Эмаль зуба

Эмаль содержит по массе около 95% минеральных веществ, примерно 1% органических компонентов и 4% воды. Вода содержится в двух видах: свободная вода – примерно 0, 8-1% и гидратная оболочка кристаллов – 3, 0-3, 3%. В объемном соотношении минеральные компоненты составляют 86%, органические – 2% и вода – 12%. Считается, что в эмали имеются интер- и интрапризматические пространства размером 0, 9-2, 5 нм, заполненные водой. Эмаль – это наиболее минерализованное, самое твердое и долговечное образование в теле млекопитающих. После прорезывания зуба она представляет собой бессосудистый, неиннервируемый внеклеточный матрикс.

Минеральную основу эмали составляют кристаллы апатитов: гидроксиапатит – 75%, хлорапатит – 4, 4%, фторапатит – 0, 66%. Кристаллы эмали неоднородны. Их длина составляет 30-1000 нм, ширина – 40-120 нм. Кристаллы разных зубов неодинаковы, но кристаллы эмали примерно в 10 раз больше кристаллов дентина и кости. Изоморфное замещение Са на Мg, Ba, Cr и другие элементы с близкими свойствами приводит к снижению резистентности кристаллов и эмали в целом к неблагоприятным воздействиям. Изоморфное замещение гидроксиапатита на фторид с образованием фторапатита Са₁₀(РО₄)₆F(ОН), наоборот, повышает устойчивость эмали к растворению в кислой среде, существенно увеличивает резистентность эмали к кариесу. Каждый кристалл гидроксиапатита покрыт гидратной оболочкой толщиной около 1 нм, а кристаллы расположены на расстоянии 2, 5 нм друг от друга. Это позволяет осуществлять изоионное и гетероионное (изоморфное) замещения в кристаллах, играющих особую роль в обеспечении стабильного состояния эмали, изменении ее состава и свойств в процессе реминерализации. Таким образом, важно, что кристаллы гидроксиапатита обладают способностью к физико-химическому обмену. Они не остаются стабильными. Их состав и свойства изменяются от состава гидратного слоя, который, в свою очередь, определяется составом раствора, омывающего кристаллы эмали, - смешанной слюны.

Большая часть кристаллов гидроксиапатита в эмали зубов ориентирована определенным образом и упорядочена в виде сложных образований - эмалевых призм. Эмалевые призмы начинаются у эмале-дентинной границы и идут к поверхности эмали. Многократно изгибаясь в виде спирали. Возможны различные варианты взаимного расположения призм. В одних случаях призмы располагаются одна над другой, в других, они смещены друг относительно друга, имеются и другие варианты ориентации призм. Кристаллы в призме также могут иметь различную ориентацию. В центре призмы они имеют в основном направление, совпадающее с продольной осью призмы. В периферии призм, постоянно изменяя свою ориентацию, они располагаются под небольшим углом к поверхности призмы. И поэтому кристаллы выходят на поверхность призмы своими округлыми оконечностями. Поверхность призм имеет зернистый рельеф. Диффузия веществ из ротовой жидкости осуществляется через межпризматические пространства и гидратную оболочку кристаллов гидроксиапатитов, и далее в поверхностный слой, и далее внутрь кристаллов. В целом поверхность эмали, обращенная к дентину, имеет неровный рельеф, вклинивающийся в него своими структурными элементами. Между эмалью и дентином находится тонкая органическая пленка. Поверхность эмали покрыта органическими оболочками, обнако, на ней встречаются выпуклые и вогнутые участки, которые соответствуют окончаниям призм. На неровностях рельефа поверхности эмали, особенно в виде ямок, создающих своеобразные ретенционные участки, ранее всего начинают скапливаться микроорганизмы или задерживаться пищевые остатки.

