Dlaczego zęby tak bardzo bolą? W końcu mamy odpowiedź

Najnowsze badania prowadzone przez uczonych z Uniwersytetu Chicago ujawniają, że dentyna - warstwa wewnętrzna zębów odpowiedzialna za transmitowanie informacji sensorycznych do nerwów w miazgę - pierwotnie ewoluowała jako tkanka sensoryczna w opancerzonych egzoszkieletach starożytnych ryb sprzed 465 mln lat. Te opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Nature odkrycia rzucają zupełnie nowe światło na to, dlaczego nasze zęby reagują tak intensywnie na bodźce zewnętrzne i pokazują, że to, co obecnie postrzegamy jako uciążliwość, było kiedyś kluczowym systemem ostrzegawczym dla naszych prehistorycznych przodków.

Paleontolodzy od dawna podejrzewali, że nasze zęby wywodzą się z guzkowatych struktur zwanych odontodami, które znajdowały się na egzoszkieletach prehistorycznych ryb. Jednak dokładne przeznaczenie tych struktur pozostawało zagadką - do teraz. Zespół badaczy pod kierownictwem Yary Haridy z Departamentu Biologii Organizmów i Anatomii Uniwersytetu Chicago wykorzystał nowoczesną tomografię synchrotronową do skanowania różnorodnych skamieniałych i współczesnych egzoszkieletów kręgowców oraz bezkręgowców.

Czytaj też:

Ta zaawansowana technologia obrazowania - podobna w swojej precyzji do najnowszych sklanerów medycznych, ale operująca na poziomie mikrometrów - pozwoliła naukowcom zajrzeć w głąb struktur liczących setki milionów lat. Badania początkowo miały zupełnie inny cel - zespół próbował zidentyfikować najwcześniejszego znanego kręgowca w zapisie kopalnym, szukając próbek z okresów kambryjskiego i ordowickiego. Jednym z kluczowych sygnałów obecności gatunku kręgowego jest obecność wewnętrznych kanalików dla dentyny - tkanki wapnistej znajdującej się tuż pod emalią w ludzkich zębach, ale występującej w zewnętrznych guzach w pancerzu starożytnych ryb.

Kiedy naukowcy użyli skanerów wysokiej rozdzielczości do badania bezżuchwowego pierwszego gatunku ryb Anatolepis heintzi, odkryli struktury przypominające pory wypełnione dentyną. Aby to potwierdzić porównali A. heintzi z kolekcją starożytnych skamieniałości i współczesnego życia morskiego. Jednak po dokładniejszym zbadaniu okazało się, że rzekome pory wyłożone dentyną były w rzeczywistości bardziej podobne do narządów sensorycznych na skorupach krabów. A. heintzi był zatem starożytnym bezkręgowcem stawonogiem - nie kręgową rybą.

Wyjaśnienie zamieszania wokół kategoryzacji A. heintzi doprowadziło do ważnego nowego wniosku - starożytne kręgowce jak ryby i starożytne stawonogi wytwarzały tę samą zmineralizowaną tkankę, aby pomóc im wyczuwać środowisko. Analiza immunofluorescencyjna pokazuje, że zewnętrzne odontody współczesnych chrzastkowców i kostnic zachowują rozległe unerwienie sugerujące funkcję sensoryczną podobną do zębów.

Dr Neil Shubin, główny autor badania i wybitny profesor biologii organizmów i anatomii na UChicago, wyjaśnia: Kiedy myślisz o wczesnym zwierzęciu w ten sposób, pływającym z pancerzem na sobie, musi ono wyczuwać świat. To było dość groźne środowisko drapieżne i możliwość wyczuwania właściwości wody wokół nich byłaby bardzo ważna. Badania potwierdziły, że struktury u wczesnej ryby kręgowej z okresu ordowickiego około 465 mln lat temu zawierały dentynę i prawdopodobnie pomagały stworzeniu wykrywać warunki w wodzie wokół niej.

Skanowanie synchrotronowe ujawnia głębokie ultrastrukturalne podobieństwa między odontodami kręgowców a strukturami sensorycznymi, które rozciągają się również na tkanki kręgowców. Zewnętrzne odontody ordowickiego kręgowca Eriptychius charakteryzują się dużymi kanallikami dentyny, które są morfologicznie zbieżne z bezkręgowcowymi sensillami.

