Regeneración del esmalte dental.

Regeneración del esmalte  - progreso actual y retos

ABSTRACT

El esmalte dental es la capa más exterior de los dientes. Es tejido más duro mineralizado presente en el cuerpo humano. El esmalte se enfrenta al reto de mantener su integridad en una   desmineralización y remineralización constante dentro del entorno oral y es vulnerable al desgaste, a daños, y el deterioro. Este no  puede regenerarse, ya que está formado por una capa de células que se pierden después de la erupción de los dientes. El tratamiento convencional se basa en materiales sintéticos para restaurar el esmalte perdido que no puede imitar el esmalte natural. Con los avances en la ciencia en materiales y la comprensión de los principios básicos de la mineralización de la matriz orgánica mediada allana el camino para la formación de esmalte sintético. Los conocimientos de la formación del esmalte y la comprensión de las interacciones de proteína y su función productos de los genes junto con el aislamiento de las células madre postnatales de diversas fuentes en la cavidad oral, y el desarrollo de materiales inteligentes para la administración de las células y el factor de crecimiento, crea la posibilidad para la regeneración del esmalte de base biológica. En este artículo se revisará el reciente esfuerzo de síntesis biomimética y celular estrategias basadas para la regeneración del esmalte.

Introducción

El esmalte es un material nanoestructurado organizado de forma única, forma la capa más exterior de los dientes [1]. El esmalte es generado por ameloblastos, que son células epiteliales, derivadas de órgano del esmalte del diente en desarrollo [2]. Amelogénesis es un proceso altamente regulado por síntesis de una mezcla de proteínas complejas en el espacio extracelular, así como las interacciones proteína-proteína, interacciones proteína minerales y las interacciones que implican la membrana celular [Tabla / figura-1] [3]. La proteína más abundante es amelogenina 90%  que actúa como un factor clave en la el control de la orientación y el crecimiento alargado de prismas de esmalte durante el proceso de mineralización de [4]. Ameloblastina es la segunda más glicoproteína-esmalte específica no amelogenina abundante, y funciona como una molécula de adhesión celular para ameloblastos [5]. proteínas de esmaltado y tuftelina se encuentran en cantidades mucho menores que también se cree que el control de la nucleación de apatita y el crecimiento en conjunción con amelogenina [4]. Amelogenina y otro esmalte las proteínas se degradan con el tiempo por la acción de proteinasas tales como enamelisina (MMP-20) y la calicreína 4 (KLK4) en diferentes etapas de amelogénesis [5].

El esmalte está compuesto de fosfato de calcio cristalino al 96% mineral con el restante 4% consiste en componentes orgánicos y agua.  El contenido de materia orgánica consiste en la degradacion de productos de esmalte de mayor proteína amelogenina [6]. La estructura jerárquica  del esmalte está dividida en diferentes niveles de la escala nanométrica para macroescala [Tabla / figura-1]. En el nivel de nanoescala, el esmalte se compone de la matriz organizada de cristales de HA que crecen a lo largo del eje C. En el nivel de mesoescala, hay tres componentes estructurales [7]. Los componentes principales del esmalte incluyen varillas, que son paquetes de cristalitos alineados que se tejen en arquitectura compleja que tienen de 3-5 micras de diámetro [6]. El segundo componente de la matriz del esmalte  es esmalte interrod que rodea y los paquetes entre las varillas [3]. La tercera estructura, esmalte aprismático, se refiere a las estructuras que contiene cristales de HA que no muestran mesoescala o macroescala alineación [7]. 

El esmalte maduro es acelular y no se regenera asi mismo a diferencia de otros tejidos biomineralizados como el hueso y la dentina [4]. Para reemplazar el esmalte, la odontología ha formulado materiales artificiales que imitan la dureza del esmalte, pero la sustitución de esmalte con sustitutos artificiales [2]. Pero ninguno de estos materiales podría imitar todas las propiedades físicas , mecánicas y estéticas de esmalte [1]. Recientemente los científicos han mostrado mucho interés en dirección a la síntesis de esmalte artificial Sección odontología [4]. A través del entendimiento de la estructura y los patrones de productos génicos omeoblasticos, el control de la autoensable de la proteína y cristalización hidroxiapatita simultánea permiten diseñar enfoques biomiméticos para crear esmalte sintético [4]. Ahora existe una transición al cambiar el énfasis de biomateriales sintéticos tradicionales hacia los materiales biológicos [8]. Un avance en los métodos de ingeniería de tejidos abre un camino para la regeneración del esmalte.

