3.3.2. Гистологическое строение, химический состав и функции твердых тканей зуба
Эмаль (enamelum). Эта ткань, покрывающая коронку зуба, является самой твердой в организме (250–800 ед. Виккерса). На жевательной поверхности ее толщина 1,5–1,7 мм, на боковых поверхностях она значительно тоньше и сходит на нет к шейке, к месту соединения с цементом.
Рис. 3.16. Строение эмали (полосы Гунтера — Шрегера, линии Ретциуса; схема).
Основным структурным образованием эмали являются эмалевые призмы диаметром 4–6 мкм. Длина призмы соответствует толщине слоя эмали и даже превышает ее, так как она имеет извилистое направление. Эмалевые призмы, концентрируясь в пучки, образуют S-образные изгибы. Вследствие этого на шлифах эмали выявляется оптическая неоднородность (темные или светлые полосы): в одном участке призмы срезаны в продольном направлении, в другом — в поперечном (полосы Гунтера — Шрегера). Кроме того, на шлифах эмали, особенно после обработки кислотой, видны линии, идущие в косом направлении и достигающие поверхности эмали, — так называемые линии Ретциуса (рис. 3.16). Их образование связывают с цикличностью минерализации эмали в процессе ее развития. По существующим представлениям, в указанных участках минерализация менее выражена, и в процессе локального воздействия кислоты 8 линиях Ретциуса наступают наиболее ранние и выраженные изменения.
Эмалевая призма имеет поперечную исчерченность, которая отражает суточный ритм осложнений минеральных солей. Сама призма в поперечном сечении в большинстве случаев имеет аркадообразную форму или форму чешуи (рис. 3.17), но она может быть полигональной, округлой или гексагональной формы.
Ранее считали, что вокруг каждой призмы имеется оболочка, содержащая большое количество органического вещества. С помощью более современных методик, в частности электронной микроскопии, установлено, что межпризменное вещество эмали состоит из таких же кристаллов, как и сама призма, но отличается их ориентацией.
Органическое вещество эмали обнаруживается в виде тончайших фибриллярных структур. Существует мнение, что органические волокна определяют ориентацию кристаллов призмы эмали.
Рис. 3.17. Поперечный срез зачатка зуба с эмалевыми призмами аркадообразной формы. Электронная микрофотография, х 10 000.
У эмали зуба, кроме указанных образований, встречаются ламеллы, пучки и веретена (рис. 3.18). Ламеллы (пластинки) проникают в эмаль на значительную глубину, эмалевые пучки — на меньшую. Эмалевые веретена — отростки одонтобластов, проникающие в эмаль через дентиноэмалевое соединение.
Основной структурной единицей призмы считаются кристаллы апатитоподобного происхождения, которые плотно прилежат друг к другу, но располагаются под углом. Считают, что размер кристаллов с возрастом изменяется, они становятся большими. Структура кристалла обусловлена размером элементарной ячейки. По ее размерам определяется природа кристалла. Это значит, что кристаллы гидроксиапатита и фторапатита имеют свои параметры.
Г. Н. Пахомов, занимающийся исследованием структуры кристаллов, считает, что эмаль зубов состоит из апатитов многих типов, однако основным является гидроксиапатит — Ca10(PO4)6(OH)2. Boves и Murray указывали следующий состав неорганического вещества в эмали (в процентах): гидроксиапатит 75,04; карбонатапатит 12,06, хлорапатит 4,39; фторапатит 0,663; CaCO3 1,33, MgCO3 1,62. В составе химических неорганических соединений кальций составляет 37 %, а фосфор — 17 %.
Рис. 3.18. Поперечный шлиф зуба, х 100.
1 — эмалевая пластинка; 2 — эмалевый пучок.
