Взаимоотношение органического матрикса и минерального компонента в костях и эмали зубов при дисплазии соединительной ткани

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 АСМ-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 АСМ-микроскопированием. В результате были получены цифровые снимки зубов у обследуемых лиц, по которым анализировали степень упаковки и формы эмалевых призм, размер эмалевых призм, размер межпризменного 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.

Статистическая 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 в горизонтальной плоскости (dх), микрон	Размер эмалевых призм в вертикальной плоскости (dу), микрон	Количество эмалевых призм в единице объема (10х10 микрон)
Группа пациентов без ДСТ (n=25)	5,96±0,5	5,8±0,5	5,9±0,1
Группа пациентов с ДСТ (n=30)	4,4±0,35*	4,9±0,3*	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 (n=28)	0,7±0,04	95,9±2,7	0,3±0,07	28,8±2,7
Группа пациентов с ДСТ (n=33)	3,1±0,2*	99,8±2,9	2,4±0,1*	205,9±0,9*

Таблица 4

Содержание кальция и фосфора в эмали в исследуемых группах (мкг)

Минеральное в-во / группы обследуемых лиц	Пациенты без ДСТ (n=20)	Пациенты с ДСТ (n=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 волокон в горизонтальной плоскости (dх), нм Размер коллагеновых волокон в вертикальной плоскости (dу), нм Размер минеральных пластин в горизонтальной плоскости (dх), нм Размер минеральных пластин в вертикальной плоскости (dу), нм Группа пациентов без ДСТ (n = 28) 61,4±9,5 98,7±23,3 61,4±9,5 5,4±1,3 Группа пациентов с ДСТ (n = 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 контрастированные 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.