Changes in the spectral properties of enamel in the diagnostics of periodontitis

Cover Page

Cite item

Abstract

  • The paper considers the possibility of early noninvasive diagnosis of periodontal diseases by using the method of Raman spectroscopy. The results of spectral studies of tooth enamel with periodontitis by means of this method are shown. It is proposed to use the obtained data for early non-invasive diagnostics of periodontitis.

Full Text

Обоснование

Высокая распространенность заболеваний пародонта, достигающая, по данным некоторых авторов, 98 % среди взрослого населения, подразумевает актуальность всех исследований, направленных на разработку методов диагностики и лечения пародонтита.

На сегодняшний момент в большинстве случаев заболевание выявляют лишь на стадии активных клинических проявлений. Часто диагностика осложняется тем, что к пародонтиту приводит множество факторов. Нередко он является следствием других заболеваний [2, 3]. Как и при проблемах любой нозологии, ранняя диагностика пародонтита, вероятно, позволила бы купировать активный процесс и значительно улучшить прогноз заболевания.

С развитием современной медицины в стоматологической практике все чаще используются оптические методы [1, 5]. Спектроскопия считается сегодня наиболее перспективным методом в современной неинвазивной оптической диагностике. Метод применяется в качестве инструмента для мониторинга динамики процессов, происходящих в тканях, дает уникальные возможности изучения возбужденных состояний молекул, фотохимических реакций, структуры и свойств химических и биологических объектов.

Цель исследования — изучение спектральных свойств эмали зубов для разработки неинвазивного метода ранней диагностики пародонтита.

Материалы и методы

В качестве объектов исследований были использованы 34 зуба (моляры и премоляры) пациентов с диагнозом «пародонтит». Возрастная группа пациентов обоего пола составляла 35–70 лет. Все исследуемые категории зубов были поделены на две основные группы: 1-я группа — контрольная (зубы, удаленные по ортодонтическим показаниям — без патологии), 2-я группа — зубы, удаленные по поводу заболеваний пародонта. Пациентам обеих групп предварительно перед удалением зубов за 7–10 сут проводили профессиональную гигиену полости рта. Из исследования исключались пациенты с эндокринной патологией и курильщики.

Диагноз «пародонтит» ставили клинически и при анализе компьютерной конусно-лучевой томографии (КТ). Для основной группы исследования отбирали зубы, удаленные по поводу хронического пародонтита тяжелой степени, с глубиной пародонтальных карманов от 6 мм и более и патологической подвижностью III–IV степени. Все исследования проводили в соответствии с протоколом этического комитета (выписка из протокола № 4 заседания комитета по биоэтике Самарского государственного медицинского университета от 20.05.2020).

В качестве основного метода исследований был использован метод спектроскопии комбинационного рассеяния. Он отличается от других аналитических методов следующими преимуществами: высокое пространственное разрешение (до 1 мкм), простота пробоподготовки, сниженные требования к образцу и высокая информативность. Спектроскопия комбинационного рассеяния (КР) является неразрушающим и неинвазивным методом анализа.

Данный метод был реализован с помощью экспериментального стенда, подробно описанного в работе [4]. Обработка спектров комбинационного рассеяния производилась в программной среде WolframMathematica 12.2 и заключалась в удалении высокочастотных шумов и вычитании фоновой флюоресценции методом многоитерационной аппроксимации полинома 6-й степени.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 приведены характерные усредненные нормированные спектры комбинационного рассеяния эмали зубов с диагнозом пародонтита (красная линия) и эмали здоровых зубов (зеленая линия).

 

Рис. 1. Усредненные спектры комбинационного рассеяния, нормированные на среднее значение интенсивности, исследуемых образцов: красный — эмаль зубов с диагнозом пародонтита, зеленый — здоровая эмаль

Fig. 1. Average Raman spectra, normalized to the average value of the intensity of the studied samples: red — enamel of teeth with periodontitis, green — healthy enamel

 

Анализ спектров здоровых тканей зубов и тканей зубов при пародонтите показывает, что основные спектральные различия тканей зубов при пародонтите проявляются в изменении амплитуды интенсивности линий органической составляющей 852, 873 см–1 [C-C stretching, prolineandhydroxyproline (collagenassignment)], 1664 (Amide I), 1242 (Amide III) и 1446 см–1 (Lipidsandproteins), а также в изменении амплитуды интенсивности линии минеральной составляющей зуба 956 см–1 [Р-О симметричное валентное РО43– (ν1)], 1067 [С-О плоскостное валентное СO32– (ν1) замещение B-типа] и 1091 см–1 [С-О плоскостное валентное СO32– (ν1) замещение А-типа].

Для повышения информативности полученных спектров КР был произведен нелинейный регрессионный анализ спектров, состоящий в их разложении на спектральные линии. На рис. 2 представлен результат разложения спектрального контура на сумму распределений линий Гаусса.

 

Рис. 2. Разложение спектрального контура для образцов эмали

Fig. 2. Decomposition of the spectral contour for enamel samples

 

Среднее значение коэффициента детерминации результирующего спектра от исходного в области 780–1780 см–1 составило R2 = 0,998, относительная погрешность определения интенсивности спектральных линий a не превышает 1 %, усредненное стандартное отклонение координаты линии x0 составляет 1,4 см–1, усредненное стандартное отклонение ширины линии (HWHM) Гаусса dx составило 2,3 см–1.

