EstudioEstudio de los de los tejidostejidos

biomineralesbiominerales: : desarrollodesarrollo y y

microestructuramicroestructura del del esmalteesmalte

dental dental PostgradoPostgrado en en GeologGeologííaa

AsignaturaAsignatura de Master de Master MetodologMetodologíía y ta y téécnicas de cnicas de campo y laboratorio encampo y laboratorio en

investigaciinvestigacióón paleontoln paleontolóógica 60331gica 60331

JosJoséé Ignacio Canudo y Gloria CuencaIgnacio Canudo y Gloria Cuenca--BescBescóóss

BiomineralizaciBiomineralizacióónn!! La La biomineralizacibiomineralizacióónn eses la la formaciformacióónn de de mineralesminerales

porpor los los organismosorganismos. Es . Es porpor tantotanto un campo un campo multidisciplinarmultidisciplinar queque incluyeincluye diversasdiversas areas areas tantotanto en en cienciasciencias ququíímicasmicas comocomo biolbiolóógicasgicas..

!! Los Los organismosorganismos de los 5 de los 5 reinosreinos formanforman mmááss de 60 de 60 mineralesminerales distintosdistintos..

!! La La orientaciorientacióónn y y estructuraestructura úúnicasnicas de los de los cristalescristalesdentrodentro de de laslas fasesfases inorginorgáánicasnicas de los de los tejidostejidosmineralizadosmineralizados y en y en algunosalgunos casoscasos la la morfologmorfologííaadistintivadistintiva de de estosestos biominarelesbiominareles son son clarasclarasindicacionesindicaciones de de queque los los procesosprocesos de la de la nucleacinucleacióónn y y crecimientocrecimiento de los de los cristalescristales estestáánn fuertementefuertementecontroladoscontrolados porpor los los organismosorganismos..

!! Los Los organismosorganismos utilizanutilizan macromolmacromolééculasculas comocomoproteinasproteinas y y glicoproteinasglicoproteinas parapara controlarcontrolar estosestosprocesosprocesos molecularesmoleculares..

!! Janet Janet MoradianMoradian--OldakOldak variasvarias citascitas a a partirpartir de de susu art. en Science, 2005art. en Science, 2005

HistologHistologííaa

Desarrollo dentario: http://es.wikipedia.org/wiki/Desarrollo_dentario

DesarrolloDesarrollo de un de un incisivoincisivo humanohumano

OrigenOrigen del del esmalteesmalte!! Las Las proteinasproteinas y y estructurasestructuras

bbáásicassicas de los de los cristalescristales de de esmalteesmalte se se conservanconservan en en numerososnumerosos vertebradosvertebrados, , comocomolos los pecespeces pulmonadospulmonados o o dipnoosdipnoos. . El El pezpez pulmonadopulmonado de Australia de Australia NeoceratodusNeoceratodus forsteriforsteri perteneceperteneceal clado al clado sarcopterigiasarcopterigia cuyoscuyosffóósilessiles mmááss antiguosantiguos son del son del DevDevóóniconico, , hacehace unosunos 500 My. 500 My. EstoEsto sugieresugiere queque los los mecanismosmecanismosde de formaciformacióónn del del esmalteesmalte dental dental puedenpueden tenertener unauna historiahistoria de al de al menosmenos 500 My.500 My.

!! SatchellSatchell, P.G., Shuler, C.F., and , P.G., Shuler, C.F., and DiekwischDiekwisch, T.G.H. (2000). True , T.G.H. (2000). True enamel covering in teeth of the enamel covering in teeth of the Australian lungfish Australian lungfish NeoceratodusNeoceratodusforsteriforsteri. Cell & . Cell & TissTiss. Res. 299, . Res. 299, 2727--37.37.

Cairns, Explanade, NQs.Australia, 2007

Sección de la

union del esmalte

(marrón) y

dentina (blanco).

Las líneas

blancas indican la

dirección de los

prismas de

esmalte y de los

túbulos de

dentina

respectivamente

Estrias de

Retzius

A&D1990B&C1887

MicroestructuraMicroestructura del del esmalteesmalte: :

SchmelzmusterSchmelzmuster

La La formaciformacióónn del del esmalteesmalte: : biomineralizacibiomineralizacióónn

