Диагностика и лечение очагов деминерализации эмали

Динамика деминерализации-реминерализации в зубах и кости

Биоминерализация представляет собой динамичный, сложный, продолжающийся всю жизнь процесс, с помощью которого живые организмы контролируют осаждение неорганических нанокристаллов в органическом матриксе с образованием уникальных гибридных биологических тканей, например, эмали, дентина, цемента и кости. Понимание процесса отложения минералов важно для разработки методов лечения заболеваний, связанных с минерализацией, а также для инноваций и разработки каркасов. В этом обзоре представлен подробный обзор современной информации о теориях, описывающих возможные механизмы и факторы, выступающие в роли агонистов и антагонистов минерализации. Затем описывается роль ионов кальция и фосфата в поддержании здоровья зубов и костей. 

На протяжении всей жизни зубы и кости подвержены риску деминерализации, особенно зубы, из-за их анатомического расположения и расположения. Зубы подвергаются воздействию пищи, напитков и микробиоты полости рта; поэтому они развили высокую устойчивость к локальной деминерализации, не имеющую себе равных в костях. Также подробно обсуждаются механизмы, посредством которых процесс деминерализации-реминерализации происходит как в зубах, так и в костях, а также новые методы лечения/технологии, которые обращают деминерализацию вспять или усиливают реминерализацию. 

Обсуждаемые технологии включают композиты с неорганическими минералами нано- и микронного размера, которые могут имитировать механические свойства зуба и кости в дополнение к более естественному восстановлению окружающих тканей. Превращение этих новых технологий в продукты и практики улучшит здравоохранение во всем мире. поэтому они развили высокую устойчивость к локальной деминерализации, не имеющую себе равных в костях. 

Эмаль, дентин, цемент и кость представляют собой природные композиты как органических, так и неорганических компонентов. Кость, цемент и дентин являются специализированными соединительными тканями, а эмаль имеет эктодермальное происхождение. Для специализированных соединительных тканей (кости, цемента и дентина) коллаген типа I составляет ~ 90% их органического компонента; неколлагеновые белки образуют остальные. С другой стороны, в эмали почти нет коллагена, а ее органическая матрица состоит из неколлагенового белка, который на 90% состоит из амелогенина. Неорганический компонент этих твердых тканей состоит из биологического апатита Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂. 

Эмаль содержит больше неорганических веществ (~90% призматических кристаллов), чем дентин и кость (~70%) и цемент (45%). Элементарная ячейка биологического апатита имеет форму шестиугольника; повторение элементарных ячеек дает кристаллы различных размеров. В дентине кристаллы имеют пластинчатую форму длиной 50 нм, шириной 20 нм и толщиной 2–5 нм. Известно, что в кости кристаллы имеют толщину ~2–6 нм, ширину 30–50 нм и длину 60–100 нм. Однако они крупнее и лучше ориентированы в эмали, чем в кости и дентине, что делает ее самой твердой тканью в организме. Из-за наличия различных замещений и вакансий в биологическом апатите соотношение кальция и фосфата в нем отличается от стехиометрического гидроксиапатита (HA, 1,67). Апатит эмали, напоминающий стехиометрический ГК, имеет меньше замещений, чем минерал кости и дентина. 

Примеры ионного замещения, которое может происходить в биологическом апатите, включают замещение ионов кальция магнием и натрием, замещение гидроксильных участков фторидом и хлоридом и замещение как фосфатных, так и гидроксильных участков карбонатом. При замещении ионами может произойти значительное изменение свойств апатита, например, замещение магнием подавляет рост кристаллов, замещение карбонатом увеличивает растворимость, а замещение фторидом снижает растворимость. Карбонатность ГК костей и зубов 4–8%; с возрастом содержание карбонатов увеличивается, а гидрофосфатов уменьшается. Соотношение неорганического и органического содержимого варьируется в зависимости от ткани; такая вариация отражает свойства каждой ткани. Например, с высоким содержанием неорганических веществ эмаль более прочная и более устойчива к силе, чем любые другие твердые ткани в организме. Однако при высоком содержании органических веществ дентин более эластичен, чем эмаль, и поэтому образует эластичный слой под эмалью и цементом.

