Mechanizmy obronne narządu zębowego Mechanizmy obronne miazgi zęba Miazga zęba reaguje na inwazję bakterii z ogniska próchniczego Bakterie wnikają do miazgi przez kanaliki zębinowe Komórkami pierwszego kontaktu są odontoblasty bakterie Zdrowy ząb Próchnica Pierwsza reakcja odontoblastów na patogeny odontoblasty maja receptory rozpoznające wzorzec związanie patogenów z receptorami powoduje aktywację odontoblasta aktywowany odontoblast: - wydziela substancje bakteriobójcze: defenzyny i NO - wydziela cytokiny przyciągające do brzeżnej strefy miazgi inne komórki uczestniczące w procesach obronnych jako pierwsze w tym rejonie gromadzą się komórki dendrytyczne (prezentujące antygeny). próchnica Potem dołączają inne komórki obecne w miazdze, a nowe migrują do miazgi z naczyń krwionośnych Komórki obronne miazgi neutrofile makrofagi komórki dendrytyczne limfocyty Th limfocyty Tc limfocyty Treg limfocyty NK limfocyty B (bardzo nieliczne) Komórki dendrytyczne obecne w miazdze są czynnościowo niedojrzałe. Dojrzewają po kontakcie z antygenami, większość z nich migruje do węzłów chłonnych Jeżeli proces zapalny ma umiarkowane nasilenie, odontoblasty przeżywają i wytwarzają zębinę odczynową. Zębina odczynowa ma prawidłową strukturę, mogą się w niej tworzyć przestrzenie międzykuliste. zębina Fazy procesu obronnego w miazdze i reakcja odontoblastów 2 Po zamknięciu wrót zakażenia (wypełnienie ubytku) i leczeniu proces zapalny wygasa. zębina odczynowa. Wczesny proces zapalny: żywy odontoblast, może częściowo wycofywać wypustkę z kanalika zębinowego 2. Zaawansowany proces zapalny: odontoblast przeżywa lub obumiera. Proces naprawczy: tworzenie zębiny odczynowej lub naprawczej
Jeżeli proces zapalny ma duże nasilenie i zawodzą mechanizmy obronne, dochodzi do śmierci odontoblastów. Z obecnych w miazdze komórek macierzystych różnicują się tzw. komórki odontoblastopodobne (ang. odontoblast-like cells), które wytwarzają zębinę naprawczą. Typy zębiny naprawczej: zębina bezkanalikowa osteozębina (komórki w jamkach uwięzione podczas mineralizacji) wazozębina (zawiera kanały z naczyniami) Komórki odontoblastopodobne mogą mieć charakter zbliżony do odontoblastów lub osteoblastów, a zębina naprawcza ma zaburzoną strukturę. Mechanizmy obronne przyzębia Wrotami zakażenia jest szczelina dziąsłowa, szczególnie w przypadku obecności płytki nazębnej lub kamienia nazębnego (źródło bakterii chorobotwórczych). Barierę dla patogenów stanowi wewnętrzny nabłonek wolnego dziąsła (nabłonek szczeliny) oraz złącze szkliwno-nabłonkowe. W obu przypadkach jest to nabłonek nierogowaciejący, charakteryzuje go szybkie tempo proliferacji i wymiany komórek. Nabłonek szczeliny zawiera komórki Langerhansa Nabłonek cechuje znaczna przepuszczalność, komórki są połączone głównie desmosomami i strefami przylegania, nie ma jednak ciągłych stref zamykających. blaszki podstawne Złącze szkliwno-nabłonkowe nierogowaciejący nabłonek dziąsła styka się ze szkliwem po obu jego stronach są blaszki podstawne blaszka podstawna od strony szkliwa (wewnętrzna) to zmodyfikowana błonka pierwotna szkliwa: nie zawiera kolagenów, nie tworzy sieci molekularnej, zbudowana ze specjalnego typu lamininy (laminina 5) komórki nabłonka połączone są desmosomami, a z blaszkami podstawnymi łączą je półdesmosomy elementami łączącymi w półdesmosomach są integryny szkliwo W zdrowym