Изучение характера созревания эмалевых призм человека в различные периоды постнатального онтогенеза методом атомно-силовой микроскопии

Важными составляющими неорганического компонента эмали зубов человека являются эмалевые призмы, которые в течение длительного развития и созревания видоизменяются, что зависит от развития, созревания органической матрицы, наличия наследственных заболеваний [1—4].

Традиционная парадигма роста эмалевых призм в последнее время поставлена под сомнение [1—3, 5, 6]. Некоторые аспекты наблюдений in vivo приводятся как несовместимые с классической теорией роста эмалевых призм. Известно, что призмы растут по ширине и толщине в течение секреторной фазы, когда большая часть экстрацеллюлярного матрикса эмали остается на месте; даже при дефиците протеиназы, т.е. когда может произойти мутация различного уровня на этапе антенатального или постнатального периода онтогенеза, призмы растут по длине, ширине и толщине [4, 7, 8].

Эмалевые призмы в процессе созревания вытягиваются и принимают пирамидальную форму [1—3, 9, 10]. Основа пирамиды располагается в эмалево-дентинной границе, а вершина — в клеточной мембране энамелобласта. Соотношение ширины и толщины самых ранних эмалевых призм составляет приблизительно 10, в прорезавшемся зубе это соотношение снижается до 2,6. Большинство эмалевых призм растут в ширину рано. Когда ширина достигает 60 нм, призма начинает утолщаться, пока не достигнет прилежащих эмалевых призм [4, 11, 12].

Часто эмалевые призмы изменяют вид и конфигурацию в результате появления вдоль оси формирования элементов звездчатой или паукообразной формы, которые образуют своеобразные «уродства». Возможно, такие образования связаны с незавершенным процессом минерализации или с изменением пространственной конфигурации самих призм относительно органического матрикса [4, 8, 13].

В литературе имеются единичные публикации о характере роста эмалевых призм в различные периоды постнатального онтогенеза в норме и при наследственных заболеваниях, способные изменить пространственную конфигурацию и скорость роста эмалевых призм в трехмерном изображении [1, 2, 10]. Следовательно, наше исследование необходимо считать актуальным для фундаментальной и прикладной стоматологии.

Цель исследования — изучить размеры эмалевых призм человека в различные периоды постнатального онтогенеза методом атомно-силовой микроскопии.

В исследовании приняли участие 94 человека мужского пола, которые были разделены по возрастным группам: 15—20, 21—30, 31—40, 41—50, 51—60 лет. У каждого обследованного по медицинским показаниям (из линии перелома в области угла нижней челюсти, по ортодонтическим показаниям) удаляли по одному зубу 38 или 48, не имеющему контакта с ротовой жидкостью, для возможного исключения ее влияния на изменчивость формы и структуры минерального компонента исследуемых зубов. Осуществляли поэтапное и последовательное шлифование и полирование на станке «Нейрис» кругами зернистостью различного количества микрон, под контролем глубины сошлифованных тканей эмали зубов с помощью глубиномера стоматологического [14—16]. После окончательной щадящей механической обработки шлифов исследуемых зубов препарат охлаждали дистиллированной водой, высушивали с использованием горелки пропановой при температуре 36 °C, протравливали исследуемую поверхность 37% ортофосфорной кислотой (H₃PO₄) и окончательно промывали под струей дистиллированной воды [14, 15]. Таким способом удалось максимально сохранить грани эмалевых призм в пределах поверхностного слоя эмали зубов человека. Полученные шлифы помещали в поле зрения сканирующего зондового микроскопа Solver Pro (NT-MPT, Россия), полученные АСМ-изображения подвергали компьютерной обработке в программе Image Analysis NT-VDT. Анализировали форму, шероховатость, длину, ширину эмалевых призм.

Статистическую обработку полученных данных проводили методами вариационной статистики с использованием стандартных пакетов Microsoft Excel 2008, Statistica 12,0.

Структура эмалевых призм во всех возрастах имеет правильную, упорядоченную форму с преобладанием 6- и 7-гранных фигур. Наиболее постоянная структура эмалевых призм встречается в 41—50, 51—60 лет, когда доминируют 7-гранные фигуры. В 15—20, 21—30, 31—40 лет эмалевые призмы представлены 6- и 7-гранными фигурами, 5-граные эмалевые призмы в 41—50, 51—60 лет не визуализируются (табл. 1). Во всех возрастных группах пространства между эмалевыми призмами имеют размер от 1 до 3 мкм.

Таблица 1. Структура эмалевых призм человека в различные периоды постнатального онтогенеза

Наблюдается изменение размеров эмалевых призм с возрастом, однако их структура сохраняет свое постоянство в виде аркообразной формы (рис. 1).

Рис. 1. Типичное строение эмали зубов человека (атомно-силовая микроскопия).

а — в 15—20 лет; б — в 21—30 лет; в — в 41—50 лет; г — в 51—60 лет.

