Международная команда исследователей под руководством Абшара Хасана и профессора Альваро Маты из Ноттингемского университета (Великобритания) при участии коллег из США, Испании, Италии, Нидерландов и Египта разработала белковый гель для восстановления зубной эмали. Статья об этом опубликована в журнале Nature Communications. Покрытие наносится на стертые или поврежденные кислотой зубы и запускает рост новых кристаллов апатита, возвращая ткани природное строение и механическую прочность.
Почему зубы не умеют зарастать сами
Зубная эмаль выдерживает силу укуса до 770 Ньютонов — это сравнимо с весом взрослого человека весом около 78 килограммов, давящего на площадь одного зуба. Секрет такой прочности кроется в укладке нанокристаллов гидроксиапатита толщиной около 50 нанометров (в две тысячи раз тоньше человеческого волоса). На внешней поверхности зуба они стоят вертикально, образуя сплошной защитный слой, а глубже сплетаются в пучки-призмы под углом около 60 градусов друг к другу, подобно волокнам в стальном тросе. Такая перекрестная укладка гасит удары и не дает микротрещинам расколоть зуб при пережевывании твердой пищи.
Клетки-строители (амелобласты), которые формируют эту минеральную решетку с помощью специального белка амелогенина, отмирают сразу после прорезывания зуба. Кислоты из газировки и фруктовых соков, ночной скрежет зубами и жесткие щетки постепенно стирают эмаль без возможности естественного восстановления. От разрушения зубов страдает почти половина населения Земли, а мировые расходы на стоматологическое лечение достигают 544 миллиардов долларов в год. Обычные фторлаки и реминерализующие пасты создают на поверхности лишь рыхлый минеральный осадок, а пломбы заполняют полость инородным пластиком или керамикой, которые со временем дают усадку и откалываются на стыке с живой тканью.
Белковые леса для минералов из слюны
Группа Альваро Маты создала искусственный белок — эластиноподобный рекомбинамер (ELR), который повторяет работу природного амелогенина. В жидком растворе молекулы этого белка плавают хаотично, но при нанесении на зуб в присутствии ионов кальция и высыхании они за 3–4 минуты сами собираются в упорядоченную сетку из тончайших волокон — фибрилл шириной около 30 нанометров. В состав белка встроен фрагмент статерина — природного пептида человеческой слюны, который работает как магнит для кальция и удерживает ионы в нужных точках.
Застывшая белковая сетка выполняет роль строительных лесов. Когда покрытие оказывается в полости рта, оно притягивает ионы кальция, фосфата и фтора из окружающей слюны и направляет их рост строго вдоль осей уцелевших кристаллов зуба. Происходит эпитаксиальный рост — новые кристаллы бесшовно срастаются со старыми, продолжая их кристаллическую решетку на атомном уровне, как если бы каменщик достраивал разрушенную кирпичную стену, точно попадая в старую кладку. За 10–14 дней поверх поврежденного участка вырастает новый минеральный слой толщиной до 10 микрометров, а белковые «леса» постепенно вымываются ферментами слюны.
Технология восстанавливает как внешний, так и глубокий призматический слои эмали, точно повторяя изначальный наклон кристаллов. Если эмаль стерта полностью, гель проникает в коллагеновые волокна обнаженного дентина, закупоривает открытые дентинные канальцы (главную причину острой боли от холодного и горячего) и выращивает поверх них защитную минеральную броню. Нанесение занимает несколько минут и полностью укладывается в стандартный прием у стоматолога: чистка зуба пастой, обработка гелем ортофосфорной кислоты в течение 30 секунд, промывка водой, сушка воздухом и нанесение капли спиртового раствора ELR на 3–4 минуты.
Год под щеткой и три года жевания
Для проверки прочности выращенной ткани ученые устроили образцам удаленных человеческих зубов серию механических и химических краш-тестов. Твердость и упругость измеряли методом наноиндентирования — в поверхность зуба вдавливали алмазную иглу на глубину 300 нанометров и фиксировали сопротивление материала. Кислотная эрозия снижала твердость природной эмали с 3,4 до 1,1 гигапаскаля (ГПа), а модуль упругости — с 80,7 до 36,9 ГПа. После курса восстановления в натуральной человеческой слюне показатели возвращались к значениям здорового зуба (твердость до 2,7–3,1 ГПа, упругость до 74,6–76,3 ГПа), а сопротивление усталостному износу при трении оказалось даже выше природного (171,3 ГПа против 153,9 ГПа) за счет более плотной упаковки новых кристаллов.
Вслед за этим исследователи проверили покрытие в условиях, имитирующих ежедневную нагрузку в полости рта:
Чистка щеткой: образцы непрерывно терли электрической зубной щеткой с абразивной пастой под нагрузкой 200 граммов в течение 60 минут, что эквивалентно более чем году ежедневной чистки зубов — потери микроструктуры или падения твердости не произошло.
Многолетнее жевание и бруксизм: зубы поместили в установку Rub&Roll, где они две недели вращались под давлением 75 Ньютонов (806 400 циклов сжатия и трения, имитирующих 3,5 года пережевывания пищи), и износ новой эмали по высоте (30,5 микрометра) совпал с износом здорового зуба (29,1 микрометра).
Кислотный удар: выдержка в уксусной кислоте (pH 4,0, как у кислого сока или газировки) от 15 минут до двух суток показала, что выращенный слой разрушается медленнее природной эмали благодаря включению ионов фтора в кристаллическую решетку (образуется фторапатит вместо обычного гидроксиапатита).
Ограничения работы и взгляд скептика
При всей убедительности физических тестов работа пока остается лабораторным исследованием ex vivo — все эксперименты проводились на распилах удаленных человеческих зубов в инкубаторах, о чем авторы прямо предупреждают в выводах статьи. В реальной полости рта на покрытие будут действовать бактериальные биопленки (зубной налет), перепады температур и ток жидкости изнутри живого зуба, которые невозможно полностью воспроизвести в пробирке.
Статистический дизайн исследования также имеет узкие места. В тестах с натуральной слюной участвовали всего три здоровых донора в возрасте от 20 до 40 лет без кариеса и болезней десен, что не позволяет гарантировать такой же быстрый рост кристаллов у пожилых людей или пациентов с сухостью во рту и измененным составом слюны. Сложнейшие снимки атомного сращения кристаллов под просвечивающим электронным микроскопом сделаны на выборке из двух независимых экспериментов (n=2), а тесты на трение и растрескивание — на трех образцах в группе (n=3). Кроме того, ведущие авторы работы Абшар Хасан и Альваро Мата указали в разделе конфликта интересов, что владеют долями в стартапе Mintech-Bio Ltd, основанном для коммерческого вывода этого геля на рынок. Следующим шагом команды станут клинические испытания технологии непосредственно на пациентах.