Współczesne badania neurobiologii ujawniają fascynujące szczegóły na temat mechanizmów, dzięki którym nasze zęby przekształcają zewnętrzne bodźce w odczucia bólowe. Kluczową rolę odgrywają tutaj dwie główne rodziny kanałów jonowych: termosensytywne kanały TRP (transient receptor potential) oraz mechanosensytywne kanały Piezo1 i Piezo2.

Kanały thermo-TRP, obecne w dentynowych włóknach nerwowych pierwotnych i odontoblastach, są odpowiedzialne za wykrywanie bodźców cieplnych i zimnych. Badania wykazują, że aktywacja kanałów thermo-TRP wyrażonych przez dentynowe neurony aferentne przyczynia się do bólu zęba wywołanego bodźcami temperaturowymi. Kapsaicyna (agonista TRPV1), mentol (agonista TRPM8) i icylina (agonista TRPM8 i TRPA1) zwiększają wewnątrzkomórkowe stężenie wapnia i wywołują prądy kationowe w podgrupach neuronów, podobnie jak odpowiednie zmiany temperatury.

Z kolei mechanosensytywne kanały Piezo1 i Piezo2 odgrywają kluczową rolę w transdukcji mechanicznej. Piezo1 w odontoblastach zapobiega nadmiernemu powstawaniu dentyny w komorze miazgi w odpowiedzi na bodźce mechaniczne na zębach, takie jak żucie. Piezo2 występuje głównie w średnich do dużych pierwotnych neuronach aferentnych dentynowych, gdzie pośredniczy w nocyceptywnej transmisji peptydergicznej po aktywacji.

Ciekawe jest, że systemy sensoryczne nie są ograniczone tylko do zębów i struktur podobnych do zębów. Badania nad wydrami morskimi ujawniają, że te zwierzęta mają dichromatyzm kolorów, ostrość widzenia pod wodą podobną do innych ssaków morskich oraz ostrość powietrzną wielu ssaków lądowych. Chociaż wydry morskie wykrywają dźwięki pod wodą, słuch jest przede wszystkim przystosowany do powietrza i nie wydają dźwięków pod wodą.

Ich przednie łapy mają dobrą dyskryminację dotykową powierzchni do identyfikacji ofiar przez dotyk, ale rola ich wibrysów w poszukiwaniu pożywienia jest niepewna. Wydry morskie rozróżniają zapachy i mają gruczoł Jacobsona, który może wykrywać feromony przekazujące sygnały społeczne lub seksualne (hormonalne), które wpływają na zachowanie i fizjologię rozrodczą.

Kluczem do tych przełomowych odkryć była zastosowana technologia. Tomografia synchrotronowa wykorzystuje promienie X generowane przez akceleratory cząstek o wielkości stadionu piłkarskiego, aby utworzyć obrazy o rozdzielczości mikrometrowej struktur wewnętrznych próbek. Ta metoda pozwala badaczom zajrzeć w głąb skamieniałości bez ich niszczenia - ujawniając szczegóły, które byłyby niemożliwe do zobaczenia przy użyciu tradycyjnych technik.

Podobnie jak w przypadku najnowszych procesorów graficznych czy czujników aparatów fotograficznych, gdzie każda generacja technologii ujawnia nowe poziomy szczegółów, synchrotronowa tomografia komputerowa otwiera nowe okna na prehistoryczny świat. Naukowcy mogą teraz analizować struktury o wielkości zaledwie kilku mikrometrów w skamieniałościach liczących setki milionów lat, co jest technologicznym osiągnięciem porównywalnym z przejściem od starych kineskopowych monitorów CRT do współczesnych wyświetlaczy OLED 8K.

Jednym z najbardziej fascynujących aspektów tych badań jest odkrycie konwergencji ewolucyjnej między kręgowcami a bezkręgowcami w rozwoju struktur sensorycznych. Badania pokazały, że struktury uważane za zęby w skamieniałościach z okresu kambryjskiego (485-540 mln lat temu) były podobne do cech w pancerzu skamieniałych bezkręgowców, a także do narządów sensorycznych w skorupach współczesnych stawonogów jak kraby i krewetki. Te podobieństwa oznaczają, że narządy sensoryczne w pancerzu różnorodnych zwierząt ewoluowały oddzielnie zarówno u kręgowców, jak i bezkręgowców, aby pomóc im wyczuwać większy świat wokół nich.

