Clinical and morphological features of pathological tooth mineralization

Full Text

Введение В медицинской практике известны несколько десятков заболеваний зубов и пародонта. Все они, как правило, характеризуются поражением тканей зуба и/или ростом патологических отложений. Одним из основных признаков протекания патологических процессов в ротовой полости служит зубной камень. Различают два вида зубных камней: наддесневой и поддесневой. Наличие наддесневого зубного камня в той или иной степени наблюдают практически у всех людей в зависимости от возраста, пола, места проживания, образа жизни, питания, индивидуальных особенностей организма и других факторов [1-4]. Удаление такого зубного камня сегодня чаще всего производят с помощью ультразвуковых методов, скалыванием или другим механическим способом [3]. Поддесневые зубные камни располагаются в паро- донтальных карманах на поверхности корня и прише- ечной области зуба. Их наблюдают несколько реже, чем наддесневые, однако у людей в пожилом возрасте эти камни встречаются практически всегда. Удаление поддесневого зубного камня, как правило, осуществляется пародонтологом при стоматологической операции или полном удалении пораженного зуба. Впрочем, удаление зубного камня не приводит к полному выздоровлению, а всего лишь временно препятствует развитию патологических процессов. С течением времени дентальные отложения, как правило, начинают формироваться вновь. Зубной камень неблагоприятно влияет на окружающие ткани как десны, так и самого зуба. Его наличие сопровождается неприятным запахом изо рта, кровоточивостью десен и развитием заболеваний пародонта. На сегодняшний день принято считать, что формирование зубного камня происходит при минерализации мягкого зубного налета. Вместо термина «мягкий зубной налет» часто также используют термин dental plaque (зубная бляшка). Образование зубной бляшки в первую очередь связывают с чрезмерным употреблением углеводов, неудовлетворительной гигиеной полости рта и индивидуальными особенностями организма. Зубная бляшка состоит из колонии бактерий и продуктов их жизнедеятельности. Удаляют ее с помощью стандартных средств индивидуальной гигиены полости рта (зубная щетка, нить, паста, ополаскиватели и др.). Однако считают, что в зависимости от окружающей физико-химической обстановки может происходить ее минерализация, в результате чего и формируется зубной камень. На эту физико-химическую обстановку влияет множество факторов. В первую очередь это уровень pH, количество и вязкость слюны. Воспаление пародонта и околопародонтальных тканей также может сопровождаться формированием патологических минеральных отложений [1]. Неудовлетворительное состояние пищеварительной системы и организма в целом, курение, радиация, иммунные и другие факторы - все это может влиять на процесс формирования зубного камня. Существует мнение, что зубные камни образуются в процессе жизнедеятельности так называемых нанобактерий [5]. Некоторые исследователи считают, что образование зубного камня происходит путем осаждения веществ из ротовой жидкости [6]. Другие убеждены, что ключевым звеном при формировании зубного камня становится участие протеогли- канов (сложных белков) как вещества, связывающего минеральные компоненты слюны, в результате чего образуются патологические отложения. Как правило, все эти гипотезы ограничены описанием влияния некоторых промоторных факторов на образование и рост патологических отложений [1-15], в то время как механизм возникновения зубного камня, охватывающий все этапы и стадии формирования, до настоящего момента полностью не отслежен. Для выявления особенностей формирования зубного камня необходимо изучение состава и морфологических особенностей дентальных отложений на разных стадиях его образования. Цель работы - изучение морфологии, состава и локализации минеральных компонентов зубных камней различного типа и стадий роста для выявления особенностей их формирования на различных стадиях образования. Предлагаем использовать методы электронной микроскопии и рентгеновского микроанализа. Материал и методы При профессиональной механической