En esta revisión, se ilustran ejemplos de investigaciones que muestran el rápido progreso que se realizan en la síntesis biomimética y la formación del esmalte celular para la reparación de los dientes. También resaltaremos los principales obstáculos que se necesitan superar antes de que cualquier estrategia utilizable, sintética y a base de células se encuentre disponible para la práctica de los dentistas.

Restauración: La fabricación del esmalte sintético

Estudios previos han propuesto diversas metodologías para la regeneración del esmalte como microestructuras de hidroxiapatita [9]. Por ejemplo, un método hidrotermal utilizando la liberación controlada de calcio de un Ca-EDTA, la transformación hidrotérmica de la varilla de fosfato octacálcico a nanovarillas de HA y el uso de peróxido de hidrógeno que contiene pastas [10]. Estos enfoques implican los métodos que se realizan en condiciones de alta temperatura, alta presión, o extremadamente baja acidez, no son adecuados para la aplicación clínica [9]. Recientemente se está llevando a cabo la investigación en condiciones ambientales que simulan la cavidad oral mediante el uso de soluciones sobresaturadas y el esmalte de proteínas derivadas amelogenina [2].

Basados en la comprensión de los procesos biológicos implicados en la amelogénesis y los avances en la nanotecnología, Chen et al., Fabricaron nanobastones fluorapatita, que se asemeja al prisma del esmalte como las estructuras de una solución sobresaturada química bajo condiciones fisiológicas. Estos nanobastones tienen características similares a las de los cristales del esmalte natural aislado de esmalte incisivo rata [11]. Yin et al., regeneraron microestructuras como las del esmalte  utilizando un enfoque de química simple, que puede ser una aplicación clínica potencial de reparar el daño del esmalte en clínicas dentales [12]. Zhang et al., Han logrado una estructura similar al esmalte dental ordenada de hidroxiapatita (HAP) a través de un proceso de conversión de estado sólido solución mediada con surfactante fosfato orgánico y gelatina como el agente mediador [13].

Algunos otros estudios han sido realizados por inmersión de la superficie del diente rayado y desmineralizada en  una  solución. Chak Ryu et al., sumergió un diente rayado artificialmente en suspensión de  agua destilada de polvo HAP nanoescalo durante tres meses. SEM y AFM mostraron que la superficie rayada se depositó con cristales de HAP y la rugosidad aumento lo cual fue similar a la de la capa innata [14]. Lian Chen et al., Usando muestras de esmalte humano desmineralizadas inmersas  en solución de PAMAM-COOH 10.000 ppm durante 30 min y a continuación en solución de fósforo de calcio con o sin flúor para 20 h. SEM y FTIR mostró que el cristal HAP inducido tiene una estructura similar y la morfología se parece del esmalte natural intacto. Por lo tanto, PAMAM-COOH se puede utilizar como una plantilla orgánica en el esmalte desmineralizado para inducir cristales de HAP [15]. Aquí, el crecimiento de los cristales se produjo directamente sobre las muestras, pero la duración es larga que no es adecuado para el desarrollo en un entorno aplicado.

Stephen Mann y sus colaboradores prepararon esterillas de  electrospun de hidrogel de fosfato de calcio amorfo y nano y micro fibras de polímero. Esteras generan cristales de HAP como una capa inmediata, que cubre la superficie del esmalte. Por lo tanto, podría ser utilizada para el recrecimiento superficies de esmalte que se han perdido debido a la erosión / o desgaste [10]. Ying et al., Usa un método de hidrogel de agarosa, que imita el esmalte natural en secretora o etapa formación de matriz. Este modelo de mineralización biomimético regenera el esmalte como la estructura prismática con una dureza similar al esmalte natural [9].

