Эмаль зубов как биокибернетическая система

ГА - гидроксиапатиты

КСБЭ - кальций-связывающий белок эмали

ПР - произведение растворимости

ФР - факторы роста

ЭДТА - этилендиаминтетрауксусная кислота

Настоящая книга посвящена новым представлениям о составе, свойствах и функции эмали зуба как важнейшей субстанции (ткани), обеспечивающей основные ее свойства: прочность, устойчивость, надежность, долговременность, способность к самовосстановлению, способность функционировать в сложных условиях границы внешней и внутренней среды, при постоянно изменяющихся показателях кислотности, микрофлоры, давления, механической нагрузки, в зависимости от приема различной пищи, жидкостей и др.

Показано, что подобные функции при отсутствии кровоснабжения, иннервации, лимфотока, систем воспроизведения и других обычных для живых тканей факторов могут осуществляться только на биокибернетических принципах: самоорганизации, самосборки, саморегуляции и самоуправления, не требующих присутствия обычных систем жизнеобеспечения.

Для этого достаточно наличия генетически определенных биохимических, биофизических, молекулярно-биологических, физиологических и химических факторов и условий, обеспечивающих работу на принципах биокибернетики всей системы эмали зубов.

Данная работа была выполнена в 1965-2015 гг. в СССР и современной России группой ученых, возглавляемых академиком РАН профессором В.К. Леонтьевым и его школой. Практически все исследования являются оригинальными, большинство из них опубликовано. Гипотеза биокибернетического подхода к полученным данным возникла на последнем этапе работы, ранее не публиковалась и в печатном виде представлена впервые после доклада о ней в Институте управления РАН.

Автор выдвинул предположение, что принцип биокибернетики, лежащий в основе самоуправления биологических тканей до нервно-гуморальной регуляции, является универсальным, и именно он обеспечивает основы жизнедеятельности любых живых тканей на этом уровне.

Автор будет благодарен всем читателям за критику, замечания, дополнения и пожелания.

Открылась бездна, звезд полна, Звездам числа нет, бездне - дна.

М.В. Ломоносов

Кибернетика - это наука, изучающая общие закономерности строения сложных систем управления и протекание в них процессов управления. Название науки произошло от греческого слова «кибернетес» - рулевой.

Биокибернетика изучает эти процессы в биологических системах. В доступной литературе имеются две формулировки, характеризующие биокибернетику как раздел биологии и кибернетики. Первая из них была оглашена еще в советской литературе (БСЭ и др.). Согласно ей, биокибернетика - это раздел кибернетики, изучающий общие законы передачи, переработки и хранения информации в биологических системах. Как следует из этой формулировки, основным предметом изучения биокибернетики является информация в биосистемах.

Вторая, более поздняя формулировка гласит, что биокибернетика - это научные идеи, методы и технические средства кибернетики, примененные к решению задач биологии и физиологии. Данная формулировка более широкая, объемная и разносторонняя, так как предмет ее изучения гораздо шире, чем информатика и кибернетика биосистем. В этом отношении очень привлекательно изучение молекулярной биокибернетики, предметом исследования которой являются молекулярные биологические системы.

Одним из важнейших методов биокибернетики является моделирование структуры и закономерностей поведения живых систем (Редько В., 1999). По мнению автора, высокая эффективность работы компонентов живых существ обеспечивается биокибернетическими управляющими системами. Именно они, возникающие в процессе эволюции, обеспечивают высокую эффективность управления при чрезвычайной сложности таких систем.

Биокибернетические подходы очень важны в понимании и прогнозировании регуляции живых систем, их физиологических функций, механизмов действия и управления ими (Нестерова Е.В., 2010; Хидиров Б.Н., 2014 и др.).

Таким образом, биокибернетика живых систем является одним из наиболее важных, сравнительно малоизученных, привлекающих к себе все больше внимания разделов кибернетики.

В живых биосистемах такие типичные механизмы кибернетики, как самоорганизация, самоуправление, саморегуляция, самосборка, автоматическое функционирование, информатика, становятся все более важными для внимания и изучения. В этом плане все большее значение приобретает исследование биокибернетических процессов в наиболее простых биосистемах как в моделях, где легче и проще понять принципы и механизмы функционирования биокибернетических систем. Со многих позиций в таком качестве почти идеальной может быть эмаль зубов как одна из наиболее простых уникальных субстанций живых организмов. Особенности состава эмали зубов представлены в табл. 1.

Как следует из представленных данных, в эмали всего около 1,3% белка, 3-5% воды, около 0,1% липидов (преимущественно фосфолипиды). Остальное, а это более 90%, приходится на соли кальция и фосфаты. Именно поэтому эмаль является самой высокоминерализованной субстанцией живых организмов. Белок эмали (основная часть), единственный среди минерализованных белков у млекопитающих, относится к кератинам, так как сама эмаль является производным эктодермы в отличие от других минерализованных тканей (кости, дентин, цемент), в которых матрицей являются белки мезенхимального (соединительнотканного) происхождения - коллагены.

В эмали, по-видимому, содержатся белки и неэктодермального происхождения. Часть их включается на ранних стадиях амелогенеза из соседних тканей, часть - из слюны, причем чем ниже минерализация (выше проницаемость), тем больше.

Эмаль зубов не только самая минерализованная субстанция. Она одновременно наиболее упорядоченная, структурированная и прочная.

С.М. Ремизов (1965) показал, что ее прочность достигает 425 кг/мм², а при истирании - 20 т/см² (Nikiforuk G., Sognnaes R.F., 1966).

Снаружи эмаль покрыта тонкой органической пленкой, преимущественно белкового генеза - пелликулой, которая формируется после прорезывания зуба в основном из слюны под воздействием микробов (Леонтьев В.К., 1976; Леонтьев В.К., Десятниченко К.С., 1980).

Кроме высокой прочности (твердости), эмаль зубов обладает регулярностью строения (табл. 2). Материальной единицей эмали можно назвать молекулу гидроксиапатита (ГА) - Са₁₀ (РО₄ )₆ (ОН)₂ с молекулярной массой около 1000 дальтон (структура I порядка). Частично в ней могут присутствовать гидроксифторапатиты Са₁₀ (РО₄)₆ (ОН)F, фторапатиты Са₁₀ (РО₄)₆ F₂ , карбонатапатиты, в которых фосфатная группа частично замещена карбонатами [(НСO^- ₃ ), (CO₃ )^2- ] или фторидом кальция (СаF₂ ), либо какие-то смешанные формы.

Кристалл ГА (структура II порядка) состоит примерно из 1000 его молекул и имеет молекулярную массу около 1 млн дальтон. Эту структуру видно в электронный микроскоп, строение ее достаточно хорошо изучено и понятно.

Миллионы кристаллов ГА образуют структуру III порядка - призмы эмали, которые хорошо видны на ее срезе в обычном микроскопе. Эмалевая призма представляет собой длинную узкую кристаллическую структуру, состоящую из миллионов кристаллов ГА. Она берет начало от эмалеводентинной границы и доходит до поверхности эмали. При этом тысячи призм сплетены друг с другом, они могут менять свое местоположение в эмали, сохраняя общую направленность к поверхности.

В целом призмы эмали являются основой ее макроструктуры и все вместе образуют ту эмаль зубов, которую мы видим на их поверхности (структура IV порядка) невооруженным глазом.

Очень важное свойство эмали - ее способность к самовосстановлению. Речь идет о том ее качестве, которое позволяет эмали функционировать на протяжении всей жизни. По имеющимся данным, за сутки эмаль истирается на 3 мкм. Простой расчет показывает, что за год эмаль должна потерять около 1000 мкм толщины. Следовательно, за 2-3 года она должна потерять 2-3 мм толщины, а это превосходит ее реальные размеры. Но мы воочию видим, что этого не происходит. Следовательно, кроме истирания, существует четко работающий механизм ее восстановления, что позволяет эмали сохраняться и функционировать на протяжении всей жизни.

Кроме того, при отсутствии в ней каких-либо рецепторов эмаль зубов обладает высокой тактильной чувствительностью. Точность определения прикосновения к ней превышает 95%. Это свойство впервые было обнаружено В.К. Леонтьевым и Н.Н. Шуруповой в 2002 г. Наша полная первоначальная убежденность, что этот эффект связан с воздействием на рецепторную зону периодонта (эффект давления), была быстро опровергнута наблюдениями с отсутствием иннервации зубов (при травмах челюстей), анестезией и др. Эффект давления на эмаль не подтвердился из-за своей ничтожности при прикосновении к зубу человеческим волосом (этот эффект известен каждому из нас по быту). Оказалось, тактильная чувствительность зубов связана с передачей звука от прикосновения к зубу во внутреннее ухо посредством механизма контактной проводимости. Это однозначно подтверждено в экспериментах с глухими людьми с разрушенным у них в результате болезни внутренним ухом. Эти люди не могли определить прикосновения к зубу ни зондом, ни волосом, ни чем-то иным. В связи с этим открытием стал понятен механизм патологической стираемости зубов у всех глухих. Отсутствие у них тактильной чувствительности зубов не позволяло этим людям регулировать нагрузку в процессе жевания.