В состоянии эмали зуба важная роль принадлежит соотношению Са/Р, как элементов, составляющих основу эмали зуба. Это соотношение непостоянно и может изменяться под воздействием ряда факторов. Здоровая эмаль молодых людей имеет более низкий коэффициент Са/Р, чем эмаль зубов взрослых; этот показатель уменьшается при деминерализации эмали. Более того, возможны существенные различия соотношения Са/Р в пределах одного зуба, что послужило основанием для утверждения о неоднородности структуры эмали зуба и, следовательно, о неоднородной подверженности различных участков поражению кариесом.
Для апатитов, каковыми являются кристаллы эмали зуба, молярное соотношение Са/Р составляет 1,67. Однако, как это установлено в настоящее время, соотношение этих компонентов может изменяться как в сторону уменьшения (1,33), так и в сторону увеличения (2,0). При соотношении Са/Р, равном 1,67, разрушение кристаллов происходит при выходе двух ионов Са2+, при соотношении 2,0 гидроксиапатит способен противостоять разрушению до замещения 4 ионов Са2+, тогда как при соотношении Са/Р, равном 1,33, его структура разрушается. По существующим представлениям, коэффициент Са/Р можно использовать для оценки состояния эмали зуба.
В результате многочисленных исследований, проведенных как в нашей стране, так и за рубежом, установлено, что микроэлементы в эмали располагаются неравномерно. Отмечена большая концентрация в наружном слое фтора, свинца, цинка, железа при меньшем содержании в этом слое натрия, магния, карбонатов. Равномерно по слоям распределяются стронций, медь, алюминий, калий.
Каждый кристалл эмали имеет гидратный слой связанных ионов (ОН), образующийся на поверхности раздела кристалл — раствор. Считают, что благодаря гидратному слою осуществляется ионный обмен, который может протекать в виде гетероионного обмена, когда ион кристалла замещается другим ионом среды, и в виде изотопного обмена, при котором ион кристалла замещается таким же ионом.
В настоящее время установлено, что, кроме связанной воды (гидратная оболочка кристаллов), в эмали имеется свободная вода, располагающаяся в микропространствах. Общий объем воды в эмали составляет 3,8 %.
Первое упоминание о жидкости, находящейся в твердых тканях зуба, относится к 1928 г. В дальнейшем стали дифференцировать зубную жидкость, которая имеется в дентине, от эмалевой жидкости, заполняющей микропространства, объем которых составляет 0,1–0,2 % объема эмали. В исследованиях на удаленных зубах человека с использованием специальной методики подогрева показано, что через 2–3 ч после начала опыта на поверхности эмали образуются капельки «эмалевой жидкости». Движение жидкости обусловлено силами капиллярности, а эмалевая жидкость служит переносчиком молекул и ионов (Bergman). Автор высказал предположение, что эмалевая жидкость играет биологическую роль не только в период развития эмали, но и в сформированном зубе.
Органическое вещество эмали представлено белками, липидами и углеводами. В белках эмали определены следующие фракции: растворимая в кислотах ЭДТУ — 0,17 %, нерастворимая — 0,18 %, пептиды и свободные аминокислоты — 0,15 %. По аминокислотному составу эти белки, общее количество которых составляет 0,5 %, имеют признаки кератинов. Наряду с белком в эмали обнаружены липиды (0,6 %), цитраты (0,1 %), полисахариды (1,65 мг углеводов на 100 г эмали). Таким образом, эмаль имеет следующий состав: неорганические вещества — 95 %, органические — 1,2 %, вода — 3,8 %. В соответствии с данными других авторов содержание органических веществ достигает 3 %.
Рис. 3.19. Шлиф корня зуба с дентинными канальцами х 400
Дентин (dentinum). Дентин, составляющий основную массу зуба, менее обызвествлен, чем эмаль. В нем содержится 70–72 % неорганического и 28–30 % органического вещества и воды. Основу неорганического вещества составляют фосфат кальцин (гидроксиапатит), карбонат кальция и в небольшом количестве фторид кальция. В его составе имеются также многие макро- и микроэлементы.