Кроме того, эти твердые ткани обладают разной регенеративной способностью. В отличие от амелобластов и одонтобластов, которые не оставляют клеточных тел в своих секретируемых продуктах на более поздней стадии аппозиции, многие цементобласты и остеобласты захватываются образовавшимся цементом и костью, которые они продуцируют, становясь цементоцитами и остеоцитами соответственно. Хотя кость является высокоадаптивной тканью (т. е. постоянно претерпевающей ремоделирование), цемент обладает очень медленной регенеративной способностью ⁷и не резорбируется в нормальных условиях. Дентин и эмаль формируют свою окончательную структуру во время одонтогенеза. Дентин обладает способностью к регенерации путем образования вторичного и третичного дентина, но эмаль не обладает регенеративной способностью. В отличие от костей скелета, лицевые кости происходят как из нервного гребня, так и из параксиальной мезодермы, и они по-разному реагируют на факторы роста и механические раздражители. 

Минерализация зубов и костей

Минерализация — это пожизненный процесс, при котором неорганическое вещество осаждается на органическую матрицу. Нормальные биологические процессы включают образование твердых соединительных тканей, таких как кость, дентин и цемент, в которых коллагеновые фибриллы образуют каркас для высокоорганизованного расположения одноосно организованных кристаллов фосфата кальция. Патологические процессы минерализации приводят к кальцификации в кровеносных сосудах или, например, в почках, или образованию камней в желчном пузыре. Понимание процесса отложения минералов важно для разработки методов лечения заболеваний, связанных с минерализацией, а также для инноваций и разработки каркасов. Однако в понимании этого процесса все еще существуют серьезные пробелы. В то время как структура минерализованного коллагена в настоящее время хорошо изучена, до сих пор в значительной степени неизвестно, как минералы осаждаются в соответствии с пространственным и иерархическим порядком, обнаруженным в тканях. Клетки контролируют процесс минерализации кристаллической морфологии, роста, состава и местоположения. Однако молекулы внеклеточного матрикса (ECM) и ряд ферментов направляют поступление и фиксацию минеральных солей (ионов кальция и фосфата) в костях, дентине и эмали.

Зубы

Зубы состоят из эмали, пульпо-дентинного комплекса и цемента. Дентин составляет самую большую часть зуба. Он минерализован на 70% по весу, при этом органическое содержание составляет 20% матрицы, а остальные 10% составляют вода. Коллаген типа I является основным компонентом органической части дентина, на его долю приходится > 85%, а остальные количества составляют коллагены типов III и V. Неколлагеновая часть органического матрикса состоит в основном из фосфопротеина дентина, на долю которого приходится ~ 50%. неколлагеновой части. Оставшаяся неорганическая матрица состоит в основном из ГК. Несколько исследований показали, что коллаген в матриксе эмали полностью удаляется со всеми другими органическими компонентами в процессе его минерализации и созревания. Эти исследования опровергли более ранние теории, предполагавшие, что небольшой процент коллагена сохраняется после созревания эмали. Более поздние исследования пришли к выводу, что в минерализованной и зрелой эмали содержится минимальное количество коллагена, в основном типов I и V, по сравнению с дентином.  Принято считать, что ГК обычно заключены внутри и покрыты органическим материалом, присутствующим в структуре зуба. Хотя физические свойства зубов в значительной степени связаны с наличием эмали, также предполагается, что коллаген действует как активная защитная белковая оболочка нижележащей кристаллитной решетки ГК.

Коллаген типа I, гетеротример из двух цепей α1(I) и одной цепи α2(I), свернутых в структуру тройной спирали, имеет стержнеобразную структуру диаметром 1,5 нм и длиной >300 нм. Домен тройной спирали окружен неспиральными N- и C-пропептидами. Эта форма коллагена, известная как проколлаген, секретируется из клеток, например, фибробластов, одонтобластов и остеобластов, во внеклеточное пространство, где превращается в тропоколлаген путем удаления N- и С-пропептидов. Затем тропоколлаген может спонтанно самособираться в фибриллы (т.е. фибрилла построена из ступенчатой ​​упаковки отдельных молекул коллагена, так что вдоль поверхности фибриллы и каналов, проходящих через фибриллу , имеются периодические промежутки ). 

Каждая единица коллагена имеет длину ~ 300 нм и перекрывает соседние единицы примерно на 67 нм.Фибриллы содержат зазоры в 40 нм между непрерывными единицами коллагена. Упаковка коллагена стабилизируется слабыми дисперсионными и водородными взаимодействиями, а также сильными межмолекулярными поперечными связями. Эта стабилизация необходима для структурной стабильности и нерастворимости коллагена в воде. Сквозное удлинение и латеральная агрегация коллагеновых фибрилл ответственны за увеличение их диаметра и миграцию  к месту, где они подвергаются минерализации, например, движение коллагеновых фибрилл от проксимального к дистальному предентину, где происходит минерализация. В дентине коллаген типа I вмещает около 56% минерала в своих отверстиях и порах фибрилл.

