CC BY
513
УДК 616.314.13+616.716.4]:611.018.2-007.17
ВЗАИМООТНОШЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО МАТРИКСА И МИНЕРАЛЬНОГО КОМПОНЕНТА В КОСТЯХ И ЭМАЛИ ЗУБОВ ПРИ ДИСПЛАЗИИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ТКАНИ
В.П. Конев1, ИЛ. Шестель1, А.С. Коршунов1, С.Н. Московский1, Ю.Ю. Копылова1, А.С. Лосев2, НА. Давлеткильдеев3
1ГОУ ВПО Омская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития России 2ГОУ ВПО Омский государственный технический университет 3ГОУ ВПО Омский государственный университет E-mail: [email protected]
MUTUAL RELATION OF THE ORGANIC MATRIX AND MINERAL COMPONENT IN BONES AND THE ENAMEL OF TEETH IN DYSPLASIA OF THE CONNECTIVE TISSUE
V.P. Konev1, I.L. Shestel1, A.S. Korshunov1, S.N. Moskovskiy1, JuJu. Kopylova1, A.S. Losev2, N.A. Davletkildeev3
1Omsk State Medical Academy 2Omsk State Technical University 3Omsk State University
Проведено исследование костной ткани и эмали зубов при дисплазии соединительной ткани в сравнении с пациентами без таковой. Установлено, что компоновка коллагена при дисплазии соединительной ткани подразумевает наличие полостей между волокнами, которые снижают количественное содержание минерального матрикса в кости. В эмали зубов также отмечаются нарушения упаковки эмалевых призм. Указанные факты могут быть использованы как основа для диагностики дисплазии соединительной ткани.
Ключевые слова: дисплазия соединительной ткани, коллаген, атомно-силовая микроскопия.
Research of an osteal tissue and enamel of teeth is conducted in dysplasia of a connective tissue in comparison with patients without it. It is established that collagen configuration in dysplasia of a connective tissue means presence of cavities between fibers which reduce the quantitative maintenance of a mineral matrix in a bone. In an enamel of teeth also it becomes perceptible disturbances of packing of enamel columns. The specified facts can be used, as a basis for diagnostics of a dysplasia of a connective tissue.
Key words: dysplasia of connective tissue, collagen, atomic-powered microscopy
Введение
В клиническую практику прочно вошло понятие дисплазии соединительной ткани (ДСТ) [2-5, 8]. Это понятие в клинике на сегодняшний день делится на 3 крупных категории: синдромные дисплазии (болезнь Марфана и т.д.); несиндромные формы и болезни накопления. Если первая и последняя категории имеют очень точную клиническую характеристику и однозначные варианты диагностической трактовки тех или иных признаков, то несиндромные дисплазии представляют собой достаточно неопределенную группу, диагностика которой основывается в большей степени на вероятностных и статистических критериях. Такой тип диагностики не может удовлетворять клиницистов (необходима более или менее однообразная диагностика в аналогичных случаях) и патоморфологов (необходимы более-менее точные критерии постановки диагноза и дифференциального диагноза, то есть речь идет о том или ином уровне чистоты нозологической формы). На сегодняшний день такие критерии в диагностике недифференцированной ДСТ отсутствуют.
В литературе сложилась устойчивое мнение, что органический матрикс костей, дентина и эмали зубов представлен коллагеном I типа. Практически в этих образованиях коллаген другого типа отсутствует. Помимо органического матрикса, в костях присутствует 99% всего кальция организма, 87% фосфора, 60% магния и 25% натрия. Кальций в костях находится в форме минерала гидроксиапатита, примерный состав которого Са10(РО4)6(ОН)2. Гидроксиапатит образует кристаллы, имеющие обычно размер 20x5x1,5 нм. В костной ткани содержится много микроэлементов, таких как медь, стронций, барий, цинк, фтор и др., которые играют важную роль в обмене веществ в организме.
Твердые части зуба (эмаль, дентин и цемент) содержат от 70% (цемент и дентин) до 96-97% (эмаль) неорганических веществ. Основную часть этих веществ составляют фосфат кальция, входящий в состав кристаллов гидроксиапатита (75%), а также карбонат и фторид кальция.
