Морфоструктура, микрорельеф, качественный и количественный состав поверхности зубов при ранней стадии повышенной стираемости Текст научной статьи по специальности «Клиническая медицина»

Проблемы стоматологии Терапевтическая стоматология The actual problems in dentistry

2016, Т. 12 № 2, стр. 30-35 Therapeutic dentistry 2016. Vol. 12 № 2 pp. 30-35

© 2016, Екатеринбург, УГМУ Оригинальные исследования / Original studies © 2016, Yekaterinburg, UGMU

УДК 616-079.6

Морфоструктура, микрорельеф, качественный и количественный состав поверхности зубов при ранней стадии повышенной стираемости

Мандра Ю. В.1, Легких А. В.1, Киселева Д. В.2

1 ГБОУ ВПО «Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Екатеринбург, Россия

2 Институт геологии и геохимии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия

Резюме

Проведена рамановская спектрометрия 30 образцов зубов с исследуемыми патологическими процессами: интактная эмаль (контроль), повышенная стираемость в пределах эмали, кариес в пределах эмали. Выявлено, что для кариозных тканей среднее соотношение минерал/органическая матрица составляет 0.31, а для тканей с повышенной стираемостью - 0.64. При развитии кариеса уменьшается содержание минеральной компоненты (уменьшается линия фосфата) и появляются широкие линии органических составляющих, а также увеличивается люминесцентный фон. Все исследованные образцы состоят преимущественно из карбонат-апатита, замещенного по В-типу, максимальное количество которого характерно для интактной эмали, минимальное - для кариозной ткани; промежуточное положение занимают ткани с повышенной стираемостью. Кариозные ткани характеризуются наибольшим содержанием разупорядоченного фосфата - замещения А-типа (карбонат-ионы замещают гидроксил-ионы) или присутствие аморфного фосфата кальция. Таким образом, сопоставление качественной и количественной оценки состава минеральной составляющей патологии твердых тканей зубов определяет персонифицированный подход к лечению и профилактике прогрессирования раннего кариеса и повышенной стираемости зубов.

Ключевые слова: рамановская спектроскопия, повышенная стираемость зубов, оценка минерализации твердых тканей зубов, лечение, профилактика.

Адрес для переписки:

Мандра Юлия Владимировна

ГБОУ ВПО «Уральский государственный медицинский

университет» Минздрава России

620026, г. Екатеринбург, ул. Репина, д. 3

Тел.: +7 (343) 2148679

E-mail: [email protected]

Образец цитирования:

Мандра Ю. В., Легких А. В., Киселева Д. В.

«Морфоструктура, микрорельеф, качественный

и количественный состав поверхности зубов при ранней

стадии повышенной стираемости».

Проблемы стоматологии, 2016, Т. 12, № 2. C. 30-35.

doi: 10.18481/2077-7566-2016-12-2-30-35

© Мандра Ю. В. и соавт., 2016

Correspondence address:

Mandra Julia Vladimirovna

Ural State Medical University of the Ministry of Health of Russia

620026, Yekaterinburg, Repin Str., 3 Phone: 7 (343) 2148679 E-mail: [email protected] For citation:

Mandra J. V., Legkih A. V., Kiseleva D. V. «Morfology, microstructure, microrelief, qualitative and quantitative composition of the teeth surface with early attrition».

The actual problems in dentistry,

2016. Vol. 12, № 2, pp. 30-35.

DOI: 10.18481/2077-7566-2016-12-2-30-35

Morfology, microstructure, microrelief, qualitative and quantitative composition of the teeth surface with early attrition

Mandra Y. V.1, Legkih A. V.1, Kiseleva D. V.2

1 Ural State Medical University, Yekaterinburg, Russian Federation

2 Institute of Geology and Geochemistry of the Ural Branch of Russian Academy of Science, Yekaterinburg,

Russian Federation

The summary

Research by means of Raman spectrometry 30 teeth samples with pathological elements: early teeth attrition within the enamel, caries within the enamel, the intact enamel (control) was made. For caries average ratio of mineral/organic matrix is 0.31, and for fabrics with high abrasion - 0.64. With the development of caries decreased mineral content of the components (reduced phosphate line) and there are broad line of organic compounds, as well as increased fluorescent background. All the investigated samples consist mainly of carbonate-apatite substituted by B-type, the maximum amount of which is characteristic of the intact enamel, minimum - for carious tissue; intermediate position occupied by the fabric with high abrasion. Carious tissue characterized highest content disordered phosphate - A-type substitution (carbonate ions replace hydroxyl ions) or presence of amorphous calcium phosphate. Comparison of qualitative and quantitative assessment of the composition of the mineral component of the pathology of hard tissues of teeth defines a personalized approach to treatment and prevention of the progression of diseases of hard tissues of the teeth.

