Explorative Studie zur Ultrastruktur remineralisierten Dentins

Schon in den 1980er-Jahren untersuchten mehrere Arbeitsgruppen den Grenzbereich zwischen gesunder Zahnhartsubstanz und kariös verändertem Gewebe. Neben unterschiedlichen Härtegraden dieser beiden Zonen [Ogawa et al., 1983] erkannten die Forscher unter dem Rasterelektronenmikroskop offenbar neu gebildete Apatitkristalle in beiden Schichten. Andere Teams entdeckten am Übergang von Dentinkaries zu gesundem Dentin teilweise und vollständig mineralisierte Dentintubuli [Frank und Voegel, 1980]. Die strukturelle Organisation eines durch körpereigene Prozesse remineralisierten Dentins konnten sie allerdings noch nicht in allen drei Dimensionen erkennen.

In der hier vorgestellten explorativen Studie aus Japan untersuchten die Forscher nun den remineralisierten Dentinbereich am Rand einer Kariesläsion mit neuen rasterelektronenmikroskopischen Methoden.

Sie stellten Proben aus zwei extrahierten kariösen menschlichen Prämolaren her. Die Zähne stammten von unterschiedlichen Personen und waren aufgrund einer tiefreichenden Karies oder aus parodontalen Gründen extrahiert worden. An beiden Zähnen gab es einen Bereich remineralisierten Dentins unmittelbar anschließend an die Kariesläsion. Die Wissenschaftler stellten aus diesen auf natürliche Weise remineralisierten Dentinstrukturen Proben her, um sie mit verschiedenen Verfahren der Rasterelektronenmikroskopie zu untersuchen.

Sie entdeckten in der Nähe der Kariesläsion gefüllte Dentintubuli, weiter entfernt von der Läsion waren die Tubuli offen. Die Dentintubuli waren mit einer weißen Substanz gefüllt. An der Grenzfläche vom gesunden zum kariösen Dentin erschien die tubuläre Struktur teils unterbrochen, die weiße Struktur darin jedoch nahezu intakt. Ihre Dichte war höher als die von gesundem Dentin. Laut chemischer Analyse enthielt die weiße Substanz Kalzium, Sauerstoff, Phosphat und Magnesium. Bakterien kamen nur im erweichten Dentin der Kariesläsion vor. Die weiße „Füllung“ bestand aus Hydroxylapatitkristallen und amorphem Kalziumphosphat. Hydroxylapatitkristalle enthielten auch die Dentinreste zwischen den Tubuli.

Bereits frühere Studien konnten mit einer dichten Substanz gefüllte Dentintubuli nahe der Grenzfläche zu einer Kariesläsion zeigen. Zu sehen waren Kristalle im vertikalen Querschnitt durch die Tubuli [Sarnat und Massler, 1965; Daculsi et al., 1979]. In der vorliegenden Studie deuteten die Forscher die dichte weiße Substanz als Präzipitate, die sich in den Tubuli ablagern, selbst wenn das umliegende Dentin von der Karies zerstört wurde. Bakterien drangen überraschenderweise nicht in die Dentintubuli ein, obwohl sie in der Dentinkaries reichlich vorhanden waren. Vermutlich hinderte der hochdichte Niederschlag in den Tubuli sie daran. Diese Beobachtung stimmt mit der von Daculsi et al. von 1978 überein. Yoshiba et al. berichteten von einer nur noch langsam fortschreitenden Karies [Yoshiba et al., 2002] – das verringerte Tempo der Kariesprogression geht möglicherweise auf die „verstopften“ Dentintubuli zurück, die durch Kariesbakterien nicht infiltriert werden können. Das menschliche Zahngewebe scheint so zu versuchen, sich gegen die bakterielle Invasion abzuschotten.

Die japanischen Forscher konnten die Remineralisationsprozesse nicht in ihrer Dynamik beobachten, da das Geschehen aufgrund der Extraktion der Zähne und der anschließenden Einbettung in Epoxidharz zur Probenherstellung quasi eingefroren wurde. Dennoch diskutieren sie zwei Thesen, wie es zu der intratubulären Kristallbildung kommen könnte: 

• Die Odontoblasten produzieren die Kristalle beziehungsweise die Bakterien-Odontoblasten-Interaktion aktiviert die physikochemischen Prozesse, die zur Kristallbildung führen [Daculsi et al.,1978]. Auch Frank und Voegel haben eine solche Remineralisation um Odontoblastenfortsätze gezeigt [Frank und Voegel, 1980]. Doch die japanischen Forscher konnten jetzt keine Odontoblastenfortsätze in der Nähe der Präzipitate ausmachen. Diese Erklärung dürfte damit ausscheiden.

