角蛋白蛋白在早期牙釉质侵蚀生物再矿化中的作用：一项初步研究

《Journal of Dentistry》：Keratin protein mediated bio-remineralisation of early enamel erosion. A pilot study

角蛋白通过体外实验验证可促进早期酶蚀牙釉质再矿化，形成抗酸挑战保护层，其效果与氟化钠相当但未因交联提升性能。

　　本研究旨在探讨角蛋白蛋白在早期牙釉质侵蚀中的再矿化潜力，特别是在其作为支架材料的作用下。牙釉质侵蚀是指由于酸性物质的化学作用而发生的牙釉质溶解，不涉及细菌因素。这种侵蚀不仅导致牙釉质表面软化，还可能引发牙釉质内部结构的变化。在实际口腔环境中，侵蚀往往与机械作用如摩擦和磨损相结合，进一步加剧牙釉质的损失。近年来，随着生活方式和饮食习惯的变化，牙釉质侵蚀的发病率在全球范围内显著上升，尤其在成年人中，有20%至45%的永久牙受到侵蚀影响，这表明该问题对社会健康具有重要影响。

传统上，牙釉质侵蚀的管理主要依赖于饮食干预、胃食管反流病（GORD）的医学治疗以及使用含氟牙膏、凝胶或漆进行氟化物的应用。氟化物在预防和治疗牙釉质侵蚀方面已被广泛认可，其作用机制主要是通过形成具有酸抗性的物理屏障来防止进一步的溶解。然而，这种屏障在长期的酸性暴露下可能会逐渐溶解，因此其保护效果存在一定的局限性。此外，氟化物的应用虽然能够恢复牙釉质中部分流失的矿物质，但无法真正再生牙釉质的结构，从而影响其长期稳定性。

为了解决这一问题，研究人员开始探索生物仿生再矿化技术，以再生牙釉质。这种方法利用含有牙釉质蛋白的系统，如牙釉蛋白（amelogenin），作为支架，使钙（Ca2?）和磷酸盐（PO?3?）离子能够沉积并达到过饱和状态，从而促进牙釉质的再矿化。此外，一些重组蛋白、合成肽、树状聚合物以及富含淀粉样蛋白和弹性蛋白的重组材料也被用于实验室研究，以尝试再生牙釉质。然而，这些方法在临床应用方面仍存在一定的限制，主要由于其在实际使用中的可行性和安全性尚未得到充分验证。

角蛋白作为一种丰富的蛋白质，来源于羊毛、头发和禽类羽毛等工业废弃物，具有成本效益和可再生性。角蛋白在生物医学领域已被广泛用于骨和神经组织的再生、伤口愈合以及药物递送等应用。其在这些领域的有效性主要归因于其良好的生物相容性、生物降解性以及优越的物理化学和生物学特性。这些特性来源于角蛋白分子之间形成的二硫键，这些键不仅赋予角蛋白化学稳定性，还使其具有抵抗酶解和热应力的能力。此外，角蛋白还能够通过氢键、离子键和疏水相互作用等非共价键与其他分子相互作用，从而形成稳定的结构。

研究表明，牙釉质中的有机成分约占其总质量的1%，其中角蛋白可能是一个重要的组成部分。Duverger及其同事首次报告了在成熟牙釉质中存在表皮毛角蛋白，并指出这些角蛋白能够增强牙釉质棱柱鞘的强度和灵活性，从而支持牙釉质棱柱的结构。他们还发现，编码角蛋白的基因（如KRT6A、KRT6B和KRT6C）的突变可能导致临床中出现外胚层衍生结构的缺陷，并增加牙釉质龋齿的易感性。基于这些发现，他们提出使用提取的毛发角蛋白来生物仿生地再生牙釉质，并认为这种再生牙釉质可能具有与天然牙釉质相似的生物力学特性。然而，截至目前，尚未有研究明确使用角蛋白蛋白来修复已经侵蚀的牙釉质。

本研究的目标是探索角蛋白蛋白是否可以作为支架，促进钙和磷酸盐离子在侵蚀牙釉质上的沉积，从而再生失去的牙釉质层。研究假设是，角蛋白的应用不会显著改变侵蚀牙釉质的台阶高度和表面微硬度，也不会在表面和成分分析方面产生显著差异，与钠氟化物（NaF）相比。为了验证这一假设，本研究设计了一项体外实验，比较了角蛋白和钠氟化物在侵蚀牙釉质样本面对酸性再挑战时的保护效果。