Key words: raman spectroscopy, tooth attrition, mineralization degree assessment, treatment, prevention.

Введение новых высокочувствительных физико-химиче-

ских методов исследования [3].

На сегодняшний день повышенная стирае- В этом аспекте нам представляется акту-мость зубов (ПСЗ) становится одним из самых альной интегральная оценка морфологических распространенных стоматологических забо- особенностей строения и микроэлементного леваний [1]. Наиболее частыми причинами состава твердых тканей зубов при ПСЗ с при-развития ПСЗ являются механическая пере- менением современных экспериментальных грузка зубов, функциональная недостаточность физико-химических методов исследования твердых тканей эмали и дентина, морфологи- с целью разработки новых методов диагно-ческая их неполноценность, химическое воз- стики и лечения заболевания, обоснования действие, профессиональные вредности [2]. выбора пломбировочных материалов. Эпидемиологические обследования различных Одним из перспективных методов физико-авторов показывают значительную распростра- химического исследования твердых тканей зубов ненность повышенной стираемости зубов [3], является рамановская спектроскопия. В биологи-отмечая увеличение распространенности ческих тканях рамановская спектроскопия фик-заболевания в развитых странах более 30% сирует молекулярные и ионные колебания мине-[Bartlett D., 2007, Salas M. M., 2015]. ральных соединений, определяющих химический

Клиническая картина развившихся стадий ПСЗ состав твердых тканей зубов, таких как фосфат, подробно освещена в современной литературе, карбонат и гидрофосфат-ионы, а также много-в то время как проявления и морфоструктурные численные колебания от органического ком-изменения твердых тканей зубов на начальных понента - белковых включений. На спектрах стадиях патологического процесса остаются пока симметричные колебания молекул или ионов недостаточно изученными, несмотря на обилие являются самыми интенсивными, в том числе

2016, Т. 12 № 2, стр. 30-35 2016. Vol. 12 № 2 pp. 30-35 © 2016, Екатеринбург, УГМУ

Терапевтическая стоматология / Therapeutic dentistry Оригинальные исследования / Original studies

линия симметричного валентного колебания РО43- (VI) в спектре минерализованной ткани. Ее особенностью является высокая чувствительность к минеральному окружению: частота и форма этой линии зависят от локального окружения и изменяются вследствие ионных замещений и изменения степени кристалличности.

Интерпретация спектров минерализованной ткани проводится с различных позиций. Во многих ранее проведенных методом раманов-ской спектроскопии исследованиях апатитовых тканей и синтетических апатитов частота линии РО43- (VI) связывалась с составом окружающего минерала [5]. Известны работы с использованием рамановского спектрометра по картированию молекулярных группировок минеральной и органической компоненты зуба человека: распределение органических веществ оценивалось по валентному колебанию связи С-Н в области 2880-2700 см-1, фосфат- и карбонат-ионов -по симметричным валентным колебаниям vs (РО) при 961 см-1 и vs (СО) при 1070 см-1 [4].

Цель работы - определение морфологии и микрорельефа твердых тканей зубов человека, качественная оценка изменения минерального состава зубов при ранней стадии кариозного поражения и повышенной стираемости зубов.

Материалы и методы

Объект исследования - 30 зубов (рис. 1), удаленных по медицинским показаниям. В области режущего края зубов определяются фасетки стираемости в пределах эмали, на контактной поверхности отмечается наличие полости в пределах эмали. Поверхность зубов была очищена с использованием циркулярной щетки и пасты Detartrine (Septodont). С использованием прямого наконечника и алмазного диска с водяным охлаждением из каждого зуба было изготовлено по три образца размером 2x1x1 см с сохранением исследуемых

Рис. 1.

Экспериментальный образец - зуб 2.1

патологических элементов: интактная эмаль (контроль), патологическая стираемость в пределах эмали, кариес в пределах эмали.

Измерения проведены на рамановском спектрометре LabRam HR Evolution (ИГГ УрО РАН) с основными характеристиками: спектральный диапазон 200-2000 см-1; лазер возбуждения 632 нм; используемые объективы 50х и 100х.

