BIOCOMPATIBILIDAD Y CITOTOXICIDAD NOTA CIENTÍFICA. SOCIEDAD COLOMBIANA DE OPERATORIA Y BIOMATERIALES. FUNDAMENTOS DE BIOCOMPATIBILIDAD * ** Dra. María Rosa Buenahora Tobar* 1ª Parte Especialista en Patología oral. Universidad del Bosque. Secretaria Acadêmica de la Sociedad Colombiana de Operatoria. Vicepresidente Academia Colombiana de Patologia Oral. ACPO. Master of Science - Dental Materials. Rehabilitador Oral. Universidad de Indiana U.S.A. Director Biomateriales y Estética Fundación CIEO. Dr. Humberto José Guzman Báez** Recibido en Agosto 10 de 2007 - Aceptado en Octubre 6 de 2007 E-mail: E s importante conocer el concepto de biocompatibilidad y citotoxicidad de los materiales dentales utilizados en la práctica clínica, y entender que la respuesta del organismo ante la presencia de cualquier material, puede ser una respuesta de tipo localizada o sistémica, la cual como profesionales de la salud debemos entender y manejar. Por otro lado el estudio de la biología pulpar que ha venido desarrollándose de una manera importante en los últimos años, nos esta demostrando la importancia del conocimiento en cuanto a la biocompatibilidad y citotoxicidad de los materiales dentales, de manera específica, sobre el complejo dentinopulpar, permitiéndonos plantear protocolos clínicos para el manejo adecuado de estos materiales, con el fin de proteger el tejido dental y de ayudar a generar una respuesta adecuada. El objetivo de esta revisión es comprender objetivamente como se evalúa la biocompatibilidad de un material; cuales son las características de una respuesta citotóxica, conocer el complejo dentinopulpar, y cuales son los datos científicos relevantes de la respuesta de este tejido ante los procedimientos y los materiales utilizados durante la práctica clínica odontológica. En 1998 Wataha y Hanks plantearon, que los materiales no pueden considerarse sustancias inertes, ya que estos generan una respuesta que puede ser específica o local y/o sistémica. El mecanismo de acción de los materiales, se relaciona directamente con el ambiente biológico en el cual se aplica, entendiendo que todo biomaterial tiene una forma de interacción, donde el material puede verse afectado por el medio biológico modificando su comportamiento, o el medio biológico puede verse modificado por el material. En 1987 Williams define la biocompatibilidad como “la habilidad de un material para promover una respuesta biológica apropiada, dentro de su aplicación específica”. Asociaciones como la ANSI y la ADA entre otras, han establecido criterios específicos para estas evaluaciones, que se realizan en una secuencia de pruebas divididas en 3 niveles. Las pruebas iniciales (in Vitro), que se realizan sobre cultivos celulares, Las pruebas secundarias (in vivo) realizadas en animales de laboratorios y las pruebas de aplicación clínica (In vivo), realizadas en animales de laboratorio y humanos. Continúa página 14 14 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad Viene de la página 9 El documento No. 41, publicado por la ADA, exige realizar la prueba de hemólisis a 28 materiales dentales diferentes. Esta prueba específica mide la descomposición de los glóbulos rojos en sangre. Normalmente estas células transportadoras de oxígeno viven entre 110 y 120 días. La presencia de algunas toxinas liberadas por los materiales, pueden producir la descomposición prematura de glóbulos rojos, dejando disponible una menor cantidad y dificultando así el transporte de oxígeno a los tejidos. PRUEBAS APLICADAS A LOS MATERIALES DENTALES Las pruebas in Vitro que se realizan sobre cultivos de células, tienen como objetivo principal medir la citotoxicidad de los materiales, evaluando aspectos sobre el cambio celular en cuanto a su morfología, síntesis de proteínas, cantidad total de proteínas, respiración mitocondrial y la actividad metabólica y enzimática de las células. En los cultivos celulares también se evalúa la citotoxicidad de un material de acuerdo a la liberación de sus componentes. Es el caso de las pruebas que se realizan en materiales ortodóncicos como bandas y alambres, donde se siembran estos materiales en un cultivo celular generalmente de fibroblastos, y se observan los cambios que generan sobre las células, ayudando a identificar qué componentes del material pueden ser tóxicos, y en qué concentraciones. Cultivos celulares para evaluar materiales dentales Pruebas de Hemólisis Las pruebas de AMES y STYLES nos ayudan a evaluar y medir el potencial de mutación celular de