实验中，使用了44个经过抛光的人类牙釉质样本，首先将其在0.3%柠檬酸（pH 2.7）中侵蚀20分钟，以模拟牙釉质在酸性环境下的损伤。随后，测量了基线台阶高度（SH）和Knoop微硬度（KHN）。样本被随机分为四组：对照组（C，人工唾液）、钠氟化物组（NaF，1450 ppm）、角蛋白组（K，10%角蛋白）和角蛋白-TEGDMA交联组（KT，10%角蛋白与7.48 μL TEGDMA交联）。每组样本在牙釉质表面分别施加一次相应的处理，而对照组则未接受任何处理。之后，样本在37°C的未搅拌人工唾液中进行7天的再矿化培养。在培养结束后，再次测量台阶高度和微硬度，并对样本进行酸性再挑战，以评估其抗酸能力。此外，随机选择的样本通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）进行进一步的表面和成分分析。

研究结果显示，所有组在侵蚀后的基线台阶高度和微硬度分别为-5.66 μm（SD 0.16）和249.08 kgf/mm（3.95）。在第一次侵蚀和再矿化循环后，各组在台阶高度和微硬度方面均无显著差异（p > 0.05）。然而，在酸性再挑战后，对照组（C）与钠氟化物组（NaF）在台阶高度上表现出显著差异（p < 0.05），而微硬度方面，对照组与钠氟化物组以及角蛋白组（K）和角蛋白-TEGDMA交联组（KT）之间也存在显著差异（p < 0.05）。进一步的表面分析表明，角蛋白、角蛋白-TEGDMA交联物和钠氟化物在酸性再挑战后均保留了一层沉淀物，这表明它们在一定程度上能够促进牙釉质的再矿化。

研究结论指出，角蛋白在人类牙釉质上的沉积导致了比对照组更小的台阶高度和微硬度变化，但在再矿化效果上与钠氟化物相当。此外，角蛋白与TEGDMA交联并未带来额外的益处。这一结果表明，角蛋白作为一种潜在的生物材料，可能在牙釉质再矿化中发挥重要作用，尤其是在其作为支架促进矿物质沉积方面。然而，交联处理并未显著增强其性能，这可能与交联剂的特性或处理方式有关。

从临床角度来看，这些结果表明角蛋白可以作为促进牙釉质再矿化的材料，形成一层具有抗酸能力的保护层。这种保护层不仅能够防止进一步的溶解，还能够支持表面的再矿化过程。然而，为了进一步验证角蛋白在实际临床环境中的应用效果，还需要更多的研究。这些研究应关注角蛋白在不同酸性环境下的稳定性、长期保护效果以及其在人体内的生物相容性。此外，还需要探索不同交联剂对角蛋白性能的影响，以及如何优化角蛋白的处理方式以提高其再矿化效率。

本研究的实验设计采用了体外方法，以确保能够准确评估角蛋白和钠氟化物在再矿化过程中的作用。通过使用G*Power软件进行功效分析，研究团队确定了所需的样本数量，以确保实验结果的统计学显著性。这一方法确保了实验数据的可靠性和有效性，同时也为未来的研究提供了参考依据。研究过程中，所有样本均在相同的条件下进行处理和测量，以减少实验误差并提高数据的一致性。

在实验设计方面，研究团队特别关注了再矿化过程中的关键参数，如台阶高度和微硬度。这些参数能够有效反映牙釉质的结构变化和矿物沉积情况。通过比较这些参数在不同处理组中的变化，研究团队能够评估角蛋白和钠氟化物在再矿化过程中的相对效果。此外，实验中还采用了扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）等先进的表面分析技术，以提供更详细的微观结构和成分信息。这些技术的应用不仅有助于验证再矿化效果，还能够揭示角蛋白与牙釉质之间的相互作用机制。

在讨论部分，研究团队强调了角蛋白在牙釉质再矿化中的潜在价值。他们指出，尽管角蛋白形成的矿物层在厚度上有所减少，但其仍然能够提供有效的保护，防止进一步的酸性侵蚀。这一发现表明，角蛋白可能是一种具有前景的生物材料，能够用于牙釉质再矿化治疗。然而，研究团队也指出，需要进一步的临床研究来验证角蛋白在实际应用中的效果，特别是在人体内的长期稳定性和安全性方面。

研究团队的作者贡献部分表明，Prema Sukumaran在实验设计、数据采集、分析和解释方面做出了重要贡献，并负责撰写和修改论文。Sherif Elsharkawy和David Bartlett则在研究概念的提出、实验设计和论文修改方面提供了指导和支持。所有作者均对研究结果进行了审核，并同意对研究的各个方面承担责任。这一明确的作者贡献说明有助于确保研究的透明性和科学性。

综上所述，本研究通过体外实验评估了角蛋白在牙釉质再矿化中的作用，发现角蛋白能够有效促进牙釉质的再矿化，并形成具有抗酸能力的保护层。尽管交联处理并未显著增强其性能，但角蛋白作为一种生物材料，仍展现出良好的应用前景。未来的研究应进一步探索角蛋白在临床环境中的实际效果，以及如何优化其处理方式以提高再矿化效率。此外，还需要关注角蛋白与其他生物材料的协同作用，以开发更有效的牙釉质再矿化治疗方法。