Органическое вещество дентина состоит из белков, липидов и полисахаридов. Аминокислотный состав белков типичен для коллагенов: большое количество глицина, пролина, оксипролина и отсутствие серосодержащих аминокислот.
Основное вещество дентина пронизано множеством дентинных трубочек (рис. 3.19). количество которых колеблется от 30 000 до 75 000 на 1 мм2 дентина. В дентинных трубочках (канальцах) циркулирует дентинная жидкость, которая доставляет органические и неорганические вещества, участвующие в обновлении дентина.
В дентине происходят выраженные обменные процессы, что обусловлено его составом и структурой. В первую очередь это относится к белку дентина. Известно, что молекула коллагена способна к обновлению аминокислотного состава. Наличие дентинных канальцев и циркулирующей в них дентинной жидкости создает необходимые условия для обмена органических и неорганических веществ. Клиническим подтверждением наличия обменных процессов является изменение структуры и состава дентина при воздействии различных факторов на твердые ткани зуба: хронической механической травмы, химических, возрастных изменений и др. Гистологическими исследованиями установлено, что внутренние отделы околопульпарного дентина (предентина) коронки зуба имеют нервные окончания, которые являются чувствительными, а возможно, и эфферентными.
Большинство авторов считают, что нервные волокна в обызвествленный дентин на всю его толщину не проникают. Электронно-микроскопическими исследованиями также не установлено наличия нервных волокон в обызвествленном дентине, что значительно затрудняет трактовку бесспорного клинического факта — чувствительности дентина (передача боли при препарировании твердых тканей и воздействии на них химических и температурных раздражителей).
Существуют две теории, пытающиеся объяснить эти факты. Avey, Repp (1959) установили, что дентинные отростки одонтобластов на всем протяжении содержат большое количество ацетилхолинэстеразы, которая, как известно, играет важную роль в передаче нервного импульса. На основании этого авторы предположили, что восприятие и передача болевых раздражений как раз и происходят по отросткам одонтобластов. Этим самым авторы наделили их свойством, которое присуще нервным волокнам. Branstrfim (1966) выдвинул теорию гидродинамического механизма возникновения боли при воздействии раздражителей. Автор исходил из того, что дентин представляет собой ткань. пронизанную многочисленными трубочками, заполненными дентинной жидкостью. Любое воздействие на дентин вызывает перемещение этой жидкости в рецепторный аппарат пульпы зуба. Экспериментальными исследованиями установлено, что при высушивании поверхности дентина, а также при перегревании тканей зуба в процессе препарирования происходит перемещение ядра одонтобласта в отросток, что может свидетельствовать о выраженных физико-химических изменениях в нем.
Цемент (cementum). Прослойка ткани, покрывающая корень зуба, состоит из 68 % неорганических и 32 % органических веществ. По химическому составу и структуре цемент напоминает грубоволокнистую кость. Основное вещество цемента, пропитанное солями кальция, пронизано коллагеновыми волокнами, которые соединяются с такими же волокнами костной ткани альвеолы. Различают бесклеточный цемент, располагающийся по всей поверхности корня, и клеточный, который покрывает верхушку корня, а в многокорневых и область бифуркации. В отличие от кости цемент не имеет кровеносных сосудов.
Функция эмали зуба. При рассмотрении химического состава и структуры эмали зуба выявляется ряд особенностей, так как это бессосудистая и самая твердая ткань организма. Кроме того, эмаль остается относительно неизменной в течение всей жизни человека. Указанные свойства объясняются функцией, которую она выполняет.
Эмаль зуба защищает дентин и пульпу от внешних механических, химических и температурных раздражителей.
Только благодаря этому зуб осуществляет свое назначение — откусывание и измельчение пищи. Структурные особенности эмали — самой минерализованной и твердой ткани в организме — приобретены в процессе филогенеза.
