Náplň podkapitoly:

1. Úvod do struktury a metabolismu tvrdých zubních tkání

2. Substituce do apatitových struktur

3. Demineralizace – zubní kaz

_

Úvod do struktury a metabolismu tvrdých zubních tkání

Zuby jsou fylogeneticky velmi staré útvary složené z tvrdých tkání. Slouží k uchopování, dělení a rozmělňování potravy. Člověk má chrup heterodontní, tzn. že  zuby jsou různě tvarované a funkčně specializované.

Zub – dens (řec. odus, gen. odontos) je složen z několika částí:

1) korunka – corona dentis

2) krček zubu – collum dentis

3) cement zubu – cementum dentis

Corona dentis vyčnívá z dásně a je pokryta vrstvou skloviny – enamelum. Sklovina tvořená buňkami ameloblasty je nejtvrdší tkání v lidském těle. Skládá se ze sloupečků zvaných sklovinná prizmata. Dentin – dentinum představující hlavní hmotu zubu obsahuje vysoké procento anorganické hmoty. Je tvrdší než kost, ale i přes to zůstává pružný. Vzniká činností odontoblastů. Cementum – cement je částí zubního komplexu, která pokrývá krček a kořen. Jedná se o vláknitou kost chudou na kostní buňky, cementocyty a cementoblasty, jež je kolagenními vlákny spojena s povrchem dentinu.

Chemické složení lidských zubů

Z chemického hlediska lze složky zubu rozdělit na organické a anorganické látky. Obsah organických látek se mění v průběhu vývoje zubu. Nedospělá sklovina obsahuje 50 % organické hmoty a 50 % minerálních složek. Zatímco zcela vyvinutá dospělá sklovina obsahuje 96 % minerálních složek, 0,5 % organických složek a zbytek, tj. cca 3,5 % tvoří vodná substance. V dentinu nalezneme větší množství organických látek (20-25 %) a kolem 60-65 % minerálních látek.

Mezi nízkomolekulární organické látky obsažené v zubech řadíme organické kyseliny, lipidové složky a monosacharidy. Mezi organické kyseliny, jež jsou zastoupeny v zubní hmotě, patří zejména kyselina citronová, mléčná a pyrohroznová. Uvedené kyseliny jsou produktem metabolismu buněk zubní tkáně. Citrát vznikající v citrátovém cyklu je v zubní hmotě přítomen v komplexu s vápenatými ionty. Laktát a pyruvát jsou produkty glykolýzy. Po ukončení vývinu zubu se organické látky stávají součástí mineralizovaných struktur zubu. Anorganické složky zubu představují zejména sloučeniny vápníku, fosforu, uhličitanů, hořčíku, fluoru a sodíku, jež plní úlohu základních stavebních kamenů pro tvorbu apatitových struktur.

Složení skloviny

Lidská zubní sklovina představuje jedinečný mineralizovaný komplex. Tvoří se z hydroxyapatitu (92-94 %), vody (2-3 %), uhličitanu (2 %), stopových prvků (sodík, hořčík, draslík, chlorid, zinek, 1 %), fluoridu (0,01-0,05 %), proteinů a lipidů (< 1 %), které určují její propustnost. Složení skloviny je ovlivňováno multifaktoriálně – stravou, věkem a faktory podmiňujícími patologické stavy tvrdých zubních tkání. Doposud bylo ve sklovině prokázáno nejméně 40 stopových prvků. Některé z nich se do dutiny ústní dostávají během stomatologického ošetření, jiné např. stroncium může být indikátorem znečištěného prostředí. Na různých místech téhož zubu existují rozdíly ve složení skloviny způsobené kolísáním koncentrace jednotlivých prvků. Od povrchu skloviny směrem k dentino-sklovinné hranici se snižuje koncentrace fluoru, železa, cínu, chlóru, vápníku, uhličitanů, hořčíku a sodíku.