• Die zweite These besagt, dass Apatit im peritubulären Dentin als Kristallisationskeim für Kalziumphosphatkristalle dienen könnte, die in die Dentintubuli wachsen. Die Kristallisation schreitet aufgrund der in die Dentintubuli einfließenden Kalzium- und Phosphationen voran.

Das in dieser Studie gefundene Verhältnis von Kalzium zu Phosphat spricht für die Ausbildung von Hydroxylapatit. Von den in den mineralisierten Dentintubuli detektierten Magnesiumionen ist bereits bekannt, dass sie das Wachstum von Hydroxylapatitkristallen konzentrationsabhängig hemmen können [Ding et al., 2014; Abbona und Franchini-Angela, 1990]. In einer Lösung mit geringen Mengen Magnesiumionen im Verhältnis zu Kalziumionen (Mg zu Ca unter 0,4) bilden sich Hydroxylapatitkristalle. Bei einem Verhältnis zwischen 0,4 und 4,0 bildet sich stabiles amorphes Kalziumphosphat oder Whitlockit (Mg-ß-TCP – Trikalziumphosphat) [Abbona und Franchini-Angela, 1990]. Ein Phänomen, das sich auch bei pathologischen Verkalkungen etwa an Herzklappen zeigt [Epple, 2003]. Whitlockit fanden die Forscher jetzt allerdings nicht. Im Transmissionselektronenmikroskop zeigte sich, dass Hydroxylapatitkristalle in den Dentintubuli weniger als 100 Nanometer groß waren. Magnesium aus dem Speichel und solches, das aus Zahngewebe freigesetzt wird, könnte das Kristallwachstum von Hydroxylapatit gehemmt und stattdessen zur Bildung von amorphem Kalziumphosphat geführt haben.

Bei einer Karies remineralisieren die Dentintubuli aufgrund der Ausfällung von Hydroxylapatitkristallen und der Bildung von amorphem Kalziumphosphat. Diese intratubulären Mineralablagerungen sind so dicht, dass sie als Barriere für das weitere Vordringen von Bakterien wirken. Das Fortschreiten der Karies verlangsamt sich stark beziehungsweise könnte sogar stagnieren. Das Verständnis der natürlichen Remineralisationsprozesse im kariösen Dentin kann helfen, bioaktive Materialien zu entwickeln, die solche Remineralisationsprozesse befördern.      

Quelle: Kumiko Yoshihara, Noriyuki Nagaoka, Akiko Nakamura, Toru Hara, Satoshi Hayakawa, Yasuhiro Yoshida and Bart Van Meerbeek: „Three-dimensional observation and analysis of remineralization in dentinal caries lesions“. Scientific Reports (2020) 10: 4387, doi.org/10.1038/s41598-020-61111-1

Abbona, F. & Franchini-Angela, M. Crystallization of calcium and magnesium phosphates from solutions of low concentration. J. carious dentin. Acta Biomater. 4, 1427–1439 (2008). Crystal Growth 104, 661–671 (1990).

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Daculsi, G., LeGeros, R. Z., Jean, A. & Kerebel, B. Possible physico-chemical processes in human dentin caries. J. Dent. Res. 66, 1356–1359 (1978).

Ding, H., Pan, H., Xu, X. & Tang, R. Toward a detailed understanding of magnesium ions on hydroxyapatite crystallization inhibition. Cryst. Growth Des. 14, 763–769 (2014).

Epple, Matthias: Biomaterialien und Biomineralisation, B. G. Teubner Verlag 2003, S. 65

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Ogawa, K., Yamashita, Y., Ichijo, T. & Fusayama, T. Die Ultrastruktur und Härte der transparenten Schicht aus menschlichem kariösem Dentin. J. Dent. Res. 62 , 7–10 (1983).

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