В элементах твердых тканей зуба и костях содержится одно и тоже минеральное вещество, находящееся в различных кристаллических формах. Учитывая, что закономерности формирования кристаллов очень стойки,
то есть форма кристаллов того или иного вещества почти на 100% повторяема, все изменения могут быть связаны только с органическим матриксом, в котором так или иначе располагаются кристаллические структуры. Именно это и создает возможности значительной модификации фенотипа и органотипии костей и зубов при дисплазии соединительной ткани [6, 7, 9, 10].
Основу диагностики недифференцированной дисплазии соединительной ткани составляет патология - нарушение формообразования абриса тела, что в конечном итоге сводится к изменениям в формообразовании костей и костных аппаратов с одной стороны и качества костной ткани с другой.
Морфологические исследования кости, достаточно широко опубликованные [1, 4, 7], в основном констатируют те или иные изменения в структурно-функциональных единицах костной ткани, которые по сути своей являются неспецифическими, хотя и отражают значительные сдвиги в структуре костей у лиц с дисплазией соединительной ткани, фактически изменяя в тех или иных пределах качество костной ткани. Появившиеся в последние годы принципиально новые морфологические возможности - атомно-силовая микроскопия - предоставили возможность констатации взаимоотношений органического и минерального субстратов в костной ткани и эмали зубов и т.д.
Накопление материала в этом направлении позволило поставить задачу выяснения взаимоотношений органического и минерального субстрата твердых тканей различных локализаций: кость, эмаль, дентин зубов и т.д.
Исходя из изложенного, нами была поставлена задача поиска параллелей в плотности костной ткани и эмали зубов у лиц с признаками ДСТ и лиц без таковых методами атомно-силовой микроскопии в корреляции с обычными гистологическими методами.
Материал и методы
Для реализации поставленных задач нами были проведены клинические, рентгенологические, биохимические, морфологические исследования.
Было обследовано 353 человека обоих полов в возрасте 18-35 лет. Из них 263 мужчин и 90 женщин. На основании данных диагностических анкет были отобраны 55 человек. Из них 45 мужчин и 10 женщин в возрасте от 18 до 32 лет (средний возраст составил 28,6 лет), у которых после травмы в области угла нижней челюсти был удален 8-й зуб из линии перелома.
Таким образом, по результатам анкетирования и общеклинического обследования сформировано две группы пациентов. Группа сравнения (лица без признаков дисплазии соединительной ткани), данную группу составили 25 пациентов (средний возраст 27,1 лет), из них 20 мужчин и 5 женщин. Исследуемая группа пациентов (лица с признаками дисплазии соединительной ткани) включала 30 пациентов (средний возраст 26,4 лет), из них 25 мужчин и 5 женщин.
Рентгенологические методы исследования: выполнялась обзорная (прямая, боковая) рентгенография 353 пациентам по медицинским показаниям.
Для подготовки материала для морфологического исследования на базе Омского государственного техни-
Таблица 1
Качественные характеристики эмалевых призм у обследуемых лиц (оптическая микроскопия)
Группы обследованных Общая характеристика Форма эмалевых призм
Пациенты без ДСТ (n = 25) Пациенты с ДСТ (n = 30) Постоянство Вариабельность Аркообразные (полукруглые); шестигранные, семигранные Аркообразные, квадратные, прямоугольные, остроконечные, пятигранные, шестигранные
ческого университета (кафедра «Оборудования и технологии сварочного производства») использовался полиро-вально - шлифовальный станок Нейрис с шлифовальными кругами hermes с разной степенью зернистости, полировальные круги с алмазной суспензией Akasel, с различной размерностью частиц.
Отсмотр образцов осуществлялся на оптическом микроскопе марки Olympus jx 41, с увеличением 1000 крат, при этом изучалось микроскопическое строение эмали зубов. Ультраструктурное строение эмали зубов изучалось на базе Омского государственного университета кафедры прикладной и медицинской физики, с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Pro (NT - MPT, Россия). Анализ образцов АCМ-изображения осуществлялся с использованием программного модуля обработки изображения Image Analysis NT - VDT.
Морфологическое исследование выполнено на 55 зубах, которые были консервированы после удаления, одномоментно помещались в нейтральный 10% раствор формалина.