Z vápníku a fosforu vznikají v různém poměru malé krystalky apatitu, avšak nejedná se vždy o stechiometrické sloučeniny podle vzorce hydroxyapatitu, viz Tabulka I. Následkem nedostatku vápníku, fosfátů a hydroxylových iontů, přítomnosti uhličitanů a hydrogenuhličitanů vznikají nestechiometrické apatitové krystaly. Substitučními reakcemi se může utvářet fluorohydroxyapatit nebo fluoridovaný apatit. Fluoridované struktury mají stabilnější mřížku než hydroxyapatit. Do minerální složky může být inkorporován i uhličitan, avšak tento druh apatitu je vůči zubnímu kazu méně odolný než hydroxyapatit, jak bude pojednáno v kapitole o substitucích.

Tabulka I.

Vápníko-fosfátové složky ve sklovině během demineralizace a remineralizace.

Hydroxyapatit (sklovina, dentin, cement):  Ca/P = 1,61-1,64	(Ca, Mg, Na)10(PO4, HPO4, CO3)6 (OH)2
Hydroxyapatit (obecně, včetně kostního):  Ca/P = 1,67	(Ca)10(PO4)6(OH)2
Fluorhydroxyapatit:  Ca/P = 1,67	(Ca)10(PO4)6(F, OH)2
Fluorapatit:  Ca/P = 1,67	(Ca)10(PO4)6F2
Karbonátapatit:  Ca/P = 1,67	(Ca)10(PO4)6CO3
Karbonáthydroxyapatit:  Ca/P = 1,7-2,4	(Ca, X)10(PO4, CO3)6(OH)2
Kalcium deficientní hydroxyapatit:  Ca/P = menší než 1,67	(Ca, X)10(HPO4, CO3)6(OH)2
Dikalciumfosfát dihydrát:  Ca/P = 1,1	CaHPO4.2H2O
Trikalciumfosfát:  Ca/P = 1,5	(Ca, Mg)3(PO4)2
Oktakalcium fosfát pentahydrát:  Ca/P = 1,3	Ca8H2(PO4)6.5H2O
Amorfní kalcium fosfát:  Ca/P = 1,1-3	(CaC)x(PO4,Y)y

X = vápník může být nahrazen Mg, Na, Zn, Sr a jinými …

Y = substituce pro PO₄

Voda se ve sklovině vyskytuje ve dvou formách. První forma je vázána v krystalech jako hydratační obal, druhá forma je volná, fixovaná převážně k organické hmotě. Volně vázaná voda se může při zahřátí vypařit. Ve vlhkém prostředí ale může sklovina vodu i přijímat. Tím lze vysvětlit některé fyzikální jevy při vzniku a prevenci zubního kazu. Sklovina funguje jako pomyslné molekulární síto, kterým mohou vstupovat i unikat ionty spolu s vodnou fází.

Uspořádání hydroxyapatitových krystalů

Sklovina je acelulární tkáň složená převážně z krystalů hydroxyapatitu. Apatitové krystaly, dlouhé až 1 mm, široké 50 nm a 25 nm silné, se pnou od dentinu směrem k povrchu skloviny. Sklovinné hranoly jsou uspořádány ve svazcích po přibližně 1000 krystalech. Profil příčného řezu hranolů se liší tvarem (kruhový nebo tvar klíčové dírky). Krystaly hydroxyapatitu jsou primárně uspořádány ve svých dlouhých osách (c-) paralelně s dlouhými osami hranolů. Na obvodu každého hranolu se krystaly poněkud odchylují od své orientace a vytváří rozhraní mezi hranoly tak, že vzniká interkrystalický prostor, jenž zprostředkovává difúzní dráhy uvnitř tkáně. Jedná se o důležitou vlastnost týkající se tvorby zubního kazu. Interprismatické krystaly mohou existovat jako samostatné struktury, ale často je velmi obtížné rozlišit konce přilehlých hranolů. Hustotní profil krystalů a hranolů není po celé ploše skloviny jednotný a je určen obsahem minerálních složek. Obecně platí, že se zmenšuje od povrchu tkáně směrem k dentinu, zatímco pórovitost, vodné substance a organické látky se naopak v tomto směru zvyšují. Znalost struktury hydroxyapatitu je důležitá, neboť jedině tak lze zjistit, jak se tvrdá zubní tkáň chová, když se podrobí procesu demineralizace – rozpouštění.

