Email this article 
RAMAN FLUORESCENCE CHARACTERISTICS OF HARD DENTAL TISSUES AND THEIR CLINICAL SIGNIFICANCE
- Authors: Aleksandrov M.T.1, Kukushkin V.I1, Polyakova M.A1, Novozhilova N.E1,2, Babina K.S1,2, Arakelyan M.G1, Bagramova G.E1,2, Pashkov E.P1, Dmitrieva E.F1,2
-
Affiliations:
- Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)
- Department of prosthetic dentistry Federal state budgetary educational institution of higher education «South Ural state medical University» of the Ministry of health of the Russian Federation
- Issue: Vol 22, No 6 (2018)
- Pages: 276-280
- Section: Articles
- URL: https://rjdentistry.com/1728-2802/article/view/43018
- DOI: https://doi.org/10.18821/1728-2802-2018-22-6-276-280
- ID: 43018
Cite item
Full Text
Abstract
The aim of the study is to study the spectral characteristics of the hard tissues of the tooth, their Raman-fluorescent components (RFS) and to determine the possibility of using the method to assess the degree of mineralization of hard tissues of the tooth. In a preclinical study on model test objects of different functional groups of teeth (incisors, premolars, molars), remote by clinical indications, Raman-fluorescence spectroscopy was performed using the laser hardware-software complex “Inspector M” with a wavelength of probing radiation 514 nm. In the course of the study, a qualitative and quantitative analysis of the content and distribution of hydroxyapatite in the structures of hard dental tissues (enamel, dentin, cement) in normal and pathological conditions was performed. The high sensitivity and expressiveness of the method, the possibility of quantitative processing of the results of the study, which allows us to recommend it for assessing the degree of mineralization/demineralization of the tooth, the effectiveness of remineralizing drugs and methods of their use in the clinic of therapeutic dentistry.
Full Text
В настоящее время методы лазерной раман-флюоресцентной спектроскопии, их технологическая и аппаратная реализация играют все большую роль медицине [1-4]. В стоматологии проводят как экспериментальные исследования, так и клиническое изучение возможностей использования средств квантовой электроники как источников лазерного излучения для диагностики, профилактики и лечения заболеваний твердых тканей зубов [5, 6]. При этом на первый план выходят задачи идентификации и характеризации органических и неорганических молекул, включая мониторинг их структурных изменений, измерение концентраций веществ, входящих в состав пробы. Рамановская спектроскопия, которая позволяет однозначно распознавать молекулы вещества по спектрам неупругого рассеяния света благодаря возбуждению большого количества разных специфических колебательных и вращательных мод, как нельзя лучше подходит для этих целей. При этом считается, что спектроскопия комбинационного рассеяния - один из наиболее точных методов анализа органических веществ [4-6]. В другом приложении, непосредственно в клинических условиях «по месту» в реальном масштабе времени (секунды, минуты), флюоресцентное и рамановское излучение используется для диагностики состояния тканей и органов (метаболических, морфометрических и функциональных) биологических объектов в норме и при патологии [1, 2, 7]. Цель нашего исследования - изучить раман-флюоресцентные характеристики твердых тканей зуба и определить их клиническое значение, а также оценить степень минерализации/деминерализации твердых тканей зубов и твердых зубных отложений на основе их спектральных раман-флюоресцентных характеристик. Материал и методы В настоящем доклиническом исследовании in vitro на модельных тест-объектах зубов, удаленных по клиническим показаниям (резцы, премоляры, моляры) проводили раман-флюоресцентную спектроскопию, используя лазерный аппаратно-программный комплекс «ИнСпектр М» с длиной волны зондирующего излучения 514 нм. АПК «ИнСпектр М» предназначен для измерения спектров рамановского рассеяния и/или спектров фотолюминесценции жидкостей, твердых тел, порошков и гелей. Прибор состоит из лазерного источника излучения, системы сбора, фильтрации и анализа рассеянного излучения, оснащен малошумящим многоканальным детектором - анализатором (ПЗС-линейкой) для измерения амплитудных и спектральных характеристик рассеянного излучения. Спектральный диапазон комплекса покрывает область молекулярных колебаний органических и неорганических веществ, что позволяет в течение нескольких секунд производить измерение рамановского и/или флуоресцентного спектра исследуемого объекта, определять спектральное положение и относительные интенсивности рамановских и флуоресцентных спектральных линий (рис. 1). Виды и установка образца Насадка (см. рис. 1) предназначена для измерений жидкостей и порошков в закрытых ампулах через стеклянную стенку. При использовании данной насадки измерения проводят контактно стабильно. Без насадки спектрометр используется для измерений твердых образцов небольших размеров (таблеток, кристаллов, зубов или их шлифов). При этом измерения также выполняют контактно, стабильно в фокусе встроенной линзы. Программное обеспечение данного прибора позволяет проводить качественный и количественный анализ получаемых спектров и идентифицировать вещества, сравнивая получаемый спектр с эталонными (методика предложена проф. Александровым М.