Для относительной количественной оценки компонентного состава эмали использовались отношения интенсивности линий КР к интенсивности линии амида I.

На рис. 3 представлены результаты LDA сравнения здоровой эмали и эмали зубов с пародонтитом. Проанализированы 67 спектров эмали зубов с пародонтитом и 43 спектра КР здоровой эмали зубов. Дискриминантная функция LD-1 описывает дисперсию на 100 %. Положительные значения LD-1 характерны для спектров КР, полученных для образцов здоровой эмали (среднее значение LD-1 группы равно 1,95, стандартное отклонение равно 0,912), и наоборот, отрицательные — группы образцов эмали с патологией (среднее значение LD-1 группы равно –1,25, СКО равно 1,052). Области групп имеют незначительное пересечение в интервале LD-1 = {–0,25; 2,25}.

 

Рис. 3. График значений линейной дискриминантной функции для образцов эмали: красная линия — эмаль зубов при пародонтите; зеленая линия — эмаль здоровых зубов

Fig. 3. Graph of the linear discriminant function values for the enamel samples: red line — tooth enamel with periodontitis; green line — healthy teeth enamel

 

Увеличение относительной интенсивности линий гидроксиапатита 956 [Р-О симметричное валентное РО43– (ν1)], ~1044 [РО43– (ν3) (Р-О асимметричное валентное)], 1067 [С-О плоскостное валентное СO32– (ν1) замещение B-типа] и 1091 см–1 [С-О плоскостное валентное СO32– (ν1) замещение А-типа] может быть связано с нарушением водно-минерального обмена в тканях зубов при пародонтите, что приводит к более интенсивному замещению гидроксид-иона OH– в структуре апатита ионами СO32–.

Также наблюдается снижение в эмали зубов при пародонтите, по сравнению со здоровыми, относительной интенсивности линий: ~1742 (фосфолипиды), ~1556 (амидII Parallel/Antiparallel β-sheetstructure), 1200–1300 (амид III), ~1418 и ~1446 см–1 (CH2scissoring& CH3bending колебания липидов и белков). Данный эффект может быть вызван дегидратацией пептидных групп амидов, которые чувствительны к структурным изменениям в молекулах коллагена.

Выводы

Проведенный детальный анализ линий с помощью деконволюции функции Гаусса и хемометрический анализ позволили идентифицировать основные спектральные изменения в эмали зубов, которые проявляются при пародонтите. Выявлены структурные изменения эмали зубов при пародонтите, которые проявляются в нарушении водно-минерального обмена в тканях зубов (интенсивное замещение гидроксид-иона OH– в структуре апатита ионами СO32–) и нарушении синтеза коллагена.

Диагностирование спектральных изменений в эмали зубов позволит идентифицировать пациентов с группой риска по заболеваниям пародонта. Чувствительность и специфичность разработанного алгоритма составили 95,5 и 95,3 % соответственно.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

×

About the authors

Irina V. Bazhutova

Samara State Medical University

Author for correspondence.
Email: docba@mail.ru

Candidate of Medical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Samara

Оleg О. Frolov

Samara National Research University named after S.P. Korolev

Email: frolovaleh@gmail.com

Postgraduate student, Department of Physics

Russian Federation, Samara

Еlena V. Timchenko

Samara National Research University named after S.P. Korolev

Email: laser-optics.timchenko@mail.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Laser and Biotechnical Systems

Russian Federation, Samara

Pavel E. Timchenko

Samara National Research University named after S.P. Korolev

Email: Timpavel@mail.ru

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of Laser and Biotechnical Systems

Russian Federation, Samara

References

  1. Gonchukov S, Sukhinina A, Bakhmutov D, Minaeva S. Raman spectroscopy of saliva as a perspective method forperiodontitis diagnostics. Laser Phys Lett. 2012;9(1):73–77. doi: 10.1002/lapl.201110095
  2. Lindskog S, Blomlof L. Cementum hypoplasia in teeth affected by juvenile periodontitis. J Clin Periodontol. 1983;(10):443–451.
  3. Paknejad M, Khorsand A, Yaghobee S, et al. Cementogenesis in patients with localized aggressive periodontitis. J Dent (Tehran). 2015;12(5):347–351.
  4. Timchenko PE, Timchenko EV, Volova LT, et al. Chemometric analysis during the fabrication of biological implants from cerebral dura mater. J Opt Technol. 2019;86(1):9–15. doi: 10.1364/JOT.86.000009
  5. Zahraa MN, Elhadi MA, Nada TH. Microscopic differences in cementum structure and mineral composition of teeth extracted from patients with gingivitis, chronic periodontitis and aggressive periodontitis. A preliminary comparative study. Int J Dental Sci Res. 2016;4(5):90–94. doi: 10.12691/ijdsr-4-5-3

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. Fig. 1. Average Raman spectra, normalized to the average value of the intensity of the studied samples: red — enamel of teeth with periodontitis, green — healthy enamel

Download (194KB)
2. Fig. 2. Decomposition of the spectral contour for enamel samples

Download (310KB)
3. Fig. 3. Graph of the linear discriminant function values for the enamel samples: red line — tooth enamel with periodontitis; green line — healthy teeth enamel

Download (223KB)

Copyright (c) 2021 Bazhutova I.V., Frolov О.О., Timchenko Е.V., Timchenko P.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies