Synchrotron Technologie Wetenschap (2024)

In 2015 gebruikten wetenschappers een van 's werelds grootste en meest innovatieve röntgenfaciliteiten om oude manuscripten te transcriberen die begraven en verkoold waren door de uitbarsting van de Vesuvius in 79 na Christus.² De manuscripten uit Herculaneum, die in 1752 werden opgegraven uit een villa van Julius Caesar, waren verkoold, kwetsbaar en onmogelijk te lezen. Vandaag de dag, dankzij het gebruik van hoogenergetische röntgenstraling in een gigantisch apparaat dat synchrotron wordt genoemd, kunnen hele teksten uit de zogenaamde "onzichtbare bibliotheek" worden bekeken door een hedendaags publiek.³ Het onzichtbare wordt zichtbaar.

Vandaag de dag wordt dezelfde technologie gebruikt om een beter inzicht te krijgen in gevoelige tanden, met even verhelderende resultaten. Met synchrotronlicht - honderd miljard keer helderder dan de röntgenstralen die in ziekenhuizen worden gebruikt - kunnen wetenschappers voor het eerst diep in de tanden kijken, zodat ze tandpastasamenstellingen kunnen verbeteren die het tandbeen na verloop van tijd helpen vullen. Deze revolutionaire wetenschap brengt een radicale verandering teweeg in ons begrip van hoe tandpasta werkt.

Overgevoeligheid van het tandbeen, oftewel gevoelige tanden, is een veel voorkomende aandoening. Een derde van de volwassen bevolking heeft er last van, maar slechts de helft van hen gaat er actief mee om.⁴ Deze cijfers zijn des te verrassender omdat een eenvoudige tandpastakeuze de pijn veroorzaakt door overgevoeligheid van het tandbeen kan verlichten.

Er wordt al meer dan een eeuw onderzoek gedaan naar overgevoeligheid van het tandbeen op basis van de hydrodynamische theorie dat vloeistof die door de tubuli van het tandbeen stroomt een primaire oorzaak van gevoeligheid is.^5-6 Studies hebben onderzocht hoe tandpastaformules de tubuli van het tandbeen kunnen afsluiten en de toegang tot het tandbeen kunnen blokkeren. Het doel is om de beweging van vloeistof te verminderen en te voorkomen dat het de zenuwen in de tanden bereikt. Maar zien is geloven.

De afgelopen jaren hebben conventionele beeldvormingstechnieken ons geholpen om de diepte en duurzaamheid van de dentineocclusie op behandelde tanden en kiezen te laten zien. Maar tot nu toe waren we niet in staat om de invloed van onze tandpastasamenstellingen op de vulling in de loop van de tijd zo ruimtelijk gedetailleerd in beeld te brengen. Dit is een fantastische stap - een tubulus is tenslotte een vijftigste van de diameter van een haarlok en er kunnen er wel 30.000 van in een tand zitten. Het bestuderen van het effect van een tandpasta op zo'n complexe microstructuur heeft baat bij een nieuwe benadering - en geavanceerde technologie.

Haleon boekt vastberaden vooruitgang in het wetenschappelijk begrip van gevoeligheid en blijft zijn Sensodyne tandpastaformules verbeteren. Deze vastberadenheid heeft ertoe geleid dat we de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble hebben gebruikt - de krachtigste synchrotron ter wereld - om de grenzen te verleggen van wat mogelijk is in het begrijpen van tandpastatechnologie.

Dr. Christabel Fowler, hoofd innovatie, Oral Health R&D, Haleon, legt uit waarom:

"We streven er altijd naar om onze formuleringen te verbeteren, door gebruik te maken van de beste wetenschap om bescherming en verlichting te bieden aan mensen die lijden aan gevoeligheid. Ons werk bij de synchrotron bouwt voort op deze doelstelling. We willen nieuwe technieken ontwikkelen waarmee we de tandstructuur en het werkingsmechanisme van onze producten gedetailleerder kunnen onderzoeken. Als we beter kunnen visualiseren hoe onze tandpasta's werken, is het makkelijker voor tandheelkundige professionals om de wetenschap erachter te begrijpen - en patiënten te helpen een tandpasta te kiezen die hen van de pijn van gevoelige tanden afhelpt."

Onze deskundige partners hebben ons geleerd dat begrijpen hoe een tandpasta werkt, de zorg voor patiënten kan verbeteren. De New Yorkse tandarts Dr Liz Mitrani zegt: "Als ik de wetenschap achter een tandpasta begrijp, geeft me dat het vertrouwen om het aan te bevelen. Als ik kan visualiseren hoe het werkt - en het aan patiënten kan uitleggen - is de kans veel groter dat ze ons advies opvolgen."