Т. и канд. физ.-мат. наук Кукушкиным В.И.) (рис. 2). Представленные результаты свидетельствуют о том, что рамановские спектры зубов (эмаль зуба) адекватны показателям эталонного образца гидроксиапатита - линия ГАП. Данный результат определил выбор методики для решения поставленной цели исследования. С помощью АПК «ИнСпектр М» тест-объекты (эмаль, дентин, цемент исследуемых зубов) подвергали воздействию лазерного излучения видимого диапазона. Одновременно производили сбор и обработку полученной информации. Измерения выполняли в контактно-стабильном положении объекта (зуба) к источнику излучения. Всего в доклиническом исследовании использовали 30 тест-объектов зубов, по 10 из каждой функциональной группы (резцы - 10, премоляры - 10, моляры - 10), удаленных по клиническим показаниям. Предварительные измерения осуществляли как на высушенных, так и на влажных зубах и пришли к выводу, что необходимо использовать влажные зубы, поскольку показатели были на 30-50 % выше и хорошо воспроизводимы. Для количественной оценки интенсивности рамановского излучения (в относительных единицах) измеряли показатели в максимуме и минимуме его мощности и показатели интенсивности флюоресценции (М ср.). Полученную разницу (отн. ед.) принимали за интенсивность Рамана для эмали, дентина и цемента исследуемых зубов (М ср.). В отдельном исследовании на 10 резцах изучали рамановские характеристики эмали резца до и после аппликации гидроксиапатита (линия ГАП) в течение 48 ч. Регистрация и программная обработка результатов исследования занимала 2 мин. Результаты (М ср.) исследования представлены в виде рисунков (рис. 3-6 см. на вклейке) и таблиц. Результаты и обсуждение Результаты исследования представлены в соответствии с очередностью их выполнения. Данные, представленные в табл. 1, убедительно показывают преимущество исследования тест-объекта во влажном состоянии. В частности, показатели ГАП во влажном (до насыщения) состоянии составили 1520 отн. ед, в то время как до этого (сухой порошок ГАП)-702 отн. ед. Это подтверждает правильность выбора методики исследования - все зубы в представленной работе выдерживали в деионизированной воде 30 мин (отработано в предварительном эксперименте). Полученные результаты раман-флюоресцентной диагностики твердых тканей зубов различных функциональных групп (резцы, премоляры, моляры) в норме и при кариесе представлены в табл. 1-5. Из полученных результатов следует, что содержание ГАП в эмали, как более минерализованной структуры, значительно выше, чем в дентине, цементе и в кариозном очаге эмали резца и составляет соответственно 3058-994-695-870 отн. ед. Показатели интенсивности флюоресценции выше в дентине, цементе и кариозном очаге эмали резца и располагались по убывающей следующим образом: кариес-дентин-эмаль, что составляет соответственно 22949-14282-8079 согласно классической общепринятой трактовке. Преимущество преложенной медицинской технологии в количественном представлении результатов (объективность), их экспрессности, возможности документирования и хранения информации, ее метрологической обоснованности. Для премоляров получены аналогичные результаты по ГАП: интенсивность рамановского пика была выше в эмали и снижалась в дентине, цементе и при кариесе эмали, что составило 1043-670-306 и 905 отн. ед. соответственно. Флюоресценция органических компонент зуба была выше у дентина (хотя различия с кариесом были незначительны) и снижалась по убывающей в ряду кариес-эмаль-дентин, что составило соответственно 15964-14001-11647-10305 отн. ед. Показана достоверно высокая разница в интенсивности рамановского пика для эмали и меньшая его величина соответственно у дентина, цемента и при кариесе, что составило 1157-479-127-97. Показатели интенсивности флюоресценции при этом требуют дополнительного исследования вследствие недостаточного объема выборки. Наиболее интересные результаты применения рамановской технологии получены при оценке эффекта реминерализации твердых тканей зуба (эмаль). Показано, что после аппликации реминерализирующего раствора содержание ГАП в эмали зуба увеличилось практически в 2 раза (до - 849 отн. ед., после - 1679 отн. ед.). Этот факт имеет важное клиническое значение как в научном, так и, главное, в прикладном приложении. Резюмируя, следует отметить, что развитием технологий лазерной флюоресценции является раман-флуоресцентная диагностика [7-17]. Преимуществами представленной