Со всеми указанными выше свойствами эмали связаны такие ее важнейшие качества, как стабильность и долгосрочность функционирования. Действительно, очень высокая твердость и прочность не характерны для апатитов. По шкале твердость природного апатита не превышает 2,5-3,0, тогда как прочность эмали, состоящей преимущественно из ГА, превышает 5,0. Такое положение можно объяснить только высочайшей упорядоченностью строения и структуры ГА в эмали, которую все исследователи объясняют формированием ГА эмали на белковых матрицах, на чем мы подробно остановимся ниже.

Конечно, в долгосрочном процессе функционирования эмали немалую роль играет ее способность к восстановлению, вариабельность состава ее апатита, в первую очередь за счет соединения с фторидами. Немалая роль принадлежит регуляции процесса жевания, форме зубов и их специализации, а также равномерности нагрузки на зубы и перемещению во рту пищи. Также эмаль зубов обладает рядом других свойств: цветностью, полупрозрачностью, отражением света, неравномерностью цвета, способностью к адсорбции и десорбции и др., обсуждение которых не входит в рамки настоящей работы.

Остановимся на особенностях состава и свойств эмали зубов.

Особенности состава и свойств зубов:

Эти свойства абсолютно уникальны для тканей живых организмов. Главной особенностью является отсутствие в эмали клеток дезокси-рибонуклеиновой и рибонуклеиновой кислот. Иными словами, это образование в общепринятом смысле слова не является обычной биологической тканью, так как оно не имеет аппарата воспроизведения, размножения, наследственности.

Другой особенностью эмали является отсутствие в ней кровеносных сосудов, крови, лимфы, нервных волокон - обычных для животных тканей систем обеспечения и управления. В эмали зубов более чем в 10 раз меньше белка, в 15-20 раз меньше воды, чем в любых других тканях организма.

У эмали есть еще 2 особенности. Эмаль разных животных и людей, особенно ее минеральный матрикс, не имеет постоянного состава. Он меняется при различных обстоятельствах, но при этом его основные свойства сохраняются, что, вероятно, является очень серьезной приспособительной реакцией организма, важной для выживания.

Наконец, важнейшая особенность эмали зубов - ее прямое сообщение с внешней средой: с водой, пищей, воздухом, микрофлорой, загрязнениями и др. Это единственная минерализованная ткань в организме, обладающая такими свойствами. При этом эмаль должна противостоять и сохраняться в очень агрессивных условиях: при воздействии солей, щелочных и кислых веществ, холодных и горячих температурах, высоком и пониженном давлении, большой физической, химической, механической, токсической нагрузках. И эмаль способна выполнять эти функции.

Рассмотрим детально состав и свойства отдельных веществ и жидкостей, обеспечивающих столь разнообразные свойства и функции эмали зубов.

Минеральные компоненты эмали являются ее основой, и их содержание в ней превышает 90% состава. Многолетние исследования с высокой достоверностью и убедительностью показали, что основой этой фазы являются апатитоподобные кальцийфосфатсодержащие соединения (Глимчер М., 1961) (табл. 3).

На наш взгляд, это чрезвычайно важно, так как в биологическом мире минеральные фазы минерализованных структур достаточно широко представлены кальцитом, целестином, кремнеземом, арагонитом и др. (см. табл. 3). Лишь у позвоночных во всех видах их минерализованных тканей в качестве минеральной фазы природа избрала ГА и, частично, близкие к нему соединения: фторапатиты, карбонатапатиты и др. Почему же природа в минерализованных тканях высших животных, коими являются позвоночные, выбрала в качестве минеральной матрицы апатиты? Многолетние исследования растворимости эмали позволили нам подойти к ответу на данный вопрос.

Растворимость эмали - одно из ее важных свойств. Принципиально минерализованные ткани позвоночных создавались в фило- и онтогенезе как структуры, чрезвычайно стойкие к действиям различных факторов, рассчитанные на длительное функционирование. В особой мере это относится и к эмали зубов, непосредственно соприкасающейся с внешней средой и воздействием на нее различных, в том числе агрессивных факторов. В таких условиях функционирования эмаль не могла оставаться вечной, поэтому природа должна была предусмотреть какой-то механизм регуляции, восстановления, обмена эмали для поддержания ее состава, свойств и функционирования. То, что такой механизм существует, доказывает сам факт функционирования эмали зубов на протяжении всей жизни позвоночных (до 80-100 лет!).

Изучение растворимости эмали показало механизм, с помощью которого она может поддерживать свои состав, свойства, функции. Биологические и минералогические исследования показали, что составляющий основу минерализованных тканей позвоночных ГА - Са₁₀ (РО₄)₆ (ОН)₂ - может иметь различный состав. Типичный 10-кальциевый ГА нейтрален по своей природе за счет равновесия отрицательных и положительных ионов в его составе, и молярное соотношение в нем Са/Р=1,67 (10Са/6Р =1,67) (рис. 1).

Однако хорошо известно (Ньюман У., Ньюман М., 1961), что ГА могут быть как дефицитными по Са²⁺, так и избыточными. В природе существуют 8-12-кальциевые ГА - от Са₈ (РО₄)₆ (ОН)₂ до Са₁₂ (РО₄)₆ (ОН)₂ (рис. 2).

Дефицитные по кальцию ГА имеют отрицательный заряд за счет избытка фосфата (8- и 9-кальциевые ГА), тогда как избыточные по кальцию ГА (11- и 12-кальциевые) имеют положительный заряд. Следовательно, такие формы ГА (8-, 9-, 11- и 12-кальциевые) менее устойчивы, более реакционноспособны из-за своей возможности приобрести состав с большей устойчивостью. Появление кальций-дефицитных и кальций-устойчивых форм ГА может быть связано как с появлением и наличием вакансий в структуре ГА, так и с высокой сорбционной и адгезионной способностью ГА.

Таким образом, ГА может иметь широкий диапазон своих форм - от Са₈ (РО₄)₆ (ОН)₂ до Са₁₂ (РО₄)₆ (ОН)₂ , меняя при этом заряд молекулы от отрицательного (Са₈ , Са₉ ) до нейтрального (Са₁₀ ) или положительного (Са₁₁, Са₁₂), и от этого может зависеть уровень его реакционной способности, адсорбции, адгезии и других свойств.

Важнейшим свойством ГА минерализованных тканей животных организмов (позвоночных) является их свойство быть депо Са²⁺ в организме, участвовать в регуляции кальциевого баланса и препятствовать его выведению из организма в результате ацидоза или гормональной разбалансировки. И здесь огромную роль играет резерв кальция в организме.

Что же представляет собой резервный Са²⁺? Для понимания сущности этого вопроса очень важно хорошо представлять механизм и химизм растворения ГА у позвоночных.

До недавнего времени преобладала теория стехиометрического характера растворения ГА (Gray Y.Y., 1962; Schole W.Z. et al., 1965 и др.). Наиболее часто оно описывалось уравнением:

Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ + 8Н⁺ → 10Са2⁺ + 6HРО₄^2- + 2Н₂О. (1)

Следуя этому уравнению, молекула ГА, которая взаимодействовала с кислотами, должна разрушаться с выделением ионизированного Са²⁺ и гидрофосфата НРО₄^2-. К таким выводам авторы пришли на основе изучения эмали зубов с удаленным поверхностным ее слоем, или ГА абиогенного происхождения, или порошков эмали, или синтетического ГА.

Согласно вышеприведенному уравнению, молярное соотношение Са и Р как в ГА, так и в продуктах их кислотного гидролиза было одинаковым и близким к 1,67 (10Са/6Р).

Вместе с тем есть ряд данных, основанных на исследовании деминерализующих растворов эмали, когда коэффициент Са/Р в них превышал таковой в разы и на порядки в исследуемых ГА, что ранее чаще всего объяснялось либо протекающей в растворах деминерализата ГА реакцией новой твердой фазы (например, брушита - СаНРО₄x2Н₂О), либо неточностями анализа.