un material y el grado de transformación celular respectivamente. Estas pruebas miden específicamente el nivel de potencial matagénico y potencialmente carcinógeno que podría tener un material. Sin embargo sobre este aspecto no debe olvidarse que cada persona tiene de manera individual una predisposición genética que dependiendo de cada uno se desarrolla potencialmente en un mayor o menor grado. Para el análisis de los materiales de odontología actualmente cuenta con cámaras pulpares in Vitro, con 15 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad discos de dentina que ayudan a probar la capacidad de los materiales de difundirse a través de los túbulos dentinales pudiendo llegar a causar efectos citotóxicos sobre las células que se cultivan en los compartimientos interiores de este tipo de cámaras. Para que un material llegue al nivel de pruebas de aplicación clínica, debe haber superado las evaluaciones tanto iniciales como secundarias. Graig en 1997 sugiere que es importante en este momento, aplicar en el animal el material a evaluar dentro de la misma función que será utilizado posteriormente en el hombre. Es decir, el material deberá estar en contacto con pulpa, periodonto, gingiva y mucosa oral según sea el caso, y bajo la finalidad de su uso clínico. Este nivel de prueba, se realiza en primera instancia en primates, ratas, perros, cerdos y por último en humanos. En 2006 Costa y Hanks lograron cultivar fibroblastos y células de linaje odontológico sobre discos de dentina humana, acercándose considerablemente a la realidad de lo que puede suceder directamente en un diente. Ellos utilizaron células odontoblásticas MDPL23, desarrollando prolongaciones citoplasmáticas al interior de los túbulos dentinales, Lo que ha podido ser demostrado gracias a la Microscopia Confocal Láser y a la Microscopia Electrónica de Barrido. Este tipo de modelo experimental, ha permitido aplicar la presión intrapulpar extrapolando así la hemodinamia del complejo dentinopulpar, condición in Vitro que mas se asemeja a la situación in vivo que se conoce en la odontología experimental moderna. Las pruebas secundarias son aquellas que se realizan a nivel de laboratorio (in vivo), sobre animales pequeños como ratas, ratones, hamster y conejos. Para la aplicación de estas pruebas se aplica una metodología especifica. Una de las pruebas más utilizadas es la implantación subcutánea o implantación ósea de los materiales. Según el protocolo desarrollado para cada caso especifico, se determinan tiempos para tomas de biopsias, que seran procesadas y leídas microscópicamente. En estas pruebas secundarias también se incluyen la irritación dérmica y las pruebas de hipersensibilidad. Se debe tener en cuenta que este tipo de pruebas, pueden provocar reacciones diferentes en animales que en el hombre, ya que existen diferencias significativas orgánicas, estructurales y fisiológicas, lo que no permite extrapolar directamente los resultados a los seres humanos (Costa y Col, 200-2002). Las pruebas de biocompatibilidad buscan orientar el desarrollo y producción de los materiales dentales, a través de la biotécnica, para que estos guarden equilibrio entre sus propiedades físicas para las cuales son desarrollados, las propiedades biológicas y la relación con la cavidad oral y los tejidos dentarios. Un material odontológico podría ejercer un efecto tóxico o un efecto inmunológico. El efecto tóxico ocurre a exposiciones muy altas del material, o por exposiciones continuas en dosis medias altas en el caso de una toxicidad de tipo crónico. El efecto inmunológico ocurre como consecuencia de una exposición continua a concentraciones bajas y este puede ser generalizado o localizado. Este efecto es el llamado Alergia. La toxicidad puede ser definida como la capacidad o propiedad de una sustancia de causar efectos adversos sobre la salud. Los indicadores que ayudan a medir el nivel de toxicidad son las pruebas realizadas al evaluar sangre, orina y pelo. 16 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad La alergia se define como una reacción de hipersensibilidad a una sustancia en particular, que si se inhala se ingiere o se toca, produce unos síntomas característicos. La evaluación de la alergia se realiza sobre pruebas específicas a diferentes antígenos. La alergia puede desarrollarse en dos fases, la primera fase se caracteriza porque hay una exposición a un alergeno, existe una sobre reacción del cuerpo por producción de anticuerpos; estos anticuerpos atacan los