Podręcznik ten poświęcam pamięci mojej Córki Agnieszki - wspaniałego dydaktyka - z podziękowaniem, że nas nakłoniła do jego napisania

Lilla Lachowicz

© Copyright by Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2008

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości lub części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Redaktor merytoryczny: Małgorzata Wiśniewska

Korekta: Mirosława Onopiuk

Projekt okładki i stron tytułowych: Dariusz Mironski

Zdjęcie na okładce: Agencja Fotograficzna EAST NEWS

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-200-5725-6

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Księgarnia wysyłkowa:

tel. 42 680 44 88; infolinia: 801 33 33 88

e-mail: wysylkowa@pzwl.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwa Lekarskiego: mobisfera.pl

Spis treści

Wykaz skrótów używanych w tekście

Słowo wstępne

Wprowadzenie

1. Chemia fosforanów wapnia

1.1. Wstęp

1.2. Apatyty

1.3. Fluoroapatyty

1.4. Mechanizm tworzenia fluoro- i hydroksyfluoroapatytów

2. Chemia szkliwa

2.1. Cechy ogólne

2.2. Rozwój białek szkliwa

2.3. Organiczne składniki dojrzałego szkliwa

2.4. Nieorganiczne składniki szkliwa

3. Chemia zębiny i kości

3.1. Wstęp

3.2. Kolagen

3.3. Proteoglikany

3.4. Fosfoproteiny

3.5. Białka zawierające kwas γ-karboksyglutaminowy (białka Gla)

3.6. Białka niekolagenowe

3.7. Składniki niebiałkowe

3.8. Składniki nieorganiczne

3.9. Faza nieapatytowa

3.10. Jony i cząsteczki adsorbowane na powierzchni kryształów apatytu

3.11. Cement

4. Ślina

4.1. Wstęp

4.2. Rola śliny w ochronie przed próchnicą

4.3. Rola śliny w tworzeniu płytki bakteryjnej

4.4. Rola śliny w utrzymywaniu równowagi między demineralizacją i remineralizacją

4.5. Działanie przeciwbakteryjne

4.6. Bufory śliny

4.7. Białka śliny

4.7.1. Białka bogate w prolinę

4.7.2. Stateryna

4.7.3. Histatyny

4.7.4. Laktoferyna

4.7.5. Lizozym

4.7.6. α-Amylaza ślinowa

4.7.7. Immunoglobuliny śliny

4.8. Jony wapnia i fosforanowe

4.9. Inne składniki

4.10. Ślina jako materiał diagnostyczny

5. Płytka nazębna

5.1. Błonka nabyta

5.2. Płytka nazębna

5.3. Płyn płytki nazębnej

5.4. Macierz organiczna płytki nazębnej

5.5. Bakterie płytki nazębnej

5.6. Metabolizm sacharozy w płytce nazębnej

6. Kamień nazębny

7. Choroby przyzębia

7.1. Wstęp

7.2. Kryteria zapalenia tkanki okołozębowej (periodontitis)

8. Kalcyfikacja zębiny i szkliwa

8.1. Wstęp

8.2. Utworzenie zarodka kryształu

8.3. Kalcyfikacja

8.4. Inhibitory wytwarzania zarodków i wzrostu kryształów

8.5. Kalcyfikacja szkliwa

9. Metabolizm fluorofosforanów innych składników zawierających fluor

9.1. Wstęp

9.2. Fluorofosforany

9.3. Związki organiczne fluoru

9.4. Pobieranie i wydalanie jonów fluoru

9.5. Rozmieszczenie fluorków w ustroju

9.6. Wpływ jonów fluoru na aktywność enzymów

10. Fluor a ubytki próchnicze

10.1. Wstęp

10.2. Fluor w ślinie i płytce nazębnej

10.3. Źródła fluoru w płytce nazębnej

10.4. Wiązanie fluoru w płytce nazębnej

10.5. Wpływ fluoru na hamowanie tworzenia kwasu mlekowego u bakterii

10.6. Fluor a „rozpuszczalność” zębów

10.7. Fluor i węglany w ubytkach szkliwa

10.8. Kliniczne oznaki remineralizacji

10.9. Kompleksy Al-F a fluoroza

11. Biochemiczne aspekty ubytków zębowych

