Здоровье зубов определяет, в том числе, разнообразие состава эмали

Разрушение зубов вынуждает бОльшую часть населения посещать неприятные стоматологические визиты. По статистике более 90% взрослых имеют хотя бы один кариес. Кроме того, увеличению числа случаев способствуют увеличение продолжительности жизни и существенные различия в состоянии зубов.

Тем не менее, несмотря на работу биологов, материаловедов, химиков, инженеров и клиницистов, мало что известно о том, как и почему некоторые люди чаще других страдают от кариеса зубной эмали.

Теперь междисциплинарная группа исследователей из Северо-Западного университета (пригород Чикаго, г.Эванстон, штат Иллинойс, США) (Northwestern University) изучила ионный состав человеческих зубов и обнаружила значительные структурные различия между образцами, которые могут улучшить понимание жизненного цикла эмали и ее влияние на здоровье человека.

В новой статье под названием «Мезомасштабные структурные градиенты в зубной эмали человека», опубликованной 19 декабря в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрируются новые подходы к изучению различий в составе зубов, а именно их эмали.

Зубная эмаль может быть одним из самых сложных материалов, производимых позвоночными, что является серьезным препятствием для более полного понимания роли зубов в контексте формирования общего состояния здоровья.

«Эта работа имеет более широкую цель – понять структуру этого важного биологического материала и его роль в здоровье человека, особенно в свете развития кариеса», — сказал первый автор статьи Роберт Фри, исследователь в области материаловедения и инженерии в Инженерной школе Маккормика Северо-Западного университета.

Используя технологию дифракции рентгеновских лучей, команда смогла наблюдать крошечные различия – порядка пикометров, доли размера одного атома – в кристаллографических параметрах кристаллитов эмали, которые они связали с присутствием ионов, таких как магний, натрий или карбонат.

«Существует очень мало методов, которые позволяют точно измерить эти конкретные ионы в кристаллитах эмали», — сказал другой автор статьи Дерк Джостер из Северо-Западного университета. «У них низкие атомные номера и концентрации, поэтому в конечном итоге мы предсказываем различия в составе, которые составляют порядка доли процента размеров атома. Это требует чрезвычайной точности и возможно только с помощью рентгеновских лучей».

В ходе исследования исследователи изучили три здоровых зуба взрослых людей. Технологии, включающие синхротронную рентгеновскую дифракцию и неконтролируемое машинное обучение, выявили структуры в мезомасштабных деталях, в частности, отдельные эмалевые стержни и окружающую эмаль между стержнями.

Стержни представляют собой пучки из примерно 10 000 кристаллитов – очень тонких длинных кристаллов, – которые упорядоченно сложены вместе, как горсть сухих спагетти. Ранее, работая с атомно-зондовой томографией и сканирующей электронной микроскопией, исследователи могли рассматривать только небольшую область внутри стержня, не имея возможности изучить различия между параметрами кристаллической решетки в эмали стержня и межстержневой эмали.

Команда обнаружила различия в ориентации и структуре решетки между образцами эмали на мезомасштабном уровне. Мезомасштаб представляет собой промежуточный масштаб, лежащий между атомным масштабом и масштабом, наблюдаемым человеческим глазом. При том что другие масштабы хорошо изучены, мезомасштаб не может быть измерен без более передовых технологий. Давнее партнерство с Advanced Photon Source (APS), пользовательским центром Управления науки Министерства энергетики в Аргоннской национальной лаборатории, позволило команде Северо-Западного университета исследовать структуры на мезоуровне, где можно улавливать стержни.

«APS – это важнейщий ресурс для Северо-Запада», – сказал Стюарт Сток, профессор-исследователь клеточной биологии и биологии развития в Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета и один из авторов статьи. «В Аргонне есть все эти сложные приборы, которые дают нашим студентам возможность на постоянной основе использовать передовые инструменты без необходимости каждый раз садиться в самолет».

Сток описал размер выборки исследования как «популяцию Златовласки», потому что она продемонстрировала новые результаты, научила команду готовить заведомо сложные образцы эмали и показала им, что эта шкала может рассказать о таких вещах, как формирование зубов и общее состояние здоровья.

«Наблюдение неорганических отпечатков кристаллов эмали дает нам представление о том, как формировалась эмаль», — сказала Виктория Кули, доктор философии, изучающая модели зубов животных на факультете материаловедения Северо-Западного университета. «Глядя на различные ионы и наблюдая, где они локализованы в эмали, мы можем понять, как ведут себя клетки во время формирования и какой вклад они вносят».

Ионы магния и карбоната, например, контролируют растворимость эмали, поэтому их состав в зубной эмали может иметь решающее значение для понимания того, как и когда зубы могут ломаться. С выводами о том, что существуют различия в структуре эмали, связанные с изменениями параметров решетки, команда считает, что состав зубов также различается, что делает нас на шаг ближе к всестороннему пониманию кариеса.

Источник: MedicalXPress