Биохимические механизмы развития кариеса

Начиная с глубокой древности, предпринимались попытки выявить причины и механизмы развития кариеса. Выдвигалось множество (около 400) гипотез и теорий, которые способствовали накоплению сведений, позволяющих получить определённые представления по данной проблеме. Большинство из представленных в историческом аспекте теорий имеют, однако, существенные недостатки с современных позиций, представляются наивными или односторонними, не объемлющими проблему в целом. В связи с этим, в данном разделе приводятся современные представления о биохимических механизмах и этиологических факторах развития кариеса, которые, однако, всё ещё считаются не до конца выясненными. В настоящее время большинство исследователей считают кариес болезнью цивилизации, связанную с избыточным потреблением сахарозы и других рафинированных продуктов с пищей, наличием стрессовых факторов затяжного характера, неблагоприятной экологической обстановкой. В качестве доказательства приводятся данные о том, что в ископаемых черепах зубы частично стёрты, но не поражены кариесом, а также высокие цифры (95-98%) заболеваемости населения кариесом в экономически развитых и развивающихся странах, особенно, в районах интенсивной урбанизации.

Бесспорным является положение, согласно которому пусковым моментом в развитии кариеса является смещение равновесия между процессом минерализации и процессом деминерализации эмали в сторону её деминерализации. Первичные очаги деминерализации эмали возникают, как правило, в ретенционных участках, в местах задержки пищи и скопления так называемого «бактериального» зубного налёта, содержащего кариесогенную кислотообразующую микрофлору. При этом на эмали формируется зубная бляшка.

Микробы зубного налёта содержат высокоактивные ферменты, расщепляющие углеводные остатки пищи, особенно интенсивно - сахарозу. Сахароза пищи избирательно поглощается зубным налётом и подвергается действию фермента сахаразы зубного налёта микробного происхождения. При этом образуются фруктоза и глюкоза, которые депонируются в составе зубного налёта в виде специфических полисахаридов фруктана-левана и глюкана-декстрана, соответственно, значительно увеличивая массу зубного налёта и создавая питательную среду для микроорганизмов. Глюкан и фруктан в конечном итоге способствуют образованию зубной бляшки и прикреплению её к поверхости эмали. Микробы бактериального зубного налёта содержат также полный набор высоко активных ферментов катаболизма глюкозы, особенно её анаэробного распада. В процессе распада глюкозы образуются различные органические кислоты, среди которых преобладает лактат.

При наличии углеводных остатков пищи, и особенно сахарозы, их распад происходит очень быстро, в виде метаболического взрыва, сопровождаясь образованием большого количества органических кислот. Образующиеся кислоты, в случае их недостаточной нейтрализации, локально снижают рН зубного налёта до критического уровня (ниже 5,0), растворяют пелликулу и вызывают очаговую деминерализацию эмали - первую стадию кариеса. На этом этапе процесс развития кариеса является обратимым, т.к. возможна реминерализация за счёт перенасыщенности ротовой жидкости фосфорнокальциевыми солями и путём применения реминерализующих растворов.

При снижении реминерализующего потенциала слюны за счёт уменьшения концентрации фосфорно-кальциевых солей, нарушения мицеллярного строения слюны, смещения рН ниже 6,2 кислотное растворение эмали прогрессирует. Ионы водорода проникают по межпризменным пространствам сначала в подповерхностный слой эмали, частично растворяя кристаллы апатитов и расширяя межпризменные пространства. Преобладание в поверхностном слое эмали кислоторезистентных видов апатитов является сдерживающим фактором в появлении и прогрессировании первичного очага деминерализации эмали. Потеря ионов кальция приводит к снижению Ca/P коэффициента. Зона деминерализации сначала распространяется параллельно поверхности зуба, а затем - в виде конуса вглубь эмали. При этом проницаемость эмали возрастает, доля микропространств эмали постепенно увеличивается, в них проникают микроорганизмы и органические вещества, в том числе белки из ротовой жидкости. Лечебные мероприятия на этом этапе должны быть направлены на устранение причин деминерализации на фоне реминерализующей терапии.