przyzębiu: szybka wymiana komórek nabłonka złuszczanych do szczeliny dziąsłowej i przepływ płynu szczeliny dziąsłowej przeciwdziałają kolonizacji bakterii obie blaszki podstawne złącza szkliwnonabłonkowego są barierą dla patogenów, ale umożliwiają przechodzenie komórek obronnych, cytokin i przeciwciał z podnabłonkowych naczyń do płynu szczeliny Reakcja zdrowego przyzębia na patogeny obecne w szczelinie dziąsłowej komórki nabłonka mają receptory rozpoznające wzorzec po aktywacji wydzielają: - substancje bakteriobójcze (defenzyny, katelicydyny) - cytokiny chemotaktyczne, aktywujące migrację leukocytów z naczyń komórki Langerhansa migrują z nabłonka do węzłów chłonnych i inicjują odpowiedź immunologiczną Początek procesu destrukcji przyzębia bakterie wydzielają czynniki: - rozluźniające połączenia międzykomórkowe w nabłonku - degradujące składniki blaszek podstawnych następuje degradacja blaszek podstawnych i częściowe rozszczelnienie złącza szkliwno-nabłonkowego, co otwiera wrota dla bakterii w blaszce właściwej dziąsła gromadzą się migrujące z naczyń neutrofile, makrofagi i limfocyty rozpoczyna się proces zapalny 2
Dalszy postęp procesu zapalnego: nabłonek złącza obumiera (działanie toksyn bakteryjnych) enzymy (metaloproteinazy) wydzielane głównie przez neutrofile, ale także przez aktywowane komórki nabłonka i bakterie - niszczą złącze i powodują jego całkowite rozszczelnienie (wytworzenie kieszonki przyzębnej) - niszczą włókna kolagenowe dziąsła BIOMINERALIZACJA wzrost poziomu RANKL (wydzielanego m.in. przez limfocyty T) wywołuje wzmożony napływ i aktywację osteoklastów, które nadtrawiają kość wyrostka zębodołowego Biomineralizacja: wymaga odpowiedniego lokalnego stężenia jonów tworzących złogi mineralne z reguły prowadzi do powstawania form krystalicznych minerałów przebiega zgodnie z fizykochemicznymi prawami krystalizacji rozpoczyna się od nukleacji tworzenia licznych punktów krystalizacji na matrycy organicznej potem następuje wzrost kryształów, które mogą łączyć się ze sobą CZYNNIKI REGULUJĄCE PROCES BIOMINERALIZACJI Powszechne prawa fizyko-chemiczne Kontrola genetyczna realizowana poprzez produkcję substancji organicznych (białek strukturalnych i czynnościowych oraz innych makrocząsteczek), które modyfikują ogólne i lokalne stężenia jonów mających tworzyć kryształy oraz regulują proces nukleacji i wzrostu kryształów Genetyczna kontrola biomineralizacji znajduje wyraz w filo- i ontogenetycznym podobieństwie kości i zmineralizowanych tkanek zęba Typy mineralizacji Mineralizacja fizjologiczna: kość, zmineralizowane tkanki zęba (szkliwo, zębina, cement) Mineralizacja patologiczna (ektopowa) (naczynia krwionośne, zastawki serca, kamień nazębny) z normokalcemią - zależy od lokalnych zmian matrycy organicznej z hyperkalcemią - zależy od wzrostu poziomu Ca Komórkowe i pozakomórkowe elementy uczestniczące w kontroli mineralizacji struktury cytoplazmatyczne: - wewnątrzkomórkowe zbiorniki jonów Ca (gładka siateczka) - pęcherzyki macierzy składniki substancji pozakomórkowej zdolne do wiązania jonów Ca (często w sposób przypominający układ sieci krystalicznej) lub pośrednio wpływające na proces mineralizacji: - sialoproteina kości - białka zębiny: fosfoforyna (DPP) i sialoproteina zębiny (DSP), białko macierzy zębiny DMP- - białka szkliwa: amelogeniny, enameliny - kolagen - białka niekolagenowe kości: osteonektyna, osteokalcyna, osteopontyna (SP-) i inne - białka adhezyjne: fibronektyna, trombospondyna - proteo/glikozoaminoglikany: dekoryna, biglikan - enzymy: metaloproteinazy i ich inhibitory (TIMP) modyfikujące gęstość i układ makrocząsteczek substancji pozakomórkowej
