrice ont montré leur capacité à induire à la fois des réponses sélectives et non sélectives dans les différentes lignées cellulaires et leurs précurseurs (Pitaru et al., ¹⁹⁹⁴). En réponse par rétrocontrôle à ces différents processus de signalisation, les cellules peuvent libérer des substances (par exemple, libération de médiateurs biologiques tels que le VEGF, le FGF et, à des stades plus tardifs, le PDGF) (Momose et al., ²⁰⁰²). Le fait d’amener des cellules dans un tissu en voie de régénération peut ainsi ouvrir de nouvelles perspectives dans le traitement des défauts parodontaux.

Plusieurs produits à base de cellules ont été décrits dans la littérature médicale, notamment un substitut dermique dérivé de fibroblastes humains (HF-DDS : Human Fibroblast-Derived Dermal Substitute) (Dermagraft®, Advanced Tissue Sciences, Inc., La Jolla, États-Unis), et un équivalent de peau bilaminaire (à 2 couches) (Apligraf®, Organogenesis, Canton, États-Unis).

Mis au point initialement pour traiter des brûlures graves et des ulcères du pied chez le diabétique, les équivalents de peau allogènes ont été introduits par la suite en parodontologie, en particulier dans le domaine de la chirurgie muco-gingivale.

Un substitut dermique vivant (Dermagraft®) est obtenu à partir de fibroblastes humains de nouveau-né sur une mèche de polyglactine. Les cellules incluses commencent à se multiplier et à produire du collagène et des facteurs de croissance, ce qui permet d’obtenir une structure plus solide comprenant une seule couche de cellules. Dans une étude chez l’homme, les patients présentant suffisamment de gencive attachée sont traités soit avec un HF-DDS, soit par une autogreffe gingivale (AG). Les résultats obtenus pour le groupe expérimental (HF-DDS) et pour le groupe témoin (AG) sont similaires pour tous les paramètres évalués, à l’exception de la quantité de tissu kératinisé et du pourcentage de récession de ce tissu. On observe un gain significatif de tissu kératinisé et moins de récession ultérieure pour le groupe témoin. Le groupe expérimental montre de façon significative une meilleure harmonie des teintes et textures tissulaires (McGuire et Nunn, ²⁰⁰⁵).

Parmi les avancées les plus récentes dans le domaine des thérapeutiques cellulaires, on trouve une structure allogène bilaminaire vivante contenant des kératinocytes, des fibroblastes et du collagène bovin de type I (Apligraf®). Les cellules vivantes sont dérivées du prépuce néonatal et sont mises en culture. Les kératinocytes favorisent la formation d’un stratum corneum conduisant à un tissu ressemblant à la peau humaine et capable de se cicatriser. Ce produit a été mis au point à l’origine pour cicatriser des plaies du type ulcères du pied et ulcères variqueux des jambes chez le diabétique (Pham et al., ²⁰⁰⁷ ; Zaulyanov et Kirsner, ²⁰⁰⁷). Une étude pilote compare les effets d’un traitement par cellules en couche bilaminaire (TCB) pour promouvoir la formation de tissu kératinisé et la cicatrisation, par rapport à une greffe gingivale libre (GGL) (McGuire et al., ²⁰⁰⁸). Bien que la greffe gingivale libre génère une quantité de tissu kératinisé statistiquement plus significative que le traitement par cellules en couche bilaminaire, on n’observe aucune différence en termes de récession, de niveau d’attache clinique, de saignement au sondage et d’inflammation. En effet, le groupe TCB montre une meilleure harmonie de teintes et de textures avec les tissus environnants, et la préférence du patient s’oriente nettement vers le groupe TCB. Bien que la quantité de tissu kératinisé soit plus importante dans le groupe GGL, 24/25 sites du groupe TCB montrent un gain de tissu kératinisé à 6 mois par rapport au stade initial (McGuire et al., ²⁰⁰⁸).

Ingénierie tissulaire

Le génie tissulaire est défini comme étant un « domaine interdisciplinaire qui applique les principes de génie tissulaire et les sciences de la vie en vue de l’élaboration de substituts biologiques qui restaurent, maintiennent ou améliorent la fonction tissulaire » (Langer et Vacanti, ¹⁹⁹³). Les produits issus du génie tissulaire sont fondés sur des cellules isolées ou sur des substituts de cellules, des substances qui induisent les tissus (médiateurs biologiques) et des supports. Les supports biocompatibles peuvent être d’origine naturelle ou synthétique, procurent une stabilité physique et permettent une croissance interne et la création d’un réseau de cellules vivantes. Les cellules incorporées peuvent être d’origine soit autologue, soit allogène. Les techniques récentes permettent d’inclure non seulement des cellules différenciées (avec un phénotype tissulaire spécifique) mais également des cellules adultes, fœtales ou embryonnaires souches. Par ailleurs, les médiateurs sont responsables d’une activité biologique spécifique. L’idée présente derrière le génie tissulaire est d’appliquer l’utilisation d’un « système intelligent » capable de s’adapter de façon dynamique aux changements d’environnement durant le processus de cicatrisation et d’affecter ainsi positivement la régénération des tissus parodontaux à mesure que l’environnement de la plaie change.

Bien que de nombreuses études aient été publiées sur l’utilisation de médiateurs biologiques et de cellules associés à des supports, il y a une carence de publications intégrant les trois composants nécessaires aux thérapeutiques fondées sur le génie tissulaire (cellules, supports et médiateurs biologiques) pour le traitement de la maladie parodontale. Une étude menée chez des primates a évalué l’application d’EMD (médiateurs biologiques) et d’un HF-DDS (transporteur, cellules) pour stimuler la cicatrisation parodontale dans des furcations de classe III (Cochran et al., ²⁰⁰³). Dans cette étude, les atteintes de furcation de classe III sont créées chirurgicalement et traitées soit avec de l’EMD associé à un HF-DDS, soit avec de l’EMD seul, puis elles sont comparées au lambeau-curetage. Les mesures histométriques montrent des réponses de régénération différentes pour le traitement de chaque animal. On n’observe aucune différence statistique entre les groupes, ce qui est essentiellement dû au faible nombre d’animaux utilisés dans cette étude pilote. Cependant, les sites traités à l’EMD montrent un plus grand pourcentage moyen d’os néoformé par rapport aux autres groupes. L’évaluation des sites traités au HF-DDS donne un résultat moins probant. Selon les auteurs, l’effet négatif du HF-DDS peut être dû à une éventuelle réponse de l’hôte envers le produit issu du génie tissulaire, la viabilité des cellules données dans le HF-DDS et le phénotype des fibroblastes inclus dans le HF-DDS (Cochran et al., ²⁰⁰³). Ces efforts préliminaires utilisant une approche de génie tissulaire représentent un puissant domaine thérapeutique pour améliorer la régénération tissulaire parodontale.

