Зубная фея ни при чем: почему зубы испытывают боль от холода

Человеческий организм может испытывать целый спектр неприятных ощущений. Если говорить про боль, то она бывает тянущая, режущая, давящая, пекущая, тупая, острая и т.д. Видимо ни для какого другого чувства нет столько эпитетов, сколько для боли. И все это вполне обосновано, ибо органов у нас много, и каждый из них по-разному сигнализирует наш мозг о возникшей проблеме. Посему боль можно уверенно назвать полезным, хоть и неприятным, аспектом жизнедеятельности. Однако порой сложно понять не столько источник боли, сколько механизм ее возникновения. Ученые из медицинского института Ховарда Хьюза (США) решили выяснить, почему наши зубы способны испытывать боль, причиной которой является холод. Что отвечает за восприятие холода в зубах, и каков механизм этого восприятия? Ответы на эти вопросы мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

В спектре болевых ощущений есть и куда более сильная боль (например, роды или почечная колика), тем не менее зубную вряд ли когда-нибудь приравняют к «укусу комарика». Для некоторых людей одна лишь мысль про зубную боль вызывает искривление лицевых мышц в соответствующую гримасу. Что уж говорить про стоматологов, которых многие незаслуженно недолюбливают, ассоциируя их с болью. Любопытный факт: композитор знаменитой игры «Silent Hill» Акира Ямаока использовал звуки бормашины в своих композициях, чтобы игрок подсознательно ассоциировал мелодию с чем-то плохим/неприятным/болезненным. Но вины докторов в том, что наши зубы болят, нет (чаще всего).

Причиной возникновения неприятных ощущений могут быть механические травмы, физиологические изменения, влияние окружающей среды, пища, вредные привычки и т.д. Одной из распространенных стоматологических проблем является чувствительность зубов. Человек испытывает болевые ощущения при употреблении в пищу чего-то горячего или холодного. Кто-то ест мороженое, впиваясь в него зубами, словно волк в добычу, а кто-то готов отказаться от этой сладости полностью, лишь бы не испытывать боль.


Строение зуба человека.

Но чувствительность к холоду не возникает просто так. Чаще всего причиной тому является нарушение целостности дентина, т.е. твердой ткани зуба, вызванное кариесом. По словам ученых, в мире насчитывается порядка 2.4 миллиарда человек с кариесом зубов.

Во время развития кариеса бактериальная биопленка на поверхности зуба в сочетании с ферментируемыми углеводными субстратами вызывает деминерализацию и, в конечном итоге, разрушение зубов. Такой зуб становится чувствителен к холоду, что воспринимается как кратковременная острая невралгическая боль.

Рассматривая зуб с точки зрения функциональной анатомии, ученые приписывают механо- и ноцицептивные функции сплетению Рашкова (совокупность нервных окончаний), расположенному в пульпе* зуба.

Пульпа зуба* — соединительная ткань, заполняющая полость зуба, с большим количеством нервных окончаний, кровеносных и лимфатических сосудов.

При этом есть гидродинамическая теория Бреннстрема, где преобразование тепловых и других физических стимулов для активации дентинных нервных окончаний приписывается механосенсорному процессу, индуцированному гидродинамикой.

Согласно этой теории дентинные микроканалы действуют как гидравлическое звено между физическим стимулом и нервными окончаниями, которые расположены на стыке пульпы и дентина. Однако до сих пор нет никаких экспериментальных доказательств этой теории. Поиски ответа на вопрос, что активирует ощущение холода в зубах, продолжались много лет, но без особых результатов.

Авторы рассматриваемого нами сегодня исследования решили подойти к решению этой задачи под другим углом. Определенные подтипы ионных каналов с переходным рецепторным потенциалом (TRP от transient receptor potential) сильно активируются при охлаждении, действуя как молекулярные сенсоры в коже и слизистых оболочках, где они деполяризуют нервные окончания, вызывая потенциалы действия. В коже TRPM8 и TRPA1 действуют синергетически и представляют собой основные датчики снижения температуры окружающей среды.