Gładka siateczka śródplazmatyczna zawiera białko wiążące jony Ca w błonie: - pompa wapniowa (gromadzenie jonów Ca) - kanały wapniowe (uwalnianie jonów Ca) Pęcherzyki macierzy odszczepione od komórek pęcherzyki (0-200 nm) otoczone błoną komórkową i zawierające - fosfatazy (zasadowa, pirofosfataza, ATP-aza) - lipidy (cholesterol, fosfatydyloseryna) - aneksyny (białka wiążące Ca i fosfolipidy) Aneksyny działają poprzez: - formowanie kompleksów Ca-fosforan-lipid - tworzenie w błonie pęcherzyka kanałów dla Ca - wiązanie pęcherzyka z kolagenem Udział pęcherzyków macierzy w mineralizacji Faza pęcherzykowa mineralizacji: błona pęcherzyków wiąże proteoglikany które wiążą i zatrzymują jony Ca komórka wydziela metaloproteinazy trawiące proteoglikany, co uwalnia jony Ca jony Ca są transportowane do wnętrza pęcherzyków przez kanały (aneksyny) fosfataza zasadowa i pirofosfataza odszczepiają od ufosforylowanych substratów reszty fosforanowe wewnątrz pęcherzyków dochodzi do powstawania fosforanów wapnia (nukleacja), pierwsze złogi mineralne są bezstrukturalne lub mają niedoskonałą strukturę krystaliczną i dopiero później ulegają przebudowie do bardziej stabilnych kryształów hydroksyapatytowych. Faza włóknista mineralizacji: wzrost kryształów prowadzi do rozerwania pęcherzyków i rozprzestrzeniania się kryształów w istocie międzykomórkowej proces ten wspomagany jest przez nukleatory składniki istoty międzykomórkowej wiążące jony w ten sposób, że ich zagęszczenie i układ zbliżone są do mającej powstać sieci krystalicznej proces postępuje wzdłuż włókien kolagenowych Mineralizacja tkanek zęba przy udziale pęcherzyków macierzy dotyczy tylko cementu pierwotnego i pierwszych pokładów zębiny (które staną się zębiną okrywową). Mineralizacja pozostałej zębiny i szkliwa odbywa się bezpośrednio na matrycy organicznej tu zachodzi nukleacja. Mineralizacja zębiny Składniki matrycy organicznej zębiny wpływające na mineralizację kolageny (typ I, III, V): ukierunkowują mineralizację (wzdłuż włókien kolagenowych) sialofosfoproteina zębiny (DSPP): hamuje mineralizację fosfoforyna (fosfoproteina zębiny, DPP) i sialoproteina zębiny (DSP) powstają w przestrzeni pozakomórkowej w wyniku cięcia DSPP przez metaloproteinazy; wiążą jony Ca, inicjują tworzenie kryształów hydroksyapatytów i ich dojrzewanie białka obecne również w tk. kostnej: (osteonektyna, osteopontyna, sialoproteina kości, kwaśna glikoproteina kości, białka bogate w kwas γ-karboksyglutaminowy (GLA), białko macierzy zębiny (DMP-) - uczestniczą w mineralizacji proteoglikany (dekoryna, biglikan, lumikan): wpływają na mineralizację zębiny fosfolipidy (głównie w froncie mineralizacji, z reguły występują razem z proteoglikanami, uczestniczą w regulacji tworzenia kryształów HA) enzymy (fosfatazy, metaloproteinazy, lipazy): uczestniczą w zmianach składników organicznych związanych z procesem mineralizacji Dlaczego zębina jest zmineralizowana a prezębina nie? Odontoblasty (podobnie jak osteocyty kości) mogą przeżyć jedynie w kontakcie z niezmineralizowaną macierzą Czynniki utrzymujące prezębinę