По разработанной методике подготовки образцов для 8-х зубов нижней челюсти подготовили шлифы, обработки поверхности медиального щечного бугра с помощью шлифовальных, полировальных кругов и травления орто-фосфорной кислотой. Полученные образцы зубов помещали в поле зрения оптического микроскопа, с последующим АCМ-микроскопированием. В результате были получены цифровые снимки зубов у обследуемых лиц, по которым анализировали степень упаковки и формы эмалевых призм, размер эмалевых призм, размер межпризмен-ного промежутка и его высоту, размер оболочки эмалевых призм у исследуемых групп и групп сравнения.
Морфологическое исследование 57 костных объектов (нижняя челюсть) было выполнено с применением описанной выше методики.
Отатистическая обработка полученного материала осуществлялась общепринятыми методами с использованием статистического пакета “Биостат” и пакета анализа для программы MS Excel 2007. Результаты представлены в виде среднего значения и стандартного отклонения. Оценка статистических различий проводилась с помощью непараметрических критериев Манна-Уитни, Уилкоксона.
Результаты
Характеристика эмалевых призм у групп исследуе-
Таблица 2
Количественные характеристики эмалевых призм у обследуемых лиц (зондовая микроскопия)
Параметры / группы обследуемых лиц Размер эмалевых призм Размер эмалевых призм Количество эмалевых призм
в горизонтальной плоскости (сіх), в вертикальной плоскости (Су), в единице объема
микрон микрон (10х10 микрон)
Группа пациентов без ДСТ (п=25) 5,96±0,5 5,8+0,5 5,9±0,1
Группа пациентов с ДСТ (п=30) 4,4+0,35* 4, 9 1+ 3 4,65±0,1*
Примечание: * - различие статистически значимо (р<0,05) в сравнении с группой без ДСТ, здесь и далее.
Таблица 3
Количественные характеристики эмалевых призм у обследуемых лиц (зондовая микроскопия) - продолжение
Параметры / группы обследуемых лиц Расстояние между эмалевыми призмами, нм Угол эмалевой призмы, градус Величина оболочки призмы, нм Высота межпризменного промежутка, нм
Группа пациентов без ДСТ (п=28) Группа пациентов с ДСТ (п=33) 0,7±0,04 3,1±0,2* 95,9+2,7 99,8±2,9 0,3+0,07 2,4±0,1* 28,8+2,7 205,9+0,9*
Таблица 4
Содержание кальция и фосфора в эмали в исследуемых группах (мкг)
Минеральное в-во / группы Пациенты без ДСТ Пациенты с ДСТ
обследуемых лиц (п=20) (п=20)
Кальций 4,89+0,4 6,665+0,4*
Фосфор 0,709±0,01 1,04+0,02*
Таблица 5
Количественные характеристики минерального матрикса у обследуемых лиц (зондовая микроскопия)
Параметры / группы обследованных Размер коллагеновых Размер коллагеновых Размер минеральных Размер минеральных
волокон в горизонтальной волокон в вертикальной пластин в горизонтальной пластин в вертикальной
плоскости (сх), нм плоскости (Су), нм плоскости (Сх), нм плоскости (Су), нм
Группа пациентов без ДСТ (п = 28) 61,4+9,5 98,7+23,3 61,4+9,5 5,4+1,3
Группа пациентов с ДСТ (п = 33) 34,7+19,4* 56,0+21,4* 74,7+39,4* 9,0+2,3*
мых по данным оптической и атомно-силовой микроскопии
Из таблиц 1-3 видно, что между группой сравнения и исследуемой группой (пациенты с ДСТ) имеются достоверные отличия по следующим показателям (р<0,05): эмалевые призмы как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости значительно больше у группы сравнения, у данной группы призмы более упакованы в единице объема. Однако у группы сравнения, в отличие от исследуемой группы пациентов с ДСТ, значительно меньше показатели расстояния между эмалевыми призмами, значительно меньше толщина оболочки призмы и меньше высота межпризменного расстояния. По остальным показателям отличия оказались недостоверными (р>0,05).
По качественным характеристикам у группы сравнения и пациентами с ДСТ имеется постоянство структуры
в виде упорядоченных шестигранных и даже семигранных, с аркообразными формами эмалевых призм. В исследуемой группе призмы расположены хаотично, призмы имеют и пятигранную, и шестигранную структуру, с разнообразными формами эмалевых призм в виде различных геометрических фигур. Сравнительные данные минерального состава зубов у группы сравнения и исследуемой группы представлены в таблице 4.