Minerální složka skloviny je v podstatě substituovaný hydroxyapatit vápenatý. Pokud si představíme jednotlivé složky hydroxyapatitu v prostoru s centrálním uspořádáním kolem hydroxylového řetězce, jenž se rozpíná ve směru c- osy přes dlouhé osy krystalů, tak jsou hydroxylové ionty uzavřeny v trojúhelníku vápenatých iontů (Ca II.). Tento trojúhelník je na druhé straně obklopen trojúhelníkem fosfátových iontů posunutým o 60 prostorových stupňů. Trojúhelníky jsou opět obklopeny šestiúhelníkem z vápenatých iontů (Ca I.). Celá krystalová struktura může být znázorněna jako řada hexagonálních hranolů naskládaných jeden na druhého, ale ​​každý z nich je otočen o 60 ° ve vztahu ke svému předchůdci.

Sklovinný apatit a samozřejmě i všechny ostatní mineralizované tkáně mohou vykazovat rozmanité změny ve složení. Změny zahrnují chybějící ionty, zejména vápníku a hydroxylu, méně často i uhličitanu, fluoridu, sodíku a hořčíku. Změny a substituce mají značný vliv na chování apatitu, zejména s ohledem na jeho rozpustnost při nízké hodnotě pH.

Složení dentinu a cementu

Dentin se skládá převážně z anorganických látek (70 %). Další složkou jsou látky organické (20 %) a zbytek tvoří voda (10 %). Anorganická část je tvořena krystaly kalciumhydroxyapatitu. Krystaly jsou rozměrově menší než u skloviny a nachází se na kolagenních fibrilách a mezi nimi.

Hlavní anorganickou složkou dentinu je hydratovaný kalciumfosfát neboli kalciumhydroxyapatit , který je svým složením a strukturou velice podobný minerálům apatitové skupiny, jež se přirozeně vyskytují v zemské kůře. Vzhledem k nepatrné velikosti krystalů (50x25x4 nm), vyskytujících se v kostní tkáni, je stanovení přesného složení a krystalové struktury tohoto biominerálu velice obtížné. Zmíněný biominerál se nejvíce podobá struktuře hydroxyapatitu, ale často obsahuje i jiné prvky a molekuly než vápník a fosfáty.

Cement se skládá z anorganické složky (65 %), organické látky (23 %) a z vody (12 %). Hlavní anorganickou složkou je hydroxyapatit. Jeho krystalky jsou tenké a obdobně uspořádané jako u fibrilární kosti. Organickou složku tvoří převážně kolagen typu I.

_

Substituce v apatitových strukturách

Apatit vykazuje oproti ostatním minerálům vyšší flexibilitu a je velice náchylný k iontovým výměnám. Substituce mění složení minerálu a často má rozhodující vliv na jeho vlastnosti jako je rozpustnost, tvrdost, křehkost, napětí, tepelná stabilita aj. Některé iontové výměny v krystalické mřížce hydroxyapatitu zásadně ovlivňují velikost krystalů a rychlost jeho rozpouštění. Omezeným množstvím prvků vyskytujících se v organismu je dáno množství substitucí v apatitu, jež je menší než v pro apatit vyskytující se v přírodě.

Struktura apatitové skupiny minerálů má čtyři krystalografické pozice:

1) Tetraedrální pozice pro šest P⁵⁺ iontů, každý iont tvoří 4 vazby s kyslíkem

2) Ca I. pozice pro čtyři Ca²⁺ ionty

3) Ca II. pozice pro šest dalších Ca²⁺ iontů (uspořádány takovým způsobem, aby tvořily kanál podél osy c-)

4) Poloha v kanálu, která je obsazena až dvěma monovalentními anionty (nejčastěji OH^–, F^–, velmi zřídka Cl^– ionty)

V rámci struktury se mohou ionty nebo iontové skupiny substituovat do různých pozic.

