Ученые впервые применили синхротронную инфракрасную наноспектроскопию, чтобы понять, как развивается кариес. В рамках этого подхода авторы сравнивали спектры поглощения здоровых и пораженных кариесом минерализованных тканей зуба при их взаимодействии с инфракрасным излучением. Такой метод позволил на уровне отдельных нанокристаллов апатита, составляющих эмаль, отследить изменение наноструктуры и химического состава ткани. Полученные знания помогут лучше понять причины и этапы разрушения зубной эмали, а также улучшить профилактику развития кариеса. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Nano-Structures & Nano-Objects.
По статистике, во всем мире от кариеса страдают около 3,5 миллиарда человек. Кариес возникает из-за деятельности бактерий: они превращают сахара, поступающие с пищей, в кислоты, разрушающие эмаль. В результате структура органических и неорганических (преимущественно апатита) частей зубной эмали изменяется, после чего поражение распространяется и на нижележащие ткани. Однако до сих пор ученым не удавалось проследить за тем, как разрушается эмаль на начальном этапе кариеса — на уровне отдельных нанокристаллов апатита.
Ученые из Воронежского государственного университета предложили использовать для исследования твердых тканей зуба синхротронную инфракрасную наноспектроскопию. Это метод, при котором образцы облучают инфракрасным светом, сгенерированным на синхротроне — ускорителе частиц, а затем с использованием атомно-силового микроскопа измеряют локальное поглощение инфракрасного света образцом с наномасштабным пространственным разрешением. Такой подход позволяет получать данные о наноструктуре анализируемого объекта.
Авторы исследовали пять человеческих зубов, пораженных кариесом. Из них с помощью алмазного лезвия вырезали здоровые участки и места с зубными канавками, образующимися при кариесе. Образцы сначала проанализировали с помощью обычного оптического микроскопа, чтобы доказать наличие кариеса и оценить его внешние проявления.
Исследование микроструктуры ткани показало, что здоровая эмаль имеет гладкую и ровную поверхность, образованную равномерно и плотно упакованными нанокристаллами апатита. В месте поражения кариесом в эмали возникали отдельные агломераты — островки — кристаллов апатита.
Затем ученые с помощью синхротронной инфракрасной наноспектроскопии получили спектры поглощения от здоровых и пораженных кариесом образцов. Оказалось, что появление структурных изменений внутри кристаллов апатита при кариесе приводит к перераспределению интенсивностей полос поглощения в спектре. Эти полосы отображают, какие длины волн материал преимущественно поглощает, а какие рассеивает. Наибольшие изменения наблюдаются в диапазоне длин волн 1150–1090 обратных сантиметров, на которых поглощает апатит. По ним авторы определили, что в месте поражения эмали кристаллическая решетка апатита деформируется, кроме того, в области кариеса увеличивается количество кислых фосфатов. В норме их доля не превышает 3%, а при кариесе возрастает до 25%. Кислые фосфаты появляются в эмали под действием кислот, которые производят присутствующие на зубах бактерии в процессе жизнедеятельности.
Наблюдения также показали, что максимальное разрешение при измерениях, которого можно достичь с помощью такого подхода, составляет 25 нанометров (что сопоставимо с размерами мелких вирусов). Благодаря этому по спектрам поглощения образцов эмали можно выявить нарушения структуры ткани, которые невозможно увидеть под микроскопом.
«Разработка новых высокоточных методик выявления и исследования кариеса даст не только значимый научный, но и социальный эффект, поскольку позволит предложить более эффективные способы профилактики заболеваний зубов. Это, в свою очередь, поможет ускорить переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, которые входят в приоритетные направления развития нашей страны», — рассказывает основной исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Середин, заведующий кафедрой физики твердого тела и наноструктур Воронежского государственного университета.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