mastocitos los cuales se preparan pero quedan en latencia. Esto puede durar semanas, meses e incluso años. En esta fase no se experimentan síntomas. La segunda fase, es cuando hay una serie de exposiciones sucesivas al alergeno, este hace reaccionar a los mastocitos (que se encontraban en latencia); los mastocitos producen la liberación de histamina y se da una respuesta del organismo, apareciendo los primeros síntomas. En una reacción alérgica hay factores que influyen en su manifestación, son estos la susceptibilidad específica del individuo, la presencia de una irritación mecánica, la temperatura, la intensidad y la duración del estímulo. Todo esto funciona dentro de un ecosistema oral, donde intervienen diferentes factores como el pH oral, la humedad, la presencia de bacterias, las características propias del material, la absorción, fatiga, tensión, desecación y los cambios térmicos. Por eso es importante conocer los estudios específicos que cada fabricante hace sobre la biocompatibilidad de los diferentes materiales y ser muy cuidadosos en las especificaciones y recomendaciones que los fabricantes nos hacen, para no incurrir en faltas que por negligencia del operador o por una mala manipulación del material por parte del personal auxiliar puedan generarse. Recordemos, que un biomaterial es un material no biológico destinado a interactuar con un sistema biológico, con el fin de evaluar, tratar, aumentar o sustituir algún órgano, tejido o función del cuerpo y que es considerado biocompatible cuando induce una respuesta adecuada en el medio biológico, según sea el caso para el cual fue utilizado. COMPLEJO DENTINO-PULPAR El tejido pulpar y dentinario conforman estructural y funcionalmente una verdadera unidad biológica denominada complejo dentino-pulpar. La dentina y la pulpa constituyen una unidad estructural, por que comparten su origen embrionario, derivando ambos de la ectomesenquima y por la inclusión de las prolongaciones de los odontoblastos en la dentina, y conforman una unidad funcional, debido a que la pulpa mantiene la vitalidad de la dentina y ésta a su vez la protege. Complejo Dentinopulpar Dr. Carlos Alberto de Souza Costa. La dentina, es un tejido conectivo mineralizado, compuesto por cristales inorgánicos de hidroxiapa- 17 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad tita en un 70%, una matriz orgánica en un 18% y agua en un 12%. El 92% del contenido orgánico es colágeno. Morfológicamente está compuesto por una serie de túbulos que se extienden desde la pulpa hasta la unión amelodentinaria y cementodentinaria formando un sustrato microtubular. La dentina se ha clasificado según sus características específicas: 1. Dentina primaria: Es aquella que se forma antes y durante la erupción activa a un ritmo de 4μm diarios, antes de que el diente entre en erupción. Se caracteriza por presentar los túbulos sin proceso odontoblástico, en una cantidad de 18.000 túbulos/mm2 con un diámetro de 0.9 μm. Es la dentina mas superficial de la estructura dentaria. 2. Dentina secundaria: Es la dentina que se forma durante toda la vida, una vez que el diente ha entrado en erupcion. En esta dentina, algunos de los túbulos ya presentan proceso odontoblástico encontrándose en una cantidad de 25000 túbulos/mm2 y con un diámetro de 18 μm. Tanto esta dentina como la primaria presentan en su zona ínter tubular fibras colágenas, hidroxiapatita y agua. Esta dentina puede ser dentina media o profunda. 3. Dentina terciaria: Puede ser una dentina reactiva o esclerótica que se forma como respuesta pulpar a una agresión externa de baja intensidad. Es una dentina hipermineralizada que reduce la luz de los túbulos a un ritmo de 3 μm diarios, o ser una dentina reparativa que es la que se forma como una reacción ante agresiones patológicas severas, que llegan a destruir la barrera odontoblástica. En este caso las células mesenquimales indiferenciadas, reemplazaran a los odontoblastos y células odntoblastoides, cicatrizando la herida a través de un puente dentinario. La neodentina formada es una estructura irregular con una cantidad mínima de túbulos. El tejido pulpar como segundo componente del complejo, es considerado un tejido conjuntivo altamente especializado, con gran capacidad regenerativa, compuesto por diferentes capas celulares. Estas capas son: Micrografía de Pulpa. Dr. Carlos Alberto de Souza 1. Capa odontoblástica: Se caracteriza por la presencia de células periféricas columnares en la zona coronal y cuboidales en su base. Estas células secretoras permiten el intercambio metabólico, mantienen la dentina, producen esclerosis dentinaria y reactiva, y al parecer no tienen capacidad mitósica. 