 Неколлагеновые белки действуют как ингибиторы, стимуляторы и/или стабилизаторы отложения минералов. Например, гликопротеины предотвращают преждевременную минерализацию до тех пор, пока фибриллы коллагена не созреют и не приобретут свои правильные размеры. Белок-1 матрикса дентина, кислый фосфопротеин, играет важную роль в инициации нуклеации и модуляции морфологии минеральной фазы. Во время дентиногенеза обычно происходят три типа минерализации; они включают минерализацию матриксных пузырьков (в мантийном дентине), минерализацию молекул ECM (в большинстве дентинов) и минерализацию, происходящую из сыворотки крови (в перитубулярном дентине). Одонтобласты выделяют кислый мукополисахарид, например, хондроитинсульфат, что является необходимым условием для начала минерализации. Этот мукополисахарид транспортируется к месту минерализации в дентинной матрице; он притягивает кальций и служит для транспортировки минералов из клеток в внеклеточный матрикс.

В эмали сразу после начальной минерализации дентина в дентино-эмалевом соединении клетки амелобласта секретируют белки эмалевого матрикса (например, амелогенин, амелобластин и эмальин) и протеиназы (матриксную металлопротеиназу-20 и калликреин-родственную пептидазу-4) на поверхности дентина. Эти белки и протеиназы ответственны за немедленную минерализацию примерно 30% эмали. Первые образовавшиеся кристаллы эмали (ленты) прорастают между существующими кристаллами дентина за счет минерализации вокруг белков дентина. Эти кристаллические ленты затем удлиняются на фронте минерализации, где секретируются белки эмали.

По мере удаления от поверхности дентина амелобласты начинают секретировать большое количество белков эмалевого матрикса. Когда вся толща эмали сформирована, амелобласты становятся белково-резорбирующими клетками (т. удаляют белки матрикса эмали); и, следовательно, требуется дополнительный минерал, чтобы совпасть с основным удалением белков эмали и воды для получения эмали с содержанием минералов> 95%. Образовавшиеся кристаллы представляют собой длинные, тонкие и параллельные ленты размером 26×368 нм. ; ~10 000–40 000 лент при плотности упаковки 550 кристаллитов/мкм образуют стержень (призму) диаметром ~5 мкм. Каждый амелобласт производит одну палочку; все стержни организованы в трехмерную структуру. 

Минеральные кристаллы, образующиеся внутри стержней эмали, растут в-длины осей параллельны друг другу на всем протяжении от дентиноэмалевого соединения до поверхности зуба, в то время как развитые между стержнями (т.е. интерреды) имеют ограниченную длину и всегда упорядочены под углами по отношению к кристаллам стержня. Поскольку этот процесс формирования и созревания эмали является клеточно-опосредованным процессом, завершение минерализации связано с несколькими морфологическими изменениями в амелобластах; следовательно, удаление матрицы и рост кристаллов происходят эффективно. При кальцификации приток кальция из крови в матрикс эмали осуществляется межклеточным и трансцеллюлярным путями. В отличие от минерализованных тканей на основе коллагена, везикулы матрикса не связаны с минерализацией эмали. Содержание минералов снижается от поверхности эмали к дентиноэмалевому соединению. Таким образом, амелобласты ответственны не только за секрецию белков эмалевого матрикса и протеиназ, но также индуцируют образование минералов и, наконец, организуют эти минералы в стержневые и интерредные паттерны.

Кость

Во время формирования минерализованного костного матрикса остеобласты сначала откладывают неминерализованный остеоид и высвобождают белки, образующие ядра минералов, которые катализируют процесс, при котором остеоид начинает кальцифицироваться. Минерализация происходит примерно через 15 дней. Первичная фаза минерализации до ~70% от полной минерализации представляет собой быстрый процесс, тогда как вторичная фаза до полной минерализации протекает медленнее и может длиться от нескольких месяцев до нескольких лет. Этот процесс накопления минералов в каждом участке новообразованной кости вместе с частотой активации участков ремоделирования вызывает специфический характер минерализации в костном материале. Как упоминалось выше, известно, что коллаген типа I является преобладающим компонентом внеклеточного матрикса кости, кальцинирующих сухожилий, дентина и цемента. Кристаллы могут образовываться внутри отдельных фибрилл коллагена I типа.