Conclusion

D’une manière générale, la régénération parodontale fait preuve d’un succès clinique, mais plutôt limité sur le plan histologique. Néanmoins, de récentes publications portant sur la nature de différents médiateurs biologiques en vue de favoriser la régénération parodontale sont prometteuses. L’application de médiateurs biologiques comme facteurs uniques montre des résultats positifs in vitro et dans les études chez l’animal. Cependant, les données des études cliniques utilisant ces facteurs en vue d’une régénération parodontale montrent des variations et les données histologiques confirmant les résultats (pré)cliniques sont rares. Les facteurs tels la BMP-2 semblent avoir les prérequis nécessaires à une régénération réussie de l’os alvéolaire. L’application de BMP-2 associée à une éponge de collagène résorbable a reçu l’approbation de la FDA comme solution de remplacement à une greffe d’os autogène lors de greffes de sinus, et pour l’augmentation localisée de crêtes alvéolaires dans des défauts associés à des alvéoles d’extraction (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, États-Unis) ; elle est également bien documentée par de nombreuses études précliniques et cliniques. Par ailleurs, l’utilisation de la BMP-2 est limitée au tissu minéralisé. La BMP-2 n’a pas d’effet sur la prolifération du ligament parodontal et peut, de ce fait, conduire à une ankylose comme le montrent certaines études animales. Le PDGF, un facteur de prolifération, montre une augmentation du nombre des cellules durant la cicatrisation in vitro sur des modèles de cicatrisation et est mitogène et chimiotactique pour les cellules du ligament parodontal. Cependant, l’effet sur la régénération osseuse semble limité et n’est documenté que par quelques cas cliniques avec un faible niveau de preuve. Dans une étude clinique multicentrique randomisée et contrôlée, l’application combinée de PDGF-BB et de β-TCP ne montre aucune différence significative par rapport au groupe témoin en termes de gain en niveau d’attache clinique. Ces résultats sont assez surprenants étant donné que l’association PDGF-BB et β-TCP (GEM 21S®) est un produit agréé par la FDA pour les défauts parodontaux intra-osseux. Les effets variables de l’EMD (Emdogain®) – agréé par la FDA pour les défauts parodontaux – sur la régénération parodontale ont été documentés dans de nombreuses études. Étant donné que l’EMD contient une association de protéines, il existe une possibilité d’effets multiples, ce qui a été obtenu dans un certain nombre d’études. Ces protéines influencent positivement la régénération parodontale en modulant les cellules du ligament parodontal et celles du cément, les cellules osseuses, les fibroblastes gingivaux et les cellules endothéliales. De plus, l’EMD est impliqué dans la régulation du processus de modelage et de remodelage osseux en modulant le rapport RANK-L/OPG. Les résultats des études in vivo montrent un nouveau cément, un ligament parodontal avec des fibres de Sharpey et une néoformation osseuse similaire à celle des tissus parodontaux d’origine (natifs). De nombreuses études cliniques ont montré que l’EMD crée un environnement favorable à la régénération parodontale. Bien qu’il ait un effet cytotoxique sur les cellules épithéliales, une sorte de fonction de barrière, il n’a pas de fonction de mainteneur d’espace. La découverte d’un transporteur ou d’un matériau mainteneur d’espace pour des défauts plus larges pourrait s’avérer bénéfique dans le futur.

Les avancées des thérapeutiques fondées sur l’utilisation de cellules n’en sont qu’à leurs débuts. Différents matériaux ont été introduits dans le domaine de la régénération parodontale. Des équivalents bilaminaires montrent des résultats intéressants en termes de gain en tissu kératinisé. L’harmonisation des couleurs et des textures semble plus favorable par rapport aux greffes de tissu mou autologues et, du point de vue du patient, elles ont la préférence étant donné qu’elles ne requièrent pas un deuxième site chirurgical (par exemple le palais). En théorie, l’un des avantages des thérapeutiques fondées sur l’utilisation de cellules est que ces dernières peuvent répondre à leur environnement cicatriciel. Ainsi, cette approche, bien qu’à ses débuts en termes de recherche, peut s’avérer être la plus prometteuse.

Comme cela a déjà été mentionné, pour obtenir une régénération du parodonte, il faut que des médiateurs biologiques favorisent les tissus conjonctifs à la fois durs et mous. Deux facteurs semblent jouer un rôle important dans le processus de régénération :

– la formation de nouveau cément ;

– l’établissement du ligament parodontal avec sa réserve de cellules progénitrices.

L’application d’une association de facteurs, qui peut être soit une combinaison de facteurs uniques courants ou un produit combiné existant tel que l’EMD, semble l’approche la plus prometteuse pour stimuler les tissus conjonctifs à la fois durs et mous. Cependant, l’EMD est actuellement utilisé sous forme de liquide et, de ce fait, il ne possède aucune fonction de mainteneur d’espace. Il est possible que l’utilisation d’un matériau mainteneur d’espace associé à une protéine ou une association de protéines puisse donner une régénération même supérieure. Par ailleurs, les thérapeutiques fondées sur l’utilisation de cellules ouvrent la porte à l’utilisation de techniques « intelligentes » pour régénérer le parodonte. Cependant, lorsque l’on se plonge dans la littérature médicale en termes de génie tissulaire où trois composants sont utilisés pour régénérer du tissu, à ce jour on trouve peu d’articles publiés sur la cavité buccale.

Orientation future de la recherche

Le succès quelque peu limité obtenu à ce jour avec l’utilisation de médiateurs biologiques pour la régénération parodontale est peut-être dû au fait que ces protéines ne sont appliquées qu’une seule fois au début du processus de cicatrisation et que les produits utilisés en facteurs uniques ou en association de facteurs sont délivrés en totalité et en une seule fois. À l’avenir, la recherche devrait profiter de l’avantage des systèmes à libération séquentielle de facteurs uniques ou combinés et des principes du génie tissulaire, dans lequel trois composants (médiateurs biologiques, transporteurs et cellules) sont ajoutés. Théoriquement, les matériaux issus du génie tissulaire sont capables de s’adapter à l’environnement toujours changeant des plaies. Alternativement de multiples applications d’un ou de plusieurs médiateurs biologiques peuvent s’avérer nécessaires à mesure que la plaie se modifie avec le temps. Dans tous les cas, l’utilisation de médiateurs de protéines pour favoriser la régénération parodontale a eu un effet positif sur l’évolution des tissus parodontaux et jette en outre les bases pour des évolutions futures tout à fait passionnantes.

Remerciements

Les auteurs adressent leurs sincères remerciements à Mme Judith Doerr, assistante administrative du Centre des sciences de la santé de San Antonio (Université du Texas), pour son aide dans la préparation du manuscrit, et à Marcel Arnold de l’université de Zurich pour la réalisation des schémas et des dessins.

Introduction

Periodontal regeneration involves the regeneration of new bone, new cementum, and new periodontal ligament resulting in a new functional attachment apparatus. The result of successful regeneration involves therefore:

– gain of attachment level;

– formation of a new fiber apparatus;

– cementum and alveolar bone formation coronal to the level prior to treatment.

Two main problems are associated with the reestablishment of the tooth-supporting structures. First, due to the different phenotypes of the involved tissues, a possible therapy/factor needs to specifically address different target cells/tissues. Second, the defects, and especially the root surface are contaminated with bacteria and cytotoxic substances. These rather unfavorable conditions lead to limited success in the history of periodontal regeneration. Reviewing the literature, only a few attempts have been made to specifically address tissue regeneration directed to all different phenotypes. Even though, from a clinical point of view, probing pocket depth values could be reduced with different techniques, histologic analysis revealed healing with a long junctional epithelium, generally considered as repair and not regeneration of the periodontium (Bowers et al., ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁸⁹; Alger et al., ¹⁹⁹⁰; Listgarten and Rosenberg, ¹⁹⁷⁹; Moskow et al., ¹⁹⁷⁹). The aim of the present evaluation was therefore to review the literature in regards to the most commonly used biologic mediators for periodontal regeneration and to determine their influence on the various cells that constitute the periodontal tissues.

