Estudio Estudio de los tejidos tejidos biominerales

Estudio de los tejidos
biominerales: desarrollo y
microestructura del esmalte
dental
Postgrado en Geología
Asignatura de Master Metodología y técnicas de
campo y laboratorio en
investigación paleontológica 60331
José Ignacio Canudo y Gloria Cuenca-Bescós
Biomineralización
!
!
!
!
!
La biomineralización es la formación de minerales
por los organismos. Es por tanto un campo
multidisciplinar que incluye diversas areas tanto en
ciencias químicas como biológicas.
Los organismos de los 5 reinos forman más de 60
minerales distintos.
La orientación y estructura únicas de los cristales
dentro de las fases inorgánicas de los tejidos
mineralizados y en algunos casos la morfología
distintiva de estos biominareles son claras
indicaciones de que los procesos de la nucleación y
crecimiento de los cristales están fuertemente
controlados por los organismos.
Los organismos utilizan macromoléculas como
proteinas y glicoproteinas para controlar estos
procesos moleculares.
Janet Moradian-Oldak varias citas a partir de su art. en Science, 2005
Histología
Desarrollo dentario: http://es.wikipedia.org/wiki/Desarrollo_dentario
Desarrollo de un incisivo humano
Origen del esmalte
!
!
Las proteinas y estructuras
básicas de los cristales de
esmalte se conservan en
numerosos vertebrados, como
los peces pulmonados o dipnoos.
El pez pulmonado de Australia
Neoceratodus forsteri pertenece
al clado sarcopterigia cuyos
fósiles más antiguos son del
Devónico, hace unos 500 My.
Esto sugiere que los mecanismos
de formación del esmalte dental
pueden tener una historia de al
menos 500 My.
Satchell, P.G., Shuler, C.F., and
Diekwisch, T.G.H. (2000). True
enamel covering in teeth of the
Australian lungfish Neoceratodus
forsteri. Cell & Tiss. Res. 299,
27-37.
Cairns, Explanade, NQs.
Australia, 2007
B&C1887
Sección de la
union del esmalte
(marrón) y
dentina (blanco).
Las líneas
blancas indican la
dirección de los
prismas de
esmalte y de los
túbulos de
dentina
respectivamente
Estrias de
Retzius
A&D1990
Microestructura del esmalte:
Schmelzmuster
La formación del esmalte: biomineralización
Esmalte decusatio
Esmalte
Dentina
Posición de la proteina
amelogenina en los
ameloblastos o células
formadoras del esmalte y
las vesículas que lo
segregan así como en la
capa de esmalte recién
formada en el diente en
desarrollo. La tinción de
la amelogenina es roja.
Diekwisch et al., 1993
La biomineralización: amelogenina
!
Janet Moradian-Oldak, Universidad Sur
de California, Los Ángeles Science,
2005: formación del esmalte dental en
experimentos in vitro: proceso de
autoensamblaje de proteínas durante
el desarrollo del esmalte en
mamíferos.
Las ordenadas estructuras que configuran
el esmalte dental tienen especial interés
porque se forman sin colágeno, la proteína
que proporciona la estructura
tridimensional durante la formación ósea.
En su lugar, el esmalte dental cuenta con
la proteína amelogenina, que se
autoensambla formando nanosferas, unas
estructuras que se organizan
espontáneamente y generan micro-cintas.
La biomineralización: amelogenina
!
!
!
!
!
Estas micro-cintas pueden servir como marco para orientar el
crecimiento de los cristales de apatito que conforman el
esmalte dental.
La amelogenina tiene una fuerte tendencia a ensamblarse en
nanosferas lineales y esta propiedad es clave para su función
como proteína estructural durante las primeras fases de la
mineralización del esmalte.
Durante el proceso de ensamblaje, las nanosferas pueden
alinearse de manera directa o, por el contrario, reorganizarse
dentro de la propia estructura de la nanocadena.
"El trabajo ofrece información esencial para estudiar los
distintos mecanismos de biomineralización, confirma la
habilidad del componente extracelular de la matriz para
controlar la orientación del cristal a través del
autoensamblaje supramolecular y contribuye al diseño de
materiales específicos", según Moradian-Oldak.
Importante: la amelogenina desaparece al terminar el
proceso de formación del esmalte, no así el colágeno,
que permanece en los huesos.
Retzius y Hunter-Schreger bands
Retzius
Hunter-S
Sección longitudinal de un diente en el que se muestran las líneas de
Retzius y las bandas de Hunter-Schreger. En: http://alf3.urz.unibas.ch/vmic/oralhisto/
Hunter-Schreger bands
En: Koenigswald & Rose: 2005. The enamel microstructure of Early Eocene
Pantodont Coryphodon and the Nature of the Zigzag enamel. Journal of
Mammalian Evolution, 12, 419-432.
