Оценка влияния ионизирующего излучения in vivo и in vitro на растворимость эмали зуба в различных средах

Ионизирующее излучение, применяемое при лечении злокачественных опухолей челюстно-лицевой области, является пусковым фактором развивающихся в последующем лучевых реакций и повреждений органов полости рта [5]. Лучевой кариес относят к лучевым повреждениям по шкале международной классификации RTOG/EORTC [6]. Основные клинические признаки лучевого кариеса, обширность и тяжесть поражения зубов, нетипичная локализация кариеса, быстрое и безболезненное течение, системность поражения определяют высокую потребность данной группы пациентов в стоматологическом лечении и совершенствовании методов профилактики кариеса [7].

Вопрос о первопричинности возникновения радиоиндуцированного кариеса, несмотря на большое количество исследований по его этиологии, остается открытым. Выделяют следующие факторы: прямое воздействие радиации и длительное опосредованное воздействие неблагоприятных факторов, возникающих в полости рта после облучения, таких как ксеростомия, радиомукозит, нарушение микрофлоры полости рта и др., а также снижение общего иммунитета организма [5-7].

Нарушение минерального обмена является одним из значительных патогенетических факторов развития постлучевых реакций твердых тканей зуба. В дентине из-за поражения органической матрицы уменьшается ее способность удерживать минеральные вещества [5]. В минеральной составляющей дентина увеличивается количество легкорастворимых форм фосфата кальция, что выражается в активном деструктивном процессе в твердых тканях зуба [6, 7].

В настоящее время при прогнозировании интенсивности кариеса применяются методики оценки проницаемости эмали, которые косвенно свидетельствуют о ее растворимости [2]. В основе минерализующей функции слюны лежат механизмы, препятствующие выходу из эмали составляющих ее компонентов и способствующие поступлению таких компонентов из ротовой жидкости в эмаль. Устойчивость системы обеспечивает равновесие процессов растворения кристаллов гидроксиапатита эмали и их образования [1, 3]. Изучение процессов растворения эмали зубов в модельных экспериментах позволит определить влияние ионизирующего излучения на устойчивость гидроксиапатита эмали в различных условиях, что может быть использовано для оптимизации методов профилактики кариеса для данной группы пациентов.

Цель исследования - оценить растворимость эмали зубов в различных средах после воздействия ионизирующего излучения in vivo и in vitro.

Исследование выполнено на базе кафедры общей химии Уральской государственной медицинской академии (УГМА) совместно с терапевтическим отделением №1 МСП УГМА, радиологическими отделениями №1, 3, 4 ГБУЗ СООД (Свердловский областной онкологический диспансер). Материалом исследования служили две группы свежеудаленных человеческих зубов с хорошо сохранившимися коронками и корнями. 1-я группа зубов облучалась in vitro, 2-я группа - in vivo. Для облучения зубов in vitro (пробы 4-6) изготовлен тканеэквивалентный гетерогенный антропоморфный фантом полости рта человека с ячейками для размещения удаленных зубов человека. Проведены компьютерно-томографическое сканирование фантома и дозиметрический расчет. Облучение зубов в фантоме и в полости рта пациентов (in vivo) проводилось в дозе 70 Гр на аппарате для дистанционной гамма-терапии АГАТ-Р-1 с расстоянием 75 см до источника питания. Зубы, облученные in vivo в дозе 70 Гр (пробы 1-3), удалялись у пациентов в ходе проведения резекции челюстей по поводу злокачественных новообразований челюстно-лицевой области, выполненной строго по показаниям.

Тщательно очищенные и дезинфицированные зубы взвешивали с точностью до 0,0001 г на аналитических весах и помещали в следующие растворы (объем раствора 30 мл): с кислой средой (рН 2,3), щелочной средой (рН 11,8), с дистиллированной водой (рН 5,0). Эксперимент проводили при 20°С в течение 3, 10 и 20 дней. После этого образцы извлекали из растворов, высушивали и взвешивали на аналитических весах. Изменение состава и свойств водных растворов определяли по следующим показателям: рН, электропроводность, растворенный кальций, оптическая плотность. Измерение электропроводности водных растворов выполняли с использованием кондуктометра Анион 7020. Измерение оптической плотности растворов проводили на спектрофотометре Lеki, в кюветах с длиной оптического пути 50 мм при длине волны 220 нм.

Отбор проб для определения концентрации кальция и фосфора в биоптатах эмали осуществляли по методу В.К. Леонтьева [3]. Содержание ионов кальция (ммоль/л) в биоптатах эмали определяли потенциометрическим методом (пробы предварительно концентрировали в 10 раз), с использованием ионселективного электрода (рабочий диапазон электрода 10-5-10-1 моль/л) [1].

