Sorriso: Imagens de microscopia eletrónica criogénica encontram a raiz da cárie dentária

Uma colaboração entre pesquisadores da Cornell University, Northwestern University e University of Virginia combinou técnicas de imagem complementares para explorar a estrutura atómica do esmalte humano, expondo pequenas falhas químicas nos blocos de construção fundamentais dos nossos dentes. As descobertas podem ajudar os cientistas a prevenir ou possivelmente reverter a cárie dentária. 

O artigo da equipe, "Chemical Gradients in Human Enamel Crystallites", foi publicado em 1º de julho na Nature. A contribuição de Cornell foi liderada por Lena Kourkoutis, professora associada em física aplicada e engenharia, Derk Joester, professor de ciência dos materiais e engenharia da Northwestern, dirigiu a pesquisa.

Graças à sua alta contagem de minerais, o esmalte dentário é uma substância resistente que pode suportar os rigores da mastigação, embora o excesso de ácido na boca possa torná-lo vulnerável às cáries. Embora os cientistas já tenham investigado os cristais que compõem o esmalte, as imagens em nano escala da sua estrutura e composição química têm sido mais difíceis de determinar. Um dos método é a microscopia eletrónica de transmissão de varredura, ou STEM, que consiste num feixe de eletrões disparado através da amostra. Mas esse processo tem os seus limites. 

"O esmalte é mecanicamente um material muito forte, mas quando o coloca no microscópio eletrónico, é muito sensível ao feixe de eletrões”, disse Kourkoutis. “Em comparação com outros materiais cristalinos que são analisados pela microscopia eletrónica, por exemplo, só se pode usar uma fração do número de eletrões num cristal de esmalte. 

Nos últimos anos, o grupo Northwestern de Joester fez imagens de materiais biológicos sensíveis com tomografia de sonda atómica, um processo que essencialmente remove átomos da superfície de uma amostra, um de cada vez, e reconstrói a estrutura do material. 

Ao mesmo tempo, pesquisadores da Cornell na PARADIM (Plataforma para a Realização, Análise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface), uma instalação de usuário apoiada pela National Science Foundation, desenvolveram uma forma de microscopia eletrónica de baixa temperatura que pode gerar imagens da estrutura atómica de amostras sensíveis à radiação. A técnica também pode mapear com segurança a composição química de uma amostra medindo quanta energia é perdida quando os eletrões interagem com os átomos. 

"Quando se opera a baixa temperatura, o material torna-se mais robusto contra danos do feixe de eletrões”, disse Kourkoutis, que dirige a instalação de microscopia eletrónica da PARADIM. "Estamos agora a trabalhar na interceção entre os desenvolvimentos nas ciências físicas que levaram a microscopia eletrónica à escala atómica e os desenvolvimentos nas ciências da vida no campo criogénico."

Os dois grupos universitários se uniram depois que Smeets, um membro do grupo de Joester, frequentou a escola de verão de PARADIM em microscopia eletrónica em 2017. Lá, aprendeu como os recursos de microscopia eletrónica criogénica de PARADIM poderiam complementar o projeto de esmalte humano da Northwestern. 

Smeets trabalhou com os alunos de doutorado de Kourkoutis, Berit Goodge e Michael Zachman, Ph.D. '18, coautores do novo artigo. O grupo realizou microscopia eletrónica criogénica em amostras de esmalte que foram resfriadas com nitrogénio líquido a cerca de 90 kelvins, ou 298 graus Fahrenheit negativos. 

Ao combinar suas técnicas complementares, os pesquisadores Cornell e Northwestern foram capazes de criar imagens de um cristalite de esmalte e da sua rede atómica de hidroxilapatita. Mas nem tudo estava claro: a rede continha distorções escuras - causadas por duas camadas nanométricas com magnésio, bem como impurezas de iões de sódio, fluoreto e carbonato perto do núcleo do cristal. 

Modelagem adicional confirmou que as irregularidades são uma fonte de deformação no cristal. Paradoxalmente, essas irregularidades e a arquitetura do núcleo-concha do esmalte também podem desempenhar um papel no reforço do esmalte, tornando-o mais resiliente. 

Os pesquisadores dizem que as descobertas podem levar a novos tratamentos para fortalecer o esmalte e combater as cáries. 

"Com base no que descobrimos, acredito que a tomografia de sonda atómica e a microscopia eletrónica correlativa também terão um tremendo impacto na nossa compreensão de como o esmalte se forma e como doenças como a hipomineralização dos incisivos molares interrompem esse processo", disse Joester. 

E as bocas não são as únicas beneficiárias da microscopia eletrónica criogénica. Kourkoutis também está a usar o processo para sondar a química em sistemas de energia, como baterias e células de combustível que contêm uma mistura de eletrólitos macios e materiais de elétrodos duros. 

A pesquisa foi apoiada pelo Instituto Nacional de Pesquisa Odontológica e Craniofacial do National Institutes of Health, pela National Science Foundation e pela University of Virginia. 

Fonte: ScienceDaily/Cornell University

Artigo SD: www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200721132848.htm