Współczesne poglądy na profilaktykę fluorkową – niektóre aspekty kariostatycznego działania fluorków

Fluor jest pierwiastkiem bardzo aktywnym i reaguje prawie ze wszystkimi pierwiastkami, stąd w stanie naturalnym nie występuje w postaci elementarnej. Dlatego też terminy „fluor” i „fluorki” są stosowane w piśmiennictwie wymiennie (1). Zawartość fluorków w wodzie, glebie, roślinach, tkankach i preparatach stomatologicznych określana jest najczęściej w jednostkach ppm (parts per milion) gdzie 1 ppm = 1 mg F/litr = 0,053 mmol F/dm³.

W ciągu kilkudziesięciu lat stosowania fluoru w zapobieganiu próchnicy zębów poglądy na temat mechanizmu i skuteczności działania różnych metod i preparatów fluorkowych ulegały zmianom lub uzupełnieniom. Do niedawna koncepcje stosowania czy skuteczności działania fluoru opierały się głównie na wiedzy z okresu, kiedy poziom próchnicy w wielu populacjach był wysoki (2).

Fluor może reagować z apatytem twardych tkanek zęba na 3 sposoby: 1) wymiana fluoru z grupą hydroksylową hydroksyapatytu (HA) i powstawanie fluoroapatytu (FA); 2) wzrost kryształu fluoroapatytu; 3) rozpuszczanie apatytu z wytworzeniem fluorku wapnia. Pierwsze dwie reakcje mogą pojawiać się podczas częstych ekspozycji na niskie stężenie fluoru w roztworach (poniżej 0,1%). Fluorki mogą być wówczas adsorbowane przez kryształy i stabilizować jego strukturę mineralną i jest to określane jako rezerwa stabilna fluoru (non-KOH-soluble, structurally bound fluoride) (2, 3, 4, 5, 6, 7).

Przez wiele lat uważano, że najważniejszy efekt kariostatyczny można osiągnąć poprzez dostarczanie jonów fluorkowych do kształtujących się zawiązków zębów, a więc w okresie preerupcyjnym oraz, że tworzenie fluoroapatytu jest idealną postacią reakcji fluorków ze szkliwem i zębiną. Opierano się na fakcie, że fluoroapatyt tworzy się poprzez proste wbudowywanie jonów fluorkowych do otoczki kryształu hydroksyapatytu, co doprowadza do spadku ich rozpuszczalności w kwasach (2, 5, 7, 8, 9).

W ciągu ostatnich lat stanowisko to uległo jednak zmianie. Po wyrznięciu się zębów na skutek działania kwasów w jamie ustnej powierzchnie kryształów szkliwa mogą ulegać rozpuszczaniu i przekształcaniu – poprzez usuwanie węglanowo-magnezowych zanieczyszczeń. Magnez i węglany mogą być zastępowane przez jony fluorkowe, fosforanowe, wapniowe i wówczas nowe kryształy są bardziej podobne do czystego hydroksyapatytu, fluoroapatytu i hydroksyfluoroapatytu (HFA). Wszystkie te postacie apatytów szkliwa są bardziej oporne na działanie kwasu niż pierwotne węglanowe apatyty. Proces krystalizacji apatytu, z usuwaniem jonów węglanowych i magnezowych oraz wbudowywaniem fluoru w miejsce grupy hydroksylowej i wytwarzaniem fluorowanego apatytu zwany jest posterupcyjnym dojrzewaniem (7, 8, 10).

Zamiana jednak wszystkich grup hydroksylowych na jony fluorkowe i wytworzenie FAP jest z jednej strony nierealna, a z drugiej nie gwarantuje absolutnej oporności na próchnicę. Przykładem tego może być szkliwo rekina, które głównie zbudowane jest z fluoroapatytu (37 000 ppm), a jednak jak wykazały doświadczenia ulega demineralizacji w warunkach, kiedy fluor nie jest dostarczany z zewnątrz (2, 7, 9, 11).