Además de estas
constricciones,
durante la formación
del esmalte hay
patologías que
causan defectos
Patologías durante
la formación del
esmalte:
microdefectos y
macrodefectos
Any disturbance, such as severe infection can disrupt enamel formation. That
disruption of enamel formation will leave an enduring record as a
disorientation of enamel prisms. Because the human dental growth
sequence is known, the age at which the enamel disturbance occurred can
be determined from the location of the disturbance within the enamel. A
standard chart for dental development can be consulted for this purpose.
There is an extensive literature (now in excess of 500 articles) on the
epidemiology and etiology of enamel defects. Many are investigations
using laboratory animals. There are two types of enamel developmental
disturbance of interest to the paleoanthropologist.
http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm
(1) Microdefects are histological structures known as
Wilson bands. These are accentuated brown striae of
Retzius. The most celebrated of these is the neonatal
line (Schour, 1936).
If the disturbance is short in duration and the enamel
formation resumes, that disturbance is recorded as a
narrow band seen in the section of enamel under a light
microscope. That evidence of enamel formation
disruption and recovery is called a Wilson band.
Wilson bands are thin layers of abnormally structured
enamel marking the position of the active ameoloblasts
(Gr = enamel formers) at the time of insult. Wilson bands
are sometimes called 'pathological brown striae' in the
literature. This descriptive term is a nice way to describe
the bands which contain 'sudden changes in prism
direction associated with atypical rod forms.' Wide
neonatal lines are associated with traumatic births.
Wilson bands appear to represent brief periods of stress
lasting from one to five days.
The examination of teeth for histological disturbance is
destructive; therefore, this technique is not used of rare
ancient hominid teeth.
http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm
Macrodefectos: hipoplasias
(2) Macrodefects are defects visible on the tooth surface.
They are known as hypoplasias. These can vary in
appearance from small pits or furrows to large, deep
grooves or even large areas of missing enamel. Typically
Hypopl.
these defects are horizontal grooves that are called
chronological or linear enamel hypoplasias. They seem to
reflect impairment of enamel formation for weeks or
months, while Wilson lines record events limited to one or a
few days.
If the enamel formation does not resume, the defect can be
viewed macroscopically as a transverse area of depressed
enamel. This is known as enamel hypoplasia.
Enamel hypoplasias show a predilection for anterior teeth
and for the cervical and middle thirds of tooth crowns.
Investigators have shown statistical associations between
Retzius striae, Wilson bands
enamel hypoplasias and a variety of clinical conditions of
and
which we will only mention a few here: premature birth,
malnutrition, fluorosis, high fever, localized trauma and
hypoplasias
systemic metabolic distress such as gastrointestinal
disorders.
http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm
Figure : Furrow (F) and pit (P) hypoplastic
defects on the surface of an anterior
tooth. The hypoplastic defects represent
disruptions to the regular growth layers
that can be seen running across the tooth.
Referencias: 2005 D. M. Antoine, S. W. Hillson, D.
Keene, M. C. Dean and G. Milne, Using growth
structures in teeth from victims of the Black Death to
investigate the effects of the Great Famine (AD 13151317). American Journal of Physical Anthropology.
2005 D. Antoine and S. Hillson, Famine, Black Death and
health in fourteenth-century London, in Archaeology
International [8] 2004/5, London: Institute of Archaeology,
UCL.
Did the Great Famine of AD 1315-1317 have a detectable
effect on the growth of people who experienced it as
children?
The Great Famine of AD 1315-1317 is recorded as one of
the greatest calamities of Medieval Europe but little is known
about its direct effects on the people who survived it. An
opportunity to address this question has been provided by
the excavation of the Royal Mint Black Death cemetery in
London, containing burials dating to 1349 when the epidemic
was at its height. Those people buried in the cemetery who
were in their thirties at the time of their death would have
lived through the Great Famine as children. As teeth form
during childhood, it is possible to use their dental
development to investigate the impact of the famine on their
overall health.
Growth structures inside teeth, similar to ‘tree-rings’, mark
out dental development. These structures, which are visible
in thin sections, are being used to build a detailed growth
record of the first years of their lives, including any periods of
growth disruptions. Indeed, systemic disturbances (i.e. those
which affect the entire body) experienced by a child during
the period of dental development, such as episodes of
nutritional stress, can disrupt tooth formation. Any such event
can result in the formation of furrows or pit-like ‘hypoplastic’
defects that can be seen on the surface of tooth crowns and,
internally, as lines of disturbed growth (Figure). As dental
tissues are not turned over, teeth offer a permanent and
detailed record of any disturbances occurring during
childhood. The dentitions of approximately 35 individuals who
died in their early thirties are being analysed in this way. The
timing of growth disturbances are compared to the detailed
chronology of the Great Famine.