Background

Any approach in achieving periodontal regeneration is based on the principle of controlling cell functions of different cell types leading to the reestablishment of multiple tissues. In order to understand the therapeutic approaches for achieving periodontal regeneration, it is helpful to review the anatomical basis, i.e. the cellular components of the different periodontal tissues (^fig. 1).

The healthy periodontium is responsible for supporting teeth in function. Four main structures define a normal periodontium: the gingiva, the periodontal ligament, the cementum, and the alveolar bone. Each of these structures is defined by its own characteristics, architecture, location and its interactions with surrounding tissues, cells and molecules. Nevertheless, to ensure its function all four parts have to interact and to work as a single unit.

Periodontal ligament

The periodontal (^fig. 1) ligament consists of 3 different components of tissue which are intimately related to each other:

– the extracellular matrix;

– periodontal fibers;

– cells.

This highly vascular and cellular tissue surrounds the roots of the teeth and joins the root cementum with the alveolar bone. The mean width of the periodontal ligament is reported to be 0,2 mm. Variations exist, especially during tooth movement (orthodontics) and occlusal forces, however the width tends to increase and decrease to its regular size after the end of the tooth movement or as soon as occlusal forces stop, respectively. Probably the most important element of the periodontal ligament is the fibers inserting into two different tissue types: the cementum and the alveolar bone. The principal inserting fibers are called Sharpey’s fibers consisting of collagen. Cells identified in the periodontal ligament include connective tissue cells (fibroblasts, cementoblasts, osteoblasts), epithelial rests of Malassez, and immune cells. Fibroblasts as the the most common cells synthesize collagen and are able to phagocytose collagen fibers by enzymatic hydrolysis. Osteoblasts and cementoblasts can also be observed in the periodontal ligament, especially towards the alveolar (osteoblasts) and cemental surfaces (cementoblasts). The epithelial rests of Malassez are considered as remnants of the Hertwig’s epithelial root sheath, as remainings of tooth development. Various types of immune cells can be found including neutrophils, lymphocytes, macrophages, mast cells, and eosinophils.

The extracellular matrix filling the space between the cells, fibers, the surrounding alveolar bone, and the tooth structure (cementum) consists of glycosaminoglycans. The physiological function of the periodontal ligament is transmission of and resistance to occlusal forces to the bone, and the attachment of the teeth to the bone (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸; Nanci, ²⁰⁰⁷).

Cementum

Cementum (^fig. 1) is a specialized mineralized tissue covering the root surfaces. In contrast to the bone, no blood or lymph vessels can be found. Two main types of cementum are described in the literature:

– acellular (primary);

– cellular (secondary) cementum.

Cementum mainly consists of an organic matrix of type I (roughly 90%) and type III (roughly 5%) collagen. Acellular cementum is the first cementum to be formed, is found in the coronal and middle portions of the root, and does not contain cells. The formation of the acellular cementum takes place before the tooth reaches the occlusal plane. The main proportion of the acellular cementum is made up by Sharpey’s fibers. These fibers play a major role as part of the attachment apparaturs connecting the tooth and the alveolar bone. Cellular cementum, built after the tooth reaches the occlusal plane, contains cells and is less calcified as the acellular cementum. Significantly fewer Sharpey’s fibers are found in this cementum. Proteins can be extracted from cementum, which promote cell attachment and cell migration, and stimulate protein synthesis of gingival fibroblasts and periodontal ligament cells (Ikezawa et al., ¹⁹⁹⁷). Recently published studies, identified adhesion proteins with RGD motifs (Arg-Gly-Asp sequences) (like bone sialoprotein, osteopontin), cementum attachment protein (CAP), and a cementum-derived growth factor (CGF) (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸; Nanci, ²⁰⁰⁷; Saito and Narayana, ¹⁹⁹⁹).

Alveolar bone

The alveolar bone (^fig. 1) is defined as the portion of the maxilla and the mandible, which forms and supports the tooth sockets. It is formed during tooth eruption and provides an osseous attachment to the periodontal ligament via Sharpey’s fibers. The alveolar process consists of cortical bone on the buccal and lingual/palatal side, of an inner socket (lamina dura in radiographs) surrounding the periodontal ligament, and the cancellous trabeculae, the so-called spongiosa between the cortical bone plates. The alveolar bone undergoes a life-long remodeling process and as part of the attachment apparatus, has the ability to react to occlusal forces on the teeth, as well as on lateral forces applied by opposing teeth and/or orthodontic treatment. The main components of the alveolar bone are cells, an organic and an inorganic matrix. Osteoblasts, the cells producing the organic matrix of bone, are derived from pluripotent mesenchymal cells. During the ossification process, osteoblasts are enclosed in a calcified matrix forming osteocytes, which interact through canaliculi with each other. A third important group of cells are osteoclasts, which play a major role in the resorption of bone. The inorganic matrix is principally composed of calcium and phosphate, which constitute roughly two thirds of the bone volume. The organic matrix consists mainly of collagen type I and small amounts of other proteins (osteocalcin, osteonectin, bone morphogenic protein, phosphoprotein, and proteoglycans) (Fiorellini et al., ²⁰⁰⁶; Lindhe et al., ²⁰⁰⁸; Nanci, ²⁰⁰⁷).

Periodontitis

The present review focuses on the regeneration of lost periodontal tissues caused by a chronic inflammatory disease (periodontitis). In general, these processes can result in the loss of connective tissue insertion (loss of Sharpey’s fibers) in the periodontal ligament, a large volume of alveolar bone, and the bacterial contamination of cementum.

Periodontitis is believed to be an infectious disease of the gingival tissue (Loesche, ¹⁹⁷⁶; Slots, ¹⁹⁷⁹). Destructive changes within the bone and the periodontal ligament are responsible for the later loss of the tooth. Besides the involved change in the bacterial flora from a naturally occurring to a pathologic flora (Socransky and Haffajee, ¹⁹⁹²) host mediated factors are considered to be involved in the destruction of the tooth-supporting tissues. Among the factors released by immuno-inflammatory cells, as a reaction to bacterial stimulated inflammation, are prostaglandins, interleukins, and tumor necrosis factor alpha (TNF-α) (Lamster and Novak, ¹⁹⁹²). These factors can stimulate bone resorption directly or indirectly via the activation of osteoclasts (Lerner, ²⁰⁰⁴). Recent publications discovered different pathways associated with the resorption and formation of bone. Molecular mechanisms driven by the secretion of proteins (receptor activator of nuclear factor kappa B ligand [RANK-L]; osteoprotegerin [OPG]) regulate the remodeling processes of bone (see also in vitro part of EMD). In this context, the RANK-L/OPG ratio appears to critically determine whether bone is resorbed or formed (Cochran, ²⁰⁰⁸; Jin et al., ²⁰⁰⁷).