Нами впервые (Леонтьев В.К., 1978; Леонтьев В.К., Вершинина О.И., 1982) была предложена и доказана ионообменная теория и практика растворения эмали зубов и ГА.

Проблема возникла при изучении растворимости эмали целых зубов в растворах кислот и проведении анализа деминерализата, взятого через 1, 3, 5, 10, 30 мин и т.д. после начала воздействия кислоты на эмаль. В деминерализатах изучали содержание растворившегося Ca² + и НРО₄ ^2-. Во всех случаях молярный коэффициент Са/Р в описанные сроки (до 60 мин) был выше 5,0, а в ряде проб, особенно в начале процесса растворения, превышал 15,0 и 20,0 при коэффициенте Са/Р в самой эмали, равном 1,60-1,70. Это явление мы назвали избирательной декальцинацией и стали искать ее причину, пытаясь объяснить сущность и химизм процесса.

В результате многочисленных исследований удалось выяснить причину открытого нами эффекта. Оказалось, что вместо стехиометрического растворения в условиях постепенной замедленной диффузии кислоты в поверхностном слое эмали первоначально протекает ионообменная реакция замещения ионов Са2⁺ на равный ему заряд 2 ионов гидроксония (Н₃ ⁺О):

Эта реакция приводит к следующим последствиям:

Если кислотная атака на ГА продолжается, происходит следующее ионообменное замещение:

В этом случае:

При продолжении кислотной атаки на 8-кальциевый ГА происходит стехиометрическая реакция, и его молекула распадается:

Правильно предполагать, что при воздействии кислот на цельную эмаль одновременно идут все 4 реакции. Однако по мере длительности кислотного воздействия снижаются ионообменное замещение Са2⁺ на Н₃ ⁺ О и интенсивность реакций 2 и 3. Параллельно возрастает интенсивность реакций 1 и 4, что постепенно приводит к стехиометрическому их течению с соответствием коэффициента Са/Р в деминерализате и в оставшейся эмали.

Таким образом, открытый нами эффект избирательной декальцинации цельной эмали кислотными растворами основан на обнаруженном нами свойстве природного ГА в определенных условиях к ионообменным (в основном катионообменным) реакциям, в результате которых ион Са²⁺ замещается на ион гидроксония (Н₃⁺О), что нами доказано. Это позволяет сохранить молекулярную структуру и свойства ГА в биологических тканях. И, что очень важно для функционирования биологических минерализованных тканей, данный эффект обратим при отсутствии кислот и наличии высокой концентрации Са²⁺. В условиях продолжительного воздействия кислот на эмаль преобладают реакции 1 и 4, и это неизбежно ведет к разрушению молекул, кристаллов ГА и эмали в целом.

При работе исследователей с предварительно протравленной эмалью или ее порошком в силу зависимости процесса растворения образцов ГА от поверхностной диффузии кислоты в образцы, реакция идет по первому типу, с сохранением стехиометрического растворения и без избирательной декальцинации, с коэффициентом Са/Р в деминерали-зате около 1,60 (как в эмали). В этих случаях подтверждается диффузионная теория растворения ГА. При этом следует учитывать, что скорость диффузии ионов сквозь эмаль на 2 порядка ниже, чем скорость внешней диффузии (Hopfenberg Н., 1974), а это особенно важно при воздействии кислот как на цельную эмаль, так и на ее порошок.

Таким образом, изучение процессов растворимости эмали при естественных и патологических процессах в полости рта можно проводить только на образцах цельной эмали, так как во всех других случаях (протравливание, порошки и др.) химизм происходящих процессов не соответствует их условиям и механизмам протекания растворения в полости рта и при патологии.

Представленные новые материалы по изучению растворимости цельной эмали зубов и свойств ГА в цельных тканях позволяют ответить на 2 очень важных вопроса: что такое резервный Са в минерализованных тканях позвоночных и почему именно ГА в результате эволюции избран основным компонентом их минерализованных тканей (кость, эмаль, дентин, цемент, гетероморфные структуры).

Исходя из представленных данных, резервным или подвижным Са ГА является Са, превышающий минимально необходимый для сохранения свойств и структуры ГА порог - Са₈ (РО₄)₆ (ОН)₂. При 10-кальциевом ГА такого Са 2 г-иона на молекулу (т.е. 20%), при 9-кальциевом - 1 г-ион на молекулу ГА. 8-кальциевый ГА такими резервами Са не обладает и при кислотном воздействии на него распадается. Зная, хотя бы приблизительно, состав ГА минерализованных тканей, можно легко рассчитать или учесть возможности и способности ГА конкретного субъекта к декальцинации при сохранении в этих случаях молекул ГА.

Для эмали такой способ разработан путем взятия соскоба с поверхности эмали и определения его молярного коэффициента Са/Р. Для других тканей такой способ должен быть найден. Определение этого показателя может быть очень полезно как для диагностики состояния минерализованных тканей, так и для лечения, профилактики и динамического наблюдения, особенно при остеопорозе, болезнях суставов, гормональном дисбалансе и в других случаях.

Вместе с тем нельзя не отметить, что в главной ткани, поддерживающей гомеостаз (костной) Са-Р, помимо ГА, содержится еще и аморфный трикальцийфосфат. Его количество с возрастом постепенно уменьшается (прекращение роста, снижение активности метаболизма) и критически падает в интактной кости при переломах, гипокинезии, гипогравитации и стрессе. Именно ему отводится роль главного резерва Са в кости. В эмали, где процессы кислотного растворения обычны и постоянны, работает другой механизм, описанный нами выше, но и вклад его в поддержание гомеостаза на уровне организма невелик (Прохончуков А.А., Десятниченко К.С. и др., 1982; Десятниченко К.С., Камерин В.К. и др., 1985; Posner A.S., 1985).

Не менее важно, особенно для понимания эволюционного, адаптационного, патогенетического, профилактического и лечебного значения, избрание природой ГА главным кальцийсодержащим компонентом минерализованных тканей позвоночных. И здесь важнейшую роль играют следующие факторы.

Кости для постоянного образования ГА нужны водорастворимые кальциевые фосфаты. Вероятно, само появление позвоночных стало возможно после того, как их кальцитовые, арагонитовые и целестиновые предшественники накопили эти фосфаты в мировом океане. Они также используются в антенатальном периоде развития эмали зубов. Однако в дальнейшем, с учетом крайне низкого уровня обмена кальция в эмали и практически единственного его источника в ней - слюны, использование водорастворимых фосфатов для синтеза ГА возможно лишь в ограниченном объеме при реминерализации зубов.

Таковы, на наш взгляд, мотивы природы при избрании в ходе эволюции ГА в качестве основного минерального компонента эмали и других минерализованных тканей позвоночных.

Следует сказать, что мы далеки от того, чтобы приписывать себе открытие способности ГА к ионообменным реакциям, но вместе с тем нам впервые с помощью этого механизма удалось показать эффект избирательной декальцинации при кислотной атаке цельной эмали или образцов ГА, показать роль этого явления в животных организмах, в эволюции и накоплении резерва кальция.

Сегодня считается доказанным и очевидным, что все минерализованные ткани животных формируются на матрицах, роль которых в большинстве случаев выполняют белки (Selye H., 1966).

Белковые матрицы чаще всего представлены кальций-связывающими белками, коллагенами, гликопротеидами или денатурированными белками различной природы (Robison R., 1926; Sobel A.E., 1955; Меерзон Г.И., 1963 и др.).

Белковые матрицы выполняют роль специальных структур, на которых запрограммированы расположение, размеры, свойства и структура минеральной фазы. Обычно в минерализованных тканях содержится 20-25% белка, и лишь эмаль коренным образом отличается от других минерализованных тканей в 200 раз меньшим содержанием белка в ней.

Состав, структура и свойства белков эмали интенсивно изучались в 1950-1980-е гг. (Hess W.C., Lec C., 1954; Stack M., 1954; Glimcher M., Levine P.T., 1966; Леонтьев В.К., 1968; Десятниченко К.С., 1976). Сложность их изучения состояла в получении чистых образцов белков эмали. Тесная связь эмали с дентином являлась серьезным препятствием к этому. Даже небольшая примесь в эмали дентина (0,1%) приводила к получению сомнительных результатов из-за многократного превышения количества белка в дентине над эмалью. Поэтому долго природа белка эмали оставалась неясной, тогда как коллагеновая природа белка дентина и цемента были очевидными. Обсуждались 3 точки зрения:

Лишь к середине 1970-х гг. с большими трудностями удалось преодолеть проблемы с получением чистой эмали, однако до сих пор это весьма сложно, и лишь немногие исследователи занимаются изучением органической фазы этой субстанции.