ROLA FLUORKU WAPNIA

Natomiast trzeci typ reakcji, czyli powstawanie fluorku wapnia w wyniku działania preparatów fluorkowych, było uważane przez dłuższy czas za niepożądaną miejscową reakcję i zmierzano do unikania tworzenia tych soli. Sądzono, że fluorek wapniowy tworzy się w większości lub jest jedynym produktem reakcji na szkliwie podczas krótkiej ekspozycji fluoru ze stężonych preparatów i był określany jako labilna rezerwa fluorków (KOH-soluble-fluoride, adsorbed fluoride). Następnie zwrócono uwagę, że depozyty CaF₂ działają jako kontrolowany przez pH rezerwuar fluoru, z którego fluor jest uwalniany podczas próchnicotwórczego wyzwania. Obecnie uważa się, że tworzenie CaF₂ odgrywa kluczową rolę w profilaktyce próchnicy (2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 12, 13).

Fluorek wapnia jest widoczny w TEM (transmission electron microscopy) jako ziarnistości o średnicy 250 nm^-1µm, składające się z mikrokryształów o wielkości ziaren około 2-20 nm. Czysty fluorek wapnia ma kształt sześcianów, natomiast powstający na powierzchni zęba tworzy kuliste ziarnistości dzięki wbudowywaniu fosforanów. Dlatego jest opisywany jako depozyty zanieczyszczone, podobne do fluorku wapnia (calcium fluoride – like globules). Precypitaty CaF₂ są tworzone nie tylko na powierzchni zęba, ale także w szkliwie do głębokości 40 µm, w płytce nazębnej i w ubytku próchnicowym (2, 3, 6, 7, 14, 15).

Tworzenie CaF₂ na twardych tkankach zęba podczas miejscowych aplikacji zależy od wielu czynników takich jak: rozpuszczalność zęba, zdrowa lub demineralizowana powierzchnia, długość czasu ekspozycji na fluor. Ilość i wielkość ziarnistości fluorku wapnia zależy od pH preparatu i stężenia w nim fluorków (2, 6). Tworzenie CaF₂ jest reakcją 2-stopniową – jony wapniowe są uwalniane z tkanek zęba (płytki nazębnej lub śliny) a następnie reagują z fluorkami ze stosowanych miejscowo preparatów. Dlatego też powstawanie CaF₂ jest zależne od rozpuszczalności zęba i stężenia fluoru. Tworzenie CaF₂ może być wzmacniane przez wzrost stężenia fluorków w preparacie, zwiększenie czasu ekspozycji i obniżenie pH preparatu. Stąd tworzenie CaF₂ przy obojętnym pH wymaga wyższego stężenia fluoru lub dłuższego czasu stosowania, gdyż fluor z preparatu o niskim pH indukuje natychmiast powstawanie większych ilości CaF₂ na minerałach zęba (6).

Fluorek wapnia jest prawie nierozpuszczalny w ślinie przy obojętnym pH i może pozostawać na powierzchni zęba przez wiele tygodni i miesięcy po miejscowej aplikacji fluoru. Powodem przedłużonej retencji fluorku wapnia na szkliwie jest przyłączenie do niego protein i wtórnych fosforanów (fosforany są najprawdopodobniej w postaci HPO₄^-, w przeciwieństwie do tzw. pierwotnych fosforanów, które występują w formie H₂PO^-₄). Fosforany są uwalniane z minerałów zęba podczas tworzenia CaF₂ i są wbudowywane w strukturę otoczki (lettice) CaF₂. Przy obniżeniu pH w jamie ustnej następuje ich odłączenie, CaF₂ rozpuszcza się – uwalniając jony wapniowe i fluorkowe dla hamowania dalszej demineralizacji i wzmacniania remineralizacji. Uwalnianie jonów fluorkowych z ziarnistości fluorku wapniowego pojawia się w czasie zakwaszenia płytki nazębnej, ale przy wyższym pH, niż następuje rozpuszczanie szkliwa, ponieważ istnieje mniejsza rozpuszczalność CaF₂ w porównaniu do fluoroapatytu przy niskim pH. Jeśli ciągła warstwa depozytów fluorku wapnia pokrywa szkliwo całkowicie, warstwa ta może chronić szkliwo w większym stopniu niż fluoroapatyt, gdyż rozpuszczanie fluorku wapnia jest mniej zależne od pH niż fluoroapatytu. Uważa się, że fluorek wapnia jest prekursorem fluoroapatytu i może służyć jako źródło fluoru dla jego tworzenia i że fluoroapatyt powstaje, kiedy spada pH w płytce nazębnej, a nie tylko podczas miejscowego stosowania (2, 3, 6, 7, 8, 14, 16, 17).