чистке зубов двух человек был получен образец № 1 (дентальные от- Оригинальная статья ложения ранней стадии), представляющий собой чешуйки бурого цвета с поперечным размером около нескольких миллиметров, толщиной в несколько микрометров, и образец № 2 (дентальные отложения поздней стадии), представляющий собой желтовато-белые округлые частицы размером от 0,5 до 3 мм. Образцы № 3-6 получены от четырех людей путем удаления зубов, глубоко пораженных патологическими отложениями, и представляли собой массивные камни темно-коричневого цвета, покрывающие более 30% поверхности коронки и корня в целом. Рис. 2. СЭМ микрофотографии поддесневых камней, полученные на Quanta 3D 200i (Ув. 7500). а-б - типичная морфологическая картина агломерации минеральных частиц; в-г - морфологическая картина промежуточных этапов минерализации; а, в - LFD; б, г - BSED. Образцы № 1-2 исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) S^ra 40, образцы № 3-6 - с помощью сканирующего электронного микроскопа Quanta 3D 200i. Образцы № 1-2 фиксировали на никелевый столик для электронного микроскопа с помощью углеродного скотча и напыляли слой никеля толщиной около 2 нм для оттенения рельефа и защиты образца от разрушения электронным пучком. Никель был выбран в качестве основного элемента для напыления, т. к. его спектральные линии при рентгеновском микроанализе не пересекаются со спектральными линиями элементов, предположительно входящих в состав образца (фосфор, кальций). Образцы № 3-6 отмывали в хлороформе (CHCl3) в течение 15 мин, далее в 95% растворе этилового спирта (C2H5OH) в течение 15 мин, затем 5 раз отмывали в дистиллированной воде, фиксировали на алюминиевый столик с помощью углеродного скотча без дополнительного напыления. Изображения были получены с помощью детекторов вторичных электронов (LFD - live fiber detector) и обратно рассеянных электронов (BSED - back-scattered electrons detector и AsB - angular selective back-scatter detector). С помощью детектора вторичных электронов хорошо заметна морфология, а с помощью обратно рассеянных - контраст по атомному номеру. При этом светлые области на изображении имеют в составе более тяжелые элементы, чем темные области. Для изучения особенностей локализации минеральных компонентов в образце, а также их состава использовали метод рентгеновского микроанализа с режимом поэлементного картирования. Погрешность определения интегральной интенсивности для основных элементов на рентгеновских спектрах не превышает 5%. Результаты Во всех образцах поддесневых отложений присутствует органический налет с мелкими минеральными округлыми частицами. Размер частиц, находящихся в органическом субстрате, от 100 нм до 1 мкм (рис. 1, б на вклейке). По мере уменьшения органического субстрата минеральные частицы увеличиваются в размерах и располагаются более компактно (рис. 1, а на вклейке, 2 а-б). В некоторых участках образцов наблюдают скопления нанометровых минеральных частиц около микронных частиц (см. рис. 1, б на вклейке). Также обнаружены частицы размером около 5 мкм, которые состоят из минеральных частиц с заметной кристаллографической огранкой (рис. 2, в, г). По всей видимости, нанометровые частицы сливаются в микронные частицы. Мелкие частицы в субстрате (рис. 3, а) имеют округлую форму, иногда они выстроены в нити (см. рис. 3) и сгустки (см. рис. 2). В составе локальных агломераций сферических частиц, включенных в органический матрикс, присутствуют углерод, кислород, азот, фосфор, кальций, сера, магний и натрий (см. рис. 2, в). Рис. 3. СЭМ микрофотографии начальных этапов формирования поддесневых камней (а-б), полученные на Quanta 3D 200i. a - LFD; б - BSED; Ув. 6000; в - рентгеновский спектр, полученный от участка образца, представленного на (а-б). Области обширной минерализации наблюдают на поверхности налета (рис. 4, а на вклейке). Размер частиц и их скоплений в данном случае максимальный Original article (частицы от 1 мкм, скопления до нескольких сотен микрометров). По мере удаления минеральных частиц от минерального агломерата уменьшается как размер самих частиц, так и их скоплений (рис. 4, б). В составе области обширной минерализации идентифицируются фосфор, кальций, кислород, магний, натрий и углерод (рис. 5), в то время как в области отдельных минеральных частиц в органическом субстрате идентифицируется еще и сера (см. рис. 5, 3, в). Азот присутствует в образце и в той, и другой областях и распределен достаточно равномерно, отдельных центров его локализации не выявлено (см. рис. 5). Наддесневая минерализация чаще характеризуется заметной кристаллографической огранкой частиц и агломератов. Иногда минеральные отложения наблюдают в виде пластинок (рис. 6 на вклейке). Рис. 5. СЭМ микрофотография и карты элементов поддесневых камней, полученные на Quanta 3D 200i (размеры кадров 100 х 125 мкм). Рентгеновский спектр от участка образца, выделенного прямоугольником на СЭМ-изображении. Оригинальная статья Округлые минеральные частицы размером от 100 нм встречаются в наддесневых камнях в органическом субстрате, но намного реже, чем в поддесневых (рис. 7 на вклейке). Области обширной наддесневой минерализации наблюдают на поверхности налета, однако не зафиксирована тенденция к выстраиванию минеральных наночастиц в нити в отличие от поддесневой минерализации. Магний идентифицируется в следовом количестве и не повторяет локализацию фосфора и кальция в отличие от поддесневых (рис. 8). В наддесневых отложениях он коррелирует с калием, азотом, натрием, серой и хлором (рис. 9). Сера идентифицируется там, где много мелких, отдельно включенных в органический налет частиц. В области крупных минеральных агломератов (там, где количество органического налета значительно меньше) серы значительно меньше (рис. 10). Бактерии и их скопления наблюдают как на корне. так и на коронке зуба. Скопления бактерий покрывают более 50% всей пораженной области и наблюдаются в местах локализации органического налета (рис. 11). Обсуждение Начальные этапы патологической дентальной под- десневой минерализации характеризуются формированием одиночных минеральных сферических частиц Russian journal of dentistry. 2016; 20(6) DOI 10.18821/1728-2802 2016; 20(6): 292-300 Original article Рис. 8. СЭМ-микрофотография и карты элементов наддесневых камней, полученные на Supra 40 (размеры кадров 20 х 28 мкм). Рис. 9. СЭМ-микрофотография и карты элементов наддесневых камней, полученные на Supra 40 (размеры кадров 310 х 420 мкм). Оригинальная статья Рис. 10. СЭМ-микрофотографии различных этапов наддесневой минерализации и их рентгеновские спектры, полученные на Quanta 3D 200i. a - органический налет со скоплениями бактерий и отдельно включенными минеральными частицами - начальные этапы минерализации (Ув. 1750, BSED; г - рентгеновский спектр от участка образца представленного на (а); б - типичная морфологическая картина промежуточных этапов минерализации (Ув. 8000, BSED; д - рентгеновский спектр от участка образца, представленного на (б); в - типичная морфологическая картина заключительных этапов минерализации (Ув. 500, BSED; е - рентгеновский спектр от участка образца, представленного на (в). в органическом налете. Размеры минеральных частиц на этом этапе от 100 нм до 1 мкм. Признаки этого этапа патологической минерализации обнаруживают только с помощью методов электронной микроскопии. Более поздние стадии патологической поддесне- вой минерализации на прикорневой части зубов характеризуются выстраиванием сферических минеральных частиц в нити, слипанием их в сгустки, все так же в органическом налете. Размер самих частиц на этом этапе чуть больше, чем на начальных этапах, от 400 нм до 2 мкм. Original article . mag в det tilt WD HV HFW pressure ' 752 x LFD-0° 16.3 mm 20.00 kV 198 urn 70 Pa mag в det tilt WD HV HFW pressure - 2 502 x BSED 0° 15.9 mm 25.00 kV 59.6 pm 70 Pa Рис. 11. СЭМ-микрофотографии скоплений бактерий на пораженной патологической минерализацией области, полученные на Quanta 3D 200i. a-б - скопления бактерий на корне (a - Ув. 175, LFD; б - Ув. 750, LFD); в-г - скопления бактерий на коронке (в - Ув. 400, BSED; г - Ув. 2500, BSED). Стадии развитых дентальных отложений на корневой части зуба характеризуются массивными минеральными