Hontsu et al., Fabricado con éxito una lámina flexible de HAP autoportante, que se une directamente a la superficie del esmalte de los dientes extraídos utilizando una solución de fosfato de calcio. La interfaz entre la lámina y la superficie no se adhirió completamente [16] más adelante para mejorar la adhesividad de la lámina de HAP  se experimentó con doble hoja de HAP en capas recubiertas con una capa de fosfato tricálcico. La fuerza adhesiva de la lámina / TCP HAP fue marcadamente superior a la de la hoja de HAP que indica la hoja se puede utilizar para la restauración [17].

Inicialmente Chen et al., Mostró que los tensioactivos se utilizaron como micelas inversas y microemulsiones para sintetizar esmalte [18]. Recientemente, los científicos de la Universidad de Leeds encontraron una manera de imitar la matriz del esmalte dentro de las lesiones del esmalte, permitiendo así una regeneración. Se ha desarrollado una tecnología patentada para la regeneración del esmalte. Los monómeros de p11-4 péptido (curodont) forman una matriz que permite la formación de cristales de novo esmalte de la saliva en equilibrio constante con la desmineralización [19]. Los estudios invivo revelaron que los péptidos se muestran para disminuir la desmineralización y muestran una fuerte tendencia hacia el aumento de la remineralización [20].

Hasta ahora los investigadores demostraron el esmalte como una estructura mineral utilizando soluciones químicas o mediante la formación de  hojas de HAP. Nuevas estrategias han ido surgiendo basadas en los hallazgos que la capacidad de la amelogenina para funcionar en las fases críticas de la biomineralización [5]. Marinet propuso  un sistema de membrana selectiva de cationes para sintetizar un compuesto basado amelogenina en condiciones biomiméticos [4]. En este método, se ensayó el efecto añadido de cristales de proteínas en el crecimiento amelogenin octacálcico. Se encontraron una barra alargada como los cristales y proteínas que se adhieren a lado de los cristales [5]. Una nueva técnica de método de deposición electrolítica ha sido utilizado para fabricar compuesto imitando recubrimiento de esmalte de una solución que contiene calcio, iones fosfato, y las proteínas recombinantes solubles amelogenin, a un  cercano pH fisiológico y fuerza iónica [4].

Regeneración: estrategias basadas en células

Actualmente los investigadores están interesados en el desarrollo de estrategias basadas en células para regenerar el esmalte. El tratamiento regenerador requiere a las células, andamios y factores de crecimiento del tallo.

Huang et al., Estudió la posibilidad de utilizar nanoestructuras sintéticas y bioactivos que se sabe que se auto-ensamblan en nanofibras en entornos de red fisiológica, con el fin de imitar la matriz extracelular que rodea a los ameloblastos [21]. Las Nanofibras con secuencia RGD  de epítopo como función de señalización sobre su Stati superficies son utilizadas para facilitar la unión, la proliferación y diferenciación de las células similares al ameloblasto [21]. Estas células similares al ameoblasto  (línea LS8) y órgano primario del esmalte de células epitelial (EOE) fueron hidrogeles cultivados Dentro de PA, y la AP se inyectaron en los epitelios del órgano del esmalte de los dientes incisivos de embriones de ratón y se trasplantan bajo las cápsulas renales en ratones de acogida a largo plazo culturas [21]. Bioactivo PA HAP inducida estructuras similares al esmalte auténtica a través de su efecto sobre las células, aumentando su proliferación y su diferenciación mediante la entrega de las señales clave de la integrina.

Continuando el estudio se llevó a cabo para dilucidar la respuesta de acoplamiento de los receptores de la integrina a los perfiles de expresión de genes y biomateriales. Estas señales proporcionan una visión de los mecanismos moleculares implicados en la formación del esmalte, lo que ayuda en el diseño de enfoques regenerativos sintéticos, a manipular las vías para el control de la regeneración del esmalte [22].

Ingeniería de tejidos esmalte 

El desarrollo de una técnica para manipular células EOE es un avance significativo hacia la sustitución del esmalte y por lo tanto intentó desarrollar una estrategia para generar el esmalte a base de células subcultivadas EOE uso de la tecnología de ingeniería de tejidos [Tabla / Fig-2].

