Эволюционные тенденции изменения микроэлементного состава эмали, поверхностных слоев дентина, цемента зубов человека в Северо-Западном регионе Сибири в норме и при патологии в X—XX веках

Неорганическая составляющая эмали и дентина представляет особый интерес для изучения, так как наличие тех или иных микроэлементов, а также их соотношение вариативно у разных людей и связано с совокупностью внутренних и внешних факторов среды, в которых рос и формировался человек. По данным литературных источников, по соотношению изотопов Sr в эмали можно определить место рождения и первых лет жизни человека, мобильность населения в целом, а содержание F, Cl, Br, Mo, Zn, Fe, V и некоторых других элементов характеризует состав питьевой воды [1—5].

Микроэлементный состав эмали, дентина и цемента коррелирует с наличием кариозных и некариозных поражений зубов [6, 7]. Проследив динамику изменений атомарного состава твердых тканей зубов на протяжении веков, можно предположить, как те или иные элементы в кристаллической решетке связаны с развитием стоматологических заболеваний [8—10].

В научной литературе описаны данные об изменении минерального состава в эмали и дентине зубов современного человека при кариесе и некариозных поражениях, однако для проведения подобных исследований осуществляется предварительная пробоподготовка, которая заключается в измельчении препарата и/или его растворения в химических веществах, что делает невозможным определить, есть ли значимое отличие количественного содержания и соотношения микроэлементов на разной глубине слоев твердых тканей зубов. Разработка методов профилактики стоматологических заболеваний в том числе предполагает изучение динамики появления микроэлементов в определенном слое твердых тканей зубов и изучении изменений на протяжении длительного периода времени [11, 12].

Как следует из литературных источников и опубликованных данных археологических экспедиций, у людей, живших в IV—V и X—XV вв., была низкая заболеваемость кариесом и высокая заболеваемость некариозными поражениями и заболеваниями тканей пародонта [12, 13].

В связи с этим особый интерес представляют жители Севера России, ведущие самобытный образ жизни и имеющие своеобразный характер питания, сохранившийся в значительной степени до наших дней, и низкие показателя заболеваемости кариесом.

Цель исследования — изучить микроэлементный состав различных участков твердых тканей зубов при кариесе, патологическом истирании и заболеваниях пародонта на археологическом материале останков зубов X—XX вв.

Проведен осмотр останков 1768 зубов, обнаруженных при раскопках в Северо-Западном регионе Сибири. Параметры включения в исследование: сохраненная коронковая и корневая части зубов, сформированные верхушки корней. Также отобраны зубы с уменьшением коронковой части вследствие истирания. Параметры исключения: молочные зубы и постоянные зубы с несформированными верхушками корней, травматические повреждения коронковой и корневой частей зубов.

Для оценки состояния зубов использовали конусно-лучевую компьютерную томографию (КЛКТ) и сканирующую микроскопию.

Для проведения микроанализа состава химических элементов эмали и дентина отобранных 66 зубов проводили пробоподготовку. Последовательность приготовления образцов включала: механическое очищение поверхности изучаемых зубов, фотографирование на стереомикроскопе Leica M205 C, заливку в эпоксидную смолу и полировку на шлифовально-полировальном станке, нанесение углеродной пленки с помощью высоковакуумного напылителя углеродом для сканирующей микроскопии с помощью универсальной вакуумной системы Q150T ES (Quorum, Германия).

При внешнем осмотре и микроскопии останков зубов отмечали состояние эмали: цвет, блеск, наличие или отсутствие фасеток истирания. После выполнения конусно-лучевой компьютерной томографии анализировали состояние твердых тканей зубов, а также состояние околозубных тканей — костной ткани альвеолярного отростка и периодонтальной щели.

Отбор образцов для включения в группы проводили на основании визуального осмотра, зондирования твердых тканей и рентгенологического исследования. Отобранные для проведения анализа на определение микроэлементов зубы были разделены на 3 группы:

I группа (n=22) — зубы, экстрагированные из челюстей, костная ткань которых имела признаки деструктивных изменений альвеолярного отростка характерные для пародонтита;

II группа (n=22) — зубы, которые имели фасетки стирания и за счет этого имели укорочение анатомической длины зубов, т.е. зубы имели признаки истирания твердых тканей;

III группа (n=22) — интактные зубы, не имеющие признаков заболеваний твердых тканей зубов и патологии костной ткани альвеолярного отростка окружающей зуб и периодонтальной щели (контрольная группа).