Esmalte

Dentina

Posición de la proteina

amelogenina en los

ameloblastos o células

formadoras del esmalte y

las vesículas que lo

segregan así como en la

capa de esmalte recién

formada en el diente en

desarrollo. La tinción de

la amelogenina es roja.Diekwisch et al., 1993

Esmalte decusatio

La La biomineralizacibiomineralizacióónn: : amelogeninaamelogenina

!! Janet Janet MoradianMoradian--OldakOldak, Universidad , Universidad SurSurde California, Los de California, Los ÁÁngelesngeles Science, Science, 2005: 2005: formaciformacióónn del del esmalteesmalte dental en dental en experimentosexperimentos in vitro: in vitro: procesoproceso de de autoensamblajeautoensamblaje de de proteproteíínasnas duranteduranteel el desarrollodesarrollo del del esmalteesmalte en en mammamííferosferos. . Las Las ordenadasordenadas estructurasestructuras queque configuranconfiguranel el esmalteesmalte dental dental tienentienen especial especial interinterééssporqueporque se se formanforman sin sin colcoláágenogeno, la , la proteproteíínanaqueque proporcionaproporciona la la estructuraestructuratridimensionaltridimensional durantedurante la la formaciformacióónn óóseasea. . En En susu lugarlugar, el , el esmalteesmalte dental dental cuentacuenta con con la la proteproteíínana amelogeninaamelogenina, , queque se se autoensamblaautoensambla formandoformando nanosferasnanosferas, , unasunasestructurasestructuras queque se se organizanorganizanespontespontááneamenteneamente y y generangeneran micromicro--cintascintas..

La La biomineralizacibiomineralizacióónn: : amelogeninaamelogenina

!! EstasEstas micromicro--cintascintas puedenpueden servirservir comocomo marcomarco parapara orientarorientar el el crecimientocrecimiento de los de los cristalescristales de de apatitoapatito queque conformanconforman el el esmalteesmalte dental. dental.

!! La La amelogeninaamelogenina tienetiene unauna fuertefuerte tendenciatendencia a a ensamblarseensamblarse en en nanosferasnanosferas linealeslineales y y estaesta propiedadpropiedad eses clave clave parapara susu funcifuncióónncomocomo proteproteíínana estructuralestructural durantedurante laslas primerasprimeras fasesfases de la de la mineralizacimineralizacióónn del del esmalteesmalte..

!! DuranteDurante el el procesoproceso de de ensamblajeensamblaje, , laslas nanosferasnanosferas puedenpuedenalinearsealinearse de de maneramanera directadirecta o, o, porpor el el contrariocontrario, , reorganizarsereorganizarsedentrodentro de la de la propiapropia estructuraestructura de la de la nanocadenananocadena. .

!! "El "El trabajotrabajo ofreceofrece informaciinformacióónn esencialesencial parapara estudiarestudiar los los distintosdistintos mecanismosmecanismos de de biomineralizacibiomineralizacióónn, , confirmaconfirma la la habilidadhabilidad del del componentecomponente extracelularextracelular de la de la matrizmatriz paraparacontrolarcontrolar la la orientaciorientacióónn del del cristalcristal a a travtravééss del del autoensamblajeautoensamblaje supramolecularsupramolecular y y contribuyecontribuye al al disediseññoo de de materialesmateriales especespecííficosficos", ", segsegúúnn MoradianMoradian--OldakOldak..

!! ImportanteImportante: la : la amelogeninaamelogenina desaparecedesaparece al al terminarterminar el el procesoproceso de de formaciformacióónn del del esmalteesmalte, no , no asasíí el el colcoláágenogeno, , queque permanecepermanece en los en los huesoshuesos..

RetziusRetzius y Huntery Hunter--SchregerSchreger bandsbands

Retzius Hunter-S

Sección longitudinal de un diente en el que se muestran las líneas de Retzius y las bandas de Hunter-Schreger. En: http://alf3.urz.unibas.ch/vmic/oralhisto/

HunterHunter--SchregerSchreger bandsbands

En: Koenigswald & Rose: 2005. The enamel microstructure of Early Eocene Pantodont Coryphodon and the Nature of the Zigzag enamel. Journal of Mammalian Evolution, 12, 419-432.

PatologPatologííasas durantedurante

la la formaciformacióónn del del

esmalteesmalte: :

microdefectosmicrodefectos y y

macrodefectosmacrodefectos

Any disturbance, such as severe infection can disrupt enamel forAny disturbance, such as severe infection can disrupt enamel formation. That mation. That disruption of enamel formation will leave an enduring record as disruption of enamel formation will leave an enduring record as a a disorientation of enamel prisms. Because the human dental growthdisorientation of enamel prisms. Because the human dental growth sequence is known, the age at which the enamel disturbance occursequence is known, the age at which the enamel disturbance occurred can red can be determined from the location of the disturbance within the enbe determined from the location of the disturbance within the enamel. A amel. A standard chart for dental development can be consulted for this standard chart for dental development can be consulted for this purpose.purpose. There is an extensive literature (now in excess of 500 articles)There is an extensive literature (now in excess of 500 articles) on the on the epidemiology and etiology of enamel defects. Many are investigatepidemiology and etiology of enamel defects. Many are investigations ions using laboratory animals. There are two types of enamel developmusing laboratory animals. There are two types of enamel developmental ental disturbance of interest to the disturbance of interest to the paleoanthropologistpaleoanthropologist. .

