BIOMINERALIZACJA ODDZIAŁ STOMATOLOGII 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 biomoneralizacji znajduje wyraz w filo- i ontogenetycznym podobieństwie tak kości jak i tkanek twardych zęba Typy mineralizacji Mineralizacja fizjologiczna: chrząstka, kość, tkanki twarde zęba (szkliwo, zębina, cement) Mineralizacja patologiczna: (ektopowa z normokalcemią (zależy od lokalnych zmian matrycy organicznej) -hyperkalcemią (zależy od wzrostu poziomu Ca ++ naczynia krwionośne, zastawki serca GŁÓWNE SZLAKI KONTROLI MINERALIZACJI struktury cytoplazmatyczne: zbiorniki wewnątrzkomórkowe pęcherzyki macierzy obszary istoty pozakomórkowej zdolne do wiązania jonów Ca 2+ (często w sposób przypominający układ sieci krystalicznej) lub wpływające na proces pośrednio: sialoproteina (tkanka kostna) fosfoforyna (zębina) -nukleatory kolagen białka niekolagenowe: osteokalcyna, osteonektyna, osteopontyna (SP-1) białka adhezyjne : fibronektyna, trombospondyna niektóre proteo/glikozaminoglikany: dekoryna, biglikan niektóre białka szkliwa enzymy: metaloperoksydazy i ich inhibitory (TIMP) modyfikujące gęstość i układ makrocząsteczek PĘCHERZYKI MACIERZY w zębie uczestniczą w mineralizacji :zębiny korowej, cementu i kości zębodołu są pęcherzykami otoczonymi błoną komórkową i zawierającymi: fosfatazy: zasadowa, pirofosfataza, ATP-aza, 5`nukleotydaza, glukozo-6-fosfataza i fosfolipaza A2 lipidy: cholesterol, fosfatydyloseryna aneksyny(a): (białka cytoszkieletu wiążące Ca ++ ) A:II, V, VI działają poprzez: wiązanie aktyny A II formowanie kompleksów Ca-fosforan-lipid A V tworzenie kanałów Ca zależnych od potencjału A: V,VI funkcja mechanoreceptoryczna A V (ankoryna C II wiążąca kolagen) E PROCES TWORZENIA (NUKLEACJA) I WZROSTU KRYSZTAŁU (AB) n A + + B - AB + 1 jony Nukleacja wymaga energii wzrost kryształu 1
POZIOMY REGULACJI Hormony: wiele (główne parathormon, kalcytonina) Czynniki lokalne: interleukiny, czynniki wzrostu Witaminy: wiele (główna wit. D3 1,25 hydroksycholekalciferol) Unerwienie, oddziaływanie czynników mechanicznych Mikroskop optyczny - metoda von Kossa Wszystkie działają porzez sterowanie różnicowaniem, dojrzewaniem oraz regulację czynności komórek produkujących matrycę organiczną odpowiedzialną za: nukleację (powstanie układu atomów związanych w sieć) wzrost kryształów PIXE met. oznaczania koncentracji Ca Oba procesy zależą od składu matrycy organicznej i są regulowane przez jego modyfikowanie. Nukleacja wymaga wprowadzenia energii z zewnątrz. * Kolageny ORGANICZNE SKŁADNIKI ZĘBINY * Białka niekolagenowe tworzące rodzinę SIBLING (Small Integrin Binding Ligand N-Linked Glycoproteins) - wysoko ufosforylowane, wybitnie kwaśne (fosfoproteiny), białka takie jak: -fosfoforyny, specyficzne dla zębiny. Wiążą silnie jony Ca ++, uczestniczą w mineralizacji powstające kryształy układają się wzdłuż włókien kolagenowych; - zębinowe Białko Macierzy-1 (DMP-1) indukują powstawanie kryształów nawet bez obecności włókien. - inne białka zębiny takie jak: białka zawierające kwas γ-karboksyglutaminowy, osteonektyna, osteopontyna są odpowiednikami białek tk. kostnej. Proteoglikany: głównie niskocząsteczkowe (biglikan, dekoryna). - sialoproteina I i II ważne w inicjacji i regulacji procesu mineralizacji. Czynniki wzrostu: insulinopodobny czynnik wzrostu, transformujący czynnik wzrostu (TGF podobny do BMP kości). Lipidy: (ok. 2% składu zębiny) występują głównie we froncie mineralizacji kolokalizacja z proteoglikanami (znaczenie w tworzeniu kryształów). 