11.1. Wstęp

11.2. Początkowe uszkodzenie szkliwa

11.3. Próchnica zębiny i zapalenie miazgi

11.4. Chemiczne zmiany w ubytkach próchniczych

11.5. Metody ochrony przed ubytkami i leczenia ubytków

11.6. Rola bakterii w próchnicy

11.7. Demineralizacja i remineralizacja ubytków próchniczych

11.8. Dieta a próchnica

12. Wrodzone wady zębów

Piśmiennictwo

Wykaz skrótów używanych w tekście

AbpA

amylaza wiążąca białko A

AbpB

amylaza wiążąca białko B

ADH

dehydrogenaza alkoholowa

ADP-glukoza

adenozynodifosfoglukoza

ATP

adenozynotrifosforan

ATP-aza

adenozynotrifosfataza

BCS

zmodyfikowany Streptococcus mutans

Białka Gla

białka zawierające kwas γ-karboksyglutaminowy

BMPs

białka morfotyczne kości

BSP

sjaloproteina kostna

CHX

chlorheksydyna

CRT

kalretikulina

DEJ

jednostka zębinowo-szkliwowa

EDTA

kwas etylenodiaminotetraoctowy

EMD

macierz szkliwa

EMSP1

proteinaza serynowa

FA

fluoroapatyt

GAG

glikozaminoglikany

GtF

glukuronylotransferaza

GTP

guanozynotrifosforan

HA

hydroksyapatyt

KLK-4

kalikreina-4

kompleksy Al-F

kompleksy glinowo-fluorkowe

LDH

dehydrogenaza mleczanowa

MIP

zapalny mikrofag

MMPs

metaloproteinazy

MMP-20

enamelizyna

OSAD

osteoadheryna

PCR

reakcja łańcuchowa polimerazowa

PFL

liaza pirogronianowo-mleczanowa

PMF

pompa protonowa (ang. proton motive like)

TLR

patogen Toll-like

TNFL

czynnik guza nekrotycznego

UDP-glukoza

urydynodifosfoglukoza

VIP

wazoaktywny polipeptyd jelitowy

Słowo wstępne

Uzębienie jest niezbędne człowiekowi do prawidłowego odżywiania, sprawnej fizjologii, w tym poprawnego artykułowania głosek. Przedstawiony materiał uwzględnia współczesną wiedzę na temat chemii i przemian metabolicznych zachodzących w narządzie żucia, a więc rozwoju i dojrzewania substancji wchodzących w skład ludzkiego uzębienia oraz różnych patogenów ściśle związanych z powstawaniem procesów patologicznych. Zawiera również współczesne informacje dotyczące procesów naprawczych i możliwości stosowania terapii zastępczych, opartych między innymi na mutacjach genetycznych i molekularnych odpowiedziach immunologicznych. Pozwala zatem mieć nadzieję, że nawet najsłabsze leczenie inwazyjne będzie skuteczne, a podejście lekarza stomatologa do pacjenta nabierze nowych cech dzięki nowoczesnym informacjom, które często w przeszłości były pomijane.

Biochemia od dawna stanowiła ważną część medycyny, ale była to równocześnie dyscyplina naukowa, która rządziła się własnymi prawami. Znaczenie jej dla stomatologii nie było takie oczywiste. Przyczyną tego był fakt, że studenci stomatologii i nierzadko nauczyciele biochemii korzystali głównie z podręczników biochemii przygotowanych z myślą o lekarzach ogólnych. W podręcznikach tych szczegółowe zagadnienia związane z problematyką stomatologiczną były skrzętnie pomijane.

Mając te aspekty na uwadze, wyszłyśmy z przekonania, że lekarz stomatolog powinien otrzymać, poza ogólnymi wiadomościami z biochemii, szczegółowe dane dotyczące biochemicznych podstaw próchnicy, chorób przyzębia oraz makromolekularnych składników szkliwa, zębiny, płytki nazębnej czy śliny. Zebrałyśmy zatem najważniejsze i możliwie nowoczesne dane literaturowe dotyczące tego przedmiotu i przedstawiłyśmy je w niniejszym podręczniku.