технологии, перспективной для многих отраслей медицины, в частности стоматологии, являются: объективность, экспрессность, работа онлайн, в режиме обратной связи. Не менее важной составляющей является компактность и портативность используемой аппаратуры, высокая разрешающая способность порядка 1Å, чувствительность и воспроизводимость методов измерения, малая погрешность, допустимость использования микрообъемов исследуемого материала, отсутствие искажений снимаемого сигнала и влияния фоновой засветки на результаты измерений, возможность нормирования сигнала в режиме реального времени. Как показали наши исследования, раман-флюоресцентная спектроскопия позволяет однозначно распознавать органические молекулы по спектрам неупругого рассеяния света благодаря возбуждению большого количества разных специфических колебательных и вращательных мод, что как нельзя лучше подходит для цели нашего исследования и является одним из наиболее точных методов анализа органических и неорганических веществ [4, 5, 6]. И как свидетельствуют данные литературы и полученные нами результаты, рамановское излучение может быть использовано для объективной диагностики (степень минерализации/деминерализации) состояния твердых тканей зуба в норме и при патологии [2]. Таким образом, следует признать, что представленная цифровая объективная медицинская технология может найти широкое клиническое применение при диагностике степени минерализации твердых тканей зубов, персонифицированной оценке эффективности реминерализирующей терапии и, следовательно, способствовать повышению эффективности профилактического пособия на стоматологическом приеме. На основании полученных результатов сделаны следующие выводы. 1. Рамановские медицинские технологии являются экспрессными и высокочувствительными и позволяют в реальном масштабе времени объективно оценивать уровень минерализации твердых тканей различных функциональных групп зубов в норме и при патологии. 2. Перспективным направлением применения разработанной медицинской технологии является обоснованная в эксперименте возможность ее применения для оценки степени минерализации (деминерализации) и эффективности реминерализующей терапии твердых тканей зубов и препаратов для ее реализации. 3. Сочетанное одномоментное применение рамановского и флюоресцентного излучений для оценки как органической, так и неорганической составляющей твердых тканей зуба и его отложений могут служить основой для разработки методов гигиенической обработки твердых тканей, оценки их эффективности, а также разработки новых объективных методов оценки гигиенического состояния полости рта.×
About the authors
Mikhail Timofeevich Aleksandrov
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)
Email: alex_mta@mail.ru
Dr.med. Sci.,Professor 119991, Moscow, Russia
V. I Kukushkin
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)119991, Moscow, Russia
M. A Polyakova
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)119991, Moscow, Russia
N. E Novozhilova
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University); Department of prosthetic dentistry Federal state budgetary educational institution of higher education «South Ural state medical University» of the Ministry of health of the Russian Federation119991, Moscow, Russia; 454092, Chelyabinsk, Russia
K. S Babina
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University); Department of prosthetic dentistry Federal state budgetary educational institution of higher education «South Ural state medical University» of the Ministry of health of the Russian Federation119991, Moscow, Russia; 454092, Chelyabinsk, Russia
M. G Arakelyan
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)119991, Moscow, Russia
G. E Bagramova
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University); Department of prosthetic dentistry Federal state budgetary educational institution of higher education «South Ural state medical University» of the Ministry of health of the Russian Federation119991, Moscow, Russia; 454092, Chelyabinsk, Russia
E. P Pashkov
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University)119991, Moscow, Russia
E. F Dmitrieva
Department of therapeutic dentistry Federal state Autonomous educational institution of higher education «I.M. Sechenov First Moscow state medical University» Ministry of health of the Russian Federation (Sechenov University); Department of prosthetic dentistry Federal state budgetary educational institution of higher education «South Ural state medical University» of the Ministry of health of the Russian Federation119991, Moscow, Russia; 454092, Chelyabinsk, Russia
References
- Александров М.Т., Афанасьев Р.А., Гапоненко О.Г., Козьма С.Ю., Кузьмин Г.П., Лизунова И.А. и др. Лазерная флюоресцентная диагностика в медицине и биологии (теория и возможности применения). НПЦ Спектролюкс; 2007.
