Palatal rugae: evaluation with a novel method, association of their phenotype with specific genetic variants and the effect of orthodontic extractions

Abstract

Palatal rugae, the irregular mucosal ridges located on the anterior hard palate, have long been recognised as clinically and forensically valuable anatomical landmarks. Their distinctive yet relatively stable patterns have supported applications in forensic identification, orthodontic treatment planning via the guidance of the insertion of mini-screws palatally, and superimposition. Traditional approaches to rugae evaluation have relied on qualitative indices describing features such as shape, length, and orientation. However, these methods suffer from limited reproducibility and do not adequately capture the full geometric complexity of the structures. Recent advances have given the possibility to quantify rugae morphology, investigate its genetic basis, and assess its stability following clinical interventions. To address these interrelated questions, three studies were conducted, each contributing a different perspective: methodological, genetic, and clinical. Together, they provide a further understanding of palatal rugae and their potential uses and limitations in research, clinical practice, and forensics. The first study focused on establishing and validating a quantitative methodology for rugae analysis. A set of twenty maxillary plaster models was digitised, and the rugae were isolated and processed through a specific workflow in Viewbox 4 software. The steps included mesh cropping, ball pivoting algorithm, distance mapping, and box-counting fractal dimension (FD) calculation. FD, a measure of morphological complexity, was used to characterise the morphology of rugae. Reliability was assessed through Bland-Altman analysis of both intra- and inter-rater comparisons. Results demonstrated FD values ranging from 1.274 to 1.491, with an average of 1.412. Limits of agreement were narrow for inter-rater (−0.012 to 0.010) and intra-rater (−0.004 to 0.004) comparisons, confirming excellent reproducibility. These findings established this fractal dimension analysis-based method as a reliable, objective, and minimally operator-dependent tool that captures both shape and vertical aspects of palatal rugae. This methodological advance set the foundation for subsequent genetic and clinical investigations. Building upon this quantitative framework, the second study examined the role of genetic variations of specific genes in rugae’s morphology. While animal studies suggest that rugae development is the result of a reaction-diffusion mechanism involving fibroblast growth factor (FGF) and sonic hedgehog (Shh) signalling. To explore this, eighty-three female participants (mean age 17.6 years) underwent maxillary scanning and saliva collection. Rugae complexity and asymmetry between hemi-maxillae were quantified using fractal dimension analysis with the aforementioned method. Genomic DNA extracted from saliva was subjected to Next Generation Sequencing for six genes: FGFR2 and FGF10, hypothesised to influence rugae complexity, and IRF6, WNT3A, WNT5A, and WNT11, postulated to influence asymmetry. Sequencing identified 35 unique single nucleotide polymorphisms (SNPs), yielding 757 variant observations across the cohort. Average FD was 1.479 (SD 0.044), and mean left-right asymmetry was −0.006 (SD 0.043). Statistical tests, including Mann-Whitney U and Kruskal-Wallis, revealed no significant associations between SNP genotypes and either rugae complexity or asymmetry (p > 0.05). The results demonstrate the need for larger cohorts and broader genomic approaches, including whole-exome and whole-genome sequencing, to clarify the impact of genetic variants on the morphology of rugae’s morphology. The third study investigated how orthodontic treatment influences rugae morphology, a critical question for both forensic reliability and orthodontic superimposition. Sixty-one borderline extraction-non-extraction patients were included: 28 who underwent premolar extractions and 33 who did not. Their pre- and post-treatment plaster models were scanned and processed using a standardised computational workflow involving best-fit superimposition, FD analysis, and convex hull surface area calculation. Shape changes were quantified by measuring average displacement of rugae outlines between pre- and post-treatment models. Results demonstrated significant shape alterations in both groups, with greater displacement in extraction cases (median 0.39 mm, IQR 0.34-0.51) compared to non-extraction cases (median 0.27 mm, IQR 0.22-0.34; p < 0.001). FD values remained stable across groups, with no significant differences between pre- and post-treatment complexity measures. Interestingly, non-extraction cases exhibited a significant increase in the convex hull surface area occupied by rugae (median +14.7 mm², IQR 0.0-46.5; p = 0.003), while extraction cases did not. These results indicate that orthodontic treatment modifies the spatial positioning and surface covered by rugae, but does not alter their morphological complexity. Across the three studies, several themes emerge. First, fractal dimension analysis has proven to be a reliable, reproducible, and informative method for quantifying rugae morphology. It captures complexity more comprehensively than qualitative indices and minimises operator dependence, making it suitable for both research and forensic use. Second, despite biological plausibility, genetic variation in selected candidate pathways did not show measurable associations with rugae complexity or asymmetry in humans. This finding may reflect the limitations of sample size and our genetic approach. Third, orthodontic treatment induces significant shape and surface alterations of rugae, even though their complexity remains stable. This has practical implications: rugae cannot be regarded as unaltered anatomical structures following treatment, and their use in forensic dentistry or superimposition should be undertaken with caution. The integrated findings provide opportunities for future research and clinical practice. In this context, FD analysis equips researchers and practitioners with a strong quantitative tool for assessing rugae morphology with high reliability. On the other hand, the absence of significant genetic associations highlights the importance of moving beyond candidate-gene approaches toward larger, more comprehensive genomic studies. Whole-exome and whole-genome sequencing, coupled with larger cohorts, seem to be necessary to elucidate the genetic basis of rugae morphology. Clinically, orthodontic modifications of rugae shape and surface emphasise the need to exercise prudence when using rugae-based superimposition analyses and forensic identifications, particularly in orthodontically treated individuals.