Zrozumienie ewolucyjnych korzeni wrażliwości zębów ma potencjalne implikacje dla współczesnej praktyki stomatologicznej. Jak wyjaśnia jeden z badaczy: Kiedy patrzysz na to przez tę ewolucyjną soczewkę, fakt, że zęby w ustach są niezwykle wrażliwe, jest mniej zagadką, a bardziej odzwierciedleniem ich ewolucyjnych korzeni w sensorycznym pancerzu wczesnych kręgowców.

Współczesne badania nad mechanizmami bólu zębów ujawniają, że gdy postępuje stan zapalny mediatory zapalne takie jak histamina, bradykinina, prostaglandyny i leukotrieny są uwalniane, co obniża progi bólu. Stymulacja włókien nerwowych miazgi powoduje uwolnienie kilku peptydów z neuronu. Włókna C są polimodalne i reagują na intensywne ciepło i zimno oraz obecność mediatorów zapalnych, takich jak histamina i bradykinina.

Te odkrycia mogą prowadzić do rozwoju bardziej celowanych terapii przeciwbólowych. Blokada kanałów thermo-TRP zapewni nową interwencję terapeutyczną w leczeniu bólu zęba. Podobnie zrozumienie roli kanałów Piezo w mechanotransdukcji może otworzyć nowe drogi dla zarządzania wrażliwością zębów na bodźce mechaniczne.

Badania te otwierają również nowe kierunki dla przyszłych badań. Większość poprzednich nad kanałami Piezo1/2 to badania komórkowe lub na zwierzętach. Badania kliniczne lub raporty przypadków Piezo1/2 jako strategii interwencji terapeutycznej wciąż brakuje. Dalsze badania są wymagane do zbadania zastosowania strategii celowania w Piezo1/2, co oferowałoby obiecujące rozwiązania zarówno dla chorób ogólnoustrojowych, jak i dentystycznych, oraz dostarczyłoby wglądów w remodelowanie kości przyzębia i leczenie ortodontyczne.

Metody wykorzystane w tym badaniu - tomografia synchrotronowa, immunofluorescencja i analiza porównawcza - reprezentują również nową erę w paleontologii, gdzie nowoczesne technologie obrazowania pozwalają na nieinwazyjne badanie bezcennych skamieniałości. To podejście może być stosowane do badania innych aspektów ewolucji kręgowców i może ujawnić więcej niespodzianek o naszych prehistorycznych przodkach.

Odkrycie, że nasze wrażliwe zęby są ewolucyjnym dziedzictwem sensorycznych systemów ostrzegawczych starożytnych ryb, pokazuje piękno i złożoność ewolucji. To, co obecnie postrzegamy jako niedogodność podczas wizyty u dentysty, było kiedyś doskonałym systemem wykrywania zagrożeń i monitorowania środowiska. Dentyna, która sprawia, że krzywimy się przy lodowatych napojach, pierwotnie pomagała naszym bardzo odległym przodkom nawigować w niebezpiecznych wodach ordowickich oceanów 465 mln lat temu.

Te badania nie tylko rozwiązują długotrwałą zagadkę dotyczącą ewolucji zębów, ale także podkreślają, jak nowoczesne technologie - od synchrotronów po zaawansowane mikroskopy - mogą ujawnić sekrety ukryte w kamieniu przez setki milionów lat. W świecie, gdzie entuzjaści technologii ciągle poszukują najnowszych innowacji warto pamiętać, że niektóre z najbardziej zaawansowanych technologii zostały wynalezione przez naturę na długo przed pojawieniem się pierwszych komputerów - czy nawet pierwszych ludzi.

Następnym razem, gdy poczujesz przeszywający ból zęba, pomyśl o tym nie jako o ewolucyjnej wadzie, ale jako o działającym systemie ostrzegawczym, który został dopracowany przez setki milionów lat ewolucji. To nie przypadek, że nasze zęby są tak wrażliwe - to dziedzictwo naszych bardzo starożytnych przodków, którzy potrzebowali tego sensorycznego superpancerza, aby przetrwać w prehistorycznym świecie.