Flapless application of enamel matrix derivative in class II mandibular furcation defects: a randomized clinical trial

Abstract

The traditional gold standard for managing mandibular Class II furcation defects is regenerative surgery, specifically the Minimally Invasive Surgical Technique (MIST) combined with Enamel Matrix Derivative (EMD). However, surgical interventions intrinsically necessitate flap reflection, which induces trauma, acute inflammatory responses, gingival recession, and patient morbidity. In recent years, Minimally Invasive Non-Surgical Therapy (MINST) has emerged as a promising alternative, yet high-quality evidence regarding its efficacy in furcation defects remains severely limited. Consequently, this doctoral thesis was designed around three interconnected primary aims: (1) to conduct a randomized controlled trial to evaluate whether a flapless MINST approach combined with EMD yields non-inferior clinical and radiographic regenerative outcomes compared to the surgical MIST approach with EMD, while assessing Patient-Reported Outcome Measures (PROMs), (2) to utilize high-throughput targeted proteomics to characterize the specific Gingival Crevicular Fluid (GCF) diagnostic signature of Class II furcation defects and to prospectively monitor the divergent early molecular healing responses elicited by surgical versus non-surgical therapy, and (3) to establish and validate a novel, semi-automated, artificial intelligence-assisted three-dimensional (3D) volumetric protocol for the precise quantification of alveolar bone alterations using Cone-Beam Computed Tomography (CBCT) datasets. The clinical component comprised a rigorously conducted randomized controlled trial (ClinicalTrials.gov: NCT05541614) involving forty-four patients with Stage III/IV periodontitis and mandibular Class II defects. Participants were allocated into two equivalent groups: MINST+EMD and MIST+EMD. The primary objective was to evaluate the reduction in Probing Pocket Depth (PPD) at nine months, alongside radiographic bone changes and Patient-Reported Outcome Measures (PROMs, OHIP-14). The second phase applied comprehensive proteomic analysis (Olink® Reveal platform) to the GCF, leveraging state-of-the-art machine learning models to identify biomarkers. The third stage involved creating a semi-automated, AI-supported 3D volumetric protocol, which was validated across 100 distinct regions of interest to ensure maximum scientific reliability. The findings confirmed that the MINST+EMD technique is clinically non-inferior to MIST+EMD. Both treatments yielded statistically significant and comparable improvements in clinical and radiographic parameters. However, while MIST induced root hypersensitivity and an immediate decline in quality of life during the initial weeks, MINST provided a smooth, nearly painless healing process. Clinical success was fundamentally dependent on the initial bone defect. At the molecular level, 227 differentially expressed proteins were detected, and a highly accurate 34-protein diagnostic panel was developed (AUC 0.887). MIST triggered profound metabolic stress, whereas MINST facilitated mild biological tissue remodeling. In volumetrics, the novel AI CBCT protocol demonstrated exceptional reliability (ICC > 0.99), offering outstanding measurement repeatability without systematic errors. In conclusion, MINST when combined with EMD, serves as a highly effective and notably less morbid bone regeneration alternative to MIST. Biologically, periodontal regeneration success depends mainly on the initial space containment and the defect's anatomy, rather than on surgical flap elevation. The surgical approach incites an intense traumatic and metabolic stress response, whereas the non-surgical approach enables mild biological healing. Furthermore, the local molecular signature of furcation defects can be accurately captured via a 34-protein diagnostic panel, paving the way for advanced diagnostic methodologies. Finally, the validated, AI-supported 3D CBCT volumetric protocol surpasses the limitations of traditional 2D radiography, establishing a new methodological standard for the precise and objective quantification of 3D periodontal bone remodeling.