мРНК и белок TRPM8 и TRPA1 присутствуют в высокой плотности в тройничном ганглии (TG от trigeminal ganglion) и в сенсорных аксонах пульпы зуба. Кроме того, культивируемые одонтобластоподобные клетки человека и культивированные фибробласты пульпы зуба демонстрируют увеличение внутриклеточного кальция в ответ на холод, что частично объясняется их TRPA1 и TRPM8 каналами.

Однако физиологическое значение наблюдаемой холодовой трансдукции в одонтобластах и фибробластах до сих пор неясно, так как вклад TRPA1 и TRPM8 в вызванную холодом зубную боль в живом организме не был обнаружен.

В своих предыдущих работах ученые отмечали, что TRPC5 чувствителен к холоду в гетерологичных системах экспрессии, и его распределение в нейронах тройничного и дорсального корешков малого и среднего размера, а также в поверхностных пластинках спинного дорсального рога типично для датчиков, участвующих в измерении температуры и ощущении боли. Основной задачей исследования стала попытка понять роль ионных каналов TRPA1, TRPM8 и TRPC5 в ощущении холода зубами.

Результаты исследования

Чтобы оценить ионные каналы холодовой трансдукции для зубной боли, была использована установленная модель повреждения пульпы зуба (DPI от dental pulp injury) у мышей без TRPC5, TRPA1 и TRPM8. Основным признаком болезненного DPI у мышей является увеличение потребления сахарозы. Снизить потребление сахарозы можно было посредством введения противовоспалительного анальгетика индометацина.


Изображение №1

Было установлено, что DPI приводит к трехкратному увеличению потребления воды с 5% сахарозы при комнатной температуре (график выше).

У мышей TRPA1 -/- и TRPM8 -/- повреждение пульпы вызывало примерно одинаковое увеличение потребления сахарозы, но у мышей TRPC5 -/- потребление со временем нормализовалось, аналогично эффекту индометацина. Это указывает на то, что TRPC5 обладает чувствительностью к холоду.


Изображение №2

Чтобы обеспечить функциональное исследование всей сенсорной системы зуба, был использован интактный препарат (образец) нижнего альвеолярного нерва (нижнечелюстного нерва) мыши (схема выше). Такой образец позволяет регистрировать распространяемые потенциалы действия от нижнего альвеолярного нерва до сенсорных стимулов в нижнечелюстном резце и молярах, аналогично записи от ноцицепторов подкожного нерва с рецептивными полями в коже.


Схема расположения зубов правой половины нижней зубной арки.

Когда челюсть подвергалась воздействию холода, наблюдались большие отклики от 10% A- и C-волокон. Нейроны рецепторов холода в зубах генерировали 114 ± 15 потенциалов действия на холодный стимул с пиковой частотой возбуждения 43 ± 5 в секунду.

А-волокна* — тип нервных волокон в классификации по скорости проведения нервного импульса, отвечающий за температуру, быстрое проведение боли. С-волокна* — медленное проведение боли.

Изображение №3

Эти значения намного превышают холодовые реакции ноцицепторов кожи мыши (16 ± 2 потенциала действия и частота срабатывания 3 ± 1 в секунду; 3B и 3C). Пороги ноцицепторов пульпы зуба были 19 ± 1 °C, что на 2 °C ниже, чем у холодовых ноцицепторов в коже (кожный порог ноцицепторов = 21 ± 1 °C; 3D). По этим параметрам между А- и С-волокнами каких-либо отличий в реакции замечено не было.

При препарировании челюстного нерва TRPC5-блокаторы HC-070 и ML204 эффективно устраняли холодовые реакции некоторых ноцицепторов зубов и в среднем снижали холодовые реакции на 59 ± 13%. (4A и 4B). ML204, который также блокирует каналы TRPC4 и TRPC3, не действует на TRPC5 -/- мышей. Следовательно, TRPC3 и TRPC4 не участвуют в качестве гомомерных каналов в холодовых реакциях. Во всех волокнах, на которые не подействовал блокатор HC-070, остаточные холодовые реакции были устранены посредством TRPA1-блокатора HC-030031 (97 ± 2%; 4A и 4B).


Изображение №4

Также было обнаружено, что в препаратах челюстного нерва от TRPC5 -/- мышей количество холодных ноцицепторов снижалось примерно наполовину (4C).