Fluorek wapnia tworzony na powierzchni zęba po miejscowej aplikacji fluoru jest zanieczyszczony fosforanami, nie tylko na powierzchni, ale także wewnątrz kryształu. Zanieczyszczony fosforanami fluorek wapnia jest bardziej rozpuszczalny niż czysty fluorek wapnia i może uwalniać fluor w większych ilościach niż czysty związek. Ilość fosforanów wbudowanych do kryształu fluorku wapnia jest zależna od warunków, w których są tworzone. Fluorek wapnia tworzony na powierzchni zęba przy wysokich stężeniach fluorku lub przy niskim pH zawiera mniej wewnętrznych fosforanów i jest mniej rozpuszczalny niż fluorek wapnia tworzony w innych warunkach. Takie właściwości CaF₂ mogą być wykorzystane do indukowania tworzenia, w zależności od potrzeb klinicznych, celowanych rezerw fluoru na powierzchni tkanek zęba. Odkładanie bardziej odpornej na rozpuszczanie warstwy CaF₂ (mniej fosforanowych zanieczyszczeń) może być korzystne do miejscowego stosowania kilka razy w roku. Bardziej rozpuszczalny CaF₂ (więcej wewnętrznych fosforanów) może być odpowiedni w preparatach do częstego stosowania np. w pastach do zębów (2, 6, 8).

Badania z ostatnich lat z użyciem nowoczesnych technik mikroskopowych (AFM – atomic force microscopy, CLSM – confocal laser scanning microscopy) wykazały, że ziarnistości podobne do fluorku wapnia tworzą się także przy niskich stężeniach fluorków i/lub po krótkim czasie stosowania (6, 8, 14). Badania przeprowadzone w warunkach in vitro z zastosowaniem 0,1% roztworów aminofluorków (AmF), NaF i monofluorofosforanu sodu (NaMFP) udowodniły, że po działaniu kwaśnego roztworu AmF na szkliwo pierwsze rozrzucone precypitaty CaF₂ odkładały się po 10-20 sekundach (małe ziarnistości o wielkości 30-60 nm). Jeśli roztwór był aplikowany przez więcej niż 60 sekund powierzchnia szkliwa została pokryta ciągłą, gęstą warstwą fluorkowych precypitatów (wielkości 120-300 nm). Podobne wyniki uzyskano po działaniu zakwaszonego roztworu NaF. Natomiast po zastosowaniu obojętnego roztworu AmF pojedyncze depozyty CaF₂ pojawiały się dopiero po 60 sekundach. Dla porównania, podczas stosowania wodnego roztworu NaF najwcześniej precypitaty tworzyły się po około 60 minutach. Stosowanie NaMFP nie powodowało powstania żadnych precypitatów, zarówno przy pH 4,5, jak i po kilku godzinach (14).

Niskie stężenia fluorków z zakwaszonych preparatów indukują natychmiast tworzenie dużych ilości CaF₂, mogą także tworzyć się podczas krótkoterminowej aplikacji fluorków np. w wyniku szczotkowania zębów pastami i stosowania płukanek zawierających fluorki (8, 14). W związku z tym, pomimo że wiele obecnie stosowanych preparatów fluorkowych ma niskie pH (3,8-4,8) nie powodują one erozji zębów (12).

Mechanizm działania niskich stężeń fluorków nie wynika raczej z wpływu na metabolizm płytki nazębnej i hamowanie wytwarzania kwasów, ale związany jest z oddziaływaniem na procesy de- i remineralizacyjne (11, 14, 17, 18).