Выделяют 4 стадии развития зубов в филогенезе (И.Г. Лукомский). В I стадии у низших позвоночных, главным образом у рыб, форма зуба коническая и представляет собой ороговевшие сосочки слизистой оболочки — гомодонтный прикус. Во II стадии зубы по форме отличаются друг от друга — гетеродонтный прикус. В III стадии (высшие позвоночные) проявляется четкое дифференцирование зубов. В IV стадии зубы человека — прикус начинает редуцироваться. Автор имеет в виду уменьшение количества зубов с 44 у животных до 32 у человека. При этом произошли выраженные изменения в составе и структуре тканей зуба.
Таким образом, в процессе эволюции была сформирована ткань, надежно защищающая подлежащие дентин и пульпу от любого рода раздражителей. Во время жевания зубы человека выдерживают значительное давление. При сокращении жевательной мускулатуры давление на зубы достигает 130 кг. Выдержать такое давление ткани зуба могут только при значительной твердости, что достигается благодаря большой минерализации. При этом эмаль утратила ряд свойств, характерных для других тканей. Вследствие того, что в ней отсутствуют нервные волокна и рецепторы, а также сосуды, она лишена способности реагировать на всякого рода раздражители и восстанавливать утраченную часть ткани — способности регенерации. Наряду с этим эмаль в течение всей жизни человека способна поддерживать постоянство своего состава. Единственное сохранившееся свойство, которое играет важную роль в поддержании физиологических особенностей эмали, является проницаемость — способность пропускать воду и растворенные в ней ионы ряда веществ.
Рис. 3.20. Проникновение радиоактивного глицина в ткани зуба с его поверхности. Авторадиограмма.
Явление проницаемости эмали зуба осуществляется благодаря омыванию зуба (эмали) снаружи ротовой жидкостью, со стороны пульпы — тканевой жидкостью и наличию пространств в эмали, заполненных жидкостью.
Возможность проникновения красок, воды и некоторых ионов известна с конца прошлого и начала нашего столетия. Так, Bedecker утверждал, что зубная лимфа может проходить через эмаль, выполняя двойную функцию: нейтрализовать молочную кислоту и медленно увеличивать плотность эмали зуба за счет содержащихся в ней минеральных солей.
В настоящее время проницаемость эмали изучена довольно подробно, что позволило пересмотреть ряд ранее существующих представлений. Если ранее считали, что вещества в эмаль поступают по пути пульпа — дентин — эмаль, то в настоящее время не только установлена возможность поступления веществ в эмаль из слюны, но и доказано, что этот путь является основным (рис. 3.20). Эмаль проницаема в обоих направлениях: от поверхности эмали к дентину и пульпе и от пульпы к дентину и поверхности эмали. На этом основании эмаль зуба считают полупроницаемой мембраной. Fosdier указывает, что проницаемость есть главная причина созревания эмали зубов после прорезывания. По его мнению, в зубе проявляются обычные законы диффузии. При этом вода (эмалевая жидкость) проходит со стороны малой молекулярной концентрации в сторону высокой, а молекулы и диссоциированные ионы проходят со стороны высокой концентрации в сторону низкой концентрации.
В настоящее время имеются бесспорные доказательства проникновения в эмаль и дентин зуба из слюны многих неорганических и органических веществ. Показано, что при нанесении на поверхность интактной эмали раствора радиоактивного кальция (45Са) он уже через 20 мин обнаруживался в поверхностном слое. При более длительном контакте раствора с зубом 45Са проникал на всю глубину эмали до эмалево-дентинного соединения. В аналогичных исследованиях установлено включение радиоактивного фосфора в дентин и эмаль интактного зуба животного после внутривенного введения или аппликации раствора Na2HP32O4 на поверхность зуба.
Рис. 3.21 Проникновение радиоактивного кальция в эмаль зуба после действия кислоты. Авторадиограмма.
а — контрольный зуб; б — после 30-минутной аппликации молочной кислоты (pH 4,5).