http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm

Además de estas constricciones, durante la formación del esmalte hay patologías que causan defectos

http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm

(1) Microdefects are histological structures known as

Wilson bands. These are accentuated brown striae of

Retzius. The most celebrated of these is the neonatal

line (Schour, 1936).

If the disturbance is short in duration and the enamel

formation resumes, that disturbance is recorded as a

narrow band seen in the section of enamel under a light

microscope. That evidence of enamel formation

disruption and recovery is called a Wilson band.

Wilson bands are thin layers of abnormally structured

enamel marking the position of the active ameoloblasts

(Gr = enamel formers) at the time of insult. Wilson bands

are sometimes called 'pathological brown striae' in the

literature. This descriptive term is a nice way to describe

the bands which contain 'sudden changes in prism

direction associated with atypical rod forms.' Wide

neonatal lines are associated with traumatic births.

Wilson bands appear to represent brief periods of stress

lasting from one to five days.

The examination of teeth for histological disturbance is

destructive; therefore, this technique is not used of rare

ancient hominid teeth.

MacrodefectosMacrodefectos: : hipoplasiashipoplasias

(2) Macrodefects are defects visible on the tooth surface.

They are known as hypoplasias. These can vary in

appearance from small pits or furrows to large, deep

grooves or even large areas of missing enamel. Typically

these defects are horizontal grooves that are called

chronological or linear enamel hypoplasias. They seem to

reflect impairment of enamel formation for weeks or

months, while Wilson lines record events limited to one or a

few days.

If the enamel formation does not resume, the defect can be

viewed macroscopically as a transverse area of depressed

enamel. This is known as enamel hypoplasia.

Enamel hypoplasias show a predilection for anterior teeth

and for the cervical and middle thirds of tooth crowns.

Investigators have shown statistical associations between

enamel hypoplasias and a variety of clinical conditions of

which we will only mention a few here: premature birth,

malnutrition, fluorosis, high fever, localized trauma and

systemic metabolic distress such as gastrointestinal

disorders.

Retzius striae, Wilson bands

and

hypoplasias

http://www.uic.edu/classes/osci/osci590/4_5DietAnd%20DentitionInArchaeology.txt.htm

Hypopl.

Figure : Furrow (F) and pit (P) hypoplastic

defects on the surface of an anterior

tooth. The hypoplastic defects represent

disruptions to the regular growth layers

that can be seen running across the tooth.

Referencias: 2005 D. M. Antoine, S. W. Hillson, D.

Keene, M. C. Dean and G. Milne, Using growth

structures in teeth from victims of the Black Death to

investigate the effects of the Great Famine (AD 1315-

1317). American Journal of Physical Anthropology.

2005 D. Antoine and S. Hillson, Famine, Black Death and

health in fourteenth-century London, in Archaeology

International [8] 2004/5, London: Institute of Archaeology,

UCL.

Did the Great Famine of AD 1315-1317 have a detectable

effect on the growth of people who experienced it as

children?

The Great Famine of AD 1315-1317 is recorded as one of

the greatest calamities of Medieval Europe but little is known

about its direct effects on the people who survived it. An

opportunity to address this question has been provided by

the excavation of the Royal Mint Black Death cemetery in

London, containing burials dating to 1349 when the epidemic

was at its height. Those people buried in the cemetery who

were in their thirties at the time of their death would have

lived through the Great Famine as children. As teeth form

during childhood, it is possible to use their dental

development to investigate the impact of the famine on their

overall health.

Growth structures inside teeth, similar to ‘tree-rings’, mark

out dental development. These structures, which are visible

in thin sections, are being used to build a detailed growth

record of the first years of their lives, including any periods of

growth disruptions. Indeed, systemic disturbances (i.e. those

which affect the entire body) experienced by a child during

the period of dental development, such as episodes of

nutritional stress, can disrupt tooth formation. Any such event

can result in the formation of furrows or pit-like ‘hypoplastic’

defects that can be seen on the surface of tooth crowns and,

internally, as lines of disturbed growth (Figure). As dental

tissues are not turned over, teeth offer a permanent and

detailed record of any disturbances occurring during

childhood. The dentitions of approximately 35 individuals who

died in their early thirties are being analysed in this way. The

timing of growth disturbances are compared to the detailed

chronology of the Great Famine.