Дальнейшее прогрессирование процесса приводит к нарушению эмалево-дентинного барьера проницаемости, которое открывает возможность проникновения раздражающих воздействий на одонтобласты и пульпу. Ответной реакцией одонтобластов является облитерация дентинных канальцев и отложение вторичного дентина. Наиболее важным патогенетическим моментом развития кариеса на данном этапе является проникновение микробов в глубокие слои эмали и дентин, через эмалево-дентинную границу. Под действием ферментов микробного и лейкоцитарного происхождения (протеаз, гиалуронидазы, различных гликозидаз и других гидролаз) происходит расщепление матриц минерализации эмали и дентина, в результате чего процесс развития кариеса становится необратимым. Показано, что в очаге деминерализации расщепляется до 70% матричных белков. Реминерализующая терапия на этой стадии развития кариеса становится неэффективной и нецелесообразной. Бактериальное обсеменение обнажённого дентина является ведущим фактором дальнейшего прогрессирования патологического процесса, который может привести к развитию кариеса корня зуба.

Таким образом, на первой стадии развития кариеса смещается равновесие между реминерализацией и деминерализацией эмали в сторону деминерализации вследствие кислотного растворения апатитов эмали:

Са₁₀(РО₄)₆ (ОН)₂ + 8 Н⁺ 10 Са²⁺ + 6 НРО₄ ^2- + 2 Н₂О

Кислотное растворение эмали является следствием изменения ионного состава зубного налёта и ротовой жидкости. В норме слюна обладает высоким реминерализующим потенциалом, т.к. имеет мицеллярное строение и представляет собой жидкость, перенасыщенную солями кальция и фосфора. При кариесогенной ситуации в слюне и зубном налёте накапливаются органические кислоты, их рН снижается ниже критического уровня (менее 6,2 и 5,0, соответственно). В результате слюна из минерализующей превращается в деминерализующую жидкость, а локальное изменение рН зубного налёта способствует появлению первичного очага деминерализации эмали. Дальнейшее прогрессирование кариозного процесса приводит к разрушению органического матрикса эмали и дентина и переходу кариеса в его необратимую стадию, при которой реминерализация становится невозможной. Важное значение в развитии кариеса придаётся уменьшению объёма и скорости саливации, поскольку слюна осуществляет разведение и удаление сахаров пищепродуктов, нейтрализацию и забуферивание кислот в зубном налёте, а также поставляет кальций и фосфат для реминерализации. В связи с этим, устранение причин гипосаливации и стимулирование слюноотделения, безусловно, будет способствовать смягчению кариесогенной ситуации. К тому же, стимулированная слюна обладает большим минерализующим потенциалом, чем нестимулированная, так как концентрация бикарбоната в ней выше и больше буферная ёмкость. Стимулированная слюна также является хорошим реминерализующим раствором, потому что она более перенасыщена кальцием и фосфатом, чем нестимулированная.

Вместе с тем, согласно современным представлениям, кариес нельзя рассматривать только как локальный патологический процесс, происходящий в тканях зуба, поскольку на его развитие оказывают существенное влияние ряд факторов общего характера, так или иначе связанных с состоянием тканей и жидкостей полости рта. Ниже приводится перечень факторов, связанных с состоянием всего организма и способствующих развитию кариеса:

1. Неполноценное питание - недостаточное содержание в рационе белка, кальция, фосфора, микроэлементов, витаминов А, С, D, К и других, а также пищи грубого характера, пережёвывание которой даёт значительную жевательную нагрузку. Наибольшее значение имеет частое употребление сладких продуктов, содержащих сахарозу, в меньшей степени опасны продукты кислого характера (яблоки, лимоны, соки). Особенно важно соблюдать противокариозную диету детям в период от 1 до 3-х лет после прорезывания зуба, так как сразу после прорезывания зуб содержит недостаточно минеральных веществ и наиболее интенсивно минерализуется в первые 1-3 года после прорезывания. Чем короче и полноценнее период созревания зубов, тем выше их кариесрезистентность.

2. Низкое содержание фтора в питьевой воде (менее 0,75 мг\л). Распространённость кариеса зубов существенно снизилась с того времени, когда в различных регионах стали широко применять фторирование воды.

3. Генетические факторы, обусловливающие предрасположенность к кариесу, также как и благоприятная наследственность может предопределять высокую кариесрезистентность зубов.

4. Хронические заболевания, вызывающие истощение организма, нарушение функций центральной нервной системы, печени, почек, желудочно-кишечного тракта, вирусные и микробные инфекции, хронический стресс могут приводить к снижению иммунитета, нарушению усвоения кальция, фосфора, белков и другим патологическим изменениям, уменьшающим кариесрезистентность организма. Существеное влияние на кариесрезистентность оказывают соматические заболевания, перенесенные в период формирования и созревания зубов.