Оцифрованные спектры обработаны в программе PeakFit V. 4.11, произведена коррекция базовой линии, сглаживание спектров, разложение суммарных пиков на элементарные составляющие.

Произведено разложение суммарного пика РО43- в области 940-975 см-1 на три элементарные составляющие (950, 960 и 967 см-1), описываемые произведением элементарных функций Лоренца и Гаусса были приписаны разупорядоченному фосфату, фосфату В-типа и кристаллическому незамещенному апатиту [4].

Результаты и обсуждение

Линия симметричного валентного колебания РО43- (v1) является самой интенсивной в спектре минерализованной ткани. Ее особенностью является высокая чувствительность к минеральному окружению: частота и форма этой линии зависят от локального окружения и изменяются вследствие ионных замещений и изменения степени кристалличности. Частота линии РО43- (v1) связывалась с составом окружающего минерала. В общем случае, в костной и зубной ткани полоса фосфата v1 является суперпозицией всех трех составляющих; обычно она имеет несимметричную форму из-за вклада колебаний разупорядоченного фосфата и незамещенного гидроксиапатита. Принято классифицировать апатитовое окружение с использованием трех широких категорий с различными частотами соответствующих линий. В замещенном карбонат-апатите В-типа (карбонат-ионы замещают фосфат-ионы в решетке апатита) фосфатная линия v1 проявляется в диапазоне 955-959 см-1. В кристаллическом незамещенном гидроксиапа-тите линия v1 сдвигается в область 962-964 см-1. И, наконец, линия с частотой 945-950 см-1 свидетельствует о наличии разупорядоченной фосфатной решетки апатита [5].

Область 1065-1070 см-1 соответствует колебаниям карбонат-иона В-типа. Для оценки

отношения фосфат/карбонат принято использовать отношения интенсивностей соответствующих пиков рамановского спектра: 959 см-1 для РО43- и 1070 см-1 для СО32-, причем можно использовать как отношение амплитуд пиков, так и их площадей.

Область 1400-1800 см-1. Колебания органической матрицы в данной области обусловлены в основном двумя разновидностями связей: колебания связей -СО-МН-, формирующих белковую основу, и колебания, связанные с боковыми цепочками аминокислот. На рама-новских спектрах наиболее ярко проявляются пики белковых связей амидной группировки -СОМН2, имеющей 9 колебательных мод: амид

1 (1655-1675 см-1), который представляет собой главным образом валентное колебание С=О; амид II (1560 см-1, деформационное колебание МН, валентное С-Я); амид III (1240-1260 см-1, валентное С-М деформационное Я-Н).

Как видно из визуального сопоставления спектров, интактная эмаль характеризуется низким фоном, явно выраженными линиями неорганической составляющей (фосфат, карбонат-ионов). На спектрах кариозной зубной ткани и ткани с повышенной стираемостью зафиксирован высокий фон от люминесценции деминерализованных участков, появляются широкие линии от органической составляющей, причем для повышенной стираемости наблюдается низкоинтенсивный пик РО43-.

Можно проследить изменение рамановских спектров при развитии кариеса: на рисунке

2 видно, что при приближении к кариозной полости уменьшается линия фосфата (минеральной компоненты) и появляются широкие линии органических составляющих, а также увеличивается люминесцентный фон.

Числовые показатели разложенного суммарного пика РО43- приведены в таблице 1.

Исходя из данных таблицы, вможно сделать вывод, что во всех исследованных образцах преобладает апатит, в решетке которого карбонат-ионы замещают фосфат-ионы (В-тип). Содержание апатита В-типа уменьшается в ряду повышенная стираемость - кариес до 55,6% и 50,2% соответственно. Для кариеса характерно наибольшее содержание разупоря-доченного фосфата, для тканей с повышенной стираемостью - наименьшее.

Для образцов с проявлениями кариеса и повышенной стираемости было рассчитано

9000

О -

200 400 600 800 1000 1200 144» 1600 1600 2000 рамановский сдвиг, см-1

Рис. 2. Изменения на рамановских спектрах, фиксирующиеся при приближении к кариозной полости

Таблица 1 Числовые показатели разложенного суммарного пика Р043 -

Доля разупо-рядоченного фосфата, % Доля фосфата В-типа, % Доля кристаллического незамещенного апатита, %