Alt., Rosing, F., and Teschler-Nicola, M. eds Dental Anthropology Fundamentals

Limits and Prospects. New York: SpringerWien, 1998.

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MicroestructuraMicroestructura del del

esmalteesmalte dentaldental

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KOENIGSWALD

and P. MARTIN

SANDER

Department of Paleontology, University of Bonn, GermanyA.A.BALKEMA

ROTTERDAM

BROOKFIELD 1997

As this transmission electron micrograph of an anhydrously prepared specimen demonstrates, enamel crystals grow in tight proximity to the adjacent dentin. However, careful analysis reveals that enamel crystals grow independently from adjacent dentin crystals. Diekwisch et al. (1995). Initial enamel crystals are spatially not associated with mineralized dentine. Cell & Tissue 279, 149-167.

BiomecBiomecáánicanica: : empaquetamientoempaquetamiento de de

los los prismasprismas de de esmalteesmaltePerpendiculares a la unión entre la dentina y el esmalte porque así resisten mejor las fuerzas de compresión y tensión ejercidas durante la masticación.Las bandas de Hunter- Schreger son paralelas al cuello del diente

HSB

El esmalte radial soporta mejor laCompresion y tensión según Pfretzschner, 1988

ModelosModelos de de empaquetamientoempaquetamiento de de

los los prismasprismas de de esmalteesmalteEl esmalte es un material compuesto por dos fases: cristal mineral [hidroxiapatito, Ca10(PO4)6(OH)2], formando prismas o largas cuerdas y orgánica, un complejo de proteinas en lo que se conoce como la matriz interprismatica (IPM) que también tienen cristales de Hidroxiapatito. Los cristalitos de la IPM son casi verticales a los prismas.

Los cristales de esmalte tienden a crecer perpendiculares a la superficie de los ameloblastos que los secretan (como un tubo de pasta). Cada ameloblasto termina en su final secretor en los que se conoce como proceso de Tomes, el cual se encaja dentro del hueco del proceso de Tomes en la superficie de esmalte en desarrollo.

Prisma

Procesos de Tomes

Angulo que forman los prismas con la superficie de esmalte

En Aiello & Dean 1990 (A&D90)Estrías de Retzisu: flechas blancas grandesConstricciones circadiales en los prismas de esmalte: flechas blancas pequeñasPerikimata: P y flechas negras

PrismaTomes

B&C1987

Boyde1987

Imaginar un tubo de pasta que se presiona a velocidad diferente (A&D1990)

““PrismasPrismas o o cacaññasas”” de de esmalteesmalte!! Lo Lo queque llamamosllamamos prismasprismas son son

discontinuidadesdiscontinuidades en el en el esmalteesmalte debidodebidoa a queque los los cristalescristales crecencrecen en en áángulongulocon con respectorespecto a la a la superficiesuperficie de los de los procesosprocesos de Tomes, y de Tomes, y cuandocuando dos de dos de estasestas superficies se superficies se encuentranencuentran en un en un puntopunto en la en la puntapunta de la de la ccéélulalula, los , los cristalescristales debendeben crecercrecer en en áángulongulo entreentressíí, , formandoformando unauna llííneanea de de discontinuidaddiscontinuidad. . EstasEstas limitanlimitan largos largos conjuntosconjuntos de de cristalescristales queque son lo son lo quequellamamosllamamos prismasprismas o o cacaññasas de de esmalteesmalte. . Los Los prismasprismas no no estestáánn completamentecompletamenteseparadosseparados unosunos de de otrosotros, , comocomopodrpodrííanan estarloestarlo un un mazomazo de de lláápicespices y y son solo son solo discontdiscontíínuosnuos en en laslas ““vainasvainas””de los de los mismosmismos. . EstoEsto eses importanteimportantepuespues asasíí el el esmalteesmalte eses mmááss resistenteresistentequeque sisi estuvieraestuviera formadoformado porpor cacaññasasaisladasaisladas..