2. Capa acelular: Con pocas células y numerosos filetes nerviosos, podrían pasar por los odontoblastos y llegar a la predentina, penetrando hasta 100 μm dentro de los túbulos. Cuando el complejo DP es alterado por un procedimiento de operatoria y aplicaron de materiales, hay liberación de neuropéptidos que inician el proceso inflamatorio. Estas fibras nerviosas participan directamente en la sensibilidad postoperatoria. 3. Capa rica en células: Posee numerosas células mesenquimales indiferenciadas de reserva, también llamadas preodontoblastos. Tienen la capacidad de reemplazar los odontoblastos perdidos por agresión física, térmica o química. Estas células de origen embrionario se relacionan íntimamente con la reparación pulpar, y se estimulan para diferenciarse en células odontoblastoides. 4. Zona central: compuesta por células mesenquimales de reserva, fibroblastos, capilares y tejido 18 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad nervioso. En esta zona se posibilita la difusión de nutrientes, O2, aminoácidos, proteínas y otros. El proceso de reparación celular se encuentra mediado por una serie sucesora de tipo bioquímico y molecular, que depende básica y directamente de las condiciones y características de la pulpa, como de sus células, la matriz extracelular, vasos linfáticos, sanguíneos y el tejido nervioso. El objetivo final de este proceso reparativo es la formación de una dentina reactiva, que actúe como puente dentinario corrigiendo el defecto. Ante una agresión de la capa odontoblástica causada por un proceso carioso o por un procedimiento restaurativo, se desencadena un proceso inflamatorio donde hay liberación de neuropéptidos, interacción de proteínas y pépticos con receptores de membrana celular específicos. Este proceso inflamatorio conlleva a un aumento de la presión intrapulpar donde hay un aumento del fluido plasmático rico en proteínas. Se inicia así la síntesis y creación de depósitos de matriz dentinaria características de la formación de dentina reactiva. o abrasiones. El fluido dentinario que se asocia a proteínas transportadas por las prolongaciones citoplasmáticas de los odontoblastos, colágeno, cristales de apatita, glicosaminoglicanos y otras estructuras, reducen la permeabilidad dentinaria local, aumentando el espesor e incluso llegando a obstruir la luz interna del túbulo. Esta dentina ocluye los túbulos a un ritmo de 3um diarios y es la llamada dentina reactiva o esclerótica. Hasta este momento las células odontoblastoides se encuentran intactas. Ante agentes de mediana intensidad los mecanismos de defensa hacen que se pierda parte de la barrera odontoblástica, la cual es reemplazada por células odontoblastoides procedentes de las células mesenquimales indiferenciadas. Si esta barrera no es reemplazada en un tiempo determinado, todas las células de defensa como son los mastocitos, células gigantes y macrófagos, empiezan a desconocer a la dentina y se genera una reabsorción dentinaria interna. Ante una agresión de alta intensidad ya hay muerte de los odontoblastos incluso siendo aspiradas por los túbulos dentinarios entrando estas células en un proceso de autolisis. Es entonces cuando las células mesenquimales de reserva inician su proceso de diferenciación, secretando una matriz amorfa y atubular, característica de una dentina reparadora. Micrografía Dentina Reparativa Dr. Jorge Uribe Echevarria La reacción del complejo dentinopulpar varia dependiendo de la intensidad del agente agresor. Ante agresiones consideradas de baja intensidad como son caries lenta, erosiones, atriciones, abfracciones Micrografía Aspiración de Odontoblastos Dr. Carlos Alberto de Souza 19 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad El mecanismo de acción de las células mesenquimales reparadoras, es mediado por los receptores de membrana que han sido estimuladas por factores de crecimiento tales como los TGF´s, IGF´s y BMP´s. Las proteínas que son activadas facilitan su proceso de intercambio metabólico, fijación y potenciación local, gracias a la presencia del colágeno, la heparina, fibronectina y condroitín sulfato. En referencia a la vitalidad y sensibilidad dentinaria, se debe tener en cuenta que una vez ha sido cortado el tejido dentinario durante el proceso de operatoria, se produce un desequilibrio de la perfección del sistema de