Cómo los sincrotrones están acelerando la investigación para ayudar en la lucha contra la caries dentro de la salud mundial

Un equipo de científicos de la Universidad de Oxford y la Universidad de Birmingham acaba de publicar una de las revisiones multidisciplinarias más completas que cubre casi 40 años de descubrimientos y avances en el estudio del esmalte y su desmineralización (caries). La revisión revela cómo las instalaciones de radiación de sincrotrón han permitido nuevos conocimientos sobre la función y la degradación del tejido dental a diferentes escalas.

La caries sigue siendo una condición debilitante que carece de prevención y tratamiento adecuados, lo que exige más investigación para encontrar formas innovadoras de superar su impacto perjudicial en la salud mundial. La enfermedad tuvo una prevalencia global de alrededor de 2.300 millones en 2017 (en dientes permanentes). Además de los efectos clínicos del dolor y la incomodidad, los problemas estéticos y, finalmente, la pérdida de dientes, constituye una enorme carga económica, estimada en miles de millones de dólares estadounidenses en todo el mundo en tratamientos disruptivos dolorosos.

El artículo del equipo, «Synchrotron X-ray Studies of the Structural and Functional Hierarchies in Mineralized Human Dental Enamel: A State-of-the-Art Review», se publica en Revista de odontología. Su objetivo estratégico era identificar y evaluar vías prospectivas para analizar tejidos dentales y desarrollar tratamientos y profilaxis para mejorar la salud dental.

El líder del equipo, el profesor Alexander Korsunsky, profesor y miembro emérito del Trinity College, Oxford, explica: «Comprender el mecanismo del desarrollo de la caries requiere rastrear las vías de los procesos biológicos, químicos y estructurales que se desarrollan progresivamente desde el nivel microbiano y cristalino hasta la escala macroscópica. Esto necesariamente genera la necesidad de visualizar y comprender la organización y función del tejido, junto con su interacción con el entorno microbiano y químico, a través de estudios estáticos y dinámicos. Los estudios basados ​​en sincrotrón ofrecen herramientas únicas para este propósito, debido a la interacción versátil de fotones de rayos X con los componentes tisulares orgánicos e inorgánicos».

Los tejidos dentales duros poseen una estructura jerárquica compleja que es particularmente evidente en el esmalte, la sustancia más mineralizada del cuerpo humano. Su organización compleja e interrelacionada en las escalas Ångstrom (red cristalina), nano, micro y macro es el resultado de la optimización evolutiva del rendimiento mecánico y funcional: dureza y rigidez, tenacidad a la fractura, resistencia térmica y química. La comprensión de las relaciones físico-químicas-estructurales en cada escala requiere la aplicación de sondas de resolución y sensibilidad apropiadas.

«Actualmente, alrededor de 50 instalaciones de sincrotrón en todo el mundo están contribuyendo con una cantidad sobresaliente de trabajo de investigación junto con la mejora continua de los enfoques analíticos. Esto se debe al hecho de que las técnicas de rayos X de sincrotrón ofrecen la posibilidad de progresar significativamente más allá de las capacidades de los instrumentos de laboratorio convencionales, es decir, difractómetros de rayos X y microscopios electrónicos y de fuerza atómica. Las últimas décadas han sido testigos de la acumulación de resultados obtenidos de la dispersión de rayos X (difracción), la espectroscopia (incluido el análisis de polarización) y la formación de imágenes. (incluidas la pticografía y la tomografía)», agrega el Dr. Cyril Besnard, autor principal de la investigación.

La primera sección de la revisión cubre brevemente la estructura del esmalte (y la dentina), describe la enfermedad de caries dental y sus factores causales, incluida la naturaleza y organización de la biopelícula y sus efectos sobre el esmalte, y analiza las estrategias existentes para la remineralización. La segunda sección proporciona una descripción general de las instalaciones de sincrotrón, seguida de una descripción de la aplicación de los métodos de sincrotrón a los estudios de tejidos dentales: difracción (dispersión), formación de imágenes (incluidas tomografía y pticografía) y espectroscopia.

«El sincrotrón moderno, como Diamond Light Source del Reino Unido, ofrece la versatilidad de utilizar configuraciones experimentales personalizadas, que se pueden categorizar según el tipo de detector y la configuración relevante; la energía en uso, ya sea rayos X suaves o duros (en vacío o aire o líquido); la presencia de campos magnéticos o control de temperatura; y el tipo de proceso de monitoreo (análisis estático o dinámico) y equipo. El desarrollo continuo de instalaciones, técnicas y dispositivos de sincrotrón significa que el futuro será brillante para la investigación de tejidos mineralizados», comenta el Dr. Igor Dolbnya, científico senior de línea de luz en la línea de luz de prueba B16 en Diamond.

La revisión resume los estudios que utilizan técnicas de sincrotrón para análisis estructurales, de imágenes y químicos. Se enfatiza la utilidad de estos métodos en términos de aportar nuevos conocimientos y los beneficios del uso combinado de técnicas correlativas multiescala. Los autores han utilizado ampliamente las instalaciones y líneas de luz de Diamond para estudiar el tejido dental y se tratan en la revisión. Es un gran ejemplo de un enfoque multidisciplinario sobre un tema de investigación, ya que el equipo utilizó líneas de luz distribuidas en cuatro grupos científicos diferentes en Diamond.

Muchos estudios recientes se resumen en la revisión con detalles y conocimientos de análisis de vanguardia, que podrían implementarse en estudios futuros. Por ejemplo, para dilucidar el fenómeno de la caries y explorar vías como la estructura 3D de los nanocristalitos, el movimiento de los átomos que se produce durante la desmineralización, el proceso in situ de desmineralización por el ácido de las bacterias utilizando imágenes multimodales, en los dominios de tiempo, espacio y energía.

Los investigadores afirman que estas técnicas se pueden aplicar para diseñar e implementar nuevos estudios para la remineralización del esmalte y para desarrollar nuevos materiales biomiméticos y estrategias para reparar el esmalte y la dentina.

«Los análisis basados ​​en sincrotrón han llevado a importantes avances en la estructura y, por lo tanto, en las propiedades mecánicas de los tejidos dentales. Esto incluye el proceso de la caries y otros campos dentales, con el objetivo de mejorar la calidad de vida. Sin embargo, todavía hay preguntas de investigación abiertas que justifican una mayor investigación. Desarrollar continuamente la investigación actual nos ayudará a comprender mejor los cambios en la estructura del tejido enfermo y, a su vez, su manejo», concluye el Dr. Adrian Mancuso, director de Ciencias Físicas de Diamond.

La revisión también destaca la importancia de las aplicaciones y enfoques realizados en la investigación de otros materiales. El conocimiento recopilado a partir de estos enfoques a menudo se puede transferir a la investigación de la caries dental, para generar nuevas oportunidades de investigación y conectar métodos y resultados analíticos con otras aplicaciones de investigación. Los autores creen que esta revisión integral será de interés para una amplia red de investigadores y médicos en el campo de la cariología y las industrias farmacéuticas, así como para las industrias que podrían beneficiarse de la transferencia de conocimientos de tecnologías, incluida la industria farmacéutica, los estudios de corrosión, la ingeniería biomédica y la nanoodontología.