Začlenění iontů do sklovinného apatitu

Pozice OH^– skupiny ve struktuře hydroxyapatitu, (Ca)₁₀(PO₄)₆(OH)₂,může být zcela nebo zčásti obsazena fluorem. Tím dojde k vytvoření samostatných krystalů – fluorhydroxyapatitu a fluorapatitu. Ostatní prvky spadající do skupiny halogenidů, jako chlor, brom a jód mohou být začleněny též do struktury, ale minerál, který má zcela zaplněnou OH^– pozici chlorem, bromem nebo jódem, se běžně nevyskytuje.

Fluor tvoří nerozpustné soli s více prvky. Jsou to buď jednoduché soli s Ca, Mg, Fe nebo komplexní soli s Ca a P. V kostech a v zubech jsou obsaženy rezistentní krystaly z fluoroapatitu. Fluor má zásadní význam pro růst zubů. V zubní sklovině inhibuje růst a metabolismus bakterií. Proto je vhodné jeho profylaktické použití v zubních suplementech.

Fluor je resorbován v trávicím traktu, významný podíl má resorpce v žaludku a tenkém střevě. Vstřebává se až 90 % fluoru obsaženého v potravě. Předpokladem je, že resorpce probíhá pasivní difuzí a je inverzní k protonovému gradientu vodíkových iontů (pH). Faktory podporující sekreci žaludečních šťáv zvyšují resorpci. V žaludku se vstřebává kyselina fluorovodíková, v tenkém střevě však vzhledem k vyššímu pH je její zastoupení nízké a naopak koncentrace a gradient fluoridových iontů je zde vysoký. Rovněž rozpustné fluoridy jako fluorid sodný a fluorid cínatý, jež jsou součástí mnoha zubních past, se dobře vstřebávají. Rychlá resorpce vede ke zvýšení koncentrace fluoridu v krevní plazmě, kde se nachází ve formě fluoridových iontů. Odstranění fluoridových iontů z krevní plazmy se uskutečňuje dvěma mechanismy – jednak se vylučují močí, jednak jsou vychytávány v kalcifikovaných tkáních, především v zubech.

Začlenění fluoridů do struktury hydroxyapatitu je možné dvěma způsoby:

1) fluoridové ionty vyplní mezeru po chybějící OH^– skupině v c- ose sloupce krystalu

2) fluorid vytěsní OH^– iont ze své pozice

Vysoký hustotní náboj fluoridových iontů a symetrie vede k mnohem bližšímu umístění fluoridu v trianglu u pozice Ca II. Tím dojde ke snížení energetické bariéry a účinné stabilizaci krystalické struktury. Výsledkem je odolnější, méně rozpustná struktura apatitu, resp. fluoroapatitu. Migrace fluoru v rámci struktury hraje velmi důležitou roli v prevenci a profylaxii zubního kazu.

Distribuce fluoridu není ve sklovině homogenní – soustředí se pouze na povrchu, výrazně klesá směrem k dentinu. Na povrchu nalezneme vysoké koncentrace fluoridových iontů, jež pravděpodobně souvisí s jejich vychtáváním z krevní plazmy na ještě neprořezané sklovině. Tím dojde k zakoncentrování fluoridových iontů na povrchu skloviny, vytvoření stabilnější formy fluorhydroxyapatitu místo hydroxyapatitu, který účinněji vychytává fluoridové ionty a omezuje tak jejich průchod do hlubších vrstev tvrdých zubních tkání. Fluorhydroxyapatit nebo fluorapatit nejsou jediné fluoridované formy na povrchu skloviny. Lze zde nalézt i nespecifikovanou formu fluorid-fosfátových komplexů, fluorid vápenatý a hydrogenovaný fluorid vápenatý vázaný na komplexy.