movimiento de fluidos dentinarios en el interior de los túbulos, alterando la hemodinamia del sistema. El calentamiento que producimos en el tejido durante el corte, va a aumentar la permeabilidad dentinaria, promoviendo un brusco movimiento de fluidos del interior de la pulpa hacia la superficie, corriendo así el riesgo de causar serios daños pulpares. Al aumentar este movimiento de fluidos, se provocarán distorsiones en las terminaciones nerviosas causando intensa sensibilidad dolorosa en los pacientes, que suele ser camuflada debido a que generalmente el paciente se encuentra anestesiado. Al despolarizarse las terminaciones nerviosas, se genera liberación de neuropéptidos relacionados con receptores de membrana, sintetizando citocinas como IL-1–IL-2 y prostaglandinas. Hay entonces una liberación de factores de crecimiento endotelial, que a su vez aumentan el flujo sanguineo con extravasación de proteínas plasmáticas. Esto produce una ruptura de la capa odontoblástica, separándola de la predentina, produciendo aspiración de odontoblastos a los túbulos dentinales y su posterior desintegración por autolisis. Es ahí cuando se desencadena la cascada de todos los eventos reparativos anteriormente descritos. En la selección del tipo de aleación para estructuras metal-cerámica en prótesis fija, el profesional tiene las opciones de utilizar: Aleaciones de metales nobles: Au- Pt.-Pd. Las cuales por su alto contenido de metales nobles presentan una excelente biocompatibilidad, excelente exactitud de colado. Las desventajas que pueden anotarse son: • alto costo. • alta ductilidad y maleabilidad, por lo cual en tramos largos pueden experimentar flexión, con la consiguiente fractura de la porcelana. Las aleaciones ricas en Paladio solucionan este problema, manteniendo su alta biocompatibilidad pero con excelentes propiedades Físico-mecánicas. Dentro de este grupo podemos mencionar: OLYMPIA, ECLIPSE, GALAXY. ALEACIONES DE METALES BASE Este grupo de aleaciones, no posee metales nobles, sino metales del grupo NIQUEL-CROMO-COBALTOMOLIBDENO-. Dentro de las propiedades se anotan: • Alto módulo elástico- alta rigidez. • Densidad baja-muy livianas. • Buena unión con la porcelana. • Alta dureza. La principal desventaja de las aleaciones con alto contenido de Níquel-Ni. se constituye en el potencial alergénico del níquel. Un gran número de personas presentan reacciones alérgicas a este metal, principalmente mujeres. La reacción alérgica a joyas de fantasía es bastante común por la presencia de Ni. En este punto es necesario aclarar, que todas las aleaciones de metales base para cerámica no poseen los mismos contenidos en % de elementos metálicos, y este factor hace una gran diferencia. 20 Biocompatibilidad y Citotoxicidad Nota científica. Sociedad colombiana de operatoria y biomateriales. Fundamentos de biocompatibilidad Es REQUERIMIENTO indispensable que el contenido de CROMO sea del 22% como MÍNIMO para lograr PASIVAR al Níquel. El fenómeno químico de PASIVACIÓN se explica por el efecto del cromo para no dejar ionizar- o liberar iones níquel en el medio oral,controlando así sus efectos adversos. En consecuencia el Profesional DEBE CONOCER el CONTENIDO en % de los metales que entran en la composición de la aleación; debe solicitarla mencionando el nombre de esta a su técnico en la orden de Laboratorio, además de dejar constancia del tipo de aleación utilizada en la Historia del paciente. Dentro de las aleaciones de metales base recomendamos: WIRON-99 (BEGO) con un contenido de Ni. 65% Cr. 22.5% Mo. 9.5%. En el caso de pacientes con historia de reacción alérgica al Ni. se recomienda una aleación libre de Níquel: WIROBOND C. (BEGO), Cobalto 61% Cromo 26% Mo. 6%. Reacción Alérgica al Niquel Reacción Alérgica al Niquel REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Documento ANSI-ADA. No. 41. Microscopía Electrónica cortesía y comunicación personal: Profesor. Carlos Alberto de Souza Costa. Brasil. Profesor Jorge Uribe Echevarría. Argentina. Al-Waheidi, E.M.H. Allergic reactions to Nickel-orthodontic wires: a case report. Quint.Internat. 1995-26:6. 385-387. American dental Association.Council on Dental Materials:Biological effects of Nickel containing dental alloys. JA.D.A.1982:104501-505. BlancoDalmau et al. Study of Ni. allergy-J.Prosth Dent.1984: 52.116119. Guzmán,H.J. Biomateriales Odontológicos de Uso Clínico- 4ª edición 2007. Editorial ECOE. Bogotá. Lang,B.R.,Morris,H.F.Razzoog, ME. 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