Periodontal regeneration

Contemporary periodontal therapy relies on the accomplishment of three main steps: the elimination of etiologic factors (infectious agents in biofilm, plaque, and dental calculus), the arrest of the destruction of soft and hard tissues and the reformation of lost tissues. In the first step the patient is informed on the etiology of the disease and instructed on proper oral hygiene, followed by mechanical removal of plaque and calculus, if necessary supported by chemical agents. The second step includes the elimination of pain if it exists, the elimination of gingival inflammation and gingival bleeding, the reduction of periodontal pockets and elimination of infection, and the reduction of abnormal tooth mobility. In the last step, lost tissues have to be repaired or regenerated. Different factors and pathways are involved in the reformation of the tooth-supporting structures based on the fact that hard connective tissue (bone/cementum) and soft connective tissue (periodontal ligament) have to be restored. In addition to non-surgical therapy and surgical procedures, several adjuncts to surgical therapy have been made to regenerate periodontal tissue:

– the use of space-filler materials with or without biologic activity (autogenous bone grafts, allografts, xenografts) (Nabers and O’Leary, ¹⁹⁶⁵; Mellonig, ¹⁹⁹¹, ²⁰⁰⁰);

– the use of barriers to protect the defect (guided tissue regeneration [GTR]) (Gottlow et al., ¹⁹⁸⁴, ¹⁹⁸⁶; Nyman et al., ¹⁹⁸²);

– the incorporation of protein stimulates placed into the defect space (Mellonig, ¹⁹⁹⁹; Nevins et al., ²⁰⁰⁵).

An explanation for the often limited success of commonly used techniques aimed at regenerating the periodontal tissue may be that the therapeutic effect of a chosen technique is directed at only one tissue type and not at all the different components of the periodontal tissues. For example, bone replacement grafts have been used in periodontal intraosseous defects for years. These bone replacement grafts have the goal of filling the osseous components but have not targeted cementum or periodontal ligament proper specifically. An understanding of the tissue components and the pathways of periodontal regeneration suggests that any regeneration approaches require the stimulation of hard and soft tissue cells. ^{Figure 2} illustrates the three main stages during the wound healing process including an inflammatory phase, a tissue formation phase, and a tissue remodeling phase. As shown in this figure, signaling molecules play an important role in all stages of the wound healing process (Singer and Clark, ¹⁹⁹⁹). The incorporation of specific biologic mediators might therefore be an advantage to particularly enhance and coordinate specific steps in the regenerative process. Different approaches using biologic mediators include the application of:

– a single factor;

– a combination of factors;

– cell-based therapy;

– tissue engineering principles.

The remainder of the review will focus on these four therapeutic methods.

Single factor application

Biologic mediators are primarily secreted by macrophages, endothelial cells, fibroblasts, and platelets or may be found in tissue extracellular matrix. These factors can act locally, but may also act systemically to affect the growth and function of distant cells and tissues. Depending on their predominantly effects, growth factors can be divided into proliferation and differentiation factors (Graves and Cochran, ¹⁹⁹⁰). Proliferation factors like platelet-derived growth factor (PDGF) mainly have a mitogenic function increasing the number of cells in the area, whereas differentiation factors like bone morphogenic protein (BMP), and transforming growth factor beta (TGF-β) are primarily responsible for the maturation of the cells. The effect of growth factors on different target cells and tissues depends on a number of variables including the quantity used, the number of receptors for these factors, and the carrier for the growth factor. ^{Figure 3} is a schematic illustrating the release kinetics of a single application of a growth factor. A variety of biologic mediators have been utilized aimed at regenerating periodontal structures (Nevins et al., ²⁰⁰⁵; Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵; Ripamonti et al., ¹⁹⁹⁶; Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷). Among these, BMP-2, PDGF-BB, and enamel matrix derivative (EMD) are the most investigated. BMP-2 and PDGF-BB are applied as “single factors”, meaning that only one protein is applied during treatment. EMD consists of a number of proteins and is therefore applied as a cocktail of factors. The advantages of using biologic mediators as single factors include:

– potentially lower costs (than a combination of factors);

– potentially less interactions (with other factors/carriers);

– the release kinetics are easier to understand;

– potentially fewer adverse effects (versus a combination of factors);

– carrier optimization for only one factor.

Currently, only two single biologic mediators are approved by the United States Food and Drug Administration (FDA) for use in the oral cavity: rhBMP-2 in combination with an absorbable collagen sponge (ACS) (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, MN, USA) and rhPDGF-BB in combination with tricalciumphosphate (β-TCP) (GEM 21S®; Osteohealth, Shirley, NY, USA).

Bone morphogenic proteins

Bone morphogenic proteins (BMPs) first described by Urist (Urist, ¹⁹⁶⁵), belong to the TGF-β superfamily. Among the more than 30 identified BMPs, only a small number (BMP-2, BMP-4, BMP-7, BMP-9) have osteoinductive activities and can trigger the differentiation of mesenchymal stem cells and osteoprogenitor cells to become osteoblasts and to enhance the migration of dedicated bone forming cells into the defect site (Urist, ¹⁹⁶⁵; Campbell and Kaplan, ¹⁹⁹²; Cheng et al., ²⁰⁰³; Reddi, ¹⁹⁸¹; Reddi et al., ¹⁹⁸⁷). A large variety and number of in vitro and preclinical studies have been conducted to evaluate and understand the mechanisms of osteopromotion by BMPs (Wang, ¹⁹⁹³; Wang et al., ¹⁹⁹⁰; Wozney, ¹⁹⁹⁸; Wozney et al., ¹⁹⁸⁸). Since different BMPs have been isolated and purified using recombinant technology (Wozney et al., ¹⁹⁸⁸), effects of single BMPs can be evaluated. BMPs have been examined for periodontal as well as local bone regeneration. Among the BMPs, BMP-2 and BMP-7 have generated the greatest interest. BMP-2 has been successfully used for localized bone regeneration with or without simultaneous implant placement (Barboza et al., ²⁰⁰⁰; Boyne et al., ¹⁹⁹⁷; Howell et al., ¹⁹⁹⁷; Jung et al., ²⁰⁰³). A recent review concluded that the application of BMP-2 shows predictable results in animal and human studies for localized bone defects (Jung et al., ²⁰⁰⁸). In periodontology, different animal models have been used to study the effect of BMPs including a non-submerged and a submerged periodontal defect model (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵, ¹⁹⁹⁶; Ripamonti et al., ¹⁹⁹⁴, ¹⁹⁹⁶; Wikesjö et al., ¹⁹⁹⁹). The results of these studies are variable depending on the model used, but have in common that they show promising effects of BMP-2 with respect to bone formation. On the other hand, extensive mineralization around teeth in an animal model leads to a replacement of the PDL by bone and ankylosis of teeth (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁴, ¹⁹⁹⁵; Bogle et al., ¹⁹⁸⁵). In vivo wound healing models demonstrate the formation of acellular extrinsic fiber cementum when the periodontium of rats was wounded (Beertsen and Everts, ¹⁹⁹⁰). Even though BMPs are involved in different stages during tooth morphogenesis and are expressed during the induction of cementogenesis, the way to use BMPs as a therapeutic device to modulate and regulate cementogenesis after the eruption of the tooth is still under investigation (Ripamonti and Renton, ²⁰⁰⁶). Acellular cementum formation has been shown in dogs, when rhBMP-2 was applied to furcation defects; but cellular cementum formation was not observed, in contrast to defects treated with GTR techniques (Sigurdsson et al., ¹⁹⁹⁵; Araujo et al., ¹⁹⁹⁷). It should be noted however that in regards to bone regeneration BMP-2 has proven to be very successful and is approved by the FDA as an alternative to autogenous bone graft for sinus augmentations, and for localized alveolar ridge augmentations for defects associated with extraction sockets (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, MN, USA).