Další chemická složka vyskytující se často v apatitu je karbonát – CO₃^2-. Ionty karbonátu mají odlišný náboj a molekulovou velikost než dominantní PO₄^3- skupina. Jedná se o trigonální iont s průměrem cca 0,2 nm, který se velmi obtížně dostává do krystalové struktury. Začlenění karbonátu do krystalové mřížky apatitu není zcela jasné. V zásadě se karbonátové ionty mohou substituovat do struktury apatitu buď na pozici OH^– skupiny, (Ca)₁₀(PO₄)₆CO₃, pak se jedná o „A-typ“ substituci, nebo na pozici PO₄^3- skupiny, (Ca)₁₀(PO₄, CO₃)₆(OH)₂, – „B-typ“ substituce. K jakému typu substituce bude docházet, závisí na pCO₂ během růstu krystalu. Koncentrace vzrůstá směrem od skloviny (2 %) k dentinu (4-6 %). Obecným předpokladem je, že ionty CO₃^2- se přednostně zaměňují s PO₄^3- skupinou. „B-typ“ substituce způsobuje změny různých fyzikálních vlastností v hydroxyapatitu. Zkrácení délky osy a-, zmenšení celkové velikosti krystalu, zvětšení délky osy c-, snížení termální stability, zvýšení napětí v krystalu, rozpustnosti a optického dvojlomu. Zvýšená rozpustnost karbonátem nasycených apatitů je v porovnání s apatitem bez obsahu karbonátu dána menší pevností vazby Ca – CO₃^2-, než vazby Ca – PO₄^3-. „B-typ“ apatit obohacený karbonátem stejně jako HPO₄^2- obohacený apatit mohou obsahovat různé množství karbonátu a fosfátů. Deficit záporného náboje, způsobený nahrazením PO₄^3- buď za CO₃^2- nebo HPO₄^2- může být nahrazen ztrátou pozitivního náboje – resp. vyloučením Ca²⁺ z krystalové mřížky. Následkem vyrovnání nábojů v karbonátem bohatém apatitu může dojít k omezení koncentrace OH^– v mřížce. Výše popsanými substitucemi dochází ke tvorbě méně odolné struktury apatitu tzv. „měkké formy“, jež je rozpustnější v kyselém prostředí, a tak náchylnější ke tvorbě patologických změn.

Řada dvojmocných kationtů může v krystalové mřížce nahrazovat různé pozice s Ca²⁺. Na pozici kationtů se mohou vázat i prvky vzácných zemin, tj. ionty, jež se mohou substituovat do apatitu v závislosti na svém náboji, iontovém poloměru a koordinačním čísle. Substituované kationty lze nalézt v souhrnném vzorci apatitu:

(Ca, Mg, Na, Sr, Se, Zn, Pb,…)₁₀(PO₄, CO₃, HPO₄)₆(OH, F)₂.

Vápenatý iont může být do určité míry nahrazen hořčíkem, i když pouze omezeně – cca 0,3 %. Pokud je hořčíkový iont lokalizován na povrchu krystalu nebo samostatně, tvoří krystalovou strukturu více náchylnou v kyselém prostředí. Hustotní náboj hořčíku bude mít destabilizační účinek na apatitovou strukturu, podobného charakteru jako tomu bylo u substituce s karbonátem. Karbonát společně s hořčíkem mají synergický účinek pro zabudování se do hydroxyapatitové mřížky. Tím ji činí více vnímavou vůči kyselému prostředí. Hořčík s karbonátem jsou společně soustředěny na povrchu krystalové struktury nebo do rozhraní mezi hranoly a mohou být překrystalizovány během vývoje tvrdých zubní tkání: CaMg(CO₃)₂ a Ca₉Mg(PO₄)₆(HPO₄).

 

Demineralizace zubního skloviny

Mezi rozšířené patologické změny tvrdých zubní tkání patří zubní kaz (caries). Zubní kaz je multikauzální a multikondicionální onemocnění. Vzniká tedy tam, kde jsou vytvořeny optimální podmínky. Za jeho vznikem stojí kyseliny rozpouštějící minerální složku zubů neutralizací negativně nabitých protilehlých iontů v apatitu. Kyseliny jsou obsaženy v potravě nebo je tvoří mikroorganismy přítomné na zubním povrchu pod ochranným obalem tvořeným z dextranu. Při anaerobním rozkladu cukrů těmito mikroorganismy vzniká především kyselina mléčná, avšak mohou vznikat i jiné – kyselina propionová, octová či máselná.