С помощью настольного растрового электронного микроскоп-микроанализатора TM 3000 (Hitachi, Япония) проведен анализ микроэлементного состава твердых тканей зубов в 2 шлифах. В одном случае изучали поверхностные слои эмали и цемента корня, в другом — средние слои эмали и дентина. В каждом типе ткани под увеличением был выполнен анализ 10—12 участков поверхности от 100 нм до 500 нм.

Полученные данные были проанализированы с помощью статистической программы GraphPad Prism 8 Statistics Guide, проведен расчет t-критерия Стьюдента.

После проведенной визуально-тактильной и рентгенологической диагностики были выявлено кариозное поражение на 5% зубов (n=88); деструктивные изменения околозубных тканей в 38% случаев (n=672); признаки патологического истирания диагностированы в 45% случаев (n=796); интактные зубы и сохраненные костные структуры, окружающие зубы, были выявлены в 12% случаев (n=212).

При обследовании зубов трех исследуемых групп было выявлено наличие следующих элементов: Ca, P, O, F, Br, Sr, Rb, Na, Ti, Fe, Hg, Zn, S, C, Mg, Cl, Mo, Zr, Sn, Ra, Ta, Se, I, Al, Si, V, K, Ni, Cr, Co, Cu, Yt, W, Ba, Pt, Mn, Rh, Ag, Au, Tc.

В эмали контрольной группы преобладали следующие элементы, которые расположены в порядке убывания содержания в ткани: O, C, Ca, P, Sr, Na, Cl, Rb, в цементе контрольной группы: C, O, Ca, P, Sr, Na, Rb, Si, в интактном дентине выявлены следующие микроэлементы: C, O, Ca, P, Sr, F, Na, Sn.

При исследовании зубов II группы обнаружены микроэлементы: O, C, Ca, P, Sr, Na, F, Sn. В цементе I и II групп выявляются атомы O, C, Ca, P, Sr, F, Na, Mg. Определение количественного содержания микроэлементов показал следующие результаты: содержание Ca в эмали контрольной группы статистически значимо выше, чем в эмали зубов при пародонтите (p<0,05); содержание O в эмали контрольной группы статистически значимо ниже, чем в 1 группе (p<0,05); содержание C в эмали контрольной группе статистически значимо ниже, чем в эмали зубов первой группы (p<0,0001) и ниже, чем в эмали зубов второй исследуемой группы (p<0,0001); при этом при пародонтите его содержание выше, чем при патологической стираемости (p<0,05). В дентине статистически достоверной разницы в содержании микроэлементов между тремя группами зубов выявлено не было. В цементе контрольной группы содержание O статистически значимо выше, чем в цементе зубов II группы (p<0,05).

При сравнительном анализе, несмотря на стабильность химического состава зубов в течение времени, были выявлены следующие закономерности: очень высокая корреляционная связь между Ca и P в эмали (r-Пирсона=0,9842; t-критерий=27,88; статистическая значимость p<0.01; n=27) и дентине (r-Пирсона=0,99; t-критерий=28,72; статистическая значимость p<0.01; n=19); очень высокая обратная корреляционная связь между содержанием O и C в эмали (r-Пирсона=-0,909; t-критерий=10,87; статистическая значимость p<0.01; n=27) и заметная корреляция в дентине (r-Пирсона=-0,56; t-критерий=2,87; статистическая значимость p<0,05; n=19).

