Ученые нашли способ исследовать кариес на наноуровне

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 (РНФ), опубликованы в журнале Nano-Structures & Nano-Objects.

По статистике, во всем мире от кариеса страдает около 3,5 миллиардов 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 (Воронеж) предложили использовать для исследования твердых тканей зуба синхротронную инфракрасную наноспектроскопию. Это метод, при котором образцы облучают инфракрасным светом, сгенерированном 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. Так, 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.