В 1952 г. Robinson и Watson  показали, что кристаллы карбонизированной ГК существуют внутри коллагена (внутрифибриллярное отложение) с их с -осью, почти параллельной длинной оси коллагеновой фибриллы. Известно, что кристаллы имеют толщину ~2–6 нм, ширину 30–50 нм и длину 60–100 нм. Несколько исследований показали, что зародыши матрикса предпочтительно формируются в областях зазоров коллагеновых фибрилл, где большинство кристаллов хорошо организованы в параллельные ряды, почти непрерывные темные полосы. В то время как минерал преимущественно осаждается в промежутках между коллагеновыми фибриллами, было показано, что кристаллы растут и в конечном итоге превышают размер промежутка. Кроме того, минерал существует как внутри, так и снаружи коллагеновых фибрилл (межфибриллярное отложение); однако общепризнано, что большая часть минерала находится внутри фибрилл. 

Межфибриллярная минерализация коллагена направляется коллагеновым матриксом, что приводит к наноструктурной архитектуре, состоящей из одноосно ориентированных нанокристаллов ГК, встроенных внутрь и примерно выровненных параллельно длинной оси коллагеновых фибрилл. Предыдущие исследования показали, что стереохимия полипептида коллагена I типа и другие факторы являются фундаментальными в начальных событиях отложения минералов во внутрифибриллярных пространствах молекулы. Считается, что боковые цепи заряженных полипептидом аминокислот вносят свой вклад в сайты связывания ионов кальция и фосфата, обнаруженных в циркулирующей перенасыщенной жидкости тканей. Конфигурации концептуально приведут эти ионы в тесную связь и приведут к их зародышеобразованию. Рост и развитие апатита будут следовать за начальными событиями зародышеобразования, что приведет к кристаллам в форме пластинок, растущих преимущественно вдоль коллагеновых сборок. Ясно, что не все коллагеновые ткани минерализуются, и исследование этого процесса in vivo затруднительно. Поэтому во многих исследованиях, изучавших возможные физико-химические механизмы минерализации, использовались модели in vitro.

Контроль биоминерализации костей динамичен и сложен, существует множество теорий, описывающих ответственные механизмы, и многие факторы рассматриваются как агонисты и антагонисты минерализации; нарушение регуляции которого может привести к патологической внескелетной минерализации. Процесс кристаллизации можно рассматривать с нескольких точек зрения: 1) развитие кристалличности в минеральной фазе, образовавшейся непосредственно из пересыщенного раствора минеральных ионов, 2) наличие полимерных (белковых) полиионов в минерализующей системе и то, как они могут взаимодействуют in vitro со свободными ионами или с нанокластерами Ca и PO ₄ионы для модуляции процесса минерализации, 3) малый интегрин-связывающий лиганд, N-связанные гликопротеины (SIBLING) и способы их доставки in vivo для регуляции минерализации в определенных местах, включая процессы зародышеобразования, роста кристаллов, морфологии кристаллов и регуляция размера и 4) доставка секвестрированных везикулярных нанокластеров Ca и P непосредственно из клетки или митохондрий к фронту минерализации. Veis и Dorvee предположили, что некоторые общие механизмы могут быть применимы во всех случаях.

Оруденение первоначально рассматривалось как классическое осаждение и рост кристаллов апатита непосредственно из порового флюида, пересыщенного кальциевой и фосфатной фазами. Исследования показали, что сыворотка представляет собой метастабильный раствор, из которого фосфат кальция осаждается в присутствии кальцифицируемых матриц, таких как коллаген, эластин и клеточный дебрис. Недавно было продемонстрировано, что образование апатита в костях и зубах не происходит непосредственно за счет ассоциации ионов из раствора, а предшествует фаза предшественника аморфного фосфата кальция (ACP), которая может позже трансформироваться в октакальцийфосфат, прежде чем стать HA. , хотя механизм этого пути обсуждается. 

Было высказано предположение, что осаждение фосфата кальция in vitro обусловлено кинетическими причинами, а это означает, что минерал не кристаллизуется непосредственно в наиболее термодинамически стабильный продукт, а вместо этого сначала осаждается в кинетически наиболее доступную форму, АСР, которая впоследствии превращается в наиболее термодинамически стабильную форму. фаза. Считается, что образование ACP происходит через пренуклеационные кластеры субнанометрового размера с химическим составом Ca ₉ (PO ₄ ) ₆ , которые представляют собой стабильные кластеры, присутствующие в растворе до зародышеобразования, как это было недавно продемонстрировано для CaCO ₃ . Однако роль этих кластеров нанометрового размера в качестве строительных блоков для формирования ACP обсуждается уже много лет. Происхождение минерала и то, как он проникает в коллагеновые фибриллы, до сих пор неизвестны.