5. Наиболее выраженным действием на развитие множественного кариеса обладает радиация. При лучевой болезни помимо снижения иммунитета происходит поражение слюнных желёз. В результате изменяется химический состав слюны и уменьшается её секреция, вплоть до ксеростомии. При этом увеличивается количество зубного налёта, изменяется его бактериальный спектр, а также угнетаются общие и локальные антимикробные защитные механизмы.

6. Нарушение гигиены полости рта: наличие пищевых остатков в полости рта, недостаточное удаление зубного налёта.

7. Снижение защитных механизмов, иммунодефицитные состояния.

8. Эндокринные расстройства: гиперпаратиреоз, недостаточность половых гормонов, сахарный диабет.

9. Лечение большими дозами глюкокортикоидов, а также затяжной стресс, приводящий к избыточной продукции глюкокортикоидов, повышенному распаду в связи с этим коллагена и белков лимфоидной ткани.

10. Генетические и конституционные факторы, способствующие неполноценному развитию плода, а также общему нарушению минерализации скелета.

Ниже приводится перечень факторов местного характера, связанных с состоянием тканей и жидкостей полости рта, которые оказывают существенное влияние на развитие кариеса:

1. Неполноценная структура эмали и дентина (преобладание кислоторастворимых апатитов в эмали, снижение кальциево-фосфатного коэффициента и др.).

2. Снижение объёма и скорости саливации, ксеростомия.

3. Увеличение вязкости слюны и содержания в ней муцина, способствующие прилипанию пищи к зубному налёту, осаждению гликопротеидов на поверхности эмали и возрастанию массы зубного налёта.

4. Уменьшение буферной ёмкости слюны, сдвиг рН слюны в кислую сторону (менее 6,0), нарушение мицеллярного строения слюны, снижение её минерализующего потенциала.

5. Наличие углеводных остатков пищи в полости рта, особенно сахарозы.

6. Преобладание кариесогенных бактерий в слюне и зубном налёте.

7. Увеличение количества зубного налёта и снижение рН зубного налёта ниже 5,0.

8. Истощение защитных механизмов полости рта.

9. Наличие ретенционных участков на зубах.

10. Отсутствие пелликулы.

В каждом отдельном случае различное сочетание нескольких факторов ↓общего и местного характера может создать кариесогенную ситуацию, при которой развитие кариеса становится неотвратимым. Вместе с тем знание причин и молекулярных механизмов развития этой патологии определяет возможность изыскания способов и путей её профилактики. Ниже приводится схема возникновения кариозного процесса (молекулярные механизмы) в упрощенном виде:

Предрасполагающие факторы общего и местного характера

↓

Увеличение массы зубного налёта и содержания в нём кариесогенных бактерий

↓

Избирательное поглощение углеводов пищи зубным налётом и превращение их в специфические полисахариды зубного налёта

↓

Повышение активности кислотообразующих ферментов микробного и лейкоцитарного происхождения в зубном налёте

↓

Образование органических кислот, приводящее к снижению рН под зубным налётом до 5 и ниже, а также уменьшение буферной ёмкости слюны

↓

Растворение пелликулы, открывающее органическим кислотам доступ к эмали зуба

↓

Деминерализация эмали зуба – первая (обратимая) стадия кариеса

↓

Проникновение органических кислот в подповерхностный слой и вглубь эмали, увеличение микропространств в эмали зуба

↓

Проникновение микробов и органических веществ слюны в глубокие слои эмали и дентина, разрушение их органического матрикса – вторая (необратимая) стадия кариеса.

5.9. Пульпа зуба. Характер изменений метаболических процессов в пульпе при пульпите.

Пульпа зуба представляет собой разновидность рыхлой соединительной ткани, заполняющую полость зуба. Различают коронковую и корневую пульпу, имеющие определённые структурные отличия. Пульпа зуба богато иннервирована, имеет хорошо развитые кровеносные сосуды и лимфатическую сеть.

