Спектроскопічна сигнатура патологічних процесів каріозного дентину на основі FTIR

Павло Середін

1 Кафедра фізики твердого тіла та наноструктур Воронезького державного університету, м. Воронеж, пл. 1, 394018, Росія

2 Уральський федеральний університет, вулиця Миру, 19, Катеринбург, 620002, Росія

Дмитро Голощапов

Юрій Іпполітов

3 кафедра дитячої стоматології з православ'ям, Воронезький державний медичний університет, м. Воронеж, вул. Студентська 11, 394006, Росія

Jitraporn Vongsvivut

4 Австралійський синхротрон (Synchrotron Light Source Australia Pty LTD), 800 Blackburn Rd, Клейтон, VIC 3168, Австралія

Анотація

Метою нашої роботи є пошук спектроскопічної сигнатури патологічних процесів каріозного дентину на основі досліджень молекулярного складу ротових біологічних рідин із застосуванням синхротронних методів FTIR. Цей комплексний аналіз отриманих даних показує, що ряд підписів присутній лише у спектрах дентину та ясенних рідин у пацієнтів, у яких розвивається карієс глибоких тканин дентину. Виявлені особливості та комплексний аналіз кількісних та якісних даних, що свідчать про розвиток патологій ротової порожнини, можуть підвищити якість стоматологічного скринінгу.

1. Вступ

Підвищення якості життя є пріоритетною тенденцією розвитку країни для будь-якої розвиненої країни. У рамках цієї тенденції вивчення розвитку захворювань порожнини рота, спричинених каріогенними процесами, має велике значення завдяки безпосередньому впливу карієсу на здоров’я та професійну діяльність людини [1,2].

Залишається проблемою ефективної персоніфікованої діагностики захворювань тканин глибокого дентину, яка є значною і невирішеною, оскільки запальні процеси в дентині можуть призвести не тільки до втрати частини зуба або навіть цілого зуба, а й до більшої кількості серйозні проблеми, що загрожують здоров’ю людини в цілому [3–5].

Природна реакція дентину на каріозний напад, особливо на ранніх стадіях розвитку патології, є основним предметом деяких найсучасніших досліджень [3,5,6]. В даний час ці зміни можна контролювати, головним чином, за допомогою набору методів швидкого аналізу, заснованих на аналізі слини [7–9] та язично-ключичній рідині [10,11], або запальних факторах згідно з аналізом сироватки [12–14]. Однак ці біологічні рідини не контактують безпосередньо з дентином, і зміни в їх складі можуть відбуватися внаслідок системних захворювань людини, інфекцій та травм та результатів різних подразників [15–18].

Ідеальним кандидатом на роль нового скринінгового об'єкта може бути дентинова рідина, яка відіграє важливу роль у розвитку карієсу дентину [19]. Дентинова рідина є похідним плазми крові, що містить білки сироватки, імуноглобуліни та розчинені мінеральні речовини [20]. Дентинова рідина переміщується з пульпи зуба, заповнює розгалужені проліферуючі дентинові канали, циркулює всередині них і активно взаємодіє з тканиною дентину. Бактеріальне проникнення в зубні канали відбувається внаслідок порушення цілісності зубної емалі та цементу [21,22]. У цьому випадку бактеріальні метаболіти дифундують через зубні канальці і викликають розвиток патологічних процесів у глибоких тканинах зубів [19]. Таким чином, дуже ймовірно, що рідина дентину та маркери патологічних процесів у твердих зубних тканинах, що містяться в ній, можуть потрапляти в ясенну борозни через дентинові канальці і, таким чином, змішуватися з рідиною із борозни, яка є сироватковим транссудатом [19]. Попередні дослідження показали, що в дентиновій рідині можна виявити характерний набір білків та інших молекул, що свідчить про розвиток патології, інфекції або прогресування запального процесу в тканинах [4,20,23].