Важным наблюдением было то, что хотя оставшиеся ноцицепторы TRPC5 -/- зубов имели неизменную величину ответа, они имели более высокие пиковые скорости возбуждения, чем любой другой штамм (116 ± 34 потенциала действия, скорость разряда 66 ± 8 в секунду) и активировались при высоких пороговых температурах (22 ± 1 °C; 4E-4G). Хотя в коже мышей большинство холодовых реакций связано с TRPM8, холодовые реакции зубов оказались нечувствительными к фармакологической эквивалентам TRPM8.

Из этих опытов следует, что именно TRPC5 и TRPA1 играют важную роль в чувствительности зубов к холоду. Из этого следует вопрос — необходимы ли какие-либо специфические анатомические особенности, чтобы TRPC5 и TRPA1 реагировали на холод, или они будут реагировать даже в изолированных клетках?

В поисках ответа на этот вопрос ученые обратили свое внимание к зубным первичным афферентным нейронам (DPAN от dental primary afferent neurons), которые являются клетками сенсорных окончаний в верхнечелюстном сплетении Рашкова. Культивированные в лаборатории DPAN были проверены на предмет изменений в [Ca²⁺], вызванных холодом или химической реакцией на агонист* TRPM8 ментол, агонист TRPA1 карвакрол, агонист TRPC5 рилузол и антагонист* ML204.

Агонист* — химическое соединение, которое при взаимодействии с рецептором меняет его состояние, т.е. приводит к отклику.

Антагонист* — соединение, которое блокирует, снижает или предотвращает физиологические эффекты, вызываемые связыванием агониста и рецептора.

Из всех DPAN было обнаружено порядка 17% чувствительных к холоду нейронов. Из них 74% были чувствительны к ментолу и 57% — к карвакролу, но только один нейрон (< 1%) показал реакцию на агонист TRPC5 рилузол (5A и 5B).


Изображение №5

Поскольку ментол и карвакрол не обладают высокой специфичностью и могут активировать и TRPM8, и TRPA1, в ходе проверки также были использованы DPAN, полученные из штаммов без TRPC5 и TRPM8 (TRPC5/M8-DKO) или без TRPC5 и TRPA1 (TRPC5/A1-DKO).

DKO* — двойной нокаут гена, когда из организма удаляют или деактивируют два определенных гена.

В DPAN, полученных от мышей TRPC5/M8-DKO, < 5% DPAN оставались чувствительными к холоду. Эти оставшиеся DPAN были в первую очередь чувствительны к ментолу и карвакролу, что указывает на активацию TRPA1 холодом.

В DPAN, полученных от мышей TRPC5/A1-DKO, 20% клеток были чувствительны к холоду. Из них 75% были чувствительны к ментолу и, следовательно, зависимы от TRPM8 (5A и 5C).

Из этого следует, что большинство DPAN используют TRPM8 для холодовых реакций, в то время как немногие нейроны полагаются на TRPA1 для независимых холодовых реакций.

Определив участников холодовой трансдукция, необходимо было определить, где она происходит. Транскриптомный анализ DPAN идентифицировал Trpm8 и Trpa1, в то время как Trpc5 был ниже порога обнаружения (6A).


Изображение №6

Тем не менее TRPC5 был дополнительно визуализирован и количественно оценен посредством многофотонной микроскопии TG мышей. Было идентифицировано 3.5% TRPC5+ DPAN (6B). В культивируемых TRPC5+ нейронах тройничного нерва была обнаружена типичная для TRPC5 вольт-амперная характеристика (6C).

Эти данные демонстрируют, что TRPC5 присутствует в сенсорных нейронах, хотя при здоровых зубах холодовые реакции TRPC5 слабо выраженные и редкие.

Остается понять, как возникает ответная реакция на холод в случае здоровых (т.е. неповрежденных) зубов. Когда ученые исследовали TRPC5 в коренных зубах мышей, они обнаружили TRPC5 практически во всех преддентильных одонтобластах* в пульпе зуба, прилегающей к корню.

Одонтобласт* — клетка, развивающаяся из мезенхимы зубного сосочка и участвующая в образовании дентина зубов и в его обызвествлении.