Platelet-derived growth factor

Platelet-derived growth factor (PDGF) is a protein proliferation factor released as a mediator during normal coagulation and in early stages of wound healing as part of the inflammation process by platelets (Singer et al., ¹⁹⁹⁹). Two polypeptide chains form three isomers either as a homodimer (AA, BB, CC, or DD) or as a heterodimer (AB) (Dereka et al., ²⁰⁰⁶). PDGF-A and -B chains are present in gingival epithelium, where PDGF-A seems to play an important role during early stages of wound healing while PDGF-B appears later (Green et al., ¹⁹⁹⁷). PDGF has the potential to attract and activate inflammatory cells like neutrophils and macrophages to the sites of platelet release (Deuel et al., ¹⁹⁸²). PDGF is also considered to be mitogenic for connective tissue cells in vitro (Boyan et al., ¹⁹⁹⁴; Heldin and Westermark, ¹⁹⁸⁹; Ross et al., ¹⁹⁸⁶), and a potent chemotactic agent for fibroblasts (Seppa et al., ¹⁹⁸²; Senior et al., ¹⁹⁸³). It was first introduced in dentistry in the field of periodontology and has also been shown to be mitogenic and chemotactic for periodontal ligament cells, with the additional effect of promoting regeneration of bone, periodontal ligament, and cementum (Lynch et al., ¹⁹⁸⁹, ¹⁹⁹¹).

Numerous animal and human studies have been conducted using PDGF alone or in combination with insulin-like growth factor-I (IGF-I) for periodontal regeneration (Nevins et al., ²⁰⁰³, ²⁰⁰⁵; Giannobile et al., ¹⁹⁹⁶; Park et al., ¹⁹⁹⁸; Camelo et al., ²⁰⁰³). Clinical and histologic data confirmed that PDGF-BB combined with DFDBA regenerated new attachment in human class II furcation defects (Camelo et al., ²⁰⁰³; Nevins et al., ²⁰⁰³). In a large prospective, randomized controlled human study, the use of PDGF-BB combined with β-TCP (GEM 21S®, Osteohealth, Shirley, NY, USA) was safe and effective in the treatment of intrabony periodontal defects. The combination of PDGF-BB and β-TCP performed better than the control at an early time-point (3 months), but no statistically significant differences were found at 6 months compared to control (Nevins et al., ²⁰⁰⁵). In a pilot study, PDGF-BB was also applied for localized bone regeneration (Simion et al., ²⁰⁰⁶, ²⁰⁰⁷). On the one hand, rhPDGF-BB combined with a deproteinized bovine block without placement of a barrier membrane, had the potential to regenerate significant amounts of new bone in severe mandibular ridge defects in an animal model (Simion et al., ²⁰⁰⁶), as well as in patients (Simion et al., ²⁰⁰⁷). However, in contrast, another study showed, that the combination of rhPDGF-BB with a bone substitute material (deproteinized bovine bone mineral granules, DBBM) resulted in limited bone formation compared to DBBM alone (Lioubavina-Hack et al., ²⁰⁰⁵). A recent review analyzing animal and human studies with respect to the potential of bone regeneration demonstrated that the effect of PDGF on localized bone regeneration varied (Jung et al., ²⁰⁰⁸). These results support the hypothesis that, when used as a single factor, PDGF enhances the proliferation of mesenchymal cells, but might not be able to regenerate all tooth-supporting tissue, since its effect on bone regeneration is questionable. It must be emphasized that GEM 21S® is approved by the FDA for intrabony periodontal defects, but not for local bone regeneration.

Combinations of factors

In spite of the tissue regeneration success of single factors limitations exist. The most commonly used technique applies the biologic mediators once during a therapy. This issue leads to difficulties based on the fact that the factors show initially a high concentration in the tissue. The concentration then decreases depending on the carrier, the factor itself, and the environment (^fig. 3). If a factor needs to be present at several stages during the wound healing process, a single application will likely not be as effective. These problems related to the release kinetics may be overcome by applying the factor in an alternative way (e.g. optimized carrier, purification of the factor) or by repeated applications (e.g. perhaps through serial injections during the therapy) (^fig. 4). But, since the environment (cells, receptors) changes during the wound healing process, even serial injections might not be an ideal treatment approach. As shown above, BMP and PDGF have special target cells/tissues and do not cover all tooth-supporting structures when applied as single factors. Additionally, only a little information is available regarding the most effective time-point for the application of most factors.

In contrast, a combination of biologic mediators offers several potential advantages (^fig. 5):

– several target cells/receptors/tissues;

– factors for several/all stages of the wound healing process;

– no serial applications necessary;

– possible synergistic effects;

– timing of delivery may allow a more efficient stimulation of wound healing.

Currently, only one commercially available product (Emdogain®, Biora AB, Straumann, Malmö, Sweden) consisting of a combination of proteins is approved by the FDA for the regeneration of periodontal infrabony defects, as topical application onto exposed root surfaces, and as a surgical treatment of recessions.

Enamel matrix proteins/derivatives

Enamel matrix proteins (EMP), consisting predominantly of amelogenin but also containing a number of other proteins, are secreted by Hertwig’s epithelial root sheath during tooth development. Enamel matrix derivative (EMD) is a combination of predominantly hydrophobic proteins. The effect of EMD to stimulate periodontal regeneration has been studied extensively in preclinical and clinical studies (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷; Gutierrez et al., ²⁰⁰³; McGuire and Cochran, ²⁰⁰³; Heard et al., ²⁰⁰⁰; Schwartz et al., ²⁰⁰⁰; Boyan et al., ²⁰⁰⁰). These enamel extracts have been shown to induce both osteogenesis and cementogenesis (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷; Boyan et al., ²⁰⁰⁰). This is important since without cementogenesis, periodontal ligament regeneration is not possible. The following pages provide an overview of in vitro, in vivo (animal), and clinical (human) studies performed using the heterogeneous EMD proteins. The studies discussed are summarized in ^{tables 1} -³ including the major effect(s) of EMD as shown in the publications.