На жаль, використання дентинової рідини для діагностики розвитку патології в глибоких тканинах зубів у людини дуже складне. Основна складність такого діагностичного підходу - складний алгоритм, що включає екстракцію дентинової рідини, особливо у випадку карієсу тріщин, коли необхідно визначити, чи виникають запальні процеси в дентині. Недоцільні та неетичні характеристики цієї процедури очевидні при розгляді початку каріозного процесу та відсутності фактів, що підтверджують запалення в дентині зуба.

Екстракція ясенно-ключичної рідини для діагностики патології дентину набагато простіша, і її молекулярний аналіз з підбором маркерів, що вказують на розвиток каріозних/патологічних процесів дентину, можна виконати за допомогою методів молекулярної ідентифікації [10,11,24]. Тому представляється розумним застосовувати інфрачервону (ІЧ) спектроскопію як потужну техніку експрес-аналізу та інформативний, точний інструмент для вивчення молекулярного та фазового складу біологічних об’єктів [22]. Виділення прогностичних та валідаційних маркерів для розвитку патологічних процесів є окремою сферою інтересів серед проблем, що вирішуються за допомогою ІЧ-перетворення Фур'є (FTIR). ІЧ-спектроскопія може бути використана для визначення рівня пародонтиту [11,25] та схильності до розвитку карієсу, а також для моніторингу його розвитку [7]. На основі даних ІЧ-мікроспектроскопії представляється можливим вивчити зміни молекулярного складу біологічних рідин у ротовій порожнині при розвитку патології.

Література не містить жодної інформації про порівняння молекулярного складу дентину та ясенних рідин під час патологічних змін дентину для виявлення спектроскопічних ознак, тобто маркерів патології.

Тому ми шукали спектроскопічну сигнатуру патологічних процесів каріозного дентину на основі досліджень FTIR крові, дентину та ясенних рідин, а також визначили їх діагностичний потенціал для профілактичного скринінгу патологій ротової порожнини.

2. Матеріали та методи дослідження

2.1 Дизайн експерименту

У дослідженні взяли участь десять учасників (5 чоловіків та 5 жінок) у віці 22–28 років. Усі учасники були здорові та не приймали антибіотики, ліки, не палили та не вживали алкогольних напоїв. Усі учасники не мали жодних записів у своїх медичних картках за 1 рік до початку експерименту. Під час огляду кожен учасник мав зуби з вогнищами ураження, пов’язаними з первинним та вторинним карієсом, на стадії, що відповідає кодам 1 та 2 згідно з Міжнародною системою виявлення та оцінки карієсу (ICDAS). Учасники голодували протягом 12 годин і не пили рідини принаймні протягом 2 годин перед забором їх біологічних рідин. Після попереднього очищення ротової порожнини біологічну рідину відбирали о 10–12 ранку, щоб мінімізувати вплив циркадного ритму. Кожному учаснику було відібрано три зразки біологічної рідини: дентинова рідина, ясенна борозна та рідина.

2.2 Техніка відбору проб

Беручи до уваги досвід ряду досліджень, де капілярний ефект використовувався для отримання мікрооб’ємов рідини із ясенної борозни, ми підготували спеціальні поради для наших досліджень. Ми відбирали біологічні рідини, використовуючи ці наконечники (рис. 1 (а) –1 (в)).

Мікрокапіляри для відбору проб біологічних рідин. (а) Капіляр з ділянками, заповненими (1) чистим KBr, (2) нетканим фільтром та (3) адаптуючою трубою для мікробюрета. (b) Приклад відбору проби рідини з ясенної борозни. (c) Експериментальна установка для вивчення отриманих зразків біологічної рідини (HYPERION 3000).

Нанесений наконечник являє собою мікрокапіляри із зовнішнім діаметром 800 мкм і наповнений гомогенізованим порошком броміду калію (KBr), який був ущільнений за допомогою нетканого фільтра (рис. 1 (а)). KBr використовувався як інертний носій досліджуваної рідини, тоді як його вибір в якості наповнювача базувався на відсутності смуг поглинання в широкому діапазоні ІЧ-спектру.