13,6 73,3 13,0

8,5 75,2 16,3

Интактная 18,3 72,0 9,7

эмаль 8,3 80,8 10,9

8,5 82,7 8,8

18,4 76,1 5,6

8,0 79,2 12,7

14,7 75,3 10,0

21,5 64,3 14,2

среднее 13,3 75,4 11,2

29,1 59,3 11,7

57,8 33,4 8,8

Кариес эмали 13,6 57,0 29,4

7,7 44,6 47,8

8,0 56,6 35,5

среднее 23,2 50,2 26,6

Повышенная 11,3 85,9 2,8

стираемость в пределах эмали 5,9 25,4 68,7

среднее 8,6 55,6 35,7

2016, Т. 12 № 2, стр. 30-35 2016. Vol. 12 № 2 pp. 30-35 © 2016, Екатеринбург, УГМУ

Терапевтическая стоматология / Therapeutic dentistry Оригинальные исследования / Original studies

Рис. 3. Фотография экспериментального образца под увеличением

х50. Дефект твердых тканей в пределах эмали размером 90x90 рт

Рис. 4. Дефект твердых тканей зуба при повышенной стираемости «Эмалевый кратер» - 100x90 рт. Увеличение х50

Рис. 5. Поверхность интактной эмали под увеличением х100

Рис. 6. Кариозная полость в пределах эмали. Увеличение х50

отношение минерал/органическая матрица; на спектрах интактной эмали пиков от органической составляющей не зафиксировано. Для кариозных тканей среднее соотношение минерал/органическая матрица составило 0.31, а для повышенной стираемости - 0.64.

На рисунках 3, 4 можно увидеть поверхность эмали в области фасеток стирания экспериментального образца под увеличением х50. Определяются дефекты округлой формы в пределах эмали, морфологически сходные с формой воронки. Размер дефекта -90 х 90цт. Эмалевый гребень на протяжении всего периметра воронки сохранен. Уровень минерализации тканей в области гребня эмали и дна «воронки» значительно отличается.

При увеличении х100 возможна более детальная визуализация микрорельефа поверхности. Интактная эмаль (рис. 5) выглядит как поверхность однородная, гомогенная, без нарушения целостности структуры с четким рисунком поверхности эмалевых призм. При начальном кариозном процессе (рис. 6) поверхность эмали неоднородная, структура эмали нарушена. В центре фотографии определяется участок повышенной

минерализации - часть сохраненной эмали, по периферии участки затемнения - зоны деминерализации эмали.

Детальное описание морфологии микрорельефа поверхности твердых тканей зубов при патологической стираемости и кариозном процессе параллельно с оценкой уровня минерализации каждой исследуемой точки проведено при увеличении х50 (табл. 1). Оценивая уровень изменения минерализации твердых тканей зуба при кариесе, можно говорить о явлении деминерализации: высокая доля разупорядоченного фосфата, резкое уменьшение фосфата В-типа и соотношения минерал/органической матрицы.

При оценке изменения уровня минерализации твердых тканей зуба при начальной стадии патологической стираемости отмечена дисминерали-зация: повышение доли кристаллически-замещен-ного апатита, незначительное снижение фосфата В-типа и уменьшение концентрации фторида более чем на 50%. Ранние проявления повышенной стираемости зубов, описанные в настоящем исследовании, коррелируют с химико-механической теорией механизма возникновения заболевания и ранее установленными признаками: увеличением адсорбционной воды эмали в 2,5 раза, уменьшением органической составляющей дентина на 15,8%, снижением фторидов (на 52,9%), искажением симметрии тетраэдра РО43-, изменением кристалличности структуры с изоморфными и изоионными замещениями решетки гидроксиапатитов [3].

Заключение

Таким образом, все исследованные образцы зубов состоят преимущественно из карбонат-апатита, замещенного по В-типу, максимальное количество которого характерно для интактной эмали, минимальное - для кариозной ткани; промежуточное положение занимают ткани с повышенной стираемостью. Кариозные ткани характеризуются наибольшим содержанием раз-упорядоченного фосфата - замещения А-типа (карбонат-ионы замещают гидроксил-ионы) или присутствие аморфного фосфата кальция. Для кариозных тканей среднее соотношение минерал/органическая матрица составляет 0.31, а для тканей с повышенной стираемостью -0.64. При развитии кариеса уменьшается содержание минеральной компоненты (уменьшается линия фосфата) и появляются широкие линии

органических составляющих, а также увеличивается люминесцентный фон.