Η θεραπεία εκλογής για τις βλάβες διχασμού βαθμού ΙΙ στην κάτω γνάθο θεωρείται παραδοσιακά η αναγεννητική χειρουργική. Ειδικότερα, η Ελάχιστα Επεμβατική Χειρουργική Τεχνική (MIST) σε συνδυασμό με το Παράγωγο Θεμέλιας Ουσίας Αδαμαντίνης (EMD) αποτελεί ευρέως αποδεκτή λύση. Ωστόσο, κάθε χειρουργική αναπέταση κρημνού σχετίζεται άμεσα με χειρουργικό τραύμα, οξεία φλεγμονή, πιθανή υφίζηση ούλων και αυξημένη μετεγχειρητική νοσηρότητα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει σε τρεις αλληλένδετους ερευνητικούς στόχους: (1) την κλινική, ακτινογραφική και ασθενοκεντρική αξιολόγηση της μεθόδου MINST (χωρίς αναπέταση κρημνού), (2) την προηγμένη πρωτεομική ανάλυση του υγρού της ουλοδοντικής σχισμής (GCF) καθώς και την παρακολούθηση των πρώιμων μοριακών αποκρίσεων στην επούλωση που προκαλούνται από τη χειρουργική θεραπεία σε σύγκριση με τη μη χειρουργική, και (3) την ανάπτυξη και επικύρωση ενός νέου, ημιαυτόματου πρωτοκόλλου τρισδιάστατης ογκομετρίας, υποστηριζόμενου από τεχνητή νοημοσύνη, για τον ακριβή ποσοτικό προσδιορισμό των μεταβολών του φατνιακού οστού, βασιζόμενο σε δεδομένα Υπολογιστικής Τομογραφίας Κωνικής Δέσμης (CBCT). Το κλινικό μέρος περιελάμβανε μια αυστηρά τυχαιοποιημένη δοκιμή (ClinicalTrials.gov: NCT05541614) σαράντα τεσσάρων συνολικά ασθενών με περιοδοντίτιδα Σταδίου III/IV και βλάβες Βαθμού II στην κάτω γνάθο. Οι συμμετέχοντες χωρίστηκαν σε δύο ισοδύναμες ομάδες: MINST+EMD και MIST+EMD. Πρωταρχικός σκοπός ήταν η αξιολόγηση της μείωσης του βάθους θυλάκου (PPD) έπειτα από εννέα μήνες, εξετάζοντας ταυτόχρονα τις ακτινογραφικές μεταβολές και τους δείκτες ποιότητας ζωής (PROMs, OHIP-14). Το δεύτερο σκέλος εφάρμοσε λεπτομερή πρωτεομική ανάλυση (πλατφόρμα Olink® Reveal) στο υγρό της ουλοδοντικής σχισμής, αξιοποιώντας υπερσύγχρονα μοντέλα μηχανικής μάθησης για τον εντοπισμό βιοδεικτών. Το τρίτο στάδιο αφορούσε τη δημιουργία ημιαυτόματου πρωτοκόλλου 3D ογκομετρίας, υποστηριζόμενου από τεχνητή νοημοσύνη (AI). Αυτό επικυρώθηκε σε εκατό ξεχωριστές περιοχές ενδιαφέροντος για τη διασφάλιση της μέγιστης επιστημονικής αξιοπιστίας. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ότι η τεχνική MINST+EMD δεν είναι κλινικά κατώτερη από την MIST+EMD. Και οι δύο θεραπείες εμφάνισαν στατιστικά σημαντικές και συγκρίσιμες βελτιώσεις στις κλινικές και ακτινογραφικές μετρήσεις. Ενώ η MIST προκάλεσε οξεία ευαισθησία και άμεση επιδείνωση της ποιότητας ζωής κατά τις πρώτες εβδομάδες, η MINST εξασφάλισε ομαλή, σχεδόν ανώδυνη επούλωση. Η κλινική επιτυχία εξαρτήθηκε κυρίως από την αρχική οστική βλάβη. Σε μοριακό επίπεδο, ανιχνεύθηκαν διακόσιες είκοσι επτά διαφορετικά εκφραζόμενες πρωτεΐνες, ενώ διαμορφώθηκε και ένα εξαιρετικά ακριβές διαγνωστικό πάνελ τριάντα τεσσάρων πρωτεϊνών (AUC 0.887). Η MIST πυροδότησε πολύ έντονο μεταβολικό στρες, ενώ αντίθετα η MINST επέτρεψε ήπια βιολογική αναδιαμόρφωση ιστών. Στην ογκομετρία, το νέο πρωτόκολλο CBCT με τεχνητή νοημοσύνη κατέγραψε απόλυτη αξιοπιστία (ICC άνω του 0.99), προσφέροντας άριστη επαναληψιμότητα μετρήσεων χωρίς σφάλματα. Συμπερασματικά, η ελάχιστα επεμβατική μη χειρουργική μέθοδος MINST, όταν συνδυάζεται με EMD, συνιστά μια ιδιαίτερα αποτελεσματική και εμφανώς λιγότερο νοσηρή επιλογή οστικής αναγέννησης έναντι της MIST. Βιολογικά, η επιτυχία της περιοδοντικής αναγέννησης εξαρτάται κυρίως από τον αρχικό χωρικό περιορισμό και την ανατομία της οστικής βλάβης, και όχι από τη χειρουργική αναπέταση του περιοδοντικού κρημνού. Η χειρουργική προσέγγιση προκαλεί έντονη αντίδραση τραυματικού και μεταβολικού στρες, ενώ η μη χειρουργική επιτρέπει ήπια βιολογική επούλωση. Επιπλέον, η τοπική μοριακή υπογραφή των βλαβών διχασμού μπορεί να καταγραφεί με ακρίβεια μέσω ενός διαγνωστικού πάνελ 34 πρωτεϊνών, ανοίγοντας το δρόμο για προηγμένες διαγνωστικές μεθόδους. Τέλος, το επικυρωμένο, υποστηριζόμενο από τεχνητή νοημοσύνη, 3D ογκομετρικό πρωτόκολλο CBCT υπερβαίνει τους περιορισμούς της παραδοσιακής 2D ακτινογραφίας, υιοθετώντας ένα νέο πρότυπο μεθοδολογίας για τον ακριβή και αντικειμενικό ποσοτικό προσδιορισμό της τρισδιάστατης αναδιαμόρφωσης του περιοδοντικού οστού.