Пионерские исследования белка эмали зубов были проведены в СССР в лабораториях Омского медицинского института (Леонтьев В.К., Десятниченко К.С., 1967-1980 гг.). Полученные нами данные о составе, свойствах и структуре белков эмали зубов определили основу данного раздела.

В.К. Леонтьев в 1965-1970 гг., пользуясь вновь разработанными методами, изучил аминокислотный состав белка эмали зубов человека, свиньи, крысы (табл. 4) в интактных зубах, а также при кариесе (табл. 5). Как следует из таблицы 5, нерастворимый белок эмали содержит много неполярных аминокислот (около 400 из 1000), моно-аминодикарбоновых аминокислот (около 200). Очень важно, что в нем отсутствует оксипролин, триптофан, есть следы цистина. Белки всех 3 видов очень близки между собой. Важно, что в них также отсутствует оксипролин и определяется низкое содержание глицина. Эти данные позволяют утверждать, что белки эмали не имеют никакого отношения к коллагенам и принадлежат к белкам эктодермального происхождения. Белки эмали оказались весьма схожи с белками слизистой оболочки полости рта (Eastoe, 1963). Они содержали значительные количества гексоз и других связанных углеводов, что позволило отнести их к группе гликопротеидов.

При начальном (белое пятно), неосложненном и осложненном кариесе зубов (Леонтьев В.К., 1968) наблюдаются определенные изменения аминокислотного состава белка эмали. При начальном кариесе изменения в составе белка невелики и достоверны для 3 аминокислот: лизина, аргинина и серина (см. табл. 5). При неосложненном кариесе изменено содержание уже 6 аминокислот из 14 определенных, при осложненном - 6. В связи с тем, что биосинтез белка в эмали в связи с отсутствием в ней клеток невозможен, изменения в его составе вероятны только по двум причинам:

При экспериментальном кариесе у крыс были получены схожие результаты, но, и это очень важно, изменения в составе белков эмали наблюдались уже в интактных зубах животных с кариесом, что свидетельствует об изменении у них свойств эмали уже на докариозном этапе.

Дальнейшие исследования белков эмали зубов связаны с выполнением под нашим руководством и участии работ К.С. Десятниченко (1967-1978).

В указанных работах (Десятниченко К.С., Леонтьев В.К., 1977) из эмали удалось выделить 3 белка, резко отличающихся по своим свойствам.

Были получены убедительные доказательства того, что этот белок эмали связан с ионами кальция (Десятниченко К.С., Леонтьев В.К., 1977). Об этом свидетельствуют результаты эксперимента, когда из раствора деминерализата раствором щавелевой кислоты удаляли Са. В этом случае весь белок оставался в растворе и не осаждался. Дополнительное удаление из деминерализата фосфата также не влияло на осаждение белка с ним.

Таким образом, в индивидуальных пробах эмали зубов человека содержание общего белка (без ЭДТА, HCl-нерастворимого белка) составило 129,38±4,0 мкМ азота а-аминокислот/г эмали, нерастворимого в нейтрализованном деминерализате (связанного с Са) 95,35±3,81 мкМ/г эмали и свободных аминокислот и липидов - 12,12±0,89 мкМ/г эмали.

Для установления связи осаждаемых из деминерализата белков эмали с кальцием указанные пробы подвергались электрофорезу в полиакриламидном геле. Результаты представлены в таблице 6 (Десятниченко К.С., 1976).

Как видно из таблицы, 3-я, 4-я и 5-я фракции имеют молекулярную массу, кратную по величине наиболее подвижной 1-й фракции (21 000-22 000), что позволяет предположить, что они представляют собой агрегаты из субъединиц (1-я фракция).

Для доказательства этого, пробы растворенного в соляной кислоте белка эмали нейтрализовались и разделялись на колонках с гелем Сефадекса. Все полученные пики агрегатов белков эмали содержали уверенно определяемый кальций. Если такие же пробы пропускались через колонку геля с рН 4,0, в этих случаях количество агрегированных фракций белков достоверно уменьшалось, а количество субъединиц с молекулярной массой 20 000-22 000 достоверно увеличивалось. Учитывая, что во втором эксперименте при рН 4,0 кальций не мог связываться с субъединицами белка эмали, можно утверждать, что имеющиеся в нейтральном растворе агрегаты белков эмали в кислотной среде из-за удаления Са² + дезагрегируют и могут вновь давать агрегаты (40, 60, 80 тыс. дальтон) лишь в нейтральной среде, содержащей Са² +.

Что касается высокомолекулярных агрегатов белка эмали, они (по расчету) могли связывать 8-10 г-атомов Са на 1 моль полипептида с молекулярной массой 21 000. Таким образом, было бесспорно доказано, что осаждаемый из деминерализата не растворимый в нейтральной среде белок эмали образует агрегаты - ди-, три- и тетрамеры через Са² + с белками молекулярной массой 40 000, 60 000, 80 000, которые в кислой среде (рН 4,0) вновь дезинтегрируются с образованием полипептида с молекулярной массой 21 000-22 000.

В этих исследованиях также было показано, что липидные компоненты эмали могут быть еще одним мостиком при образовании связи между органической матрицей и минеральной фазой. Эта связь, скорее всего, возможна между белком и полярными липидами. Так, в эксперименте было показано, что осаждение минеральных компонентов эмали сопровождается переходом в твердую фазу (осадок) не только белков, но и полярных липидов. При этом, вероятно, образуется комплекс «белок-липид-фосфат-Са», в котором липиды играют роль мостиков между белком и минеральной фазой.

Третий белок эмали остается в деминерализате при осаждении минеральной фазы. Белок эмали, не проявляющий сродства к минеральной фазе, обладает лишь упорядоченной структурой и слабо поглощает в ближнем ультрафиолете. Самое главное - он не имеет сродства к минеральной фазе, и роль его в эмали пока не совсем понятна.

Наконец, в эмали имеется определенное количество низкомолекулярных липидов и свободных аминокислот, которые ранее были выявлены Е.В. Боровским и К.Ф. Фирфаровой (1966). Их значение и роль в эмали тоже пока не ясны.

В заключение этой части работы нельзя не сказать еще о двух моментах. Так, в исследованиях выяснилось, что кальций-связывающий белок эмали (КСБЭ) животных обладает более высокой способностью к образованию агрегатов и более устойчив к дезагрегирующему воздействию кислой среды. Отношение высокомолекулярной фракции к фракции мономеров в пробах животных было значительно выше, а дезагрегация в кислой среде, соответственно, меньше, чем в пробах эмали человека.

Второй момент исследования КСБЭ связан с тем, что в организме позвоночных обнаружено значительное количество белков, обладающих кальций-связывающей активностью (Brocks J.C., Siegel F.C., 1973; Wolf D.J., Sugel F.C., 1972). Все они имеют примерно одинаковую молекулярную массу, близкий молекулярный состав и некоторые общие физико-химические свойства. Некоторые из них (кальций-связывающий белок из мозга) даже способны образовывать тримеры и тетрамеры в присутствии ионов Са²⁺. По-видимому, кальций-связывающие белки различных тканей составляют особый класс белков, близких по составу и свойствам.

В связи с вышесказанным представляется весьма важной постоянно обнаруживаемая неоднородность структуры эмали зубов как человека, так и животных (Десятниченко К.С., 1976; Леонтьев В.К., 1979). Она проявляется в виде зон эмали с повышенной резистентностью либо податливых к растворению.

Наиболее вероятная причина появления в эмали таких участков - «ошибки» при синтезе белковой матрицы. Такие зоны эмали ведут себя нетипично при ее патологии.

Управлять процессами минерализации невозможно без понимания и определения условий, необходимых для этого. В этом плане полость рта является уникальной полифункциональной структурой, определенной эволюцией для выполнения ряда задач. Вкратце эти функции выглядят так:

Такое обилие функций, без сомнения, связано с наличием в полости рта различных органов и тканей, выполняющих данные функции: язык, зубы, десны, слизистая оболочка, большие и малые слюнные железы, верхняя и нижняя челюсти, губы и биологическая жидкость полости рта - слюна (ротовая жидкость), автономные структуры полости рта.

В данной работе мы коснемся двух проблем из многих затронутых: минерализующей функции слюны (ротовой жидкости) и жидкой структуры (слюны).

Так как эмаль зубов является одной из самых упрощенных биологических структур по своему составу, функциям, свойствам, обмену веществ и др., она может быть практически идеальной моделью для понимания кибернетических механизмов ее функционирования и самоуправления.