In vitro studies

A variety of in vitro (^{table 1}) and in vivo studies have been performed to analyze the biological effects (proliferation, chemotaxis, angiogenesis, osteopromotion, cementogenesis) influenced by EMD (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷; Chong et al., ²⁰⁰⁶; Jiang et al., ²⁰⁰⁶; Zeldich et al., ²⁰⁰⁷). One in vitro study, investigating the effect of EMD on human periodontal ligament cells, gingival fibroblasts, and a bone cell line on wound-fill rates using a wound model, demonstrated an enhanced wound-fill compared to untreated conditions (without EMD). PDL cells especially showed a statistically significant higher proliferation rate compared to the other cells. It was concluded, that EMD may enhance periodontal wound regeneration by specifically modifying PDL cell proliferation and migration (Hoang et al., ²⁰⁰⁰). In contrast, EMD appears to have a cytostatic effect on the proliferation of epithelial cells (Kawase et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰¹, ²⁰⁰²). These findings support clinical observations that EMD inhibits a down-growth of the junctional epithelium, a process that interferes with the formation of a new connective tissue apparatus. Evaluating the effects of EMD on angiogenesis and PDL cell recruitment, another in vitro experiment demonstrated that EMD stimulates angiogenesis directly by stimulating endothelial cells and indirectly by stimulating the production of angiogenic factors (vascular endothelial growth factor [VEGF]) by PDL cells. EMD appeared to enhance the communication between microvascular endothelial cells and PDL cells during angiogenesis associated with healing. These data suggest that the communication may flow both ways and that EMD is capable of enhancing each cell’s activation (Schlueter et al., ²⁰⁰⁷). EMD is also involved in the regulation of osteoblast proliferation, and differentiation (Schwartz et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰⁰; He et al., ²⁰⁰⁴). In one study, osteoblasts at two different stages of osteogenic maturation were treated with EMD. The results showed that EMD regulated osteoblast proliferation and differentiation, but the effects were cell-specific. At early stages of osteoblastic maturation, EMD stimulated proliferation; in later stages EMD enhanced differentiation (Schwartz et al., ²⁰⁰⁰). Recent studies have identified key molecules (cyclooxygenase 2 [COX2], core binding factor alpha 1 [Cbfα1], receptor activator of nuclear factor kappa B ligand [RANK-L], and osteoprotegerin [OPG]) regulating differentiation and activation of osteoblastic and osteoclastic cells (Suda et al., ¹⁹⁹²; Yasuda et al., ¹⁹⁹⁸). The effect of EMD on the regulation of these key molecules in bone formation and resorption has been investigated (Takayanagi et al., ²⁰⁰⁶; Galli et al., ²⁰⁰⁶; Itoh et al., ²⁰⁰⁶). EMD is considered to regulate the stimulation of mineralized tissue formation consistent with periodontal regeneration by modulating regulatory molecules like COX2, Cbfα1, RANK-L, and OPG (Takayanagi et al., ²⁰⁰⁶). It was demonstrated that EMD significantly increased cell growth. A significantly higher quantity of OPG and a lower amount of RANK-L were detectable in groups treated with EMD. EMD enhanced osteoblast cell growth and the expression of markers of the osteoblastic phenotype and differentiation, thus creating a favorable osteogenic micro­environment by modulating the RANK-L/OPG ratio (reducing RANK-L, enhancing osteoblastic OPG production) (Galli et al., ²⁰⁰⁶). Through the same pathway, EMD also controls osteoclast regulation (Itoh et al., ²⁰⁰⁶).

Another important mineralization process involved in periodontal regeneration is the development of new cementum. Bone marrow-derived stromal cells (BMSCs) obtained from porcine iliac marrow aspiration were transfered onto the surface of autologous root slices and treated with and without EMPs. Following a 7-day co-culture, all the BMSC-seeded root slices were implanted subcutaneously in mice. The results of the histologic analysis demonstrated the differentiation of BMSCs into cementoblasts, which formed mineralized tissue (cellular cementum-like tissue) on the root slices (Song et al., ²⁰⁰⁷).

Recently, research has focused on the bioactive components of EMD. As described above, EMD consists mainly of amelogenin, but includes a variety of other proteins (tuftelin, tuft protein, serum proteins, ameloblastin, amelin) (Brookes et al., ¹⁹⁹⁵), as well as BMP-like and TGF-β-like activity (Kawase et al., ²⁰⁰¹; Iwata et al., ²⁰⁰²). Therefore, several studies have evaluated different fractions of EMD (Mumulidu et al., ²⁰⁰⁷; Suzuki et al., ²⁰⁰⁵). In an in vitro study, EMD was fractionated into 22 sub-fractions by size exclusion chromatography. In the unfractioned EMD, TGF-β-like activity was detected, while BMP activity was not. When subfractions were evaluated, TGF-β-like activity was detected from subfractions 8 to 13, whereas BMP-like activity was observed from subfractions 4 to 6. These results indicate that EMD contained BMP-like and TGF-β-like activity and might explain the ability of EMD to induce biomineralization (Suzuki et al., ²⁰⁰⁵).

In vivo studies (animal)

In vivo studies (^{table 2}) mainly addressed the question of whether EMD had the ability to induce bone formation (i.e. osteoinductive) and/or cementum formation. In an experimental model in monkeys, four lateral maxillary and mandibular lateral incisors were extracted. Following extraction, an experimental cavity was made on one side of the root, removing cementum and dentin. The cavities were filled with EMD and the teeth replanted. Control teeth were replanted without placing anything in the cavities. After 8 weeks of healing, sacrifice and histological analysis, new acellular cementum formation was observed in test sites (EMD), whereas control sites showed cellular hard tissue formation. The study demonstrated that EMD is involved in the formation of cementum and that these proteins can regenerate acellular extrinsic fiber cementum (Hammarström, ¹⁹⁹⁷). In another experimental study in monkeys, the effect of EMD in a buccal dehiscence defect model was tested (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷). Various preparations of EMD with or without carrier and a control group without EMD were applied in periodontal defects. The results of the study showed an extensive gain of acellular cementum for the groups treated with EMD. Collagen fibers inserting in the newly formed cementum extended to the regenerated alveolar bone. The study demonstrated that EMD was able to regenerate all three tissues (bone, acellular cementum, and PDL) necessary for periodontal regeneration (Hammarström et al., ¹⁹⁹⁷).

Other studies specifically addressed the question of bone formation (osteoinductive activity of EMD). In a mouse model, EMD was applied in combination with, or without, a carrier material (demineralized freeze-dried bone allograft [DFDBA]) in an ectopic mouse model. The results of this investigation showed that EMD by itself was not osteoinductive. However, EMD enhanced bone formation by DFDBA depending on DFDBA osteoinductive activity (Boyan et al., ²⁰⁰⁰). Based on the results of various in vitro and in vivo studies, histologic in vivo studies have also been made to evaluate the potential of EMD in the treatment of infrabony defects (Cochran et al., ²⁰⁰³) and in class III furcation defects (Hovey et al., ²⁰⁰⁶) in animal models. In a baboon study, surgically created class III furcation defects were treated with EMD in combination with a human fibroblast-derived dermal substitute or alone compared to open flap debridement. Histometric measurements demonstrated differential regenerative responses with respect to treatment within each animal. No statistically significant differences were observed between the small number of groups. However, EMD-treated sites presented generally positive regenerative results (Hovey et al., ²⁰⁰⁶). These findings support considerations that three main parameters might be essential for periodontal regeneration:

– space-maintenance;

– cementum formation;

– prevention of epithelial down growth (barrier function).

Because of the lack of EMD to provide volumetric fill of the periodontal defect and to answer the question whether EMD could also serve as a barrier membrane, i.e. prevent epithelial cell downgrowth, an animal study was designed. This study tested whether or not EMD would be less effective in wider periodontal defects compared to more narrow periodontal defects (Cochran et al., ²⁰⁰³). Periodontal defects ranging in size from 1 to 6 mm were randomized and created bilaterally beside 3 teeth in the mandibles of baboons. Ligature-induced periodontitis was established to create defects. On one side of the mandible, neutral ethylene diamine tetracetic acid (EDTA) and EMD were first used to treat the defect. Autogenous bone harvested from the same surgical site was treated with EMD and then added to the defect. The other side of the mandible served as control with EDTA and scaling and root planing. Five months later, the animals were sacrificed and teeth processed for histologic evaluation. The results revealed new cementum, periodontal ligament with Sharpey’s fibers, and new bone tissue formed in the EMD-treated sites similar to native periodontal tissue. True periodontal regeneration occurred in all sizes of the periodontal defects. In general, EMD plus autogenous graft treatment resulted in greater tissue formation than controls. In the test group (EMD plus autogenous graft), extensive tissue formation was reported far coronal to the base of the defects and was prominent in the wider lesions. For the smaller lesions, statistically significant differences were found in favor of the test sites compared to the control sites. Interestingly, periodontal regeneration occurred in these defects in the absence of barrier membranes (Cochran et al., ²⁰⁰³). These findings indirectly support the in vitro observation demonstrating periodontal ligament regeneration without interference of epithelial downgrowth (Kawase et al., ²⁰⁰⁰, ²⁰⁰²).