Основной состав зубной эмали условно выражается формулой гидроксиапатита Са10(РО4)5(ОН)2, в которой отношение кальция к фосфору составляет 2,58. Гидроксиапатит является труднорастворимым соединением, но при взаимодействии с дистиллированной водой ионы, входящие в состав соединения, переходят в раствор до его насыщения. Иными словами, имеет место следующий процесс:

Са10 (РО4)5(ОН)2к ↔ 10Са²⁺+5(РО4)^3- +2ОН^- . (1)

Поскольку содержание кальция в растворе составляет 2·10^-5 г/л и находится в пределах точности потенциометрического метода, растворимость гидроксиапатита предложено определять по суммарному показателю - электропроводимости водного раствора. Причем в дистиллированной воде измеренное значение электропроводимости совпадает с расчетным значением и составляет 30-32 мкСм/см [3, 4].

Результаты исследования растворимости образцов зубов в различных средах представлены в табл. 1-3.

При сравнении данных о электропроводимости растворов в течение месяца для проб 1, 4 (образцы проб в дистиллированной воде) выявлена динамика увеличения показателя, причем отмечается более выраженная растворимость образца, облученного in vivo. Электропроводимость растворов с кислой и щелочной реакцией снижается, поэтому можно сделать вывод, что растворимость зубной эмали снижается в обоих растворах. Действительно, снижение электропроводимости в кислой среде можно предвидеть за счет образования более слабых электролитов в результате следующих реакций:

Н⁺ + ОН– = Н2О, (2)

Н+⁺ (РО4)^3- = (НРО4)^2-. (3)

Образования коллоидно-дисперсной фазы или наличие процессов (2) и (3), бесспорно, снижает электропроводимость в водных средах. Снижение электропроводимости в щелочном растворе можно объяснить только образованием коллоидно-дисперсной фазы. Таким образом, очевидно, что для оценки растворимости образцов в разных средах необходимо использовать дополнительный критерий.

Традиционным критерием, оценивающим наличие коллоидно-дисперсной фазы, является величина оптической плотности. Из табл. 1-3 видно, что оптическая плотность, измеренная при длине волны 220 нм, возрастает с увеличением времени эксперимента во всех исследованных растворах. Безусловно, увеличение оптической плотности, снижение электропроводимости и величины рН свидетельствуют об образовании коллоидно-дисперсной фазы, состав которой, например, в щелочной среде можно выразить в виде мицеллы:

{[m Са10 (РО4)5(ОН)2]nCa²⁺2(n-x)OH-}^2х+ 2·OH- yH2O.

Данные спектрофотометрии также подтверждают тот факт, что растворимость в различных средах неодинакова. По мере растворения твердых тканей зуба оптическая плотность растворов возрастает. Изменение оптической плотности растворов более выражено в кислой среде, а также в любой из трех сред выше для проб 1-3.

При сравнении массы образцов зубов было установлено, что масса исходных образцов в среднем уменьшилась на 0,12-0,13 г. Незначительное изменение показателей свидетельствует о низкой растворимости твердых тканей зуба, что согласуется с данными литературы [2].

Этот факт подтверждает, что одной из основных причин развития системного кариеса у данной группы пациентов является нарушение динамического равновесия между процессами деминерализации и реминерализации в эмали зубов на фоне уменьшения количества и снижения кислотно-щелочного показателя слюны [5].

В табл. 4

Из полученных данных следует, что увеличение количества коллоидно-дисперсной фазы в дистиллированной воде в 7 раз приводит к повышению оптической плотности в 2 раза. Для кислой и щелочной среды нет однозначных зависимостей. Это может быть обусловлено различной устойчивостью образующихся дисперсных систем и необходимостью исследования динамики процесса через меньшие промежутки времени.

Важно подчеркнуть, что наличие процесса в кислой среде, выраженного уравнением (3), увеличивает перевод фосфатов в раствор. Это подтверждается результатами анализа биоптатов эмали: снижается содержание фосфора в эмали, а отношение Ca/P увеличивается.

1. Кислая среда раствора оказывает максимальное растворяющее действие на структуру твердых тканей зуба, приводя к сдвигу процессов реминерализации и деминерализации в сторону последнего.

2. Агрессивное влияние ионизирующего излучения in vivo подтверждается преобладанием показателей растворимости для проб 1-3.

3. При оценке растворимости необходимо учитывать динамику образования коллоидно-дисперсной фазы и ее состав.

4. Предложенный подход к оценке растворимости эмали зубов может быть использован для модельных экспериментов в различных водных системах с целью разработки и обоснования профилактических мер для стабилизации процессов деминерализации твердых тканей зубов.