Для синтеза эмали и ее дальнейшего функционирования важен механизм самоорганизации эмали, на основе которого в дальнейшем могут реализоваться принципы биокибернетики всех остальных процессов.

Под самоорганизацией мы понимаем наличие или создание условий, в которых может происходить синтез и управление построением и функционированием эмали зубов. В природных условиях такое происходит под влиянием генетических, эволюционных, физиологических и биохимических факторов.

В последние десятилетия глубокие знания и понимание сущности биологических процессов позволили ученым создать искусственные условия для самореализации биологических процессов, в основе которых лежат принципы кибернетики, информатики, молекулярной биологии, генетики, биофизики и биохимии. Примером таких решений являются, например, методы выращивания культуры биологических тканей, благодаря которым сегодня создано множество методов и на основе которых получены практически все биологические ткани и другие структуры в искусственно созданных условиях. Это позволило совершить прорыв в создании многих методов и способов профилактики, лечения, создания депо тканей и др. Фактически в этих случаях самореализация процесса происходит в результате наших глубоких знаний о сущности тех или иных явлений и механизмов их использования, что по своей сути является кибернетическим подходом к любому процессу.

В эмали зубов под процессами самоорганизации представляется фаза накопления (синтез, доставка) в зачатках зубов, в эмалевом органе, затем после прорезывания - в субстанции эмали набора белков, минеральных компонентов и других биохимических ингредиентов, определенных генетикой, эволюцией и стадийностью процессов самосборки. Одновременно или по стадиям создаются определенные условия (рН, доступ слюны и др.), после наступления которых инициируется процесс самосборки эмали (построение белковой матрицы, ее минерализация и завершение созревания эмали).

В случае эмали зубов вышеприведенные основные знания, факты и условия позволили понять и воспроизвести принципы для самоорганизации эмали, в первую очередь для процесса самосборки эмали зубов.

Для второй фазы этого процесса - создания белковой матрицы эмали - необходимы следующие условия:

В указанных условиях происходит самосборка эмали, в результате которой образуется белковая сеть, узлы которой представлены ионами Са² + (рис. 6). Возможно, что часть субъединиц через кальций-содержащую группу связывается с фосфолипидом или другим ингредиентом, имеющим сродство либо к Са²⁺, либо к какому-то участку КСБЭ.

С учетом, что 1 субъединица КСБЭ способна связать 8-10 г-атомов Са и лишь 2 из них будут связаны с образованием полимерной цепи, оставшиеся 60-80% кальций-связывающих пунктов могут быть связаны непосредственно с образующимся ГА эмали, способствуя его структурированию, упорядоченности в соответствии с построением матрицы.

Образованная полимерная часть матрицы (сетка) способна присоединяться к фибриллярному ЭДТА, НС1-нерастворимому белку эмали (рис. 7), что было показано нами выше. Вероятно, что ЭДТА, HCl-нерастворимый белок и агрегаты кальций-связывающего белка объединяются в высокомолекулярные комплексы, образуя в пределах одной структурной единицы (эмалевой призмы) трехмерную сетку органической матрицы. Таким образом, на молекулярном уровне белковая матрица эмали похожа на рыбацкий бредень, сеть которого сплетена из субъединиц кальций-связывающего белка (1), узлы сети - это Са²⁺, веревки, которыми с помощью Са²⁺ привязана сеть, - ЭДТА и HCl-нерастворимый белок, а ячейки сети заполнены (в объеме) ГА, причем непосредственно с КСБЭ связано не более 20% групп белков, способных к связи с Са²⁺ .

Следует полагать, что минерализация описанной после самосборки матрицы эмали может идти только по схеме и структуре, созданной матрицей. В этой работе мы не будем останавливаться на механизме связи кальция ГА с белковой матрицей эмали, хотя считаем, что такая связь, вероятнее всего, возможна либо за счет оксиаминокислот (серин, треонин), либо за счет аминодикарбоновых аминокислот (аспарагиновая, глутаминовая), либо за счет некоторых липидов (фосфолипиды), содержание и тропизм которых к эмали доказаны, либо за счет гликопротеидных групп белков эмали, которых в этом плане мы не изучали.

К.С. Десятниченко и соавт. (1978, 1999, 2009) предположили существование универсальной единицы биоминерализации, состоящей из фибриллярной субстанции (мягкого скелета, пространственно организующего образование), кальций-связывающего белка, представляющего собой соль слабодиссоциирующей кислоты и сильного основания, гидролиз которых приводит к защелачиванию среды и преципитации трикальцийфосфата, кластеры которого трансформируются в ГА. Верность этого предположения позже была подтверждена при патологическом обызвествлении (Десятниченко К.С. и др., 1999) и физиологической минерализации (Десятниченко К.С., Леонтьев В.К., 2009), а также в релевантных источниках других авторов. Интересно, что состав/строение синтетических материалов, предназначенных для возбуждения остеогенеза при имплантации в костный дефект, имеет сходные черты. Это еще раз подтверждает существование биокибернетических систем: дифференцированная клетка экспрессирует ткане-специфический матрикс, а дальше в автоматическом режиме происходят самосборка ткани, ее созревание и функционирование.

Таким образом, важнейший биокибернетический принцип построения биологических структур - самосборка, достаточно убедительно и информативно доказан нами на примере построения белковой матрицы эмали и ее дальнейшей минерализации. Скорее всего, процесс минерализации матрицы эмали идет фазно, по этапам, а не сразу через синтез ГА, хотя образование ГА в основном происходит в эмали зубов до их прорезывания. Однако завершение минерализации эмали (созревание) наступает лишь после прорезывания зуба (Леонтьев В.К., Авраамова О.Г., 2006; Авраамова О.Г., Леонтьев В.К., Жорова Т.Н., 2009) в течение 0,5-2 лет при обязательном участии слюны.

Следует подчеркнуть, что при подкислении рН идет обратный процесс - дезинтеграции белковой матрицы с освобождением КСБЭ, Са² +, ЭДТА, HCl-нерастворимого белка. Однако при нейтрализации рН среды матрица белка эмали восстанавливается вновь.

Исходя из представленной молекулярной и функциональной схемы построения эмали зубов (рис. 7), представленных нами выше данных по растворимости ГА и минерализующих свойств слюны, можно достаточно точно воспроизвести механизм саморегуляции ее состава.

Но сначала остановимся на главной функции, которую эмаль выполняет в организме позвоночных. Эта функция проста и понятна - служить долговременной субстанцией для откусывания, размельчения, пережевывания пищи и иметь механизмы и свойства для противодействия неблагоприятным, агрессивным воздействиям химического, физического и другого происхождения, состоять из твердой, прочной, противостоящей истиранию и в определенных пределах способной к восстановлению субстанции, а также сохранять в течение некоторого времени свои свойства в неблагоприятных условиях внешней среды.

Ранее мы уже обсудили, почему именно ГА был избран эволюцией для минеральной фазы эмали, а также, как и почему нужен и так важен в минерализованных тканях ГА как источник депо и резервного кальция в организмах позвоночных.

Следующая задача - показать, каким образом может реализоваться такой важнейший принцип кибернетики, как саморегуляция эмали.

В саморегуляции эмали, как мы видим, присутствует 6 этапов.

1. Воздействие на пелликулу эмали. Пелликула эмали - это белок (гликопротеид), вероятно, слюнного происхождения, который в результате микробной атаки потерял свою углеводную часть, денатурировался, адсорбировался на поверхности эмали и минерализовался. Пелликула находится в самом поверхностном слое эмали (-50 мк), она не структурирована, но минерализована (гетероморфная минерализация). Пелликула и человека, и животных состоит из двух фракций, что говорит о ее одинаковом происхождении из белков слюны. Если с поверхности зуба пелликулу удалить, растворимость эмали повышается в 3,7-5,1 раза. Над белым кариозным пятном пелликула разрыхляется и теряется, что делает эмаль зубов более податливой кислотной атаке при кариесе (Леонтьев В.К., Десятниченко К.С., 1980).

В обычных условиях (прием пищи, чистка зубов) ежедневно удаляется 3 мк поверхностного слоя, который вне воздействия пищи и других факторов на зубы быстро восстанавливается. Таким образом, пелликула как пленка биологического происхождения своим наличием защищает поверхность эмали от растворения, частично исчезает при жевании и вновь автоматически восстанавливается. Таким образом, пелликула участвует в регуляции состава эмали и сохраняет ее.