Honda et al., Examinaron la capacidad de formación de esmalte de las células subcultivadas EOE, por las células de trasplante en un andamio biodegradable in vivo [2]. las células de la pulpa dental frescas de los terceros molares de cerdos durante la etapa temprana de la formación de la corona se sembraron primero en la parte superior de un andamio y las células subcultivadas EOE entonces se sembraron directamente en la parte superior de las células de la pulpa. Cuatro semanas después del trasplante de las células EOE combinadas con las células de la pulpa dental en andamios, varios fenómenos relacionados con amelogénesis se distinguieron en los implantes [2]. En las estructuras más maduras, el esmalte se encuentra fácilmente en los implantes. Además, se detectó inmunorreactividad de amelogenina en las células epiteliales columnares altas en la superficie de la dentina o el esmalte, lo que indica que el esmalte de tejido de ingeniería contiene ameloblast bien desarrollada. En conjunto, estos resultados indican que las células EOE subcultivaron, tienen el potencial de generar esmalte.

La producción de esmalte puede haber sido facilitada en este modelo de cultivo porque las células EOE se mantuvieron en una etapa indiferenciada en el fenotipo de las células de linaje ameloblasto por la capa de alimentación 3T3. Curiosamente, la formación del esmalte siempre se observó después de que la dentina se formara en los implantes. Por otro lado, cuando se combinaron las células EOE subcultivadas con las células de la pulpa dental subcultivadas, complejos de esmalte-dentina No se han observado en cualquiera de los implantes [2]. Este modelo de cultivo proporciona un paso prometedor hacia una nueva terapia para la reforma de esmalte. 

A medida que las células EOE desaparecen en los dientes permanentes después de la erupción de los dientes. fuentes de células alternativas para las células que forman el esmalte son:

Células epiteliales descansa de Malassez

Ya que ERM es un linaje directo de la de ella, derivado del órgano del esmalte a través de las estructuras de bucle de cuello uterino, informó recientemente de que las células epiteliales de la de ella pueden diferenciarse en ameloblastos y producir complejos esmalte-dentina cuando se combina con las células de la pulpa dental cultivadas no en el núcleo de la pulpa dental [2].

Células de médula ósea

En un estudio de médula ósea las células experimentales, junto con la suspensión de una sola célula del epitelio dental se asociaron con mesénquima dental obtenida a partir de germen del diente. Después de 20 días de cultivo, una corona de dientes se genera a partir de los constructos. El éxito de este estudio proporciona una nueva fuente de células para el tejido de esmalte de ingeniería [23].

Células madre humanas embrionarias derivadas de células epiteliales

Cuando las células madre humanas embrionarias (HSC) en comparación con las células  de linaje ameloblasto humano (ALCS) encontraron que las CMH como fuente de células alternativas potenciales para la regeneración ameloblasto [24].

Queratinocitos orales

Es posible que las células epiteliales no dentales puedan ser una nueva fuente de células para la tecnología de la ingeniería de tejidos de esmalte. Es de particular interés si el  epitelio postnatal oral no dental puede diferenciarse en ameloblasto para generar esmalte [2].

Células epiteliales de piel

Liu Y et al., Estudió el potencial de conversión de las células epiteliales de piel postnatal a ameloblastos. Un estudio sugirió que las células epiteliales de la piel como el sustituto adecuado para ameloblastos bajo la inducción eficaz. Ventajas y limitaciones de las fuentes de células alternativas se menciona en la [Tabla / Fig-3] [25].

Resumen - Perspectivas de futuro

Algunos investigadores fabricaron cristales de HAP por precipitación a partir de soluciones químicas sobresaturadas. Debido a un problema de adhesion algunos otros han demostrado un crecimiento de cristales de HAP directamente sobre la superficie del esmalte, superficie grabada o desmineralizada por inmersión prolongada en soluciones. Otros científicos desarrollaron esterillas de hidrogel, que son capaces de generar cristales sobre las superficies del diente. Otros han demostrado que la adhesión de la hoja de HAP flexible podría ser eficaz para la restauración de la superficie dental erosionada. Científicos muy recientes de la Universidad de Leeds patentaron ka solución de péptido auto-montaje de lesión de caries inicial. Después de los avances recientes en la síntesis biomimética de esmalte una nueva estrategia basada en la aplicación de las proteínas que se sabe que controla la iniciación de cristal, forma del cristal, y la organización de embalaje se experimentó en condiciones biomiméticos.