- Александров М.Т. Лазерная клиническая биофотометрия (теория, эксперимент, практика). М.: Техносфера; 2008.
- Huser T. Nanosensors using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Center for Biophotonics Science and Technology, EAD289, 2007.
- Kneipp K., Kneipp H., Itzkan I., Dasari R., Feld M. Surface enhanced Raman scattering and biophysics. J. Phys: Condensed Matter. 2002; 14: R597-R624.
- Sheng R., Nii F., Cotton T. Anal. Chem. 1991; 63: 437.
- Thornton J., Force R. Appl. Spectrosc. 1991; 45: 1522.
- Александров М.Т., Маргарян Э.Г. Применение лазерных технологий в клинике терапевтической стоматологии (обоснование, возможности, перспективы). Российская стоматология. 2017; 3: 31 - 6.
- Александров М.Т., Кукушкин В.И., Маргарян Э.Г. Раман-флюоресцентная диагностика состояния тканей человека в норме и при патологии и ее аппаратно-программное решение. Российский стоматологический журнал. 2018; 1: 4 - 11.
- Александров М.Т., Пашков Е.П., Баграмова Г.Э., Кукушкин В.И., Маргарян Э.Г. Возможности и перспективы применения раман-флюоресцентной диагностики в стоматологии. Российский стоматологический журнал. 2018; 22(1): 4-11.
- Кукушкин И.В. Композитные фермионы и дробный квантовый эффект Холла. Тезисы школы по физике XVIII уральской международной зимней полупроводников. 15 - 20 февраля 2010 г. Екатеринбург - Новоуральск, материалы конференции. 2010; 19.
- Кукушкин И.В. Методы рамановской спектроскопии для исследования дисперсии коллективных возбуждений, тезисы конференции «Наноструктуры», 20 - 25 июня 2010, Санкт Петербург, Россияматериалы конференции; 2010.
- Кукушкин И.В. Свойства коллективных возбуждений, измеренные методом неупругого рассеяния света», 11-я Российская конференция по физике полупроводников, Санкт-Петербург, 16-20 сентября 2013 г., материалы конференции, 2013; 128.
- Kukushkin I.V. Raman spectroscopy of collective excitations, International Conference on Application of High Magnetic Field in Semiconductor Physics, HMFSP-18, 31 July - 5 August 2010, Fukuoka, Japan, Proceedings. 2010; 49.
- Kukushkin I.V. Rotons in the dispersion of collective excitations studied by Raman technique, International Conference “The Quantum Hall Effect”, 2-4 May 2010, Minneapolis, USA, Proceedings. 2010; 39.
- Kulik L.V., Zhuravlev A.S. “Resonant Raman scattering as a probe of electron spin polarization”,20th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor PhysicsJuly 22-27 2012, Chamonix, France, Proceedings. 2012; 131.
- Александров М.Т., Пауков В.С., Попов С.Н., Прохорова А.А., Кукушкин В.И. «Диагностика опухолей брюшной полости и органов малого таза методом лазерной спектроскопии» International scientific conference Scientific Review, Czech Republic, Karlovy Vary-Russia, Moscow, 29-30 May 2015, Proceedingsp. 2015; 475-84.
- Полетаева Д.А., Рыбкин А.Ю., Горячев Н.С., Белик А.Ю., Котельникова Р.А., Корнев А.Б. и др. Детектирование водорастворимых производных фуллеренов в биологических системах методом спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния» Сборник трудов VI Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-6), г. Троицк, 2-6 июня 2014 г., Москва; 2014: 345-7.
Supplementary files