2. Замещения в кристаллической решетке эмали ГА. В эмали постоянно происходит путем диффузии обмен ионов ГА. В большей степени он носит изоморфный характер: Са²⁺ → Са²⁺ , НРО₄ ^2- → НРО₄ ^2- и др. в некоторой степени он носит гетероморфный характер Са² + → Mg² +, (HPO₄ ^2- → (HCO₃ )^- , (OH)₂ → (OH^-)F^-, (OH)₂ → 2F^- Са²⁺ ↔ (Н₃ +О)₂ и др. (рис. 8, 9).

Следует признать, что уровень этого обмена очень низок - период полуобмена эмали составляет около 300 дней. Скорость обмена гораздо выше на поверхности кристаллов, а не в глубине.

Этот обмен происходит самопроизвольно по механизму саморегуляции и законам диффузии. Ионы поступают в эмаль в основном из слюны и питьевой воды, средств профилактики, зубных паст. Процесс может носить и отрицательный характер воздействия, например, при высокой концентрации ионов F^-, Sr²⁺, радиоактивных элементов.

Процесс саморегуляции при ионном обмене ГА эмали происходит всегда в соответствии с законами физики и химии, он направлен на достижение баланса в кристаллах, на нейтрализацию избыточного заряда, на занятие вакантных мест. Таким образом, саморегуляция является важнейшим методом поддержания состава и свойств эмали в условиях физиологии.

3. Наличие и образование вакантных мест в эмали и их замещение. Еще одним механизмом саморегулирования в эмали является наличие в ГА эмали вакантных мест и их образование в результате кислотной атаки либо другого физико-химического воздействия. Наличие любых вакансий в ГА эмали делает ее неравномерной по заряду, и в зависимости от вакансии она приобретает мозаичный положительный или отрицательный заряд. Например, равновесный типичный 10-кальциевый ГА -Са₁₀ (РО₄ )₆ (ОН) - имеет нейтральный заряд:

10Са²⁺ → 20⁺

6РО₄ ^3- → 20^-

2ОН^- → 2^- . Итого: 20+ и 20^- молекула этого ГА электронейтральна. Например, 9-кальциевый ГА - Са₉ (РО₄ )₆ (ОН)₂ : 9Са²⁺ → 18+ 6РО₄ ^3- → 18^-

2ОН^- → 2^- . Итого 18+ и 18^- молекула этого ГА имеет отрицательный заряд.

Наличие заряда, как и вакансия, создают неравновесное состояние молекул ГА, кристаллов ГА, их поверхностей, а это, согласно законам гидродинамики, обусловливает стремление к достижению состояния равновесия. Это может быть достигнуто либо путем занятия вакансии, либо в силу увеличившейся адсорбции на поверхности происходит накопление органических веществ, зубного камня и др., и заряд нейтрализуется, что является не лучшим вариантом для дальнейшей саморегуляции эмали.

Таким образом, наличие или появление вакансий в кристаллах ГА - это способ ликвидации данного дефекта путем его замещения или адсорбции, что в итоге проявляется активной саморегуляцией состава и свойств ГА:

Само появление или наличие вакансий в кристаллах ГА эмали, независимо от того, в результате чего они появляются: процесса минерализации эмали или действия в полости рта кислотного или другого декальцинирующего фактора - является сигналом для процесса саморегуляции, закрытия дефекта, к самообновлению эмали.

4. Резервный кальций ГА и его роль в саморегуляции эмали зубов. Выше мы уже рассматривали роль и назначение резервного кальция в минерализованных тканях для их сохранения и функционирования. Можно утверждать, что резервный кальций в ГА эмали играет главную роль в саморегуляции состава и свойств эмали путем ее защиты, сохранения и воспроизведения.

Мы уже показывали выше, что эволюция выбрала ГА в качестве единственного химического соединения минерализованных тканей позвоночных в связи с его уникальным свойством и способностью иметь постоянные физико-химические свойства при наличии переменного состава соединения. Именно эта способность позволяет сформировать полноценные минерализованные ткани позвоночных в условиях дефицита кальция. Именно благодаря этому свойству ГА минерализованных тканей является депо кальция в организмах. Депо составляет резервный фонд кальция. Также благодаря этому свойству при неблагоприятных условиях минерализованные ткани позвоночных могут использовать и терять резервный кальций, но сохранить целыми и работоспособными минерализованные ткани, а в благоприятных условиях вновь восстанавливать резерв кальция в них. Очень важно, что все эти процессы в организмах идут самопроизвольно, на уровне саморегуляции, действие которой основано на описанных выше свойствах ГА.

Потеря кальция в эмали зубов обычно связана с воздействием кислотного фактора, обусловленного метаболизмом принимаемых человеком в пищу углеводов микрофлорой полости рта. Возможно также снижение размера резервного кальция в организме в связи с неблагоприятными внешними и внутренними факторами при закладке, развитии и минерализации зубов.

При воздействии на эмаль кислот первоначально происходит избирательная декальцинация ГА эмали, которая в благоприятных условиях сменяется его восстановлением из-за обратимости реакции:

(1)

Как уже упоминалось, само появление вакансии в ГА является сигналом и реализацией способности ГА заместить ее. Такой процесс может происходить неограниченное количество раз. Однако в ряде случаев, например, при постоянном действии кислотного фактора из-за потребления или злоупотребления углеводами процесс восстановления состава ГА может не состояться. Более того, может происходить дальнейшая потеря резервного кальция:

(2)

Эта реакция по-прежнему обратима и возможно восстановление первоначального положения. Однако здесь происходит качественное изменение состава ГА - он полностью утратил резерв кальция. В этом случае при дальнейшем воздействии кислотного фактора молекула ГА разрушается.

(3)

Эта реакция необратима, она приводит к развалу молекулы ГА. Приведенные реакции показывают механизм утраты и восстановления резервного Са, а также распад молекул ГА под влиянием вначале потери, а затем утраты возможностей регенерации ГА.

Описанные явления происходят на уровне саморегуляции. Они обусловлены свойствами ГА, появлением вакансий, зарядом молекул и стремлением к состоянию баланса.

5. Доступ кислот к белковой матрице эмали. Утрата вначале резервного кальция эмали, а затем ряда молекул и кристаллов ГА может постепенно привести к появлению доступа кислот к белковой матрице эмали. Дело в том, что утрата части молекул ГА минерального компонента эмали еще не свидетельствует о необратимом разрушении ее белково-эмалевого комплекса. Сохранность белковой матрицы обеспечивает все условия для восстановления (регенерации) эмали. На ней вновь могут образовываться молекулы и кристаллы ГА и восстанавливать эмаль.

При кариесе в стадии белого пятна (начальный кариес), как было доказано Г.Н. Пахомовым (1974), В.К. Леонтьевым, К.С. Десятниченко (1976), эмаль находится именно в таком состоянии - она частично утрачена, имеется много свободных пространств, в них поселена микрофлора, но белковая матрица сохранена, доступ к ней минералов возможен (из слюны, зубных паст, реминерализующих растворов). В этой стадии имеются все условия для восстановления пораженной эмали и излечения начального кариеса, что доказано достаточно убедительно (Леонтьев В.К. и др., 1980, 1982; Леонтьев В.К., Карницкий В.И., Недосеко В.Б., 1982; Леонтьев В.К., Кисельникова Л.П., Сати Е.И., 1993; Авраамова О.Г., 2005 и др.). Таким образом, сохраненная белковая матрица эмали указывает на возможность излечения и восстановления эмали зубов. Это единственная стадия кариеса, подлежащая полному восстановлению с помощью процесса реминерализации.

Однако если воздействие кислот будет продолжаться, это приведет к следующей стадии дезинтеграции эмали - понижению рН ниже 5,0 и освобождению сначала полимеров КСБЭ от ионов Са² +, а затем субъединиц КСБЭ, т.е. к распаду белковой матрицы эмали. Это уже необратимое состояние распада эмали в зоне кислотной атаки.

Разрушение вначале минеральной фазы эмали, а затем и белковой матрицы приводит к возникновению свободных пространств в эмали зубов, которые, сливаясь между собой, образуют кариозную полость. В этой стадии лечение кариеса возможно только хирургическими методами - формированием полости и постановкой пломбы.

Таким образом, если процесс саморегулирования состава эмали в результате кислотной атаки не приведет к восстановлению ГА и резерва кальция, а кислотная атака продолжается, в результате снижения рН разрушаются полимерные кальциевые комплексы белковой матрицы, она дезинтегрируется, сначала молекулы ГА, а затем и его кристаллы растворяются, и в эмали образуются кариозные полости. Таков неизбежный конец кислотной атаки, когда он приводит к дезинтеграции полимеров КСБЭ.