Биохимические процессы при формировании эмали изучены недостаточно. Различают две стадии функционирования амелобластов. Во-первых, амелобласты интенсивно синтезируют эмалевые белки и секретируют их через апикальную поверхность в сторону дентина. «Накопление» белкового матрикса приводит к постепенному утолщению эмали. Каждый амелобласт, отдаляясь от границы с дентином, оставляет после себя своеобразный белковый шлейф (прообраз эмалевой призмы), проходящий через всю эмаль радиально. Секреторная стадия завершается образованием базальной мембраны амелобластов, ограничивающей их снаружи. При развитии постоянных зубов человека эта секреторная стадия занимает 500-600 дней.

Вторая стадия – стадия созревания наступает после короткого периода коренной перестройки функционирования амелобластов. Интенсивная выработка белков эмали сменяется резким усилением других процессов: 1) секреции протеолитических ферментов через апикальную мембрану; 2) поглощения продуктов частичного протеолиза из эмали и их полной деградации внутри клеток; 3) транспорта минеральных ионов через клетку в эмалевый слой. Стадия созревания эмали протекает значительно дольше, чем секреторная стадия. При этом из матрикса почти полностью удаляются белки и вода. Возникшие в первой стадии гексогональные кристаллы гидроксиапатита начинают утолщаться. Происходит плотная упаковка кристаллов внутри эмалевых призм.

Органическая основа эмали своеобразна и отличается от таковой кости, дентина и цемента. Она не содержит ни коллагена, ни протеогликанов, ни неколлагеновых сиалопротеинов. Преобладающим белком, вырабптываемым и секретируемым амелобластами является амелогенин. Он составляет 90% органического матрикса созревающей эмали. Остальные 10% приходятся на амелобластин и энамелин. Белки эмали лишены цистеина, гидроксилизина, гидроксипролина, хотя содержат значительное количество пролина и глицина.

В формировании нормальной эмали решающий вклад вносит амелогенин. Состоит из одной полипептидной цепи, содержащей менее 200 аминокислотных остатков. Фосфорилирован единственный радикал серина в 16 положении. В С-концевом отростке белка сосредоточены остатки Асп и Глу. После секреции в эмалевый матрикс амелогенин подвергается спонтанной самоагрегации с образованием сферических образований диаметром около 20 нм (наносферы), содержащие на поверхности карбоксильные группы Асп и Глу. Это придает им способность взаимодействовать с апатитами. Белок существует в нескольких изоформах.

Амелобластин и энамелин значительно крупнее амелогенина (амелобластин примерно в 2 раза, энамелин – 5-6 раз). Содержат несколько углеводных остатков. Энамелин содержит также и фосфатные группировки. За счет этих групп энамелин прочно связан с кристаллами апатита, но уже в начале созревания быстро исчезает из эмали. Амелобластин имеет биполярную структуру: в N-конце сосредоточены аминокислоты с положительными зарядами, в С-конце – с отрицательным. В созревающей эмали белок рано подвергается расщеплению. При этом N-концевой фрагмент накапливается в «оболочках» эмалевых призм, а С-концевой – в межпризменных пространствах и самих призмах. Изоформы амелобластина возникают в результате альтернативного сплайсинса и РНК.

Рисунок 32. Роль эмалевых белков и процессов протеолиза в биогенезе эмали [И.Г. Щербак, 2005]. 1-секреция белков эмали «ранними» амелобластами; 2 – спонтанная агрегация амилогениновых молекул с образованием «наносфер»; 3 – удлинение первичных «нитей» кристаллов апатита путем торцовой минерализации; 4 - протеолитическое удаление пептидов с поверхности наносфер; 5 – начало бокового роста (утолщения)минеральной фазы; 6, 7 – протеолиз гидрофобной сердцевины наносфер протеиназами до почти полного удаления белкового матрикса, сопровождаемое утолщением кристаллических образований и формированием эмалевых призм.