Изображение №7

Отростки TRPC5-положительных одонтобластов в дентинных канальцах контактировали с сенсорными аксонами в интерфейсе пульпа-дентин и поднимались в тесной связи в дентинные канальцы. При этом TRPC5 не было обнаружено в фибробластах пульпы или в сенсорных аксонах, происходящих из альвеолярных нервов и исходящих через корень в нервное сплетение Рашкова или в нижний альвеолярный нерв (изображение №7 и видео ниже). Из этого следует, что TRPC5 по большей степени располагается в слое клеток одонтобласт, в отличие от более распространенных TRPM8 и TRPA1.


Видео №1


Видео №2

В заключение ученые решили проверить свои находки на человеческих зубах. В результате в здоровых зубах, удаленных по ортодонтическим или косметическим причинам, в одонтобластическом слое был найден TRPC5. В сенсорных нервах на интерфейсе пульпа-дентин и в дентинных канальцах было обнаружено больше TRPC5, чем TRPM8.


Изображение №8

Кроме того, была обнаружена часть дентинных (тип IV) TRPC5+ волокон, проходящих внутри дентинных канальцев в предполагаемом месте сенсорной трансдукции (8A-8E).

Предыдущие исследования показали, что TRPM8 снижается в аксонах гиперчувствительных к холоду зубов человека. Сравнение TRPC5 с TRPM8 в воспаленных человеческих зубах с пульпитом показало, что экспрессия сенсорного нерва TRPC5 заметно увеличилась, тогда как TRPM8 снизилась. TRPC5 распространялся на дегенерирующий дентин и весь корень зуба, где был обнаружен значительно более высокий процент TRPC5+ пульпы и волокон корня (8F-8I).

Более высокий процент TRPC5 в пульпитных зубах и присутствие дентинных волокон в нормальных и дегенерирующих дентинных канальцах предполагает, что TRPC5 выполняет функцию датчика холода в зубах человека.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Зубы человека это единственная часть тела, которая не может регенерировать. Печень, скелет и даже нервные клетки, как показали недавние исследования, могут восстанавливаться со временем. Да, этот процесс очень долгий и не всегда приводит к стопроцентному восстановлению, однако он есть, чего не скажешь про зубы.

Ввиду этого больные зубы являются одной из самых распространенных медицинских проблем в мире. Следовательно, изучение зубов позволяет лучше их лечить. Однако это не самое простое занятие. К примеру, для изучения движения жидкостей внутри зуба его необходимо разрезать. А для этого необходимо преодолеть эмаль (самую прочную ткань тела человека) и дентин (тоже весьма прочный слой зуба), при этом не нарушив целостность пульпы, кровеносных сосудов и нервов.

Несмотря на такие сложности, исследования продолжаются. В рассмотренном нами сегодня труде ученые уделили особое внимание ионному каналу TRPC5. Еще 15 лет тому назад они установили, что он чувствителен к холоду, но не знали, где именно в теле человека он задействован. Сначала предполагалось, что дело в коже, но это оказался тупиковый вариант. Тогда ученые сконцентрировали свое внимание на другой части тела, способной чувствовать холод, на зубах.

И это было верное направление, так как в зубах была обнаружена активность TRPC5. Особенно это заметно на зубах с кариесом. В ходе опытов был использован новый метод исследования зубов на примере мышей. Вместо того, чтобы вскрывать зуб, ученые рассматривали челюсть целиком (кость, зубы и нервы). Когда на зубы мышей воздействовал холодный раствор, нервная активность возрастала. Однако у мышей, лишенных TRPC5, подобной реакции не наблюдалось. Ученым также удалось отследить TRPC5 до одонтобласт, т.е. клеток между пульпой и дентином. Так что, когда вы кусаете мороженое, а ваши зубы отвечают на это острой болью, можете быть уверены в том, что ваш дентин поврежден.

Сейчас многие ученые сосредоточены на изучение мозга, сердца или других жизненно важных органов. Зубы же не получают столько внимания, хотя заслуживают его не меньше других, ведь здоровье зубов может напрямую или косвенно повлиять на здоровье всего организма.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?