Как формируется зубная эмаль: учёные нашли ответ в снежинках

Физики и математики используют классическую задачу Стефана для объяснения принципов формирования кристаллов, например, снежинок. Исследователи из Хельсинкского и Аалтоского университетов адаптировали те же принципы, чтобы объяснить, как эмаль распределяется по коронке зуба в процессе роста. Работа даёт теоретическую основу для понимания регуляции формирования эмали и помогает выяснить, почему зубы человека и орангутана выглядят по-разному.

Матрица зубной эмали мягкая при первоначальном отложении, но сразу начинает твердеть. Зрелая эмаль — самая минерализованная и твёрдая часть тела млекопитающих. Эта твёрдость позволяет зубам служить всю жизнь. Эмаль не может восстанавливаться или ремоделироваться, что делает рост её матрицы критическим этапом формирования зуба.

Исследователи предполагают, что различия в толщине эмали регулируются скоростью диффузии питательных веществ — скоростью, с которой разные участки коронки получают необходимые для создания эмали вещества.

Отталкиваясь от модели, используемой для симуляции формирования снежинок, учёные построили новую модель, которая имитирует образование матрицы эмали.

Начиная с КТ-изображений реальных зубов, с которых эмаль была удалена цифровым способом, матрица эмали была "наращена" на поверхности дентина с помощью компьютерного моделирования. Только когда симуляция секреции матрицы происходила как процесс, ограниченный диффузией, исследователям удалось воспроизвести тонкие особенности эмали человеческого моляра.

В отличие от человека, моляры орангутана имеют сложные гребни и борозды. Их удалось смоделировать, ещё больше снизив скорость диффузии питательных веществ для формирования эмали. Таким образом, орангутаны, которые едят твёрдую пищу (незрелые фрукты, кору), могли развить свою морщинистую эмаль благодаря относительно простому изменению в развитии.

Помимо зубов человека и орангутана, учёные исследовали рост эмали в молярах свиньи, снятых на синхротроне ESRF. Синхротронные изображения показывают линии роста, которые фиксируют рост матрицы эмали подобно годовым кольцам дерева. Помимо окончательной поверхности эмали, симуляции, ограниченные диффузией, воспроизвели и эти линии роста.

Исследование, опубликованное в PLOS Computational Biology, стало результатом сотрудничества Хельсинкского и Аалтоского университетов.