生物矿化
生物矿化(biomineralization)是指在细胞的参与下,无机元素从环境中选择性地沉积在特定的有机质上而形成矿物的过程。生物矿物的定向晶体生长是离子在活性聚合物表面的沉淀,使矿物沿着特殊晶面生长,其结晶过程包括成核、成长、集聚以及固相转化。结晶形态和大小与pH、矿物质饱和度、温度、压力等因素有关。在牙发育过程中,牙体组织的生物矿化是在各种特定的有机分子调控下完成。
釉质生物矿化
釉质晶体是成釉细胞通过大量的有机质分子严格调控形成的。这些有机质包括釉原蛋白、釉蛋白、成釉蛋白、釉丛蛋白等。有机基质对无机晶体的成核、生长、晶形及取向等的控制是一个相当复杂的过程,称为分子识别。晶体的生长和有机蛋白基质的分泌是连续的、近乎同步完成的过程。在成釉细胞顶端分泌釉原蛋白和非釉原蛋白时,HA晶体开始形成,晶体被紧包在非釉原蛋白中,其外是连续性的釉原蛋白。在釉质-牙本质界的釉质侧,晶核生长延长形成细长的带状物。这些带状物相互平行,其一端连接釉质-牙本质界,另一端连接到成釉细胞的细胞膜上,也就是矿化的前缘。这些雏晶不断生长,但是其宽度和厚度几乎没有任何改变。
成釉细胞分泌蛋白形成雏晶的长度将决定最终釉质晶体的长度,同样也决定了整个釉质层的厚度。在基因调控下,成釉细胞经历一个转折点,停止分泌釉质蛋白,开始分泌蛋白酶。有机基质开始降解并迅速从胞外间隙中消失。这些改变使釉质雏晶长度的生长停止,而宽度和厚度的生长加快。通过抑制釉质基质的分泌使晶体长度增长停止;同时,釉质蛋白裂解产物的清除使矿物质沉积在雏晶侧面的速度加快。对于人而言,雏晶宽度和厚度生长的成熟期大概是3~4年,这个过程对于釉质层硬度的增加是非常重要的。釉质最终硬度取决于釉质晶体具有一定的宽度和厚度,这样相邻的晶体可以接触和联锁以加强釉质强度。
牙本质的生物矿化(dentin biomineralization)
成牙本质细胞首先分泌细胞外基质,作为细胞外基质支架,在此基础上通过矿物晶体沉积完成生物矿化。细胞外基质成分主要为Ⅰ型胶原,约占90%,其余部分主要为非胶原蛋白,如牙本质磷蛋白。合成的磷蛋白直接被分泌在矿化前沿的胶原蛋白层上;部分磷蛋白与胶原蛋白结合,并发生部分降解。磷酸钙的微晶或钙离子与磷蛋白结合;在结合的钙离子或晶体上形成HA晶体,而且按胶原纤维排成有序结构。
牙本质形成初始阶段,成牙本质细胞合成和分泌牙本质基质成分。最先形成的是罩牙本质基质,随后形成前期牙本质。前期牙本质由一层15~20μm宽的细胞外基质组成,其近中侧是成牙本质细胞体,远中侧是矿化前沿。胶原在近胞体处分泌,形成原纤维,发生分子间和分子内的交联。胶原网在矿化前沿发生矿化。
氟在生物矿化过程中的作用
氟能通过生物矿化作用参与牙、骨骼的构成,影响釉质发育。氟通过丝裂原活化蛋白激酶信号途径(mitogen-activated protein kinases,MAPK),导致基因表达,细胞压力改变,甚至可以引起细胞死亡,从而影响到包括牙硬组织矿化在内的多种生物矿化。
低质量浓度的氟(<100 mg/L)可与羟磷灰石(hydroxyapatite,HA)反应主要生成紧密的结构形式——氟磷灰石(fluorapatite,FAP)。在釉质发育期,过量氟暴露可以导致一种釉质发育缺陷——氟牙症的发生。成熟的成釉细胞是慢性氟暴露的作用目标;急性氟中毒则主要作用于过渡期和早期分泌期的成釉细胞。目前认为其作用机制在于导致釉质基质蛋白的滞留,釉质成熟过程中减少基质蛋白的降解,干扰胞外运输,或者抑制内质网压力反应通路,最终影响釉质生物矿化,导致釉质孔隙率的增加和半透明度的降低。