На рис. 8 представлена молекулярно-функциональная модель строения эмали на молекулярном уровне, на которой мы попытаемся обобщить как биокибернетические процессы саморегуляции эмали, так и последствия их нарушения, исходя из данных саморегуляции состава и свойств эмали (Петрович Ю.А., Леонтьев В.К., Десятниченко К.С., 1979).

Как следует из схемы, основу модели представляют собой полимеры КСБЭ, связанные в единую сеть через ионы Са²⁺, а также, возможно, фосфолипиды или другие варианты. При этом четко доказана роль ионов Са²⁺ в образовании такой сети путем самосборки при соблюдении

3 условий: наличии субъединиц КСБЭ, ионов Са²+ и нейтрального рН. Сеть полимеров КСБЭ через ионы Са² + присоединяется к ЭДТА, НС1-нерастворимому белку эмали, завершая образование белковой матрицы. При этом в КСБЭ остаются свободными до 80% кальций-связывающих пунктов, через которые в трехмерном пространстве может начаться процесс минерализации эмали, приводящий к заполнению белковой матрицы строго в соответствии с ее строением, запрограммированным и организованным процессом минерализации путем осаждения на белковой матрице ГА. Этот процесс, вероятнее всего, многофазовый, и ГА заполняет свободное пространство не сразу. Об этом свидетельствуют данные о том, что вновь прорезающиеся зубы имеют несозревшую эмаль и не до конца заполненную ГА минеральную фазу (Авраамова О.Г., 2005 и др.). Этот процесс завершается лишь через 0,5-2 года в уже прорезавшихся зубах с помощью слюны или профилактических средств.

Теперь на вышеприведенной модели последовательно рассмотрим ход кислотной атаки на эмаль (микробного или другого происхождения) (рис. 10).

При попадании кислот на поверхность эмали первой атаке подвергается пелликула зубов. Она частично растворяется, ослабляя в 3-5 раз защиту эмали от кислот. Однако вне кислотной атаки пелликула быстро восстанавливается и вновь активно защищает эмаль.

Если кислотная атака повторяется часто, пелликула в этом месте деминерализуется, набухает и исчезает, и поверхность эмали становится доступной для действия кислот. При постоянных кислотных атаках наступает процесс избирательной декальцинации с освобождением из эмали резервного Са²⁺. Этот процесс обратим, поэтому вне кислотной атаки идет обратная реакция, и резерв Са²⁺ в ГА восстанавливается.

Однако если кислотная атака идет постоянно, постепенно это может привести к полной потере резерва Са²⁺, ослаблению противо-кислотной защиты и распаду молекул, а затем и кристаллов ГА. Но и на этой стадии саморегуляция способна восстановить эмаль и резервный кальций в ГА, если кислотным гидролизом не затронута полимерная КСБЭ белковая матрица. Ее сохранение является основой и залогом возможного полного восстановления эмали после кислотных атак. Но если действие кислотного фактора будет продолжаться, это приведет к дезинтеграции белковой матрицы, растворению в очаге атаки кристаллов ГА и появлению внутри эмали полости. Такова динамика процесса, возможности его регуляции и обратимости при кислотной атаке.

Как следует из приведенных сведений, эмаль достаточно надежно защищена от разрушения в результате действия кислот. Необходимо преодолеть много барьеров для ее необратимого разрушения, причем почти на каждой стадии кислотной атаки процесс нарушения состава и свойств эмали обратим, и только постоянное нарушение кислотного равновесия в эмали, длительное и систематическое, способно нарушить саморегуляцию, преодолеть ее интенсивность и привести к разрушению эмали.

Теперь рассмотрим такую важнейшую биокибернетическую функцию эмали, как самоуправление основными процессами в этой субстанции.

Под самоуправлением мы понимаем такие механизмы управления функциями и свойствами эмали, которые находятся внутри самой системы (белковая матрица, минеральная фаза, слюна) и не выходят за ее пределы.

Самоуправление процессами создания белковой матрицы эмали и ее минерализации принципиально заключается в поддержании при помощи саморегулирования оптимального состава и свойств эмали, необходимых для выполнения их функции, противостояния неблагоприятным воздействиям и способствованию восстановления в пределах действующей системы (эмали зубов). При этом самоуправление носит характер автоматического поддержания целесообразного баланса системы, а сигналами для него служат даже незначительные нарушения в системе: появление вакансий; изменение заряда молекул и кристаллов; снижение резерва Са; неблагоприятные замещения в кристаллической решетке; кислотная атака - длительное воздействие кислотного фактора и др. Появление таких сигналов активирует систему диффузии, ионный обмен, способствует возникновению активных точек, привлечению и адсорбции слюны и ее минеральных ингредиентов.

Таким образом, способом самоуправления в таких случаях является реакция на появление локального дисбаланса в виде активации саморегулирования до приведения дисбаланса в состояние равновесия.

Важнейшая роль системы поддержания равновесия эмали, ее саморегулирования и самоуправления принадлежит минерализующей системе слюны. Принцип действия этой саморегулирующей сверхфункции слюны состоит в реализации механизма перенасыщенности слюны ГА. При этом следует понимать, что этот механизм присущ почти всем биологическим жидкостям организмов позвоночных, и слюна в данном случае представляет жидкость, которая в 2-4 раза перенасыщена ГА больше, чем кровь. Именно в этом проявляется специфика свойств слюны, так как она является единственной биологической жидкостью, которая взаимодействует с единственной минерализованной тканью, непосредственно сообщающейся с внешней средой - эмалью зубов. Поэтому ее функциональное обеспечение вне системы крово-, лимфо-, нейрорегуляции за счет саморегуляции и самоуправления является сверхзадачей, которую эволюция решила простым, очень эффективным и универсальным способом.

В чем сущность этого необычного способа саморегуляции и самоуправления?

В физической химии имеются 3 состояния растворов по степени концентрации в них растворимых соединений. Первое - состояние ненасыщенного раствора, концентрация растворимого вещества в котором ниже его насыщения. Такие растворы представляют собой неравновесную систему, они способны к дальнейшему взаимодействию с растворимым веществом и дальнейшему его растворению. Второе - состояние насыщения раствора растворимым соединением. Это равновесная система, которая в принципе не способна в стандартных условиях к дальнейшему растворению данного вещества. Однако при снижении концентрации этого ингредиента в растворе или затрате его на какие-либо цели раствор вновь становится неравновесным и вновь способен к растворению данного вещества (веществ). Третье - состояние перенасыщенности раствора растворенным соединением. Такое состояние раствора может возникнуть только при специальных условиях, особенно в биологических системах, где возможны механизмы защиты компонентов от выпадения в осадок (например, белковая защита), наличие различных мицеллярных и коллоидных растворов и ряд других специфических состояний. Перенасыщенные растворы являются неустойчивыми системами. Стремясь к состоянию равновесия, они должны потерять избыток растворенного соединения. Вместе с тем они не способны более к растворению вещества, так как они уже насыщены им. Такое промежуточное состояние перенасыщенных растворов придает им ряд замечательных свойств. Во-первых, вещества или ткани, с которыми они соприкасаются, не могут в них раствориться, так как растворы и так насыщены ими. Во-вторых, будучи перенасыщенными и находясь в неустойчивом состоянии, такие растворы стремятся прийти в состояние равновесия путем избавления от избытка растворимого вещества. В-третьих, если такие растворы для перехода в состояние равновесия избавятся от некоторого избытка растворимого вещества, они все равно останутся неравновесными, перенасыщенными и будут далее насыщать контактируемые с ними соединения, одновременно препятствуя их растворению.

В случае с эмалью зубов, перенасыщенная ГА слюна, омывая зубы, будет насыщать поверхность эмали ГА, стремясь снизить свою перенасыщенность. При этом она будет замещать вакансии и дефекты кристаллов ГА, повышать в ГА эмали резерв кальция или восстанавливать его, минерализовать белковую матрицу КСБЭ, если она деминерализована, и восстанавливать минеральную фазу эмали. Благодаря омыванию зубов и диффузии слюна будет устранять действие кислотного фактора и способствовать устранению кислотности эмали. Столь многогранное и многофакторное воздействие на эмаль в режиме саморегуляции и самоуправления способна обеспечить лишь перенасыщенная ГА биологическая жидкость, каковой и является слюна.