Выявленные закономерности проникновения кальция и фосфора в эмаль зуба из слюны послужили теоретической предпосылкой для разработки метода реминерализации эмали, применяемой в настоящее время с целью профилактики и лечения на ранней стадии кариеса.
В настоящее время установлено, что в эмаль зуба из слюны проникают многие неорганические ионы, причем некоторые из них обладают высокой степенью проницаемости. Так, при нанесении раствора радиоактивного йодида калия (К131I) на поверхность интактных клыков кошки он через 2 ч был обнаружен в щитовидной железе.
Длительное время считалось, что органические вещества не проникают в эмаль зуба. Однако при помощи радиоактивных изотопов было установлено проникновение в эмаль и даже дентин аминокислот, витаминов, токсинов через 2 ч после нанесения их на неповрежденную поверхность зубов собаки.
В настоящее время изучены некоторые закономерности этого важного для эмали явления. Установлено, что уровень проницаемости может изменяться под воздействием ряда факторов. В значительной степени проницаемость зависит от проникающего агента. Одновалентные ионы более проницаемы, чем двухвалентные. Важное значение имеют заряд иона, pH среды, активность ферментов и др. Наряду с этим уровень проницаемости зависит и от структуры эмали. Так, проницаемость эмали постоянных зубов человека снижается с возрастом. Электрофорез, ультразвуковые волны, низкое значение pH (рис. 3.21) усиливают проницаемость эмали. В значительной степени усиливается проницаемость эмали под воздействием фермента гиалуронидазы, количество которой в полости рта увеличивается при наличии микроорганизмов. Особенно следует указать на изменение проницаемости эмали (увеличение) под зубным налетом. Еще более выраженное изменение проницаемости эмали наблюдается, если к зубному налету имеет доступ сахароза.
Особого внимания заслуживает изучение распространения ионов фтора в эмали. При аппликации раствора фторида натрия ионы фтора быстро проникают на небольшую глубину (несколько десятков микрометров) и, как считают некоторые авторы, включаются в кристаллическую решетку эмали. Следует отметить, что после обработки поверхности эмали раствором фторида натрия проницаемость эмали резко снижается. Этот фактор имеет важное значение для клиники, так как определяет последовательность обработки зуба в процессе реминерализующей терапии.
Механизм и пути проницаемости эмали. Эти вопросы до настоящего времени не нашли окончательного разрешения, хотя многие аспекты изучены достаточно подробно. В первую очередь следует указать на наличие в эмали системы мельчайших пространств, в которые могут проникать небольшие молекулы.
Большинство исследователей считают, что основным условием проникновения в эмаль зуба различных ионов и анионов является разность осмотических давлений межклеточной жидкости пульпы и ротовой жидкости на поверхность зуба. Так как слюна значительно богаче фосфатами, ионами кальция и другими ионами, чем интерстициальные жидкости (эмалевая жидкость), ионы перемещаются из слюны в эмаль зуба. Процесс этот сложный и может изменяться под воздействием многих факторов: концентрации веществ, ферментативной активности, pH, механической нагрузки на зуб и др.
Глубина проникновения веществ зависит также от многих факторов. Так, ионы кальция, фосфатов, фтора активно адсорбируются в поверхностных слоях эмали (при условии их кратковременного контакта) в силу сродства проникающих ионов к веществам, из которых состоит проницаемая структура.
Вызывает некоторое затруднение объяснение факта проникновения на всю глубину эмали органических веществ (аминокислот глицина, лизина и др.) при нанесении их на поверхность эмали. Установлено, что органические вещества проникают с поверхности в глубокие слои по образованиям, содержащим большое количество органического вещества (ламеллы, веретена и др.). В эксперименте обнаружено проникновение органических веществ в эмаль только из слюны. Аминокислоты, витамины со стороны дентина в эмаль не проникают.