Dat is een geweldige beloning. En het is wat ons motiveerde om naar de ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) te gaan - om tandartsen te helpen deze microscopische wetenschap in detail te begrijpen.²¹

Synchrotronwetenschap

Het ESRF is een baken voor de wetenschap, met synchrotrontechnologie die enkele van 's werelds meest revolutionaire ontdekkingen mogelijk maakt. In het werk van Nobelprijswinnaars hebben wetenschappers het ESRF bijvoorbeeld gebruikt om de structuur van het ribosoom te ontrafelen.⁷ Het ESRF speelt ook een belangrijke rol in de ontwikkeling van antivirale geneesmiddelen en in de zoektocht naar vaccins tegen COVID-19.⁸

De uitzonderlijke eigenschappen van het synchrotron gaan zelfs verder dan alleen röntgenstraling en helpen bij het ontrafelen van de geheimen van virussen en vitale organen tot batterijen, glas en de perkamenten van Herculaneum. Nu, in nooit eerder gedaan wetenschappelijk onderzoek, belicht het ESRF tanden - waardoor we kunnen zien wat er in de loop van de tijd in 3D gebeurt in de dentinale tubuli na het gebruik van .

Werkingsduur

De wetenschap van overgevoeligheid van dentine is aangetoond met conventionele beeldvormingstechnieken die het effect van tandpasta op kleine monsters van dentinetubuli hebben aangetoond. Hoewel technieken zoals gefocusseerde ionenbundelscanningelektronenmicroscopie (FIB-SEM) een ultrahoge resolutie bieden, hebben ze een klein gezichtsveld. Synchrotrons kunnen veel grotere gebieden in 3D onderzoeken. In microscopisch detail. En met hoge snelheid.

Waar FIB-SEM onderzoeken slechts 30 tot 40 tubuli per keer kunnen analyseren, kunnen synchrotrons duizenden tubuli scannen in slechts een paar minuten met één enkele scan. Dit geeft een representatiever beeld van wat er zich binnenin een tand afspeelt. We kunnen zien hoe ver de vulling zich uitstrekt en hoe lang deze daar blijft.

Op dezelfde manier zijn de meeste conventionele technieken destructief: wetenschappers moeten monsters uitsnijden om binnenin te kunnen kijken, wat betekent dat voor elke scan een ander monster nodig is. Synchrotron-beeldvorming is niet-destructief, wat betekent dat onderzoeken op dezelfde tandbuisjes op verschillende intervallen kunnen worden uitgevoerd, waardoor het mogelijk is om het effect van een dentrifirce op de evolutie van de vulling in de loop van de tijd te visualiseren. Het is een poort naar 4D-beeldvorming, waarbij de vierde dimensie tijd is. De techniek heeft het potentieel om de behandeling van gevoelige tanden te veranderen.

Bescherming van dentine

We werken al zo'n tien jaar aan Sensodyne Repair & Protect tandpasta en we wilden het werkingsmechanisme visualiseren van een nieuwe formule die we de afgelopen vier jaar hebben ontwikkeld: Sensodyne Repair & Protect.

De formule bevat de gepatenteerde NovaMin-technologie en natriumfluoride. Het is bewezen dat NovaMin helpt blootliggend dentine te herstellen.^9-11 NovaMin vormt een sterke hydroxyapatietlaag over blootliggend dentine en in de tubuli^9-12 - deze laag is harder dan het onderliggende dentine^13-16 Van de Sensodyne Repair & Protect-formulering is klinisch bewezen dat deze overgevoeligheid van het tandbeen verlicht en langdurige bescherming biedt.^17-19 We wilden echter verder onderzoek doen en in meer detail zien hoe het na verloop van tijd op het tandbeen werkt. Volgens Dr. Kamel Madi, medeoprichter van 3Dmagination - die de daaropvolgende time-lapse studie bij het ESRF leidde - is de synchrotron de enige plek om naartoe te gaan:

"Tubuli zijn complex en variëren van plaats tot plaats in dichtheid, diameter en oriëntatie. Obturatie is ook complex, waarbij 'obturatie' afhankelijk is van de blootstellingsdiepte en -tijd; een geobturateerde tubulus kan de potentie hebben om opnieuw te obtureren. Het meten van de obturatiediepte - en het in kaart brengen van de obturatiemechanismen in de loop van de tijd - vereist dus dynamische toegang tot de 3D-morfologie van de tubuli. Dit is eigenlijk alleen mogelijk op een synchrotron.