Пульпа состоит из клеток и межклеточного вещества. Клетки пульпы: фибробласты, гистиоциты, плазмоциты, нейтрофильные гранулоциты - выполняют те же функции, что и в других видах рыхлой соединительной ткани. Периферический слой пульпы образован одонтобластами, выполняющими дентинообразующую функцию. Межклеточное вещество пульпы содержит в своём составе гликопротеины, протеогликаны, гиалуроновую кислоту, гликоген, липиды, коллагеновые волокна, неколлагеновые белки. Эластические волокна в пульпе отсутствуют. Пульпа характеризуется высокой активностью окислительно-восстановительных процессов и высоким уровнем потребления кислорода. В ней интенсивно происходит синтез нуклеиновых кислот, белков, гликолиз, гликогенолиз, пентозо-фосфатный путь распада глюкозы, окислительное фосфорилирование и другие метаболические процессы. В пульпе особенно высока активность ферментов углеводного обмена: лактатдегидрогеназы, малатдегидрогеназы, альдолазы; ферментов пентозо-фосфатного цикла, а также цитохромоксидазы, каталазы, фосфатаз и др. Высокий уровень метаболических процессов в пульпе способствует образованию множества промежуточных продуктов и регуляторных веществ, поступающих в твёрдые ткани зуба и обеспечивающих их реактивность и защитные механизмы. Питательные вещества поступают в основное вещество пульпы из крови. Продукты обмена удаляются через венозную сеть пульпы.

Биологические функции пульпы.

1. Одонтобласты пульпы участвуют в формировании первичного и вторичного дентина.

2. Пульпа осуществляет питание дентина и эмали зуба через дентиновые канальцы, заполненные зубным ликвором.

3. Пульпа участвует в регуляции метаболических процессов, происходящих в эмали и дентине, получая информацию через отростки одонтобластов и дентиновую жидкость.

4. Пульпа осуществляет барьерную функцию за счёт гелеобразной структуры её основного вещества, фагоцитарной способности клеток пульпы, а также за счёт синтеза ими компонентов гуморального иммунитета. В свою очередь, от действия внешних раздражителей пульпу зуба защищает образование вторичного дентина, минерализация межклеточного вещества тканей зуба.

5. Регенеративная функция пульпы обеспечивается как наличием большого количества малодифференцированных клеток, способных трансформироваться в одонтобласты, так и высокой интенсивностью обменных процессов в сохраняющей жизнеспособность пульпе даже при значительной степени её травмирования.

Биохимические изменения в пульпе при пульпите.

Острый пульпит - реакция гиперергического типа, сопровождающаяся увеличением количества макрофагов, плазмоцитов, гранулоцитов и приводящая к повреждению всех структурных компонентов пульпы: клеток, волокон, основного вещества, сосудов. При пульпите повышается проницаемость сосудов и образуется экссудат, что приводит к увеличению внутрипульпарного давления и возникновению в связи с этим боли. Этим нарушениям, как правило, предшествуют патологические изменения в дентине, в частности, возникающее как следствие глубокого кариозного процесса его бактериальное обсеменение, которое сопровождается образованием токсических веществ микробного происхождения. Микробы и их токсины, поступая в пульпу по дентиновым канальцам, активируют миграцию лейкоцитов в пульпу. В результате в пульпе увеличивается общее количество клеток, значительная часть их гибнет, что сопровождается возрастанием активности ферментов лизосомального происхождения: протеаз, гликозидаз, сульфатаз, гиалуронидазы и других. Это приводит к разрушению структурных компонентов пульпы. Деструктивный процесс в пульпе сопровождается образованием биологически активных веществ - реагентов острой фазы: гистамина, серотонина, кининов, простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов, которые активируют воспалительный процесс. Развитие пульпита приводит также к нарушению процессов окислительного фосфорилирования и снижению энергообразования, а также к истощению защитных механизмов пульпы. Таким образом, пульпиту, как правило, предшествует глубокий кариес, ведущий к бактериальному обсеменению дентина. Вместе с тем известно, что пульпит может возникнуть без кариеса под воздействием бактериальной инфекции, которая переносится гематогенным путём.

5.10.Биохимия пародонта. Молекулярные механизмы развития пародонтита.

Пародонт - это комплекс неразрывно связанных между собой тканевых структур, окружающих и фиксирующих зубы, в который входят десна, надкостница, альвеолярная кость. Цемент, бесспорно являющийся структурным компонетом зуба, ряд авторов, вместе с тем, относят и к тканям пародонта, так как волокна коллагена, выходящие из цемента, непрерывно продолжаются в составе альвеолярной кости. Пародонт выполняет барьерную, трофическую, пластическую, амортизационную и другие важные биологические функции.