агломератами размером до нескольких сотен микрометров. Эти агломераты находятся на поверхности органического налета и состоят из минеральных частиц размером от 1 мкм, форма разнообразная - сферическая, эллипсоидальная, иногда с заметной кристаллографической огранкой. Некоторые участки массивных агломератов наблюдаются как промежуточная стадия формирования массивных отложений из мелких частиц. Что касается наддесневой минерализации, ее начальные этапы схожи с поддесневой минерализацией. Однако не зафиксирована тенденция к выстраиванию минеральных частиц в нити. Наддесневая минерализация чаще характеризуется более заметной кристаллографической огранкой частиц и их агломератов. Как на корне, так и на коронке зубов в органическом налете обнаружены скопления бактерий. Области скоплений бактерий занимают более 50% всей пораженной минеральными соединениями поверхности зуба. В составе области обширной поддесневой минерализации идентифицируют кальций, фосфор, углерод, кислород и магний. В то время как в области отдельных минеральных частиц в органическом субстрате идентифицируют еще и серу. Азот присутствует в образце и той, и другой областей, распределен равномерно, отдельных центров локализации не выявлено. В наддесневых отложениях локализованы кальций, фосфор углерод и кислород. Магний идентифицируется в следовом количестве и не повторяет локализацию фосфора и кальция в отличие от поддесневых. Однако он хорошо коррелирует с калием, азотом, натрием, серой и хлором. Сера идентифицируется там, где много мелких отдельных, включенных в органический налет минеральных частиц. В области крупных наддес- невых агломератов серы значительно меньше. Кальцийсодержащие наночастицы схожей морфологии и особенностями локализации в органическом матриксе, которые еще недавно некоторые исследователи рассматривали в качестве так называемых нанобактерий [13], наблюдают и в почечных конкрементах [14-15], и в образцах патологических отложений сердечно-сосудистой системы (рис. 12 на вклейке) [16-17]. Однако механизм образования такого рода объектов в живом организме до сих пор не определен, что доказывает перспективность исследований в этой области. Заключение При исследовании зубных камней различного типа и стадий роста выявлены основные различия на- Оригинальная статья чальных, промежуточных и заключительных этапов патологической дентальной минерализации. Также выявлены основные морфологические различия над- десневой и поддесневой минерализации, их элементного состава. Процесс патологической дентальной минерализации инициируется в органическом налете как корня, так и коронки зуба. При этом в налете образуются округлые минеральные частицы размером от 100 нм. Важным результатом наших исследований [14-17] стало обнаружение наличия минеральных наночастиц схожей морфологии в органическом субстрате на начальных этапах образования почечных конкрементов и ранних стадиях патологической сосудистой минерализации. Полученные данные могут быть полезны при описании механизма формирования биоминеральных отложений в организме человека. БЛАГОДАРНОСТИ Авторы выражают благодарность Пухову Д.Э. за ценные советы и замечания. Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика микро- и наноструктур». Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

About the authors

Ol’ga Yur’evna Zlatoustova

Physics and Technology Institute RAS; P.G. Demidov Yaroslavl State University, Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Email: ginger89@yandex.ru
junior researcher of the laboratory "Diagnostics of Micro- and Nanostructures" Yaroslavl, 150007, Russia

S. V Vasilev

Physics and Technology Institute RAS; P.G. Demidov Yaroslavl State University, Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Yaroslavl Branch of the Physics and Technology Institute RAS Yaroslavl, 150007, Russia

A. S Rudyy

Physics and Technology Institute RAS; P.G. Demidov Yaroslavl State University, Ministry of Education and Science of the Russian Federation

Yaroslavl Branch of the Physics and Technology Institute RAS Yaroslavl, 150007, Russia

References

Supplementary files