Z założenia ma on służyć głównie studentom kierunku lekarsko-dentystycznego. Sądzimy jednak, że znajdzie również odbiorców wśród nauczycieli akademickich, którzy będą chcieli wzbogacić czy pogłębić własną wiedzę w tym zakresie. Jeżeli ponadto zainteresuje praktykujących lekarzy stomatologów, uznamy, że wysiłek włożony w przygotowanie tego opracowania został całkowicie zrekompensowany.

Wprowadzenie

Zewnętrzna warstwa szkliwa zęba jest najbardziej zmineralizowanym i najtwardszym materiałem w ustroju ssaka. Dojrzałe szkliwo nie jest tkanką żywą i po swoim całkowitym ukształtowaniu nie podlega kontroli właściwej dla wszystkich innych komórek organizmu. Należy jednak podkreślić, że patologiczne zmiany, np. ubytki próchnicze, mogą być również konsekwencją aktywności komórkowej. Wolne „dojrzewanie” szkliwa po wyrżnięciu się zęba jest przykładem procesu fizykochemicznego, który polega na powolnym pobieraniu i wymianie jonów ze śliny.

Główną masę zęba stanowi zębina. Jest to żywa tkanka, mniej zmineralizowana w porównaniu ze szkliwem. Struktura zębiny i proporcje poszczególnych składników różnią się wyraźnie w zależności od lokalizacji. W zębinie procesy komórkowe zachodzą w odontoblastach – komórkach, które występują na wewnętrznej powierzchni miazgi. Niekiedy komórki te mogą naprawiać ubytki i tworzyć więcej zębiny w czasie życia zęba. Odontoblasty są odżywiane przez miazgę, która stanowi najbardziej wewnętrzny składnik zęba.

Korzeń zęba jest pokryty cienką warstwą cementu, którego skład chemiczny jest podobny do składu kości. Korzeń zęba jest utrzymywany w dole zębowym przez włókna kolagenowe więzadła peridontalnego, okołozębowego, które są połączone z cementem i kością zębodołową. Dziąsło pokrywa kość zębodołową i niższą część szkliwa, zwykle jednak występuje to u ludzi młodych.

Przed wyrżnięciem się zęba szkliwo jest pokryte błoną Nasmytha, zawierającą warstwę wolnych komórek naskórkowych grubości około 1 µm i warstwę komórkową grubości około 10 μm, pochodzącą z komórek usytuowanych w dolnej warstwie szkliwa, czyli ameloblastów. Po erupcji zęba błona Nasmytha ulega zniszczeniu. Wówczas z organicznych składników pochodzących ze śliny i złuszczonych komórek nabłonka tworzy się inna błona, zwana płytką nazębną, której głównym składnikiem są obumarłe bakterie. Bakterie znajdujące się na powierzchni szkliwa mogą powodować utratę minerałów w wyniku produkcji kwasów w procesach metabolicznych. Jest to wczesny stan próchniczy. Płytka może też kalcyfikować do postaci twardego kamienia. Fosforany wapnia występujące w kamieniu tworzą się z jonów wapnia i fosforanów śliny.

Zmiany chemiczne zachodzące w czasie rozwoju zębów, zwłaszcza proces mineralizacji szkliwa i zębiny, są niezwykle interesujące. Szkliwo jest budowane przez wycofywane - zanikające ameloblasty, a zębina rozpoczyna swój proces mineralizacji przed mineralizacją szkliwa.

Tabela 1. Procentowa zawartość głównych składników w ludzkich tkankach twardych

Składniki/cecha

Szkliwo rozwijające się

Szkliwo dojrzałe

Zębina

Kości

Nieorganiczne

(ogólnie)

37

96

72

70

Organiczne

(ogólnie)

19

ok. 0,1

20

22

Woda

44

3,9

8

8

Główny składnik organiczny

amelogeniny

enameliny

białka rozpuszczalne

kolagen

kolagen

Główny składnik nieorganiczny

fosforany wapnia

fosforany wapnia

fosforany wapnia

fosforany wapnia

Gęstość

g/cm^3

1,45

2,9-3,00

2,00-2,30

2,01-2,05

1 Chemia fosforanów wapnia

1.1. Wstęp

Ortofosforany wapnia są solami kwasu fosforowego, które mogą powstawać z jonów H_2PO_4-, HPO_42- lub PO_43-. Jony H_2PO_4- są mało znaczące z biologicznego punktu widzenia, natomiast jony HPO_42- oraz PO_43- występują w postaci biologicznie ważnych fosforanów wapnia w kościach, zębach i kamieniu nazębnym.