Clinical studies

A variety of clinical studies (^{table 3} ) have been performed evaluating the safety and efficacy of EMD in numerous indications for periodontal regeneration (Gutierrez et al., ²⁰⁰³; McGuire and Cochran, ²⁰⁰³; Heard et al., ²⁰⁰⁰; Chitsazi et al., ²⁰⁰⁷). Since EMD is porcine-derived, concerns have risen for the potential of immune reactions when used in humans (Yuan et al., ²⁰⁰⁶). A multi-center study assessed changes in immunoglobulin levels in patients following treatment with EMD. No increase in antibodies related to EMD could be found (Zetterström et al., ¹⁹⁹⁷). The findings of another clinical study to determine if multiple exposure of EMD altered the course of wound healing demonstrated no negative impact of EMD (Heard et al., ²⁰⁰⁰). The clinical use of EMD based on these studies, plus the safety studies as required by the FDA for the premarket approval application, indicate that EMD therapy in patients is safe. EMD has also been used for the treatment of recession defects (McGuire and Cochran, ²⁰⁰³), as an adjunct to non-surgical periodontal therapy, for the treatment of periodontal infrabony defects (Francetti et al., ²⁰⁰⁴; Heijl et al., ¹⁹⁹⁷; Tonetti et al., ²⁰⁰⁴), and for the treatment of class II (Chitsazi et al., ²⁰⁰⁷; Hoffmann et al., ²⁰⁰⁶; Aimetti et al., ²⁰⁰⁷) and class III furcation defects (Hovey et al., ²⁰⁰⁶). A human trial aiming to characterize the nature of the tissue that forms on root surfaces following treatment with EMD demonstrated that EMD regenerated tissue resembled either cellular intrinsic fiber cementum or a type of bone. Indeed, a distinct mineralization front was lacking; small mineralization foci were regularly seen, as well as large organic matrix patches (Bosshardt et al., ²⁰⁰⁶). Similar findings with cellular instead of the expected acellular cementum following application of EMD were found in an earlier study by the same group of investigators (Bosshardt et al., ²⁰⁰⁵). In another clinical study, EMD was used in infrabony defects of hopeless teeth. These teeth were later extracted and histologically processed. Polyclonal antibodies against osteopontin and collagen types I and III, showed stronger expression of these three proteins at the reformed tissue compared to the unrestored surfaces of extracted teeth. It was concluded that EMD creates an environment favorable for periodontal regeneration (Sculean et al., ²⁰⁰³). Taken together, the in vitro studies along with the preclinical and clinical evidence, have shown EMD to not only have all the prerequisites for the regeneration of the various tissues of the periodontium, but it also results in clinical periodontal regeneration as evidenced by histological and clinical studies. EMD has also been examined in non-surgical periodontal therapy (Gutierrez et al., ²⁰⁰³; Mombelli et al., ²⁰⁰⁵). No statistically significant differences were found comparing EMD as an adjunct to non-surgical periodontal therapy compared to non-surgical therapy alone in infrabony pockets in patients (Gutierrez et al., ²⁰⁰³; Mombelli et al., ²⁰⁰⁵). Comparative treatment of infrabony defects in a multi-center trial either with EMD and a synthetic bone graft (Straumann® BoneCeramic, Straumann, Basel, Switzerland) or EMD alone, led to significant clinical improvements in both groups. However, no clinically significant differences were found between the groups (Jepsen et al., ²⁰⁰⁸). Furthermore, in a double-blind randomized clinical trial a combination of EMD and 24% EDTA (Pref-Gel®, Straumann, Basel, Switzerland) was applied to proximal class II furcation defects and compared to open flap debridement alone. A higher rate of class II to class I furcation conversion was observed, but all other tested parameters revealed no statistically significant differences (Casarin et al., ²⁰⁰⁸).

The clinical data from numerous case series and controlled clinical trials demonstrate the efficacy of EMD in the treatment of human periodontal infrabony defects. Nevertheless, significant variation in the clinical and histologic outcome is observed as shown by recent review papers (Giannobile et al., ²⁰⁰³; Esposito et al., ²⁰⁰⁵; Kalpidis and Ruben, ²⁰⁰²; Trombelli et al., ²⁰⁰²; Venezia et al., ²⁰⁰⁴).

Cell-based therapy

Cell-based therapy is another approach for the treatment of periodontal defects. As described above, the wound healing process is characterized by several stages and cellular events. Recruited cells can respond to changes of environment and are sensitive to the extracellular matrix (ECM). ECM molecules and cytokines have been shown to induce both selective and non-selective responses in the different cell lineages and their precursors (Pitaru et al., ¹⁹⁹⁴). As a feedback to these signaling processes, cells can release substances (e.g. release of biologic mediators like VEGF, FGF, and in later stages PDGF) (Momose et al., ²⁰⁰²). Providing cells in a regenerating tissue might therefore open new perspectives in the treatment of periodontal defects.

Several cell-based products have been described in the literature; among these are: a human fibroblast-derived dermal substitute (HF-DDS, Dermagraft®, Advanced Tissue Sciences, Inc., La Jolla, CA, USA) and a human bilayered skin equivalent (Apligraf®, Organogenesis, Canton, MA, USA).

Originally developed for the treatment of severe burn wounds and diabetic foot ulcers, allogenic skin equivalents were later introduced in periodontology, predominantly in the field of mucogingival therapy.

A living dermal replacement (Dermagraft®) is obtained from human neonatal fibroblasts on a polyglyactin mesh. The included cells start to multiply and produce collagen and growth factors, which results in a more solid structure consisting of a single layer of cells.

In a human study, patients with insufficient attached gingiva were treated either with a human fibroblast-derived dermal substitute (HF-DDS) or a gingival autograft (GA). The results for test (HF-DDS) and control group (GA) were similar for all evaluated parameters with the exception of the amount of keratinized tissue and percent recession of keratinized tissue. Significantly more keratinized tissue and less recession over time was observed for the control group. The test group demonstrated significantly better color match and tissue texture (McGuire and Nunn, ²⁰⁰⁵).

The most recent cell-based developments include a living allogenic bilayered construct containing keratinocytes, fibroblasts and bovine type I collagen (Apligraf®). The living cells are derived from neonatal foreskin and are propagated in culture. The keratinocytes promote the formation of a stratum corneum, leading to a tissue resembling human skin and capable of healing itself. This product was developed originally to heal sores such as diabetic foot and venous leg ulcers (Pham et al., ²⁰⁰⁷; Zaulyanov and Kirsner, ²⁰⁰⁷). A pilot study evaluated a bilayered cell therapy (BCT) for the enhancement of keratinized tissue and wound healing compared to a free gingival graft (FGG) (McGuire et al., ²⁰⁰⁸). While the FGG generated more statistically significant keratinized tissue than the BCT, no differences were observed regarding recession, clinical attachment level, bleeding on probing, and inflammation. Indeed, the BCT group was found to have significantly better color and texture match with surrounding tissue, and patient preference was significantly greater for the BCT group. Even though, the amount of keratinized tissue was greater in the FGG group, 24 of 25 sites of the BCT group showed an increase compared to baseline in keratinized tissue at 6 months (McGuire et al., ²⁰⁰⁸).