Минеральный компонент эмали характеризуется наличием неровностей, выступов на поверхности эмалевых призм, которые доминируют в 15—20, 21—30 лет (рис. 2, а, б), в 31—40, 41—50, 51—60 лет наличие шероховатостей и неровностей на эмалевых призмах не наблюдалось (рис. 2, в, г). В 31—40, 41—50 лет эмалевые призмы отличаются меньшей рельефностью (см. рис. 2, в), в 51—60 лет рельефность эмалевых призм полностью отсутствует (см. рис. 2, г). Во всех сравниваемых возрастах мы не обнаружили разветвлений на множественные призмы и их слияние.

Рис. 2. Рельефность эмалевых призм человека в различные периоды постнатального онтогенеза (атомно-силовая микроскопия, 3D-моделирование).

а — в 15—20 лет; б — в 21—30 лет; в — в 31—40 лет; д — в 51—60 лет.

Плотность упаковки эмалевых призм является важным показателем: она определяется степенью упаковки коллагена, указывает на зрелость эмалевой ткани и увеличивается с возрастом. Наибольшая плотность упаковки минерального компонента эмали зубов наблюдается в 41—50 лет (χ²=9,23; p=0,0107 относительно группы 15—20 лет), 51—60 лет (χ²=11,98; p=0,0098 относительно группы 15—20 лет; см. рис. 1, г). В 15—20 лет, 21—30 лет (χ²=6,73; p=0,0425 относительно группы 15—20 лет), 31—40 лет (χ²=7,56; p=0,0418 относительно группы 15—20 лет) отмечается высокий уровень упаковки эмалевых призм, соответствующий нормальным значениям, характеризующим данный возрастной период человека (см. рис. 1, а—в).

Во всех возрастных группах самый быстрый рост эмалевых призм наблюдается в направлении, увеличивающем длину призмы (табл. 2). Рост на плоскости, увеличивающий ширину призмы, является медленным, в 41—50 лет (r_s=0,475; p=0,094 относительно длины в 41—50 лет), 51—60 лет (r_s=0,452; p=0,077 относительно длины в 51—60 лет), догоняющим темпы роста эмалевых призм в длину. Эмалевые призмы в 15—20 лет (χ²=10,01; p=0,0112 относительно группы 51—60 лет), 21—30 лет (χ²=9,71; p=0,0282 относительно группы 51—60 лет) вытягиваются быстрее в горизонтальном направлении. За счет правильного и гармоничного роста эмалевые призмы быстро видоизменяются из пирамидальной в призматическую форму, приобретая схожую площадь поперечного сечения в основе и верхушке к 30 годам (см. табл. 2).

Таблица 2. Размерные характеристики эмалевых призм в различные периоды постнатального онтогенеза

Примечание. Различия между возрастными группами статистически значимы: * — p<0,05; ** — p<0,01.

Детальное изучение ультраструктуры эмали зубов методом атомно-силовой микроскопии показало, что эмалевые призмы в поперечном сечении имеют аркообразную и многогранную форму с такой же их формой у основания во всех возрастных группах. Противоположный конец призм, которым она вклинивается в нижележащие призмы, имеет клиновидную форму. Широкие концы эмалевых призм разделены суженными концами вышележащего слоя призм (см. рис. 1).

Эмаль человека содержит крупные эмалевые призмы, величина достоверно увеличивается с возрастом и максимальный размер наблюдается в 51—60 лет (c²=11,96; p=0,0035 относительно группы 15—20 лет по длине; χ²=10,09; p=0,0103 относительно группы 15—20 лет по ширине).

Небольшой полиморфизм по величине эмалевых призм можно обнаружить в 15—20 лет и 21—30 лет, когда единично встречаются мелкие эмалевые призмы, однако основную их массу составляют призмы больших размеров, в 31—40, 41—50 и 51—60 лет мелкие эмалевые призмы не встречаются (см. рис. 1).

В 15—20, 21—30 лет на отдельных участках эмалевые призмы расположены менее плотно друг к другу (см. рис. 1, а, б). В 31—40, 41—50, 51—60 лет они расположены максимально плотно (см. рис. 2, в, г). Данный факт можно объяснить разной степенью минерализации эмалевых призм, наибольшая степень созревания наблюдается в 41—50, 51—60 лет. Это указывает на то, что эмалевые призмы находятся на разной степени созревания в группах.

Во всех возрастах эмалевые призмы растут анизотропно. Самый быстрый темп роста эмалевых призм наблюдается в направлении, увеличивающем их длину, однако темп роста на плоскости, увеличивающий ширину призмы, является медленным, в группах 41—50, 51—60 лет догоняющий темпы роста эмалевых призм в длину. Безусловно, можно утверждать, что эмалевые призмы в возрастных группах 15—20, 21—30 лет вытягиваются быстрее в горизонтальном направлении. За счет правильного и гармоничного роста эмалевые призмы быстро видоизменяются из пирамидальной в призматическую форму.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

The authors declare no conflict of interests.