Die extrazelluläre Mikroumgebung
Die Schmelzbildung folgt dem allgemeinen organischen Matrix-vermittelten Biomineralisierungsprozess, was bedeutet, dass die Proteinkomponenten im extrazellulären Raum die Initiierung, Orientierung und Verpackung der Kristalle steuern. Der Zeitpunkt der Expression und Sekretion der erforderlichen Proteine und Proteinasen wird durch verschiedene Gene und Signalwege gut gesteuert. Dieser Prozess findet in einer geschlossenen Mikroumgebung statt, die aus zirkulierendem Blut isoliert ist und sich im extrazellulären Raum zwischen den säulenförmigen Epithelzellen (den Ameloblasten) und dem darunter liegenden Dentin befindet, das von den Odontoblastenzellen gebildet wird. Die Schmelzentwicklung (Amelogenese) ist das Ergebnis einer Reihe komplexer und programmierter zellulärer Aktivitäten.2 Die an der Zahnschmelzbildung beteiligten zellulären, chemischen und physiologischen Ereignisse sind dynamisch und treten in verschiedenen Stadien auf. Diese reichen von der sekretorischen Phase, in der Zellen die Mehrheit der Proteine und Proteinasen absondern, die für die Mineralisierung benötigt werden, bis zur Reifungsphase, in der ein massiver Proteinabbau das gleichzeitige Wachstum von Kristallen ermöglicht, um den Raum zu füllen, den die Proteine hinterlassen. Diese beiden Stufen sind durch die Übergangsstufe getrennt, wenn die Proteinsekretion abnimmt und das Kristallwachstum zunimmt. Kritische extrazelluläre Ereignisse umfassen die Proteinselbstassemblierung, die schrittweise Verarbeitung von Proteinen durch spezifische Enzyme, den Ionentransport und die Kontrolle des lokalen pH-Werts.3 Diese dynamischen Ereignisse verwandeln die Matrix, die zu 70% aus Wasser und organischem Material (hauptsächlich Protein) mit nur 30 Gew.-% Mineral besteht, in eine hochorganisierte Struktur, die zu mehr als 99% anorganisch ist (hauptsächlich Calciumhydroxylapatitkristalle). Die kleinsten anorganischen Einheiten – Apatitkristalle – wachsen im sekretorischen Stadium in der Länge und im Übergangs- und Reifungsstadium hauptsächlich in Breite und Dicke.
Das Hauptstrukturprotein der organischen Matrix ist Amelogenin, das mehr als 90% des Proteingehalts ausmacht. Das am zweithäufigsten vorkommende Protein ist Ameloblastin, das Zelladhäsionseigenschaften aufweist und höchstwahrscheinlich die Differenzierung von Ameloblastenzellen steuert. Ein anderes Protein, das in viel kleineren Mengen gefunden wird, ist Enamelin, von dem auch angenommen wird, dass es die Apatitkeimbildung und das Wachstum in Verbindung mit Amelogenin kontrolliert. Proteinasen wie Matrix-Metalloproteinase MMP-20 und KLK4 verarbeiten und bauen Amelogenin und andere Schmelzproteine in verschiedenen Stadien der Amelogenese ab.4
Neben Calcium, Fluorid und Phosphat enthält die extrazelluläre Umgebung andere Ionen wie Natrium, Magnesium, Kalium, Chlorid und Bicarbonat. Diese Ionen dringen aus Blutgefäßen auf die Oberfläche von Schmelzorganzellen ein. Durch kontrollierte oder vielleicht erleichterte Bewegung müssen diese Ionen eine Strecke von 50 µm bis 100 µm (zwei oder drei verschiedene Zellschichten) zurücklegen, um vom Blutstrom zur sich entwickelnden Schmelzoberfläche zu gelangen.
Emaille-Apatitkristalle enthalten Natrium, Magnesium, Kalium, Fluorid, Carbonat und Hydrogenphosphat (HPO4) -3 in ihren Strukturen. Eines der wichtigsten Ionen, die in die Schmelzapatitstruktur eingebaut sind, ist Fluorid. Fluorid ersetzt Hydroxylionen in Apatit und stabilisiert das Gitter durch Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten OH-Ionen. Der resultierende Fluorhydroxylapatit ist weniger löslich als Hydroxylapatit, hat eine bessere Kristallinität und ist weniger anfällig für Säurelösung und Kariesprogression. Die Fluoridaufnahme erfolgt meist während des Übergangs- / Reifungsstadiums und setzt sich fort, nachdem die Ameloblasten die Sekretion eingestellt haben. Die Schmelzoberfläche absorbiert auch Fluorid aus der umgebenden Gewebeflüssigkeit vor dem Zahndurchbruch. Ein übermäßiger Fluoridverbrauch während der Schmelzentwicklung führt jedoch zur Bildung von fluoriertem oder fleckigem Schmelz.5 Da in der extrazellulären Matrix-Mikroumgebung des Zahnschmelzes nach der Ausfällung von Zahnschmelzhydroxylapatit ein signifikanter Säuregehalt erzeugt wird, ist die pH-Pufferfunktion im System kritisch, wenn während der Zahnschmelzreifung ein progressives und schnelles Wachstum von Zahnschmelzkristallen auftritt. Bicarbonat ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Schmelzflüssigkeit, der an der Pufferung der extrazellulären Umgebung beteiligt ist.
Während des gesamten Prozesses der Amelogenese, der beim Menschen im dritten Trimester der Schwangerschaft beginnt, durchlaufen Ameloblasten eine Reihe von Differenzierungsstadien, die durch Veränderungen der Zellmorphologie und -funktion gekennzeichnet sind. Sobald der Zahnschmelz vollständig mineralisiert und die organische Matrix abgebaut und entfernt ist — 6 Monate nach der Geburt beim Menschen — hören die Ameloblasten auf zu funktionieren und bilden sich zurück. Sie schrumpfen dramatisch und können in der Mundhöhle zu Karies und / oder Zahnerosion führen.7 Sowohl Karies als auch Erosion sind das Ergebnis des Verlusts von Zahnschmelzmineralien aufgrund einer sauren Umgebung, während seine Bildung spezifisch die Anwesenheit von Bakterien beinhaltet.
Neben der Möglichkeit einer solchen Schädigung kann die Bildung von Zahnschmelz auch in frühen Entwicklungsstadien aufgrund von Mutationen in Ameloblast-Genprodukten defekt sein. Das Ergebnis ist eine Fehlfunktion eines der Proteine oder Proteinasen, die für die Steuerung der Prozesse der Mineralbildung und für die Organisation und Verarbeitung der organischen Matrix verantwortlich sind. Die Mutation in einem der Gene, die für Amelogenin, Enamelin, MMP-20 oder KLK4 kodieren, führt zu einer Reihe von Erbkrankheiten der Zahnschmelzfehlbildung, die als Amelogenesis imperfecta bezeichnet werden.4 Je nach betroffenem Protein und Entwicklungsstadium kann der defekte Zahnschmelz dünn (hypoplastisch) oder normal dick, aber weich (hypomineralisiert) sein.