Процесс необратимого изменения твердых тканей зубов, их «деградации» при повышенной стираемости зубов развивается в организме пациента достаточно индивидуально и зависит от возраста, экологических и профессиональных факторов, сопутствующих соматических заболеваний и др., что подтверждается данными рамановской спектрометрии и микропримесного анализа. Интегральная

оценка морфологических особенностей строения и микроэлементного состава твердых тканей зубов с применением современных экспериментальных физико-химических методов исследования дает возможности разработки новых методов диагностики и лечения, обоснования выбора пломбировочных материалов, прогнозирования развития и персонифицированного подхода к профилактике и лечению ранних стадий заболеваний твердых тканей зубов человека.

Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-9723.2016.5.

Литература

1. Власова М. И., Мандра Ю. В., Зайцев Д. В., Панфилов П. Е. Изучение влияния озона на формирование гибридной зоны в кариозных полостях пришеечной локализации//Проблемы стоматологии.- 2012.- № 2.- С. 4-7.

2. Ивашов А. С., Мандра Ю. В., Зайцев Д. В., Панфилов П. Е. Прочностные особенности адгезивного соединения при одноосном сжатии//Проблемы стоматологии.- 2013.- № 2.- С. 30-33.

3. Мандра Ю. В., Вотяков С. Л., Ронь Г. И. Киселева Д. В. Современные представления о механизме развития ранней стадии повышенной стираемости зубов//Проблемы стоматологии.- 2011.- № 2.- С. 11-15.

4. Ager J. W., Nalla R. K., Balooch G., Kim G., Pugach M., Habelitz S., Marshall G. W., Kinney J. H., ORitchie R. On the Increasing Fragility of Human Teeth With Age: A Deep-UV Resonance Raman Study // Journal of Bone and Mineral Research.- 2006.- V 21.- № 12.- P. 1879-1887.

5. Tarnowski C. P., Ignelzi M. A., Morris M. D. Mineralization of Developing Mouse Calvaria as Revealed by Raman Mi-crospectroscopy//Journal of Bone and Mineral Research.- 2002.- V. 17.- № 6.- P. 1118-1126.

References

1. Vlasova M. I., Mandra J. V., Zaytsev D., Panfilov P. Research of influence of ozone on hybrid zone formation in cervical carious cavities//The actual problems in dentistry.- 2012.- № 2.- Р. 4-7.

2. Ivashov A. S., Mandra J. V., Zaytsev D., Panfilov P. Strength features of adhesive connection at monoaxial compression // The actual problems in dentistry.- 2013.- № 2.- Р. 30-33.

3. Mandra J. V., Votyakov S. L., Ron G. I., Kiseleva D. V. Modern view on development of early stages of teeth attrition// The actual problems in dentistry.- 2011.- № 2.- Р. 11-15.

4. Ager J. W., Nalla R. K., Balooch G., Kim G., Pugach M., Habelitz S., Marshall G. W., Kinney J. H., ORitchie R. On the Increasing Fragility of Human Teeth With Age: A Deep-UV Resonance Raman Study // Journal of Bone and Mineral Research.-2006.- V. 21.- № 12.- P. 1879-1887.

5. Tarnowski C. P., Ignelzi M. A., Morris M. D. Mineralization of Developing Mouse Calvaria as Revealed by Raman Mi-crospectroscopy//Journal of Bone and Mineral Research.- 2002.- V. 17.- № 6.- P. 1118-1126.

Авторы:

Мандра Ю. В., д. м. н., профессор, проректор по научной работе и инновациям, заведующая кафедрой пропедевтики и физиотерапии стоматологических заболеваний ГБОУ ВПО «Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России (г. Екатеринбург)

Легких А. В., аспирант кафедры пропедевтики и физиотерапии стоматологических заболеваний ГБОУ ВПО «Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России (г. Екатеринбург) Киселева Д.В., к. г.-м. н., с. н. с. лаборатории физико-химических методов исследования Института геологии и геохимии УрО РАН (г. Екатеринбург) Поступила 16.06.16 Принята к печати 23.06.16

Authors:

Mandra J. V., PhD, DMS, Professor, Vice-rector of Science and Innovations, Head of the Preclinical dentistry and Physiotherapeutic Department of the Ural State Medical University of the Ministry of Health of Russia (Yekaterinburg)

Legkih A. V., graduate student of the Preclinical dentistry and Physiotherapeutic Department of the Ural State Medical University of the Ministry of Health of Russia (Yekaterinburg)

Kiseleva D. V., PhD, senior researcher of the physic-chemical research laboratory of the Institute of Geology and Geomineralogy of the Ural Branch of Russian Academy of Science (Yekaterinburg) Received 16.06.16 Accepted 23.06.16