Минерализация эмали начинается с начала секреторной фазы и зарождения кристаллов, вероятно, способствуют белки дентина, находящиеся на дентино-эмалевой границе. Первичная минерализация эмали осуществляется быстро, поскольку через несколько минут после начала секреции амелогенина возникают кристаллы гидроксиапатита со значительной примесью карбонапатита. Кристаллы растут в направлении движения амелобластов, сильно вытянуты и боковыми поверхностями образуют ионные связи с наносферами амелогенина. Наносферы блокируют боковой рост (утолщение) кристаллов, но не мешают их росту с торцов. На протяжении секреторной стадии кристаллы растут только в длину, и к началу стадии созревания эмали ткань содержит около 14% будущей минеральной фазы. С переходом в стадию созревания кристаллы перестают расти в длину и начинают утолщаться, формируя, в конечном итоге, эмалевые призмы. Почему? Под действием протеолитических ферментов, вырабатываемых метаболически перестроившемися амелобластами, удаляются наносферы амелогенина (ММП-20 и другие матриксные металопротеиназы). Образующиеся полипептиды захватываются клетками и расщепляются до аминокислот. К середине стадии созревания происходит почти полное удаление белков из эмали (рис. 32). К этому моменту минеральная фаза составляет более 50% своей будущей массы. Дальнейший рост и утолщение кристаллов происходит за счет вытеснения Н₂О из межкристаллических пространств. В результате объемная доля воды снижается примерно в 1, 5-2 раза, формируются крупные, часто смыкающиеся кристаллы апатита, характерные для зрелой эмали и обладающие исключительной твердостью и прозрачностью.

Отложение минералов сопровождается подкислением среды. Однако эмаль фактически изолирована от сосудистого русла, и доставка минеральных компонентов в матрикс, и удаление из него избытка притонов и воды осуществляется путем цикличности функционирования амелобластов. В первую половину цикла амелобласты интенсивно транспортируют в матрикс Са²⁺ и фосфат, которые необходимы для включения в кристаллическую решетку гидроксиапатита:

10 Са²⁺ + 6НРО₄^2- + 2Н₂О ® Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 8Н⁺

Одновременно вблизи апикальной мембраны клеток концентрируется энзим-карбоангидраза, которая способствует образованию бикарбоната, секретируемого в матрикс:

Ионы бикарбоната, поступая в матрикс, нейтрализуют протоны водорода по той же обратимой реакции, но уже без ферментативного катализа:

Однако нейтрализация протонов Н⁺, образующихся в матриксе в результате кристаллизации гидроксиапатита, не вполне успевает за темпом их продукциии, и это приводит к постепенному снижению рН эмалевой жидкости до 6, 7-6, 1. Подкисление эмалевой жидкости приводит к переходу амелобластов к следующей фазе цикла: происходит изменение базальной мембраны амелобластов, ограничивающей их снаружи, а именно, плотные межклеточные пространства разрыхляются, и через них свободно проходит вода с растворенными в ней соединениями. Возникший в матриксе эмали ионный дисбаланс между эмалевой жидкостью и межклеточной жидкостью выравнивается. При этом избыток протонов покидает эмалевую жидкость, а ионы Са²⁺ и НСО₃^- поступают в нее из плазмы крови. рН эмалевой жидкости быстро возвращается к обычному уровню (рН 7, 3-7, 4). После этого амелобласты претерпевают новую перестройку и вступают в новый цикл, начиная интенсивный транспорт в матрикс кальция, фосфата и протеиназ. Небезынтересно, что не все амелобласты одновременно находятся в одной и той же стадии цикла, а только полоса, охватывающая коронку кольцеобразно. Переход одной круговой полосы в следующую фазу цикла сопровождается активацией соседней круговой полосы клеток. И волны такой модуляции проходят одна за другой по всей поверхности эмали до полного завершения построения эмалевого покрытия коронки зуба. После этого амелобласты подвергаются полной регрессии путем апоптоза. Эмаль не способна к репарации при повреждении, но процессы деминерализации и реминерализации осуществляются постоянно. Благодаря реакциям ионного обмена направленность этой реакции, прежде всего, определяется составом ротовой жидкости.