Οι υπερώιες πτυχές, οι ακανόνιστες πτυχώσεις του βλεννογόνου που εντοπίζονται στο πρόσθιο τμήμα της σκληρής υπερώας, έχουν αναγνωριστεί ως κλινικά και ιατροδικαστικά πολύτιμα ανατομικά σημεία. Τα ιδιαίτερα αλλά σχετικά σταθερά μοτίβα τους έχουν βοηθήσει στην ταυτοποίηση, στον σχεδιασμό ορθοδοντικής θεραπείας, μέσω της καθοδήγησης της τοποθέτησης μικρο-εμφυτευμάτων υπερωίως και στην αλληλεπίθεση. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις για την αξιολόγηση των υπερώιων πτυχών έχουν εστιάσει σε ποιοτικούς δείκτες που περιγράφουν το σχήμα, το μήκος και τον προσανατολισμό τους. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές είναι περιορισμένες ως προς την επαναληψιμότητά τους και αδυνατούν να αποτυπώσουν την γεωμετρική πολυπλοκότητα αυτών των δομών. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία και επιστήμη έχουν καταστήσει δυνατή την ποσοτική αποτίμηση της πολυπλοκότητας των υπερώιων πτυχών, τη διερεύνηση των γονιδίων που σχετίζονται με αυτές, αλλά και την εκτίμηση της σταθερότητάς τους κατόπιν κλινικών παρεμβάσεων. Για να διερευνηθούν αυτά τα αλληλένδετα ζητήματα, πραγματοποιήθηκαν τρεις μελέτες, καθεμία με μια διαφορετική οπτική: μεθοδολογική, γενετική και κλινική. Συνολικά, αυτές οι μελέτες παρέχουν πληροφορίες που βοηθούν στην κατανόηση των υπερώιων πτυχών και των πιθανών εφαρμογών τους αλλά και περιορισμών της χρήσης τους στην έρευνα, στην κλινική πράξη και στην ιατροδικαστική. Η πρώτη μελέτη επικεντρώθηκε στη δημιουργία και επικύρωση μιας ποσοτικής μεθοδολογίας για την ανάλυση των υπερώιων πτυχών. Ένα σύνολο είκοσι εκμαγείων της άνω γνάθου ψηφιοποιήθηκε, και οι υπερώιες πτυχές απομονώθηκαν και επεξεργάστηκαν μέσω του λογισμικού Viewbox 4. Τα βήματα της ανάλυσης περιελάμβαναν περικοπή του mesh, εφαρμογή του αλγορίθμου ball pivoting, χαρτογράφηση αποστάσεων και υπολογισμό της μορφοκλασματικής διάστασης (Fractal Dimension, FD) με τη μέθοδο box-counting. FD, μέτρο της μορφολογικής πολυπλοκότητας, χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση της πολυπλοκότητας της ανατομικής δομής των υπερώιων πτυχών. Τόσο η ενδο-, όσο και η δια-βαθμολογική αξιοπιστία ελέγχθηκαν μέσω της ανάλυσης Bland-Altman. Τα αποτελέσματα έδειξαν τιμές FD από 1,274 έως 1,491, με μέσο όρο 1,412. Τα όρια συμφωνίας ήταν στενά για τη δια-βαθμολογική (−0,012 έως 0,010) και την ενδο-βαθμολογική (−0,004 έως 0,004) σύγκριση, επιβεβαιώνοντας την εξαιρετική επαναληψιμότητα. Τα ευρήματα αυτά καθιέρωσαν την ανάλυση με βάση την μορφοκλασματική διάσταση ως μια αξιόπιστη, αντικειμενική και ελάχιστα εξαρτώμενη από τον χρήστη μέθοδο, ικανή να αποτυπώσει τόσο το σχήμα όσο και την ανάγλυφη μορφή των υπερώιων πτυχών. Η μεθοδολογική αυτή πρόοδος θα μπορούσε να αποτελέσει το θεμέλιο για μελλοντικές γενετικές και κλινικές έρευνες. Βασιζόμενη