Десна представлена плоским эпителием и соединительно-тканной основой. Её структура сходна со структурой слизистой оболочки других отделов полости рта. Белки слизистой оболочки полости рта характеризуются высокой скоростью обновления, что обусловливает её относительно высокую регенеративную способность. Состояние слизистой оболочки полости рта в значительной мере зависит от поступления в организм витаминов А, В₁, В₆, В₁₂, С, Е и других. Основную массу ткани десны составляют коллагеновые волокна. Обнаруживаются в ней также эластические и ретикулиновые волокна, гликопротеины, протеогликаны, гликозаминогликаны, гликоген. Содержание гликогена в десне у детей выше, чем у взрослых, с возрастом оно постепенно понижается. Слизистая оболочка полости рта детей обладает большей проницаемостью, чем у взрослых. Компоненты соединительной ткани десны осуществляют трофическую, регенеративную и защитную функции.

Другие структуры пародонта, в частности периодонт, представляют собой разновидности минерализованной соединительной ткани, богатой содержанием коллагена. Периодонт – это связка зуба, удерживающая его в костной альвеоле. Его основу составляют пучки коллагеновых волокон, вплетающихся с одной стороны в цемент корня зуба, а с другой – в костную ткань альвеолярного отростка. Периодонт содержит также незрелые эластические волокна, которые вплетаются в цемент зуба. Основное вещество представлено в небольшом количестве и не имеет принципиального отличия от такового других видов минерализованной соединительной ткани. Половину всех клеток периодонта составляют фибробласты. Они участвуют в поддержании структурного гомеостаза межклеточного вещества. Остеобласты участвуют в регенерации костной ткани, а цементоциты – в образовании прецемента, который затем подвергается минерализации. Остеокласты и цементокласты осуществляют противоположную функцию, устраняя избыток костной ткани и цемента. Цементокласты способны резорбировать также и дентин. Клетки – эффекторы иммунной системы: макрофаги, тучные, лимфоциты, эозинофильные лейкоциты присутствуют в периодинте в небольшом количестве. В патологии их количество значительно возрастает. В периодонте, как известно, имеются прослойки рыхлой соединительной ткани, в которых проходят кровеносные сосуды. Этим в определённой мере обусловлен высокий уровень интенсивности обмена веществ в пародонте. В частности, в твёрдых тканях пародонта активно синтезируются гликозаминогликаны, протеогликаны. Показано, что фосфор активно включается в ткани пародонта и затем медленно из них выводится. Как правило, после 40 лет у большинства людей начинаются деструктивные изменения в периодонте - пародонтоз. Помимо этого в тканях пародонта может возникать воспаление - пародонтит. Первопричинами его развития большинство исследователей считает образование бактериального зубного налета, формирование «зубной» бляшки, наличие гингивита-воспаления десны, протекающего без нарушения целостности зубодесневого сочленения. Прогрессированию пародонтита способствуют также некоторые эндокринные нарушения (дефицит эстрогенов, инсулина, кальцитриола и др.), ведущие к нарушению синтеза белков, которые выполняют функции матриц минерализации. На определённой стадии патологического процесса в десневую жидкость поступают микроорганизмы и их токсины. Следствием этого является миграция лейкоцитов, их количество возрастает в десятки и сотни раз. Значительная часть лейкоцитов гибнет, и при этом высвобождаются высокоактивные ферменты лизосомального происхождения: различные протеазы, в том числе коллагеназа, эластаза, глюкозидазы, сульфатазы, гиалуронидаза и другие, вызывающие деполимеризацию межклеточного вещества и разрушение тканей пародонта, активацию аутоиммунных процессов. Содержание ингибиторов протеаз, а также лизоцима и других защитных компонентов в тканях и жидкостях пародонта при этом сначала повышается, а затем снижается. В результате происходит увеличение объёма и изменение химического состава десневой жидкости, образуется пародонтальный карман. Увеличение активности коллагеназы коррелирует с глубиной пародонтального кармана и степенью тяжести пародонтита. Прогрессированию патологического процесса способствует образование в тканях пародонта высокоактивных веществ - «реагентов острой фазы»: гистамина, серотонина, лейкотриенов, простагландинов и других. В связи с активно происходящим распадом белков и аминокислот освобождаются азотсодержащие ионы и радикалы, участвующие в образовании зубного камня, который усугубляет течение пародонтита, поддерживая дегенеративные процессы в периодонте. Наряду с этим, образование зубного камня может предшествовать развитию очагового пародонтита. Таким образом, образование зубного камня, бесспорно, является важным патогенетическим звеном развития пародонтита.