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 - brak promotorów mineralizacji DLACZEGO ZĘBINA JEST ZMINERALIZOWANA A PREZĘBINA NIE? cd. Czynniki indukujące mineralizację w zębinie: -usunięcie inhibitorów mineralizacji przez enzymy -dostarczenie do tego rejonu z ominięciem prezębiny czynników powodujących nukleację - proces regulowany komórkowo (transport wewnątrzcytoplazmatyczny włóknami Tomesa) 2
PREZĘBINA Zahamowanie mineralizacji Fosfosialoproteiny Natywne proteoglikany OD Transport wypustkowy Mineralizacja nukleacja ZĘBINA Fosfoforyny Sialoproteina Bialko macierzy-1 (DMP-1) Białka GLA Enzymy: fosfatazy proteinazy chondroitynazy fosfolipazy Stabilizacja oraz wzrost kryształów BIAŁKA ZĘBINY ICH LOKALIZACIA I ZNACZENIE (cd) Zębinowe Białko Macierzy 1 (DMP-1) Gen zlokalizowany na chromosomie 4 w pobliżu genu dla zębinoowej fosfosialoproteiny (DSPP) W rozwoju najwcześniejsza lokalizacja: jądra odontoblastów oraz aparat Golgiego. Rola białka zarówno w różnicowaniu odontoblastów jak i w mineralizacji W zębinie okrywowej mineralizacja zapoczątkowana jest w pęcherzykach macierzy (są tu niezbędne) i przenosi się na ECM w obrębie kalkosferytów, ich rolę w dalszych pokładach zębiny przejmują w całości białka macierzy W pełni zmineralizowanej zębinie okrywowej najsilniejszą mineralizację wykazuje zębina kanalikowa. SKŁADNIKI SZKLIWA Nieorganiczne (ok. 96%), głównie dwuhydroksyapatyty, tworzące bardzo duże kryształy (układ heksagonalny wymiary 60x30 nm), ich długość może być równa długości pryzmatów. Organiczne: białka podobne do cytokeratyn: amelogeniny (w okresie produkcji szkliwa stanowią 80-90%), enameliny, ameloblastyny, tufteliny, białka enzymatyczne (proteinazy). Sekwencyjna aktywacja genów oraz działanie pozakomórkowych proteinaz zmieniają rodzaj i czynność składników organicznych szkliwa, w zależności od stadium jego dojrzewania. Stąd w skład enamelin (głównych skladników w dojrzałym zębie) wchodzą białka wielkości od 10-160 kd. Białko 32 kd (produkt trawienia enameliny) silnie wiąże jony Ca ++ i działa jako nukleator) ZĄB MINERALIZACJA SZKLIWA Dawny pogląd: inicjacja (nukleacja) mineralizacji zaczyna się w zębinie Fakty: istota międzykomórkowa (tworzona przez amelo- i odontoblasty) formuje wąskie połączenie szkliwnozębinowe pierwsze kryształy szkliwa powstają w jego obrębie i mają charakter fosforanów ośmio- i trójwapniowych (nie hydroksyapatytów) kryształy ulegają następnie połączeniu z drobniejszymi kryształami hydroksyapatytowymi zębiny MINERALIZACJA SZKLIWA (2) Zapoczątkowanie (nukleacja) powstawania kryształów rozpoczyna się na granicy zębiny i szkliwa (złącze szkliwnozębinowe Jest pochodną: expresji DSPP (gen związany w zasadzie z dentynogenezą) Trzema strukturalnymi białkami szkliwa: amelogeninami (chromosomy X,Y), enamelinami (białko 32 kd) chromosom 4, ameloblastynami oraz białkiem enzymatycznym enamelolizyną (MMP-20) Zakończeniu wzrostu kryształów towarzyszy działanie kalikreiny- 4 powodującej rozkład i eliminację fazy organicznej szkliwa. Regulacja czynności ameloblastów (sekrecja vs. fagocytoza) zależy od współdziałania między receptorami komórek (CD 63, anexyna II oraz związana z lizosommami glikoproteina-1 (LAMP- 1) a macierzą międzykomórkową sygnalizacja inside- out oraz outside-in. AGREGACJA SYNTETYCZNYCH KRYSZTAŁÓW POD WPŁYEM AMELOGENIN IN VITRO A, przy braku dodatkowych cząstek B. w obecności 20 µg/ml rekombinowanej amelogeniny. A B 3