Wszystkie fosforany wapnia są białymi, trudno rozpuszczalnymi w wodzie solami, rozpuszczalnymi jednak w rozcieńczonych roztworach kwasów W warunkach fizjologicznych sole te mogą się przekształcać jedne w drugie. Niektóre fosforany wapnia występują jako minerały nie tylko u zwierząt, ale i w mikroorganizmach - bakteriach. Krystaliczne polifosforany nie mają istotnego znaczenia w stomatologii (chociaż pirofosforany tworzą się w wyniku niektórych patologicznych kalcyfikacji). Jon pirofosforanowy (zwykle w postaci HP_2O_73-w roztworze obojętnym) wywiera jednak wyraźny wpływ na krystalizację niektórych fosforanów wapnia. Sugeruje się, że efekt ten może być ważny w kontroli miejsc krystalizacji w kościach, które zawierają nieznaczne ilości pirofosforanów. Ośmiowapniowe fosforany Ca_8(HPO_4)2 × 5H_2O stanowią produkt pośredni między kwaśnymi fosforanami a hydroksyapatytami Ca_10(PO_4)6(OH)2. Hydroksyapatyty podobnie jak dwuwodny wodorofosforan wapnia CaHPO_4 × 2H_2O, pojawiają się jako pierwsze w procesie tworzenia kamienia nazębnego.

Ośmiowapniowe fosforany mają strukturę zbliżoną do struktury hydroksyapatytu. Zawierają warstwę podobną do apatytowej, o grubości około 1,1 nm, i warstwę wodną, o grubości około 0,8 nm. Z uwagi na podobieństwo do hydroksyapatytów ośmiowapniowe fosforany odgrywają ważną rolę w nukleacji soli apatytu. Co więcej, istnieją sugestie, że główny składnik apatytów - fosforan wapnia, który jest składnikiem zarówno ośmiowapniowego fosforanu, jak i hydroksyapatytu, stanowi „mieszaninę międzykrystaliczną” tych dwóch substancji, ale występujących w różnych proporcjach.

Obserwuje się zmiany w rozpuszczalności tych soli wraz ze zmianą pH. Podobnie jak dwuwodny Wodorofosforan wapnia CaHPO_4 × 2H_2O i wodorofosforan wapnia CaHPO_4, ośmiowapniowe fosforany są niestabihie w wodzie i hydrolizują na hydroksyapatyty zwłaszcza w ciepłych roztworach zasad. Małe stężenie (20 do 100 μg∕dm^3) jonów fluoru bardzo wyraźnie zwiększa stopień hydrolizy. Podobnie, w normalnych warunkach, kiedy tworzy się ośmiowapniowy fosforan jego początkowa precypitacja jest hamowana przez małe stężenie jonów fluorkowych na rzecz hydroksyapatytów. Ta właściwość jonów fluorkowych pozwala przypuszczać, że fluor odgrywa ważną rolę w tworzeniu hydroksyapatytów w tkankach twardych.

Rozkład ośmiowapniowego fosforanu pod wpływem temperatury jest bardzo skomplikowany. W temperaturze 100°C traci on od 1 do 2% wody, ale to nie powoduje fundamentalnych zmian w jego strukturze. W temperaturze 150-200°C zachodzą już większe zmiany i wówczas może być wykrywany hydroksy-apatyt oraz pirofosforan. Wodorofosforan wapnia wytrąca się w temperaturze 60°C. Ta niestabilność termiczna sprawia, że fosforan ośmiowapniowy może być wykryty techniką dyfrakcji elektronów w mikroskopie elektronowym.