Таким образом, в механизме саморегуляции и самоуправления составом и свойствами эмали зубов, кроме ранее описанных и связанных в основном с процессом диффузии факторов, сверхфункцию автоматически выполняет слюна, перенасыщенная ГА и способная в связи с этим многократно усилить как минерализацию эмали и ее равновесное состояние, так и присоединить к интенсивности процессов диффузии механизмы насыщения эмали за счет неравновесного состояния слюны, стремящейся избавиться от избытка Са²⁺ и НРО₄^2- путем насыщения ими эмали и других процессов. Подобная сверхфункция слюны обеспечивает дополнительный автоматический контроль над составом и свойствами эмали зубов, саморегуляцию ее состава, автоматическое и очень эффективное самоуправление этим процессом.

В завершение этого раздела нельзя еще раз не упомянуть о том, какие именно факторы позволяют слюне нести в себе все эти необходимые организму минерализующие функции. Конечно, это недавно определенная и доказанная новая, ранее не известная структура слюны - ее мицеллярное строение и механизм белковой защиты. Мы не будем повторять физико-химическую и коллоидную сущность этой структурной организации, но именно они благодаря структурированности мицелл позволяют слюне быть перенасыщенным Са²⁺ и НРО₄^2- мицеллярным раствором, весьма устойчивым и единственным в полости рта, который способен выполнить все функции по саморегуляции и самоуправлению ими в полости рта. Лишь эволюция и мудрость природы подарили организмам позвоночных столь изумительный механизм, который позволяет так эффективно и автоматически управлять рядом функций зубов и полости рта. Такова биокибернетическая сущность функционирования эмали зубов в полости рта, определенная природой и постоянно нарушаемая человеком из-за его привычек, нравов, лени и других причин.

Значительно меньше изучены биокибернетические проблемы эмали зубов, связанные с информатикой. Так, если иметь в виду процессы информации, связанные с состоянием эмали зубов и дающие сведения о них, такие методы весьма немногочисленны и слабо изучены, за исключением широко используемых в клинике: определение формы, цвета, характера поверхности, структурных особенностей, твердости, прозрачности и ряда других качеств. Однако эти признаки и качества не имеют прямого и понятного отношения к проблемам биокибернетики и здесь не обсуждаются.

В заключение мы хотели бы подробнее остановиться на биокибернетических механизмах формирования важнейшего фактора существования зубов в полости рта - биокибернетическом механизме формирования перенасыщенности слюны ГА и поддержании ее в таком состоянии. На наш взгляд, в данном процессе присутствуют и работают все основные принципы биокибернетики: самоорганизация, самосборка, саморегуляция и самоуправление.

Самоорганизация заключается в создании и поддержании условий для структурирования слюны из истинного раствора в коллоидный. Мы выше уже рассматривали их: нейтральный рН, превалирование концентрации одного из ионов (НРО₄2^- над Са²⁺), образование нерастворимого ядра мицеллы, наличие условий для механизма коллоидной защиты и др. Все это присутствует в слюне в естественных условиях жизни позвоночных.

Самосборка коллоидных образований - мицелл и гранул. Она происходит при наличии условий, описанных в самоорганизации, совершается самопроизвольно и последовательно:

Все эти этапы совершаются самопроизвольно, по механизму самосборки, и регулируются физико-химическими законами.

Саморегуляция в данном случае направлена на сохранение коллоидного состояния слюны и ее главной единицы - мицеллы. Это происходит путем регуляции в зависимости от изменений рН заряда гранулы, ее состава и свойств мицелл путем переформирования состава мицелл, изменения заряда ее компонентов и повышения или снижения ее устойчивости.

Самоуправление всеми указанными процессами происходит с помощью регулирующей роли рН слюны, полости рта, пищи, других внешних и внутренних факторов. Грубые нарушения самоуправления могут совершаться по вине человека: из-за изменения характера питания, действия вредных факторов и др., но процессы эти в основном обратимы и вполне управляемы.

Таков в общих чертах механизм перенасыщенности слюны ГА, связанный со структурой слюны и составляющий совместно с биокибернетическим процессом в эмали единую самоуправляемую систему, являющуюся одной из важных функций человека, долговременного поддержания эмали зубов в здоровом и работоспособном состоянии.

Имеется также ряд сравнительно малоизученных информационных сигналов, которые могут быть получены от эмали зубов. Это электрохимические потенциалы, звуковые сигналы, пьезоэлектрические и электрические сигналы, специфическая электропроводимость эмали, минеральная насыщенность эмали и др. Их информативная функция, роль этих сигналов в управлении и регуляции функций эмали, возможность их использования в каких-либо целях пока неясны, и объем информации по этим вопросам невелик.

Вместе с тем проведенный анализ возможности информационного обеспечения организмом эмали зубов и связи его с обсужденным в данной работе уровнем эмали как биокибернетической системы предварительно указывает, что биокибернетические проблемы и возможности эмали замыкаются на другой, более высокий уровень, чем уровень эмалевой субстанции. Он, похоже, всегда был связан с другими, более высокими уровнями, с другими системами, куда идут информационные сигналы и информатика: с ухом, железами, мозгом, вегетативной нервной системой, скелетом и т.д. Для понимания этой проблемы пока еще очень мало информации, и далее обсуждать этот вопрос пока рано.

В заключение хотелось бы обсудить ряд выводов и положений представленной проблемы.

Первое и главное, что вытекает из нашего материала по биокибернетике эмали, - показанные нами процессы самоорганизации, самосборки, саморегуляции, самоуправления процессами и функциями эмали зубов замыкаются на уровне ее самоорганизации, т.е. эти процессы проходят и регулируются в самой эмали. Имеющихся в ней структур, возможностей, биоматериалов, возникающих сигналов и т.д. вполне достаточно для осуществления, регуляции и управления всеми ее функциями. Процессы самосборки, саморегуляции и самоуправления вполне обеспечивают функционирование эмали и их достаточно для поддержания ее состава и функций. Поэтому описанный уровень и механизмы биокибернетического функционирования в нем эмали мы назвали иерархическими, так как роль и значение всех более высоких уровней без этого, главного для работы эмали, бессмыслен, ибо только при наличии всех обсужденных процессов и свойств в эмали возможно ее функционирование.

Несомненно, что другие, более высокие уровни ее функционирования, управления, взаимодействия имеются, но они несостоятельны без главного для эмали иерархического уровня.

В связи с вышеизложенным вспомнился студенческий опыт с сердцем лягушки. Изолированное и отрезанное от организма животного оно продолжало достаточно долго функционировать. При этом оно было полностью изолировано от гуморальной и нервной систем. Возможно, что и в сердце лягушки в данном случае имеется некий свой биокибернетический уровень самоорганизации, саморегуляции и самоуправления, который обеспечивает его функционирование в течение некоторого времени и в отрыве от организма.

Очень вероятно, что и в других тканях и органах имеются такие иерархические уровни, которые основаны и функционируют на биокибернетических принципах (изолированные органы, выращивание биологических тканей и т.д.). Однако для развития, роста, выполнения большинства жизненных функций необходимы и другие, более высокие уровни взаимодействия с помощью нервной, гуморальной, гормональной систем, а также информационного взаимодействия на принципах биокибернетики, которое обеспечивает все основные жизненные функции на уровне организма. Например, К.С. Десятниченко (1996) предложил схему участия кости в поддержании гомеостаза в тканях мезенхимального происхождения (рис. 11).

Созревающая костная ткань, используя механизмы биохроматографии, депонирует факторы роста (ФР) 1-4. ФР разного физиологического действия селективно сорбируются в различных компартментах костной ткани: аморфном фосфате кальция, ГА и коллагене. При деминерализующем сигнале, исходящем из внутренней среды, первым мобилизуется аморфный фосфат кальция, освобождая ФР со свойствами монокинов. Последние дифференцируют в костном мозге предшественники макрофагов, в том числе остеокласты, которые углубляют деминерализацию уже за счет ГА, освобождая ФР, воздействующие на другие ростки костного мозга. Моноциты-макрофаги, пул которых вырастает, синтезируют свои ФР, влияющие на пролиферацию механоцитов, лимфопоэз и т.д. При углублении процессов деминерализации (если на первых этапах не достигнуто состояние гомеостаза) в процессс деградации вовлекается и матрикс, освобождая ФР, аффинные к коллагену. Весь процесс представляет плейотропный каскад событий с усилением на каждом этапе побудительного сигнала.

Однако без первичного иерархического уровня, работающего на кибернетических принципах, решить проблемы на более высоких уровнях нереально.

Иерархический уровень должен обеспечивать необходимыми знаниями и своими свойствами принципы самофункционирования всех тканей и органов, без понимания которых не решить остальные проблемы.