Обнаружена очень высокая корреляционная связь между содержанием P и Sr в эмали (r-Пирсона=0,898; t-критерий=10,2; статистическая значимость p<0,01; n=27) и заметная корреляция в дентине (r-Пирсона=0,59; t-критерий=3,04; статистическая значимость p<0,01; n=19). Отмечена высокая корреляционная связь между содержанием Ca и Sr в эмали (r-Пирсона=0,847; t-критерий=7,98; статистическая значимость p<0,01; n=27) и заметная корреляция в дентине (r-Пирсона=0,512; t-критерий=2,46; статистическая значимость p<0,05; n=19). Высокая обратная корреляционная связь выявлена между содержанием C и Sr в эмали (r-Пирсона=–0,802; t-критерий=6,7; статистическая значимость p<0,01; n=27). Установлена высокая обратная корреляционная связь между содержанием C и Ca в эмали (r-Пирсона=–0,82; t-критерий=7,71; статистическая значимость p<0,01; n=27). Высокую обратную корреляционную связь между содержанием C и P установили в эмали зубов (r-Пирсона=–0,82; t-критерий=7,71; статистическая значимость p<0,01; n=27).

Заметные связи выявлены между содержанием O и Sr, O и Ca, O и P в эмали, между Ca и Sr, Ca и Na, Ca и C, P и Sr, P и Na, P и C, O и Sr, O и Na, O и C, Sr и Na в дентине.

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа также подтвердили статистически значимую зависимость средних значений содержания O и C в эмали (p<0,0001), P, Zn, O и Mg в дентине (p<0,0001); а также статистически значимую зависимость средних значений содержания O и C в цементе (p<0,0001) на протяжении одиннадцати веков.

Сравнение микроэлементного состава объектов I и III группы с образцами II группы выявило статистически достоверную разницу в содержании микроэлементов Ca, P, C, Cl: Ca — t-критерий=2,58; p<0,05; P — t-критерий=2,23; p<0,05; C — t-критерий=1,901; p<0,1; Cl — t-критерий=1,49; p<0,15.

При сравнении состава дентина зубов I и III группы (F: t-критерий=2,24; p<0,05; P: t-критерий=1,86; p<0,1) и дентином с 2 группы (F: t критерий=2,4; p<0,05; Fe: t-критерий=1,62; p<0,15) выявлено статистически достоверное различие в содержании F, P, Fe.

Сравнение состава цемента интактных зубов с цементом зубов, располагавшихся в области, имеющей признаки деструктивных изменений альвеолярного отростка цементом с участком патологического истирания выявлена статистически достоверная разница в содержании Zr, Na, Zn, S (Zr — t-критерий=2,04; p<0,1; Na — t-критерий=1,44; p<0,2; Zn — t-критерий=1,15; p<0,3; S — t-критерий=1,42; p<0,25;).

У зубов из I и II группы среднее содержание кальция (массовая доля) в эмали составило 15,03% и 15,98%, и статистически значимо отличается от содержания кальция в зубах контрольной группы (18,58%).

У зубов I группы наблюдается статистически достоверное увеличение массовой доли фтора с 0,0001% до 0,21% и железа с 0,0001% до 0,01% в дентине по сравнению с интактными зубами.

Анализ археологического одонтологического материала за последнее тысячелетие показывает, что с каждым веком возрастала интенсивность и распространенность кариеса зубов, а также заболеваний тканей пародонта [4, 5, 8, 13, 14]. Высокая прямая корреляционная связь между Ca, P, Sr в эмали и заметная корреляция этих элементов в дентине подтверждает наличие сильной взаимосвязи между количеством Ca, P и Sr в составе твердых тканей зубов, прослеживаемой от века к веку. Это дает основание предположить, что данные микроэлементы оказывают существенное влияние на развитие резистентности тканей к кариозным процессам.

Накопление F и Fe в дентине зубов I группы по сравнению с зубами контрольной группы дает возможность объяснить частое отсутствие кариозного процесса при развитии деструктивных изменений околозубных тканей. Факт статистически значимого увеличение содержание следующих микроэлементов Zr, Na, Zn и S в цементе зубов I и II групп, возможно, носит компенсаторный характер и требует дополнительного изучения.

Установлено, что при относительном постоянстве анатомо-морфологических характеристик наблюдается изменчивость минерального состава ископаемых зубов, а также выраженная зависимость состава микроэлементов твердых тканей зубов от климата и социально-бытовых условий. В ходе исследования также установлена зависимость нозологической формы заболевания зубов и микроэлементного состава эмали, дентина и цемента.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №24-25-00084, https://rscf.ru/project/24-25-00084/»