Tissue engineering

Tissue engineering is defined as “an interdisciplinary field that applies the principles of engineering and the life sciences toward the development of biological substitutes that restore, maintain, or improve tissue function” (Langer and Vacanti, ¹⁹⁹³). Tissue-engineered products are based on isolated cells or cell substitutes, tissue-inducing substances (biologic mediators), and scaffolds. Resorbable, biocompatible scaffolds can be of natural or synthetic origin, provide physical stability, and allow ingrowth and networking of living cells. The incorporated cells can be either of autologous or allogenic origin. Recent technologies not only allow including differentiated cells (with a tissue specific phenotype), but also adult, fetal, or embryonic stem cells. The biologic mediators on the other hand are responsible for a specific biologic activity. The idea behind tissue engineering is to apply a “smart device” capable of dynamically adapting to the environmental changes during the wound healing process and therefore positively affecting the regeneration of the periodontal tissue as the wound environment changes.

Even though many studies have been published using biologic mediators and cells in combination with scaffolds, there is a lack of publications including all three components necessary for tissue engineering therapy (cells, scaffolds, and biologic mediators) for the treatment of periodontal disease. One study conducted in non-human primates, evaluated the application of EMD (biologic mediators) and a HF-DDS (carrier, cells) to stimulate periodontal wound healing in class III furcation defects (Cochran et al., ²⁰⁰³). In this study, surgically created class III defects were treated with EMD in combination with a HF-DDS or EMD alone and compared to open flap debridement. Histometric measurements demonstrated differential regenerative responses with respect to treatment within each animal. No statistically significant differences were observed between the groups mainly due to the low number of animals used in this pilot study. However, EMD-treated sites demonstrated a greater mean percentage of new bone compared to the other groups. Assessment of sites treated with the HF-DDS demonstrated a less successful outcome compared to the open flap debridement sites. According to the authors, the negative effect of the HF-DDS may be due to a possible host response to the tissue-engineered product, the viability of the donated cells in the HF-DDS, and the phenotype of the fibroblasts included in the HF-DDS (Cochran et al., ²⁰⁰³). These initial efforts using a tissue engineering approach represent a powerful the­rapeutic area for enhancing periodontal tissue regeneration.

Conclusion

Periodontal regeneration in general has shown clinical but rather limited success on a histologic basis. Nevertheless, recent publications studying the nature of different biologic mediators to enhance periodontal regeneration are promising. The application of biologic mediators as single factors has shown positive results in vitro and in animal studies. However, data of clinical studies using these factors for periodontal regeneration show variation and, histologic data confirming the (pre-)clinical results are scarce. Factors like BMP-2 appear to have the prerequisites for successful regeneration of alveolar bone. The application of BMP-2 in combination with an ACS is FDA approved as an alternative for autogenous bone graft for sinus augmentations, and for localized alveolar ridge augmentations for defects associated with extraction sockets (Infuse® Bone Graft, Medtronic, Inc., Minneapolis, MN, USA) and is well-documented by numerous preclinical and clinical studies. On the other hand, the use of BMP-2 is limited to mineralized tissue. BMP-2 does not have an effect on the proliferation of the PDL and can, therefore, lead to ankylosis formation as shown in animal studies. PDGF, a proliferation factor, demonstrated increased cell numbers during in vitro wound healing models and is mitogenic and chemotactic for periodontal ligament cells. However, the effect on bone regeneration appears to be limited and is only documented by case series with a low level of evidence. In a randomized controlled clinical multicenter trial the combined application of PDGF-BB and β-TCP showed no significant differences to control after 6 months with respect to clinical attachment level gain. These results are quite surprising since the combination of PDGF-BB and β-TCP (GEM 21S®) is a FDA-approved product for periodontal intrabony defects.

The various effects of EMD (Emdogain®) – FDA-approved for periodontal defects – on periodontal regeneration have been documented in numerous studies. Since EMD contains a combination of proteins, the potential exists for multiple effects and this has been realized in a number of studies. These proteins positively influence periodontal wound regeneration by modulating periodontal ligament cells, cementum cells, bone cells, gingival fibroblasts, and endothelial cells. Additionally, EMD is involved in the regulation of bone modeling and remodeling processes by modulating the RANK-L/OPG ratio. The results of in vivo studies showed new cementum, a periodontal ligament with Sharpey’s fibers, and new bone formation similar to native periodontal tissue. Numerous clinical studies have demonstrated that EMD creates an environment favorable for periodontal regeneration. Even though EMD has a cytotoxic effect on epithelial cells a barrier-like function, it does not have a space-maintaining function. Finding an optimal carrier or space maintaining material for larger defects might prove beneficial in the future.

Developments in the cell-based therapies are just beginning. Different materials have been introduced into the field of periodontal regeneration. Bilayered skin equivalents show interesting results in terms of enhancement of keratinized tissue. Color and texture match seem to be more favorable compared to autologous soft tissue grafts, and from a patient’s perspective, they are preferred since no second surgical site (e.g. palate) is needed. A theoretical advantage to cell-based therapies is that the cells can respond to their wound environment. Thus, this approach, while only beginning to be investigated, may prove to be the most promising. As noted above, for regeneration of the periodontium, biologic mediators need to enhance both soft and hard connective tissue. Two factors seem to play an important role in the regeneration process:

– the formation of new cementum;

– the establishment of the periodontal ligament with its source of progenitor cells.

The application of a combination of factors, either being a combination of current single factors which to date have only been used as a single factor, or an existing combination product such as EMD, appears to be the most promising approach to stimulate both the hard and soft connective tissues. However, EMD is currently applied as a liquid, therefore it does not provide a space-maintaining function. It is possible that a space-making material combined with a protein or a combination of proteins might result in even greater regeneration. On the other hand, cell-based therapies open the door towards the use of “smart” technologies for the regeneration of the periodontium. However, reviewing the literature with respect to tissue engineering where three components are used for regenerating tissue, revealed few published papers to date for the oral cavity.

Future direction of research

The somewhat limited success to date using biologic mediators for periodontal regeneration might be due to the fact that these proteins are applied only once at the beginning of the wound healing process and the products are used as “single factors” or a combination of factors delivered all at one time. Future research should take advantage of sequential delivery systems of single or combination factors and the principles of tissue engineering, where three components (biologic mediators, carriers, and cells) are added. Theoretically, the tissue-engineered materials are capable of adapting to ever changing wound environments. Alternatively, multiple applications of one or several biologic mediators might also be required as the wound changes over time. In any case, the use of protein mediators to enhance periodontal regeneration has proven to have a positive effect on periodontal tissue outcomes and in addition, provides the basis for further exciting developments.

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the help of Ms. Judith Doerr, administrative assistant, University of Texas Health Science Center San Antonio, for her help in the preparation of the manuscript and Marcel Arnold, University of Zurich for providing the schematic drawings.

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