REMINERALIZACJA

Chociaż mechanizm remineralizacji nie jest do końca wyjaśniony, zostało dowiedzione, że jest determinowany przez warunki fizyczne (rozkład minerałów i mechanizm ich transportu) i procesy chemiczne (odkładanie minerałów) (19).

Remineralizacja tkanki jest procesem powolnym w porównaniu do demineralizacji i w najbardziej dosłownym znaczeniu jest powrotem wcześniej utraconych minerałów. W zdrowym szkliwie zębów stałych zawartość składników mineralnych wynosi do 93% i poziomy te nie są przekraczane po ataku próchnicowym i następującej potem remineralizacji. Natomiast w zdemineralizowanej zębinie może wystąpić hyperremineralizacja. Zdrowa zębina zawiera około 50% substancji mineralnych, a po remineralizacji poziomy minerałów mogą sięgać nawet 90% – głównie w warstwie powierzchownej tzw. podpowierzchniowego ubytku w zębinie (subsurface dentin lesion) (19, 20, 21).

Proces remineralizacji może przebiegać na dwa sposoby: a) precypitacja na nowo fosforanu wapnia ze śliny; b) koncepcja częściej popierana – wzrost pozostających (residual) krystalitów szkliwa i zębiny dzięki zawartym w ślinie jonom wapniowym i fosforanowym. Jednoczesna obecność fluoru prowadzi do powstawania stabilniejszej formy apatytu, co powoduje zmniejszoną jego rozpuszczalność w kwasach (5, 19).

Remineralizacja szkliwa

Pierwszą kliniczną oznaką próchnicy szkliwa jest tzw. „biała plama”. Jest ona wynikiem znacznego zmniejszenia składników mineralnych w podpowierzchniowej warstwie szkliwa, przy zachowanej warstwie powierzchniowej, co nadaje jej charakterystyczny białawy wygląd dzięki dyfrakcji światła. Utrata minerałów w głębszych warstwach szkliwa może sięgać nawet do 50% przed pojawieniem się ubytku. Do momentu załamania się warstwy powierzchniowej szkliwa proces próchnicowy może być zatrzymany, a nawet cofnięty (5, 7). Aby powierzchowna warstwa została w pełni zremineralizowana utrata pierwotnych minerałów nie może być większa niż 80%. Apatyt tworzy się tylko wtedy, gdy w szkliwie znajdują się jeszcze kryształy. Możliwy jest wówczas wzrost kryształu przez apozycję apatytów. Niemożliwa jest natomiast odbudowa pustych przestrzeni szkliwa po całkowitym rozpadzie kryształu (7).

Stosowanie preparatów fluorkowych o niskich stężeniach fluorków sprzyja rozwojowi względnie małych kryształów apatytu. W ten sposób pozostawiają one miejsca między kryształami szkliwa dla penetracji jonów wapniowych i fosforanowych do wnętrza ubytku. Natomiast wysokie stężenia fluorków w preparatach stosowanych głównie profesjonalnie powodują szybkie tworzenie ziarnistości fluorku wapnia w warstwie powierzchownej, prowadząc do blokowania kanałów dyfuzyjnych w szkliwie i wówczas wewnętrzne warstwy ubytku mogą nie ulec remineralizacji (2, 6, 7).

Ochrona przed demineralizacją wywodzi się z aktywności fluoru we wczesnych stadiach próchnicy – nabyta oporność na działanie kwasu – AAR (Acquired Acid Resistance). Szkliwo lub zębina zdemineralizowane przez kwasy płytki stają się bardziej wrażliwe na działanie fluoru dzięki wzrostowi porowatości tkanek i powierzchni oddziaływania. Budowa powierzchownej warstwy szkliwa nie jest więc tylko efektem jego pierwotnego składu, ale także wynikiem procesów de- i remineralizacyjnych (5, 7, 9).