Из таблицы 4 видно, что у группы сравнения и исследуемой группы (пациенты с ДСТ) получены достоверные отличия по скорости растворения кальция в эмали (р<0,05). У исследуемой группы этот показатель выше.
В биоптатах эмали у группы пациентов с ДСТ получено достоверное повышение скорости растворения по фосфору (р<0,05).
При зондовой микроскопии костной ткани нижней
челюсти видно, что молекулы коллагена не связаны между собой “конец в конец”, а между ними имеется промежуток в 35-40 нм. Предполагается, что в костной ткани эти промежутки выполняют роль центров минерализации, где откладываются кристаллы фосфата кальция. При атомно-силовой микроскопии фиксированные и контра-стированные фибриллы коллагена выглядят поперечно исчерченными с периодом 67 нм, который включает одну темную и одну светлую полоски, с диаметром в среднем 100 нм. Считают, что такое строение максимально повышает сопротивление всего агрегата растягивающим нагрузкам. При этом у лиц с дисплазией соединительной ткани мы наблюдали, что сопоставимые измерения длины и поперечника коллагеновых волокон сильно варьировали с увеличением промежутка между волокнами до 80 нм (в среднем 67 нм) и уменьшения поперечного размера волокон до 60 нм (в среднем 100 нм).
При этом сопоставление размеров минеральных пластин между коллагановыми волокнами в костной ткани нижней челюсти как у лиц с дисплазией соединительной ткани, так и в группе сравнения, статистически достоверной разницы не наблюдалось (табл. 5).
Выводы
По результатам исследования ультраструктуры и минерального состава эмали зубов можно говорить о нарушении минерализации и организации у лиц с признаками ДСТ. Это объясняется недостаточно плотной упаковкой эмалевых призм в единице объема, их хаотичным расположением, недостаточно организованным и минерализованным органическим матриксом.
При оценке результатов исследования костной ткани видно, что основным различием между группой контроля и пациентами с дисплазией соединительной ткани является наличие пустот, что влечет за собой изменения структуры залегания минеральных элементов кости, изменение формирования костных пластинок, а также из-
менение количества минеральных компонентов в единице объема кости.
Все это позволяет объяснить снижение денситомет-рической плотности эмали зубов и кости при дисплазии соединительной ткани.
Литература
1. Cadet E.R., Gafni R.I., McCarthy E.F. et al. Mechanisms responsible for longitudinal growth of the cortex: coalescence of trabecular bone into cortical bone // J. Bone Joint. Surg. Am. - 2003. -Vol. 85A, Issue 9. - P. 1739-1748.
2. Gao H.J., Ji B.H., Jager I.L. et al. Materials become insensitive to flaws at nanoscale: lessons from nature // PNAS. - 2003. -No. 100. - P. 5597-5600.
3. Gutsmann T., Fantner G.E., Venturoni M. et al. Evidence that collagen fibrils in tendons are inhomogeneously structured in a tubelike manner // Biophys. J. - 2003. - No. 84. - P. 25932598.
4. Katz E.P., Li S. Structure and function of collagen fibrils // J. Mol. Biol. - 1973. - No. 80. - P. 1-15.
5. Lees S. Mineralization of type I collagen // Biophys. J. - 2003. -No. 85. - P. 204-207.
6. Ng L., Grodzinsky A.J., Patwari P. et al. Individual cartilage aggrecan macromolecules and their constituent glycosaminoglycans visualized via atomic force microscopy // J. Struct. Biol. - 2003. - No. 143. - P. 242-257.
7. Roschger P., Gupta H.S., Berzanovich A. et al. Constant mineralization density distribution in cancellous human bone // Bone. - 2003. - No. 32. - Р. 316-323.
8. Rubin M.A., Jasiuk L., Taylor J. et al. TEM analysis of the nanostructure of normal and osteoporotic human trabecular bone // Bone. - 2003. - No. 33 (3). - P. 270-282.
9. Tong W., Glimcher M.J., Katz J.L. et al. Size and shape of mineralites in young bovine bone measured by atomic force microscopy // Calcif. Tissue Int. - 2003. - No. 75. - P. 592-598.
10. Venturoni M., Gutsmann T., Fantner G.E. et al. Investigations into the polymorphism of rat tail tendon fibrils using atomic force microscopy // Biochem. Biophys. Res. Commun. - 2003. -No. 303. - P. 508-513.
Поступила 14.02.2011