Superficie de diente de Australopithecus afarensis. Modo empaquetado 3

Empaquetado 3. Ameloblastos hexagonales Prismas en “ojo de cerradura”

ModelosModelos de de empaquetamientoempaquetamiento de los de los

prismasprismas de de esmalteesmalte

2 1 3

Boyde 1976 en A&D90

Forma de los prismas en el empaquetado 2, 1 y 3 respectivamente. Los hexágonos son el perímetro de los ameloblastos. Las formas de los prismas son en forma de herradura en el modo 2, en círculo en el 1 y en forma de ojo de cerradura en el 3. Estas formas son visibles cerca de la superficie del diente. Los ameloblastos, son menores en tamaño en el modo 2, intermedios en el 1 y mayores en el 3 (20, 30 y 40 !m resp.).El modo 1 es común en Sirenios, Cetáceos, Quirópteros y otros mamíferosEl modo 2 en Lagomorfos, perisodáctilos y artiodáctilosEl modo 3 en carnívoros, pinnípedos y proboscídeos. En homínidos predominan los modos 1 y 3, el 2 es común en los monos del viejo mundo

EstructuraEstructura del del esmalteesmalte en los en los

roedoresroedores: : SchmelzmusterSchmelzmuster

Esmalte radial. A la derecha el de Phacochoerus

Los incisivos de los roedores tienen dos capas de esmalte, la interna contiene HSB y la externa esmalte radial. Los de los lagomorfos, a pesar de tener la misma función tienen una única capa. Los de otros mamíferos con adaptaciones parecidas a las de los roedores tienen tipos distintos también: aparentemente no es adaptativo

El esmalte radial tienes prismas en filas radiales (PE) separadas por espesas placas de matriz interprismática (IPM)

PE

IPMPE

IPM

El El SchmelzmusterSchmelzmuster en los en los

herbherbíívorosvoros de de dientesdientes hipsosontoshipsosontos

Los tres tipos de estructura de esmalte en los molares de los Arvicolinae

A: radialB: tangencial (zigzag)C: Lamelar (uniserial HSB). Las cañas se orientan en las 3 direcciones.

P= prismas de esmalteIP= Matriz interprismática

En Koenigswald 1982

El El SchmelzmusterSchmelzmuster en los en los herbherbíívorosvoros de de

dientesdientes hipsosontoshipsosontosA: radialB: tangencial (zigzag)C: Lamelar

Pfretzschne r 1988

Recordando la resistencia del esmalte radial a la fuerza que se ejerce sobre el diente comprendemos su distribución en los “trailing edges” o lados sobre los que se ejerce la mayor presión durante la masticación en los arvicolinos

m1 y M1 de arvicolino mostrando los “trailing y leading edges” y la distribución del Schmelzmuster. Koenigswald 1982

Las dos Las dos capascapas de de

esmalteesmalte en los en los

arvicolinosarvicolinos

El Schmeltzmuster de un triángulo de m1 de Arvicola terrestris (Holoceno). La sección paralela a la superficie de masticación muestra tres tipos distintos de esmalte que se vuelven visibles después de una breve abrasión con ácido clorhídrico (HCL). La organización de los tipos de esmalte se mantiene estable en toda la altura del molar (Koenigswald, 1982). No cambia con la ontogenia.

¿¿ccóómomo prepararpreparar el material?el material?

1. 1. corrosicorrosióónn con con áácidocido HCLHCL

!! LimpiezaLimpieza de los de los ffóósilessiles

!! CubetaCubeta de de ultrasonidoultrasonido

!! LigeraLigera corrosicorrosióónn con con clorhclorhíídricodricodiluidodiluido

!! Se Se vuelvevuelve a a lavarlavar en la en la cubetacubeta de de ultrasonidosultrasonidos

!! ObservacionObservacion al al microscopiomicroscopio

¿¿ccóómomo prepararpreparar el material?el material?

2. 2. abrasiabrasióónn con con polvopolvo esmesméérilril

!! LimpiezaLimpieza de los de los ffóósilessiles

!! CubetaCubeta de de ultrasonidoultrasonido

!! EsmeriladoEsmerilado o o pulidopulido probandoprobandodistintosdistintos granosgranos de de polvopolvo esmesméérilril

!! ObservacionObservacion al al microscopiomicroscopio

!! PegadoPegado en en portaobjetosportaobjetos con con resinasresinassintsintééticasticas porpor calorcalor

PreparacionPreparacion muestrasmuestras parapara

microscopiomicroscopio electrelectróóniconico (SEM)(SEM)

Clear Casting Polyester Resin for casting and embedding (thin castings up to 1/2 inch thick). Industrial Plastics Supply Co., 309 Canal St., New York, NY. Liquid hardener for hardening polyester resins and compounds 10 grams: 7 drops20 grams:14 drops30 grams (~1 ounce): 21 drops Mix well with wooden stick

1,2 y 4 Martin, 5 Wahlert, Uni Bonn

SemSem

Debajo: capa de esmalte preprismatica de un mamífero Cretacico: prob. Gobiconodontido

Esmalte sin tratar en un molar de Marmota (Sciuridae)