Считается, что неколлагеновые белки внеклеточного матрикса (NCP, теперь известные как SIBLING) контролируют несколько аспектов процесса минерализации, в частности, посредством механизмов ингибирования и стимулирования фосфопротеинами, гликопротеинами, Gla-содержащими белками и протеогликанами. Было показано, что концентрация белка и то, является ли белок свободным или иммобилизованным, могут сильно влиять на функцию в моделях преципитации. В настоящее время нет четкой роли этих SIBLINGs, хотя было высказано предположение, что SIBLINGs регулируют рост кристаллов в растворе посредством эпитаксиальной взаимосвязи между конкретными кристаллографическими гранями и специфическими белковыми конформерами. Остеокальцин и остеопонтин являются двумя наиболее распространенными неколлагеновыми белками, и было показано, что оба они влияют на отложение минералов в костном ВКМ, богатом коллагеновыми фибриллами. Исследования in vitro показали, что остеокальцин и остеопонтин контролируют зародышеобразование, размер, форму и ориентацию ГК.

Также известно, что регулирование процесса минерализации в значительной степени зависит от неорганического пирофосфата (PPi), мощного ингибитора минерализации. Везикулы матрикса, происходящие из остеобластов и остеоцитов, контролируют внеклеточные уровни PPi с помощью множества факторов, по крайней мере, трех других молекул: нуклеотидной пирофосфатазы фосфодиэстеразы 1, белка анкилоза (ANK) и тканенеспецифической щелочной фосфатазы (TNAP). TNAP представляет собой фермент, который гидролизует и инактивирует PPi и обычно экспрессируется в местах минерализации во время развития.

Потеря функции TNAP приводит к гипоминерализации кости. Наоборот, ANK экспрессируется в неминерализующих тканях, где он транспортирует PPi во внеклеточное пространство, чтобы противодействовать минерализации. Потеря функциональных мутаций в ANK вызывает гиперминерализацию и образование костных шпор или костеподобное уплотнение сухожилий и связок позвоночника. Большая часть данных in vivo относительно роли специфических белков получена из исследований их распределения и генетического нокаута. Однако белки, такие как остеопонтин, играют несколько ролей, что усложняет интерпретацию. Локализация ткани может дать представление о роли, но не дает никакой функциональной информации.

Вопрос о том, как ионы Ca и PO ₄ доставляются к фронту минерализации, до сих пор остается предметом дискуссий. Первые исследования показали роль митохондрий в поглощении больших количеств ионов Ca и PO ₄ , их накоплении и доставке фосфата кальция в мембраносвязанных везикулах во внеклеточное пространство минерализующихся хрящей и костей. Матриксные везикулы представляют собой внеклеточные, покрытые мембраной везикулы диаметром 50-200 нм и образуются путем поляризованного отпочкования от поверхностной мембраны хондроцитов, остеобластов и одонтобластов. 

Сигналы, которые высвобождают везикулы матрикса, изучены недостаточно, хотя могут быть важны концентрации внутриклеточного кальция и внеклеточного фосфата. Минерализация начинается с образования кристаллов ГК внутри пузырьков матрикса, после чего ГК проникает через мембрану в ВКМ. Происхождение кальция и фосфата в везикулах не выяснено. Когда накопление кальция и фосфата превышает точку растворимости фосфата кальция, внутри пузырьков матрикса происходит отложение ГК. 

На втором этапе кристаллы HA проникают через мембрану матриксных везикул и вытягиваются во внеклеточное пространство. Отношение ионов фосфата к PPi имеет решающее значение на втором этапе минерализации. PPi, который ингибирует образование HA, образуется нуклеотидпирофосфатазой фосфодиэстеразой 1. Щелочная фосфатаза гидролизует PPi с образованием ионов фосфата. Механизмы, с помощью которых везикулы могут вскрываться, а их минеральное содержимое перемещаться и локализоваться в коллагене, до сих пор являются предметом текущих исследований и дискуссий. 

Имеются многочисленные доказательства того, что минералосодержащие внутриклеточные везикулы существуют, а их содержимое в различных ситуациях содержит АКП или игольчатые кристаллы апатита. Махамид и др. показали, что минерал высвобождается в виде глобул (предположительно АСР) из клеток в зоне роста. Другие вопросы, которые остаются нерешенными, связаны с механизмами, с помощью которых минерал трансформируется из митохондрий в минерализующий матрикс, затем переупорядочивается, по существу растворяется и перекристаллизуется на матриксе коллагеновых фибрилл на поверхности фибрилл или внутри самих фибрилл.