Vystavení hydroxyapatitové struktury kyselinám vede ke zvýšené koncentraci vápníku, hořčíku, fosfátu, hydrogenfosforečnanu, uhličitanu a hydrogenuhličitanu v mikroskopické trhlině počínajícího zubního kazu. V přítomnosti zvýšeného množství kyselin v dutině ústní (pH 5,5) dochází ke tvorbě dikalciumfosfátdihydrátu a oktakalciumfosfátu, jež vznikají přímo z iontů uvolněných z rozpuštěného hydroxyapatitu. Pokud působení kyselin ustává, je postupně dosaženo neutrálního pH. Dikalciumfosfátdihydrát hydrolyzuje na oktakalciumfosfát za přítomnosti vápenatých, hydrogenuhličitanových a uhličitanových iontů, jež pocházejí z rozpuštěného hydroxyapatitu, zubního plaku nebo slin. Obě dvě apatitové formy (dikalciumfosfát dihydrát a oktakalciumfosfát) mohou za takových podmínek vytvářet apatit nebo karbonáthydroxyapatit. Pokud se do reakce zapojuje hořečnatý iont (pocházející z rozpuštěného hydroxyapatitu, zubního plaku, slin, potravin či nápojů) dojde k tomu, že hořčík bezprostředně po rozpuštění hydroxyapatitu nebo dikalciumfosfát hydrátu substituuje vápenatý iont v trikalciumfosfátu, a tím inhibuje tvorbu oktakalcium fosfátu. Následkem toho neumožní dikalciumfosfát hydrátu a oktakalciumfosfátu tvorbu hydroxyapatitu. Nízká koncentrace fluoridových iontů, kterou zuby získávají během hygieny dutiny ústní ze zubních past či ústních vod, reaguje s rozpouštěnými produkty hydroxyapatitu za tvorby fluoroapatitu nebo fluorohydroxyapatitu. Vznikající fluoridované struktury apatitu inhibují dikalciumfosfát hydrátové a oktakalciumfosfátové struktury.

Vysoká koncentrace fluoridových iontů obsažená v mnoha fluoridovaných gelech (obsahující fluorid vápenatý)povede k obnově hydroxyapatitu nebo fluorhydroxyapatitu. Fluorid vápenatý může působit jako reservoár vápenatých iontů, kterými zásobuje sklovinný hydroxyapatit při útoku kyselin. Za podpory dvou iontů fluoridu přerušuje další rozpouštění hydroxyapatitové struktury – opětovný vznik fluorohydroxyapatitu. Fluorid vápenatý může hydrolyzovat na flurohydroxyapatit, ale jen za přítomnosti hydrogenfosforečnanu nebo fosfátových iontů.

Obecně platí, že přítomnost fluoridových iontů potlačuje kyselé prostředí, fosforečnan vápenatý v dikalciumfosfátdihydrátu a oktakalciumfosfátu tvoří méně rozpustným a usnadňují tvorbu fluorhydroxyapatitu.

Proces demineralizace krystalické struktury hydroxyapatitu či jiných apatitových forem začíná u rozpuštění centrálního jádra a postupuje směrem k periferii. Centrum neboli centrální jádro krystalu je napadeno přednostně z důvodu vyšší koncentrace uhličitanů nebo symetrickým nedokonalostem v krystalové mřížce. Počátek narušení struktury je patrný jemnou rýhou na terminálním konci hydroxyapatitového krystalu. Rozpouštění pokračuje směrem do středového jádra, což má za následek vyhloubení jamky v hydroxyapatitovém krystalu. Pokud není patologický stav včas zastaven, dochází k úplné destrukci tvrdých zubních tkání. V laboratorních podmínkách lze jádro během několika málo minut rozpustit v kyselině mléčné. Periferní obal naopak potřebuje k úplnému rozpuštění řádově hodiny.

Autoři podkapitoly: Václav Pavlíček