Fluor reaguje o wiele szybciej ze zdemineralizowanym szkliwem niż ze zdrowym i może przemieszczać się z tkanek zdrowych do zmienionych próchnicowo. Ilość wytwarzanego CaF₂ jest większa na powierzchni szkliwa dotkniętego próchnicą początkową (w mikroporach początkowych ubytków) dzięki większej powierzchni w porównaniu do zdrowych tkanek. Ziarnistości tworzą się w miejscach uprzywilejowanych, czyli w zagłębieniach pryzmatów i wzdłuż perikymata, które są bardziej rozpuszczalne niż inne części szkliwa. Początkowa próchnica rozwija się w tych samych miejscach. Zremineralizowane szkliwo, pod postacią żółto-brązowych twardych plam i kresek, zawiera więcej fluoru i jest bardziej oporne na dalszy atak kwasowy niż zdrowe szkliwo. Odkładanie fluoru w obrębie ubytku, powodujące zahamowanie postępu próchnicy, uważa się obecnie za element najważniejszy (2, 6, 7, 8, 18, 22).

Niektórzy autorzy podkreślają, że korzystne zmiany w budowie kryształów szkliwa dokonujące się pod wpływem fluorków nie muszą znajdować odzwierciedlenia w ogólnej zawartości fluoru w tkance. Ciągłe dostarczanie jonów fluorkowych i ich aktywność w środowisku jamy ustnej jest dużo ważniejsza w redukcji rozpuszczalności szkliwa i obniżaniu podatności na próchnicę, niż wysoka zawartość fluoru w szkliwie (2, 4, 5, 7, 9, 13, 15, 16, 23, 24, 25).

Remineralizacja zębiny

Przy bardzo zaawansowanych ubytkach próchnicowych w zębinie, z dużą utratą minerałów, mimo że reaktywna powierzchnia jest mała, transport jonów jest znaczny. W tym przypadku fluorki (zwłaszcza w dużych stężeniach) mogą przyczyniać się do remineralizacji, nie tylko dzięki ponownemu wzrostowi minerałów (mineral re-growth), ale także przez odkładanie minerałów na odsłoniętej matrycy kolagenowej. Jednakże w ubytkach próchnicowych, z zachowanymi minerałami w większym stopniu, pierwotne minerały działają jak zarodki (nucleus) ponownego wzrostu i rodzaj powierzchni (jej reaktywność) bardziej indukuje wzrost minerałów niż działanie fluoru. W takich przypadkach obszar powierzchni reaktywnej dostępny dla wzrostu minerałów kontroluje odkładanie minerałów i ich rozkład w ubytku niezależnie od stężenia fluorków. Rozkład jonów wapniowych i fosforanowych w pierwotnym ubytku wpływa na ilość i umiejscowienie odkładanych następnie minerałów. To wskazuje, że mechanizm transportu minerałów jest zależny od geometrii ubytku (rozkładu minerałów). Proces remineralizacji podlega dynemicznym zmianom i kiedy geometria ubytku zmienia się transport minerałów do głębszych warstw ubytku będzie coraz mniejszy (19).

Badania potwierdziły, że większe ubytki (mierzone utratą minerałów) wykazują większy stopień remineralizacji, dzięki preferencyjnemu odkładaniu minerałów, niż mniejsze ubytki, bez względu na stężenie fluorków w preparacie remineralizującym. Natomiast w podpowierzchniowych ubytkach w zębinie, kiedy ilość zachowanych składników mineralnych jest duża, wysokie stężenia fluorków mogą nie być korzystne, gdyż powodując hypermineralizację warstwy powierzchownej zębiny, hamują transport jonów do głębszych warstw ubytku (19, 21, 24, 26).

Podsumowując należy podkreślić, że systematyczne dostarczanie fluorków i stała ich obecność w środowisku jamy ustnej powoduje, że fluorki ingerują w procesy demineralizacyjno-remineralizacyjne i przesuwają równowagę w kierunku mniej kariogennych warunków przyczyniając się w ten sposób do: zapobiegania powstawania próchnicy, naprawie początkowych zmian próchnicowych, hamowania postępu procesu próchnicowego.