σε αυτό την ποσοτική μέθοδο, η δεύτερη μελέτη εξέτασε τον ρόλο γενετικών παραλλαγών συγκεκριμένων γονιδίων στη διαμόρφωση της μορφολογίας των υπερώιων πτυχών. Ενώ μελέτες σε ζώα υποδηλώνουν ότι η ανάπτυξη των υπερώιων πτυχών διέπεται από έναν μηχανισμό αντίδρασης-διάχυσης που περιλαμβάνει τον αυξητικό παράγοντα ινοβλαστών (FGF) και την οδό Sonic Hedgehog (Shh), τα ανθρώπινα γενετικά δεδομένα παραμένουν περιορισμένα. Για να διερευνηθεί αυτό, ογδόντα τρεις συμμετέχουσες ασθενείς (μέση ηλικία 17,6 έτη) υποβλήθηκαν σε σάρωση της άνω γνάθου και σε συλλογή σιέλου. Η πολυπλοκότητα των υπερώιων πτυχών και η ασυμμετρία μεταξύ των δύο ημιμορίων της άνω γνάθου ποσοτικοποιήθηκαν με ανάλυση της μορφοκλασματικής διάστασης, με την προαναφερθείσα μέθοδο. Το γονιδιωματικό DNA που απομονώθηκε από τον σίελο υποβλήθηκε σε αλληλούχηση έξι γονιδίων: FGFR2 και FGF10, που θεωρήθηκε ότι επηρεάζουν την πολυπλοκότητα, καθώς και IRF6, WNT3A, WNT5A και WNT11, που πιθανολογήθηκε ότι επηρεάζουν την ασυμμετρία. Η ανάλυση αποκάλυψε 35 μοναδικούς πολυμορφισμούς μονών νουκλεοτιδίων (SNPs), με συνολικά 757 παραλλαγές στο δείγμα. Η μέση FD ήταν 1,479 (τυπική απόκλιση: 0,044), και η μέση ασυμμετρία μεταξύ αριστερής και δεξιάς πλευράς −0,006 (τυπική απόκλιση: 0,043). Στατιστικές δοκιμασίες, όπως οι Mann-Whitney U και Kruskal-Wallis, δεν έδειξαν σημαντικούς συσχετισμούς μεταξύ γονιδιακών παραλλαγών και είτε της πολυπλοκότητας είτε της ασυμμετρίας (p > 0,05). Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν την ανάγκη για μεγαλύτερα δείγματα συμμετεχόντων και ευρύτερες γονιδιωματικές προσεγγίσεις, όπως η αλληλούχηση εξώματος ή ολόκληρου γονιδιώματος, ώστε να διευκρινιστεί ο ρόλος των γενετικών παραλλαγών στη μορφολογία των υπερώιων πτυχών. Η τρίτη μελέτη διερεύνησε τον τρόπο με τον οποίο η ορθοδοντική θεραπεία επηρεάζει τη μορφολογία των υπερώιων πτυχών, ένα κρίσιμο ζήτημα για την αξιοπιστία της χρήσης των πτυχών στην ιατροδικαστική και για τη χρήση τους ως σημεία αναφοράς για αλληλεπίθεση. Αναλύθηκαν 61 ασθενείς με οριακή ένδειξη θεραπείας με ή χωρίς εξαγωγές, εκ των οποίων 28 υποβλήθηκαν σε εξαγωγές πρώτων προγομφίων και 33 όχι. Τα εκμαγεία της άνω γνάθου πριν και μετά τη θεραπεία σαρώθηκαν και επεξεργάστηκαν με την προαναφερθείσα μέθοδο που βασίζεται στην ανάλυση FD, με την προσθήκη του βήματος της αλληλεπίθεσης με τη μέθοδο best-fit, και υπολογισμό της επιφάνειας του κυρτού περιβλήματος (convex hull). Οι αλλαγές στο σχήμα ποσοτικοποιήθηκαν με μέτρηση της μέσης απόστασης των περιγραμμάτων των υπερώιων πτυχών μεταξύ εκμαγείων πριν και μετά τη θεραπεία. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντικές μεταβολές στο σχήμα και στις δύο ομάδες, με μεγαλύτερες μετατοπίσεις στις περιπτώσεις εξαγωγών (διάμεση τιμή 0,39 mm, IQR 0,34-0,51) σε σύγκριση με τις μη εξαγωγές (διάμεση τιμή 0,27 mm, IQR 0,22-0,34, p < 0,001). Οι τιμές FD παρέμειναν σταθερές στις δύο ομάδες, χωρίς σημαντικές διαφορές μεταξύ των μετρήσεων πριν και μετά από τη θεραπεία. Αξιοσημείωτο είναι ότι οι περιπτώσεις μη εξαγωγών παρουσίασαν σημαντική αύξηση της επιφάνειας του convex hull που καταλάμβαναν οι υπερώιες πτυχές (διάμεση αύξηση +14,7 mm², IQR 0,0-46,5 με p = 0,003), ενώ αυτές που περιελάμβαναν εξαγωγές, όχι. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι η ορθοδοντική θεραπεία μεταβάλλει τη θέση και την επιφάνεια που καταλαμβάνουν οι υπερώιες πτυχές, χωρίς όμως να τροποποιεί την εγγενή μορφολογική τους πολυπλοκότητα. Συνολικά, από τις τρεις μελέτες προκύπτουν ορισμένα συμπεράσματα. Πρώτον, η ανάλυση με βάση την κλασματική διάσταση αποδείχθηκε αξιόπιστη, επαναλήψιμη μέθοδος για την ποσοτικοποίηση της μορφολογίας των υπερώιων πτυχών. Αποτυπώνει την πολυπλοκότητα πιο ολοκληρωμένα σε σχέση με τους ποιοτικούς δείκτες και μειώνει την εξάρτηση από τον χειριστή, καθιστώντας την κατάλληλη τόσο για έρευνα όσο και για ιατροδικαστική χρήση. Δεύτερον, οι γενετικές παραλλαγές στα επιλεγμένα υποψήφια γονίδια δεν έδειξαν μετρήσιμη συσχέτιση με την πολυπλοκότητα ή την ασυμμετρία των υπερώιων πτυχών στον άνθρωπο, εύρημα που πιθανόν να αντανακλά τον περιορισμό μεγέθους του δείγματος και την προσέγγιση υποψήφιων γονιδίων. Τρίτον, η ορθοδοντική θεραπεία προκαλεί σημαντικές μεταβολές στη θέση και στην επιφάνεια που καταλαμβάνουν οι υπερώιες πτυχές, παρότι η πολυπλοκότητά τους παραμένει σταθερή. Αυτό έχει πρακτικές επιπτώσεις: οι υπερώιες πτυχές δεν μπορούν να θεωρούνται αμετάβλητα ανατομικά στοιχεία και η χρήση τους στην ιατροδικαστική ή στις αλληλεπιθέσεις πρέπει να γίνεται με ιδιαίτερη προσοχή. Τα ευρήματα προσφέρουν ευκαιρίες αλλά και επισημαίνουν προκλήσεις για τη μελλοντική έρευνα και κλινική πράξη. Από τη μία πλευρά, η ανάλυση FD παρέχει στους ερευνητές και τους κλινικούς ένα ισχυρό ποσοτικό εργαλείο για την εκτίμηση της μορφολογίας των υπερώιων πτυχών με υψηλή αξιοπιστία. Από την άλλη, η αδυναμία εύρεσης σημαντικών γενετικών συσχετισμών αναδεικνύει την ανάγκη αλλαγής της προσέγγισης με υποψήφια γονίδια με μεγαλύτερες σε δείγμα και πιο ολοκληρωμένες γονιδιωματικές μελέτες. Η αλληλούχηση εξώματος και ολόκληρου γονιδιώματος, σε συνδυασμό με μεγαλύτερα και πιο ποικίλα δείγματα φαίνεται πως είναι απαραίτητη για να αποσαφηνιστούν τα γονίδια και οι παραλλαγές τους που επηρεάζουν τη μορφολογία των υπερώιων πτυχών. Κλινικά, οι μεταβολές που προκαλούνται μετά από την ορθοδοντική θεραπεία στο σχήμα και στην επιφάνεια που καταλαμβάνουν οι υπερώιες πτυχές τονίζουν την ανάγκη προσοχής κατά τη χρήση τους σε αναλύσεις υπέρθεσης και σε ιατροδικαστικές ταυτοποιήσεις, ιδιαίτερα σε ορθοδοντικά θεραπευμένους ασθενείς.