De time-lapse studie, die volgens Dr. Madi "lijkt op het filmen van een 3D-film", maakte gebruik van fasecontrasttomografie om de complexe kenmerken van dentine te visualiseren. "Elk monster werd geborsteld met de formule - Sensodyne Repair & Protect - en vervolgens op een monsterlijn geplaatst tussen de röntgenbron en de detector, en continu 180° bewogen. Na elke microrotatie - ongeveer 0,072° - verzamelden we een beeld van de schaduw van het monster (projectie). Dezelfde monsters werden vervolgens in kunstspeeksel gelegd om een reactie met het actieve ingrediënt te stimuleren - en opnieuw gescand op verschillende tijdstippen gedurende een periode van 8 uur. De projecties, duizenden stuks, werden vervolgens gereconstrueerd tot een 3D-beeld in de analysekorven." (figuur 1).

Afbeelding 1: Visualisatie van de gemiddelde occlusiediepte (µm) in dentinemonsters die in vitro zijn behandeld met een tandpastasamenstelling op basis van Sensodyne Repair & Protect NovaMin (N) (met 5% NovaMin).²⁰

Maak het onzichtbare zichtbaar

Het onderzoek toonde aan dat de nieuwe formulering diep doordringt in de microstructuur van de tubuli en de robuuste reparatielaag vormt op het dentineoppervlak voor langdurige bescherming tegen gevoeligheid. Opnieuw wendden we ons tot conventionele beeldvorming om de radiografische analyse te valideren. Dezelfde monsters die bij de ESRF werden gebruikt, werden naar de Cavendish Microscopy Suite van de Universiteit van Cambridge gebracht voor beeldvorming en FIB-SEM analyse.

FIB-SEM biedt hogeresolutiebeeldvorming die helpt te begrijpen wat er in de tubuli gebeurt. Dr. Richard Langford, hoofd analyse in de Cavendish Microscopy, legt uit:

"We gebruikten een ionenbundel om de monsters te snijden en onderzochten vervolgens de gesneden kant met een elektronenbundel. Dit werd verschillende keren herhaald om een 3D-visualisatie van de occlusie onder het oppervlak op te bouwen. We gebruikten ook een derde techniek, transmissie-elektronenmicroscopie, om de chemische en structurele samenstelling van het vulmateriaal te onderzoeken.

"De studies toonden aan dat de nieuwe formule [Sensodyne Repair & Protect] een diepe obturatie van de tubuli en de fixatie van fluor in het gevormde materiaal mogelijk maakte. Uiteindelijk konden we met de FIB-SEM-studie de synchrotrongegevens valideren: de gemiddelde obturatiediepte die werd waargenomen was vergelijkbaar met die berekend op basis van de röntgenbehandeling."

Gigantische machines voor de kleinste details

Grote wetenschap voor kleine momenten

Dr. Mitrani gelooft dat de wetenschappelijke vooruitgang die uit de onderzoeken voortvloeit de mondgezondheid alleen maar kan verbeteren. "Het is spannend om meer te weten te komen over de wetenschap en het mechanisme op microscopisch niveau te begrijpen - want dat is onze basis. Zodra we die basis begrijpen, kunnen we erop voortbouwen om met meer vertrouwen producten voor te schrijven."

Op de langere termijn zou het synchrotrononderzoek kunnen leiden tot een stapsgewijze verandering in tandpastatechnologie. "Het onderzoek heeft een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we naar gepoetste tanden kijken - het stelt ons in staat om in duizenden buisjes te kijken en de veranderingen die optreden in 3D te observeren. Er staat ons nog veel te wachten, maar deze opwindende techniek zal nieuwe deuren openen voor het optimaliseren van tandpasta en het ontwerpen van formules op maat."

De wetenschap van gevoeligheid blijft zich ontwikkelen en dit is een spannend verhaal voor patiënten. Want het kostte vier jaar aan laboratoriumtesten - en het felst denkbare licht - om te laten zien hoe diep Sensodyne Repair & Protect gaat. Maar er is maar een fractie van een seconde nodig - en een slok ijskoude limonade - om te bewijzen dat het in het echte leven werkt.

Grote wetenschap voor kleine speciale momenten. Omdat het leven te kort is voor gevoeligheid.