w stanie niezmineralizowanym: inhibitory mineralizacji (DSPP) brak promotorów mineralizacji Czynniki mineralizacji zębiny: wydzielane przez wypustkę odontoblasta (jony Ca, składniki substancji podstawowej, enzymy) powstające pozakomórkowo: DSPP jest cięta na DPP i DSP, proteoglikany ulegaja modyfikacji: - dekoryna i biglikany tracą łańcuchy GAG a ich białka rdzeniowe tworzą punkty sieciowania kolagenu; - lumikan i fibromodulina wiążą jony Ca w swoich łańcuchach keratosiarczanów Mineralizacja ogniskowa (kalkosferyty) i warstwowa 4
Transport wypustkowy Odontoblasty Prezębina Front Zębina (niezmineralizowana) mineralizacji Hamowanie mineralizacji Aktywacja Stabilizacja mineralizacji kryształów hydroksy- Inhibitory mineralizacji: Aktywatory: apatytów sialofosfoproteina fosfoforyna (DPP) zębinowa (DSPP) sialoproteina zębinowa (DSP) proteoglikany (PG) białko macierzy białka GLA zmienione PG enzymy Mineralizacja szkliwa Początek: nukleacja pierwszych kryształów szkliwa zachodzi na granicy z zębiną (złącze szkliwno-zębinowe) pierwsze kryształy mają charakter fosforanów ośmioi trójwapniowych (nie hydroksyapatytów) kryształy ulegają następnie połączeniu z drobniejszymi kryształami hydroksyapatytowymi zębiny Czynniki niezbędne w procesie mineralizacji: ekspresja genu DSPP (jego produkt odgrywa istotną rolę w dentynogenezie, ale jest też niezbędny do zapoczątkowania mineralizacji szkliwa) strukturalne białka szkliwa: amelogeniny, enameliny i ameloblastyny oraz enzymy: enamelolizyna (metaloproteinaza MMP-20, częściowo trawi białka szkliwa w pierwszej fazie mineralizacji) i kalikreina-4 (trawi białka szkliwa w końcowej fazie mineralizacji) Rola amelogenin w mineralizacji szkliwa. Nukleacja: zawiązki kryształów hydroksyapatytów powstają wokół cząsteczek białka P2 (produkt trawienia enamelin). 2. Po wydzieleniu z ameloblastów amelogeniny tworzą nanosfery (5-20 nm) układające się wokół powstających kryształów.. Cząsteczki amelogenin są nadtrawiane (odcięcie 25 aminokwasów), co zmienia ich charakter z hydrofilnego na hydrofobowy. 4. To umożliwia agregację nanosfer wokół rosnących kryształów, co zapobiega ich bocznej fuzji. 5. Pod koniec wzrostu kryształów nanosfery są trawione i resorbowane przez ameloblasty 6. Kryształy mogą nadal zwiększać grubość, ale nie ulegają już fuzji (pozostaje między nimi nieco białek) wydzielanie agregacja nanosfery tworzenie nanosfer trawienie Mineralizacja cementu rozpoczyna się już w pierwszym okresie cementogenezy cementoblasty uwalniają pęcherzyki macierzy, które indukują tworzenie ognisk mineralizacji w pierwotnym cemencie; ogniska te rosną i zlewaja się ze sobą po zakotwiczeniu w cemencie zewnatrzpochodnych włókien kolagenowych (więzadłowych) mineralizacja postępuje wzdłuż włókien cementu najpierw pierwotnego, potem wtórnego (już bez dalszego udziału pęcherzyków macierzy) Mineralizacja płytki nazębnej (tworzenie kamienia nazębnego) jest przykładem mineralizacji ektopowej źródłem jonów (wapniowych, fosforanowych, węglanowych) jest ślina i płyn szczeliny dziąsłowej mechanizm zapoczątkowania mineralizacji jest niejasny: rolę mogą tu odgrywać substancje bakteryjne, wzrost ph śliny i organiczne składniki płytki nazębnej procesy zapalne przyzębia nasilają mineralizację płytki mineralne składniki kamienia nazębnego: - hydroksyapatyty 50% - inne odmiany fosforanów wapnia 50% 5