Hasta ahora los estudios han demostrado que el esmalte se ha regenerado en el laboratorio simulando las condiciones fisiológicas. Se requiere una investigación avanzada para explorar el uso de soluciones de fosfato de calcio estabilizadas sobresaturadas, donde una enzima puede regular la mineralización. Basado en nuestro conocimiento actual de la química de fosfato de calcio y la comprensión actual de cómo la deposición de minerales y la organización están regulados en el desarrollo de los tejidos mineralizados, nuestra hipótesis general de trabajo es que el correcto desarrollo del esmalte como la estructura se puede lograr a través de la regulación de la difusión de los iones minerales, cristales la cinética de crecimiento y orientación de los cristales. Todavía hay una brecha en la comprensión del mecanismo detallado de ameloblasto productos de la célula de montaje, la nucleación y la orientación de los cristales.

En una estrategia basadas en la célula  el esmalte puede ser regenerado usando un esmalte subcultivo las células epiteliales de órganos. Sin embargo, se necesitan más estudios sobre cómo combinar el esmalte recién generado con la dentina o esmalte dental original, en el diente, y para controlar la forma y el tamaño del esmalte de la ingeniería de tejidos. Es necesaria una mayor investigación para resolver la escasez de células epiteliales dentales por la generación de células madre pluripotentes inducidas a partir de células somáticas o por células fuente alternativa.

Otra estrategia potencial para regenerar el esmalte dental consiste en la aplicación de los genes que son conocidos para controlar el desarrollo de las células que forman el esmalte. Ameloblasto tiene un origen epitelial y su diferenciación está estrechamente vinculada a la diferenciación de los odontoblastos. Ahora, los científicos han entendido las diversas moléculas de señalización que controlan las interacciones epitelio-mesenquimal. Una tendencia en el futuro puede ser la aplicación de los genes para la formación del esmalte.

Conclusión 

El advenimiento de la odontología regenerativa va a anunciar una nueva era de avances sin precedentes en los tratamientos. El principal reto sería la creación de esmalte sintético que imita una estructura prismática e interprismática del esmalte natural. Los avances en concepto de ingeniería de tejidos y células de origen alternativo para las células que forman el esmalte, resolverían muchos problemas dentales por la regeneración o sustitución del tejido  de esmalte afectado por la enfermedad, trauma y trastornos hereditarios.

FIGURA 3

Fuente de células alternativa para ameloblastos	Ventajas	Limitaciones
células epiteliales descansa de Malassez	ERM son linaje directo de  HERS, que se derivan de órgano del esmalte a través de las estructuras de bucle cervical, de ahí ERM conservar su capacidad original de secretar una matriz que propicie la generación esmalte. células de ERM de HERS  pueden diferenciarse en ameloblastos y producir complejos de esmalte-dentina cuando se combina con las células de la pulpa dental no cultivadas.	In vitro MTC subcultivado expresó genes de ameloblasto relacionados como ameloblastina y tuftelina pero no amelogenina y son incompatibles si se compara con las células EOE. células ERM mostraron la regeneración esmalte sólo si está asociado con las células de la pulpa dental
las células del estroma de la médula ósea	las células estromales de la médula ósea se diferencian en ameloblastos cuando son cocultivados con células epiteliales dentales.	solo células de médula ósea, sin las células epiteliales dentales y mesénquima dental no pueden diferenciarse en ameloblastos. Hasta ahora los estudios han demostrado con la asociación de las células epiteliales embrionarias dental que prácticamente no es factible.
Queratinocitos orales	las células epiteliales del paladar posnatal un día forman complejo dentina esmalte cuando se asocia con células mesenquimales dentales.	No hay estudios que  demuestran la eficacia de más de 2 días de edad células epiteliales del paladar.
Células madre embrionarias humanas derivadas de células epiteliales.	células epiteliales derivadas de células madre embrionarias humanas expresan citoqueratina que es comparable al ameloblasto células de linaje que  se prueban como una fuente potencial de ameloblastos.	Origen de las células madre es problemático
células de piel epiteliales	1 día postnatal células epiteliales de la piel son capaces de regenerar germen del diente como la estructura	Requiere estudios para probar la piel postnatal células epiteliales mayores capaces de proliferación y diferenciación