Bibliografía hipoplasias
Alt., Rosing, F., and Teschler-Nicola, M. eds Dental Anthropology Fundamentals
Limits and Prospects. New York: SpringerWien, 1998.
Anderson, R. Magic, Science, and Health. New York: Harcourt Brace College
Publishers, 1996.
Garbarino, M. and Sasso, R. Native American Heritage. Prospect Heights:
Waveland Press, Inc., 1994.
Goodman, A. and Rose, J. "Dental Enamel Hypoplasias as Indicators of Nutritional
Status" in Advances in Dental Anthropology. New York: Wiley-Liss, Inc., 1991.
Goodman, A. "Developmental Defects in Dental Enamel" Cambridge Encyclopedia
of Human Growth and Development New York: Cambridge University Press, 1998
pp210-211.
Hillson, S. Dental Anthropology. New York: Cambridge University Press, 1996.
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York: Cambridge University Press, 1999.
Marmot, M. et al "Contribution of job control and other risk factors to social
variations in coronary heart disease incidence" The Lancet Vol 350: July 26,1997
pp 235-239.
Roberts, C. and Manchester, K. The Archaeology of Disease 2nd ed. Ithica:
Cornell University Press, 1995.
Rose, J. et al "Diet and Dentition: Developmental Disturbances" in The Analysis of
Prehistoric Diets. New York: Academic Press, 1985.
Microestructura del
esmalte dental
Proceedings of the
Enamel Microstructure
Workshop held by the
University of Bonn at
Andernach/Rhine, July
24-28, 1994
Edited by
WIGHART v.
KOENIGSWALD
and P. MARTIN
SANDER
Department of
Paleontology,
University of Bonn,
Germany
A.A.BALKEMA
ROTTERDAM
BROOKFIELD 1997
As this transmission electron micrograph of an anhydrously
prepared specimen demonstrates, enamel crystals grow in
tight proximity to the adjacent dentin. However, careful
analysis reveals that enamel crystals grow independently
from adjacent dentin crystals.
Diekwisch et al. (1995). Initial enamel crystals are spatially
not associated with mineralized dentine. Cell & Tissue 279,
149-167.
Biomecánica: empaquetamiento de
los prismas de esmalte
Perpendiculares a la unión
entre la dentina y el esmalte
porque así resisten mejor las
fuerzas de compresión y
tensión ejercidas durante la
masticación.
Las bandas de HunterSchreger son paralelas al
cuello del diente
HSB
El esmalte radial soporta mejor la
Compresion y tensión según
Pfretzschner, 1988
Modelos de empaquetamiento de
los prismas de esmalte
El esmalte es un material compuesto por dos fases:
cristal mineral [hidroxiapatito, Ca10(PO4)6(OH)2],
formando prismas o largas cuerdas y orgánica, un
complejo de proteinas en lo que se conoce como la
matriz interprismatica (IPM) que también tienen
cristales de Hidroxiapatito. Los cristalitos de la IPM
son casi verticales a los prismas.
Los cristales de esmalte tienden a crecer perpendiculares a la superficie de
los ameloblastos que los secretan (como un tubo de pasta). Cada
ameloblasto termina en su final secretor en los que se conoce como proceso
de Tomes, el cual se encaja dentro del hueco del proceso de Tomes en la
superficie de esmalte en desarrollo.
Procesos de Tomes
Prisma
Angulo que
forman los
prismas con la
superficie de
esmalte
B&C1987
Prism
a
Tom
e
s
Boyde1987
En Aiello & Dean 1990 (A&D90)
Estrías de Retzisu: flechas blancas
grandes
Constricciones circadiales en los prismas
de esmalte: flechas blancas pequeñas
Perikimata: P y flechas negras
Imaginar un tubo de pasta
que se presiona a velocidad
diferente (A&D1990)
“Prismas o cañas” de esmalte
!
Lo que llamamos prismas son
discontinuidades en el esmalte debido
a que los cristales crecen en ángulo
con respecto a la superficie de los
procesos de Tomes, y cuando dos de
estas superficies se encuentran en un
punto en la punta de la célula, los
Empaquetado 3.
cristales deben crecer en ángulo entre
Ameloblastos hexagonales
sí, formando una línea de
Prismas en “ojo de cerradura”
discontinuidad. Estas limitan largos
conjuntos de cristales que son lo que
llamamos prismas o cañas de esmalte.