ROLA AMELOGENIN W MINERALIZACJI Białko wyjściowe: 25 kd (173 aa) hydrofilne.. Zdolność wiązania ich (w nanosfery zależy od peptydu C-końcowego Po odcięciu 25 aa staje się hydrofobowe Zdolność do agregacji nanosfer zależy od wiązań hydrofobowych Podstawowe zadanie : - kontrola (zahamowanie) wzrostu kryształów. - konwersja OCP do hydroksyapatytu. KOMÓRKA rozdzielacze Peptyd C- końcowy 25 aa wydzielanie dojrzewanie agregacja Form Nanosfery hydrofobowe resorpcja SKAŁDNIKI ORGANICZNE SZKLIWA SWOBODNIE SIĘ PRZEMIESZCZAJĄ (RANDOMIZACJA) - ulegają trawieniu przez MMP, wyciskaniu na zewnątrz gdzie są fagocytowane przez ameloblasty MINERALIZACJA CEMENTU Rozpoczyna się już w pierwszym okresie cementogenezy Cementoblasty uwalniają pęcherzyki macierzy, które prowadzą do powstania kulistych jąder mineralizacji wywołujących dalsze wapnienie pierwotnego cementu. Po zakotwiczeniu w cemencie włókien kolagenowych (więzadłowych) mineralizacja postępuje wzdłuż włókien (już bez dalszego udziału pęcherzyków macierzy) Amelogenina (podstawowy czynnik tworzenia szkliwa), produkowana tu przez nabłonek pochewki Hertwiga Bruna, wpływa na mineralizację cementu. Jej działanie na cementoblasty ma charakter receptorowy (indukuje syntzę białek odpowiedzialnych za proces mineralizacji. Fibroblasty więzadła zębowego nie odpowiadają na sygnały (brak swoistych receptorów) Rodzaje: MINERALIZACJA PATOLOGICZNA Dystroficzna lokalna, dotyczy martwych składników tkankowych, względnie uszkodzonych (rozpadających się) komórek (nekroza tkanek, w tym tkanki tłuszczowej, nowotwory, kalcyfikacja zastawek, miażdżyca). Mechanizm zależy od wszystich składowych blaszki miażdżycowej: komórek (pęcherzyki macierzy) elementów istoty międzykomórkowej (w tym Mgp) lipidów błonowych i pozakomórkowych. W układzie sercowo-naczyniowym mineralizacja może być nazwana kostnieniem (przypomina tkankę kostną strukturą, obecnościa osteoblastów i osteoklastów oraz panelem cytokinowym Metastatyczna pojawiająca się w wielu narządach, związana z zaburzeniami gospodarki wapniowej (hyperkalcemia). Mindrały płytki miażdżycowej nazynia tętniczego Makrofag i kryszał zastawka serca 4
Powstaje w wyniku mineralizacji płytki zębowej. - Płytka powstaje przez nałożenie się na ochronną błonkę nazębną: białek śliny,resztek nabłonków, leukocytów i jest wysoce skolonizowana (70% masy) przez bakterie, najpierw tlenowe później beztlenowe - Jest związana ze szkliwem i ulega stale naprzemiennemu tworzeniu i mechanicznemu usuwaniu. - proteinazy bakteryjne niszczą zawarte w ślinie inhibitory mineralizacji - procesy zapalne nasilają tworzenie i mineralizację płytki - prowadzi to do powstania zmineralizowanego, bogatego w bakterie kamienia nazębnego - minerały to głównie fosforany o charakterze przejściowym do hydroksyapatytów. - Kamień występuje na powierzchni zęba oraz poddziąsłowo, jest ważnym czynnikiem patogennym w chorobach przyzębia i zęba. - dodatkowo kwas mlekowy produkowany przez bakterie beztlenowe odwapnia szkliwo, co prowadzi do próchnicy. M KAMIEŃ NAZĘBNY B Kamień nazębny: M obszar zmineralizowany pozostała część (B) zawiera liczne bakterie Hodowla komórkowa (21 dni) wpływ pierwiastków śladowych (galu) na proces mineralizacji 5