При изучении процесса проникновения неорганических и органических веществ в эмаль зуба неизбежно встает вопрос о роли слюны — среды, в которой постоянно находится зуб, так как проникновение веществ в эмаль возможно только при наличии жидкой среды, при условии растворения веществ. Смачивание поверхности зуба слюной обусловливает физиологическое состояние твердых тканей (в частности, эмали) зуба, при котором поддерживается постоянство состава этой ткани и осуществляется выполнение ее основной функции — защиты подлежащих тканей от внешних раздражителей.
Созревание эмали зуба. Такое выражение широко распространено в зарубежной литературе и меньше — в нашей. Под созреванием подразумевается увеличение содержания кальция, фосфора, фтора и других компонентов и совершенствование структуры эмали зуба. Поводом для изучения этого вопроса послужили многочисленные наблюдения изменения зубов и особенно эмали после прорезывания. Одним из важных является тот факт, что у пожилых людей зубы более устойчивы к действию деминерализующих растворов. При дальнейших исследованиях установлено, что минеральный состав и структура эмали и дентина с возрастом изменяются. Считалось, что изменение химического состава зависит от поступления веществ через пульпу. Позднее выявлено, что изменение минерального состава эмали обусловлено поступлением из слюны различных веществ.
В настоящее время установлено, что в эмали после прорезывания зуба происходит накопление кальция и фосфора, наиболее активно — в первый год после прорезывания зуба, когда кальций и фосфор накапливаются во всех слоях различных зон эмали. В дальнейшем резко замедляется накопление фосфора, а после 3-летнего возраста — кальция. По мере созревания эмали и увеличения содержания минеральных компонентов растворимость поверхностного слоя эмали по показателям выхода в биоптат кальция и фосфора снижается. Установлена обратная зависимость между содержанием кальция и фосфора в эмали и кариесом. Поверхность зуба, где эмаль содержит больше кальция и фосфора, значительно реже поражается кариесом, чем поверхность зуба, эмаль которого содержит меньшее количество этих веществ.
В созревании эмали важная роль принадлежит фтору, количество которого после прорезывания зуба постепенно увеличивается. Добавочное введение фтора снижает растворимость эмали и повышает ее твердость. Из других микроэлементов, влияющих на созревание эмали, следует указать на ванадий, молибден, стронций.
Механизм созревания эмали изучен недостаточно. Считают, что при этом происходят изменения в кристаллической решетке, уменьшается объем микропространств в эмали, что приводит к увеличению ее плотности.
Данные о созревании эмали имеют важное значение в профилактике кариеса, так как но ним можно определить оптимальные сроки проведения обработки реминерализующими препаратами. При недостатке фтора в питьевой воде именно в период созревания эмали необходимо дополнительное введение фтора как внутрь, так и местно, что может быть осуществлено полосканием фторсодержащими растворами, чисткой зубов фторсодержащими пастами и другими способами.
Жизненность эмали. Вопрос о жизненности эмали нередко возникает и в настоящее время. Если рассматривать его в историческом аспекте (примерно в течение последних 100 лет), то можно выделить три периода. В конце прошлого и начале нашего столетия эмаль считали неживой тканью. В 40— 50-е годы появились работы И. Г. Лукомского, А. Э. Шарпенака и др., в которых приводились доводы в пользу того, что эмаль — живая ткань. Этот период характеризовался резким изменением в подходе к поискам причин возникновения кариеса. В общих чертах его можно определить как период трактовки любых патологических изменений в эмали с позиций нарушения обменных процессов в организме. Исходной платформой при таком подходе являлось определение эмали как живой ткани, в которой происходит обмен веществ, в том числе и обновление белкового компонента.
Для третьего периода, начавшегося после 1950 г., характерно детальное изучение структуры и процессов, происходящих в эмали, на основании которых было сделано заключение, что в эмали не обнаруживаются признаки биологического обмена, а протекающие в ней процессы объяснимы физико-химическими законами. Так, в эмаль неорганические и органические вещества в основном проникают из слюны, и в эмали не обнаружено обновления белковых молекул.
