|
Ученые выяснили, каким образом формируется зубная эмаль и какую роль в этом процессе играет белок амелогенин. Открытие, возможно, позволит производить зубные имплантаты, ни в чем не уступающие натуральным зубам.
Группа исследователей из Университета Питтсбурга выяснили ключевую роль белка амелогенина в начальных стадиях формирования зубной эмали. О своей работе они рассказали в статье, опубликованной в последнем номере Proceedings of the National Academy of Sciences.
Зубная эмаль - наиболее минерализованная ткань в организме человека, которая демонстрирует выдающиеся механические свойства, сочетая высокую твердость со значительной упругостью. Эти свойства - результат не только ее химического состава, но и уникальной микроструктуры, принципы формирования которой очень интересны ученым-медикам.
«Эмаль начинает свою жизнь как органический гель, в котором распределены крошечные керамические кристаллы, - рассказал доктор Элия Беньяш, доцент биологии ротовой полости Факультета стоматологии Питтсбургского университета и руководитель исследования. - В нашей работе мы воссоздали самые ранние шаги формирования эмали, что позволило нам лучше понять ключевую роль регулирующего протеина, называемого амелогенином, в этом процессе».
Сама постановка исследовательской задачи может показаться надуманной, однако есть причины, которые заставляют ученых пытаться повторять и исследовать природные процессы и реакции. Современные физико-химические аналитические средства превратили исследования любых материалов в стандартную процедуру, но даже доскональное знание химического состава и микроструктуры биологических материалов не дает гарантии их успешного воспроизводства в лабораторных и тем более в промышленных условиях.
Один из таких «проблемных» материалов - гидроксиапатит кальция, минеральная основа скелета человека и животных. Этот минерал не вызывает токсической реакции, воспалительных явлений в тканях, хорошо срастается с костью и не влияет на процессы минерализации. Однако искусственные керамические материалы на основе гидроксиапатита хрупкие, плохо реагируют на силы натяжения, скручивания или сгибания, что не позволяет использовать их в качестве материала непосредственно для костных и, в частности, зубных имплантатов.
Огромное количество научных групп по всему миру работает над проблемой создания искусственного материала на основе гидроксиапатита, приближенного по механическим свойствам к естественному, но пока не достигли значительных успехов. Подход же «снизу вверх», попытка повторить природный процесс на стадии формирования микроструктуры, имеет шансы на успех.
Тот факт, что амелогенин каким-то образом задействован в формировании зубной эмали, ученым уже было известно. Причем определенная форма амелогенина: полной длины, содержащая C-концевой телепептид. К примеру у генномодифицированных мышей, не способных производить полноценный амелогенин, наблюдалось нарушение структуры зубной эмали. Этот белок даже используется как лекарственный препарат для лечения периодонтита, воспаления корневой оболочки зубов.
В ходе эксперимента реакционные растворы, содержащие амелогенин, а также фосфат-ионы и катионы кальция, из которых образуется гидроксиапатит, подвергали мгновенной заморозке на разных стадиях реакции и исследовали с помощью электронной микроскопии. Таким образом исследователям удалось шаг за шагом проследить за течением процесса. Оказалось, что в присутствии белка нанокластеры - предкристаллиты гидроксиапатитов - формируют не хаотичные скопления, как обычно, а упорядоченные структуры линейной формы.
Причем на верхушке каждого растущего волокна присутствует «узелок» определенной структуры из нескольких молекул амелогенина, который, по предположению ученых, и направляет рост будущего кристалла.
Нанокластеры постепенно «врастают» друг в друга, волокна минерализуются и организуются в параллельные массивы, наподобие нитей в текстиле. Именно из таких слоев затем формируется высокоминерализованная структура зубной эмали.
«Взаимоотношения (амелогенина и гидроксиапатита. - "Газета.Ru".) еще не до конца понятны нам, но кажется, что способности амелогенина к самоорганизации критичны в его роли направляющего для роста частиц... в этой комплексной, высокоорганизованной структуре, - говорит доктор Беньяш. - Это дает нам представление о путях, с помощью которых биологические молекулы могут быть использованы для помощи в построении новых материалов из наноразмерных минералов, а это важно в восстановительной стоматологии и многих других технологиях».
Автор: Ася Парфенова
| |