Los prismas no están completamente
separados unos de otros, como
podrían estarlo un mazo de lápices y
son solo discontínuos en las “vainas”
de los mismos. Esto es importante
pues así el esmalte es más resistente
que si estuviera formado por cañas
aisladas.
Superficie de diente de Australopithecus
afarensis. Modo empaquetado 3
Modelos de empaquetamiento de los
prismas de esmalte
2
1
3
Boyde 1976 en A&D90
Forma de los prismas en el empaquetado 2, 1 y 3 respectivamente. Los
hexágonos son el perímetro de los ameloblastos. Las formas de los
prismas son en forma de herradura en el modo 2, en círculo en el 1 y en
forma de ojo de cerradura en el 3. Estas formas son visibles cerca de la
superficie del diente. Los ameloblastos, son menores en tamaño en el
modo 2, intermedios en el 1 y mayores en el 3 (20, 30 y 40 !m resp.).
El modo 1 es común en Sirenios, Cetáceos, Quirópteros y otros mamíferos
El modo 2 en Lagomorfos, perisodáctilos y artiodáctilos
El modo 3 en carnívoros, pinnípedos y proboscídeos. En homínidos
predominan los modos 1 y 3, el 2 es común en los monos del viejo mundo
Estructura del esmalte en los
roedores: Schmelzmuster
IPM
PE
PE
IPM
Esmalte radial. A la derecha el de
Phacochoerus
El esmalte radial tienes prismas en filas radiales (PE) separadas por
espesas placas de matriz interprismática (IPM)
Los incisivos de los roedores tienen dos capas de esmalte, la interna contiene HSB y
la externa esmalte radial. Los de los lagomorfos, a pesar de tener la misma función
tienen una única capa. Los de otros mamíferos con adaptaciones parecidas a las de
los roedores tienen tipos distintos también: aparentemente no es adaptativo
El Schmelzmuster en los
herbívoros de dientes hipsosontos
Los tres tipos de estructura
de esmalte en los molares
de los Arvicolinae
A: radial
B: tangencial (zigzag)
C: Lamelar (uniserial HSB).
Las cañas se orientan en
las 3 direcciones.
P= prismas de esmalte
IP= Matriz interprismática
En Koenigswald 1982
El Schmelzmuster en los herbívoros de
dientes hipsosontos
A: radial
B: tangencial (zigzag)
C: Lamelar
Pfretzschne
r 1988
m1 y M1 de arvicolino mostrando los “trailing y leading
edges” y la distribución del Schmelzmuster.
Koenigswald 1982
Recordando la resistencia del
esmalte radial a la fuerza que
se ejerce sobre el diente
comprendemos su distribución
en los “trailing edges” o lados
sobre los que se ejerce la
mayor presión durante la
masticación en los arvicolinos
Las dos capas de
esmalte en los
arvicolinos
El Schmeltzmuster de un triángulo de m1 de Arvicola terrestris (Holoceno). La sección paralela a
la superficie de masticación muestra tres tipos distintos de esmalte que se vuelven visibles
después de una breve abrasión con ácido clorhídrico (HCL). La organización de los tipos de
esmalte se mantiene estable en toda la altura del molar (Koenigswald, 1982). No cambia con la
ontogenia.
¿cómo preparar el material?
1. corrosión con ácido HCL
!
!
!
!
!
Limpieza de los fósiles
Cubeta de ultrasonido
Ligera corrosión con clorhídrico
diluido
Se vuelve a lavar en la cubeta de
ultrasonidos
Observacion al microscopio
¿cómo preparar el material?
2. abrasión con polvo esméril
!
!
!
!
!
Limpieza de los fósiles
Cubeta de ultrasonido
Esmerilado o pulido probando
distintos granos de polvo esméril
Observacion al microscopio
Pegado en portaobjetos con resinas
sintéticas por calor
Preparacion muestras para
microscopio electrónico (SEM)
Clear Casting Polyester Resin for casting and
embedding (thin castings up to 1/2 inch
thick). Industrial Plastics Supply Co., 309
Canal St., New York, NY.
Liquid
hardener for hardening polyester resins and
compounds
10 grams: 7 drops
20 grams:14 drops
30 grams (~1 ounce): 21 drops
Mix well with wooden stick
1,2 y 4 Martin, 5 Wahlert, Uni Bonn
Sem
Debajo: capa de esmalte
preprismatica de un mamífero
Cretacico: prob. Gobiconodontido
Esmalte sin tratar en un
molar de Marmota (Sciuridae)