Effects of genetic and environmental alterations on the birefringence of dental enamel organic matrix

Orientador: Sergio Roberto Peres LineTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Odontologia de PiracicabaResumo: O esmalte envolve a porção coronária dos dentes e constitui a estrutura mais mineralizada do corpo vertebrado. Seu desenvolvimento tem início com secreção, processamento proteolítico e auto-agregação de uma complexa mistura de proteínas. O estabelecimento de uma matriz orgânica ordenada parece ser fundamental para a formação adequada da fase mineral do esmalte. Microscopia de luz polarizada mostra que a matriz orgânica do esmalte secretório (MOES) apresenta-se fortemente birrefringente em cortes não corados de 5 µm de espessura. Esta propriedade reflete alto grau de organização em nível molecular com possível relevância funcional. Alterações no brilho de birrefringência da MOES podem indicar desordens moleculares e estar associadas a alterações na formação da fase mineral. Atraso no processo de fixação da MOES pode levar a uma rápida perda de sua birrefringência, comprometendo o seu estudo por meio de microscopia de luz polarizada. No presente trabalho, analisaram-se os efeitos do nocauteamento dos genes Amelx e Mmp20 (experimento 1), dos bisfosfonatos (experimento 2) e de inibidores de serina proteinases e metaloproteinases (experimento 3) sobre a birrefringência da MOES. O experimento 1 mostrou quecamundongos fêmeas Amelx+/- apresentam redução significativa no brilho debirrefringência quando comparados aos animais Amelx+/+ do mesmo gênero (p=0,0029). A MOES dos camundongos fêmeas Amelx-/- não exibiu birrefringência. Os camundongos Mmp20-/- mostraram uma expressiva diminuição nos valores de retardo ótico em comparação aos camundongos Mmp20+/+ e Mmp20+/- (p=0,0000). Os animais Mmp20+/+ e Mmp20+/- apresentaram birrefringência semelhante (p=1,0000). O experimento 2 mostrou que ratos tratados com alendronato de sódio não apresentam alterações morfológicas na MOES, mas exibem diminuiçãoexpressiva no brilho de birrefringência quando comparados a ratos controles (p0,05). O experimento 3 mostrou que a fenantrolina (inibidora de metaloproteinases, como a Mmp20) e o fenilmetilsulfonil fluoreto (inibidor de serina proteinases, como a Klk- 4) preservam a birrefringência da MOES ex vivo. Os resultados aqui apresentados sugerem que: 1) a birrefringência da MOES depende da organização supramolecular das amelogeninas e é influenciada pela atividade proteolítica da Mmp20; 2) o alendronato de sódio pode induzir alterações quantitativas na organização supramolecular da MOES; 3) o etidronato dissódico não altera a ordem molecular da matriz orgânica do esmalte secretada e pode induzir defeitos no esmalte maduro através de interferência direta sobre a atividade secretora dos ameloblastos; 4) a rápida perda de birrefringência da MOES em amostras não imediatamente fixadas é resultante da atividade de proteinases do esmalte. Palavras-chave: Esmalte dentário, Birrefringência, Bisfosfonatos, Fenantrolina, Fenilmetilsulfonil fluoretoAbstract: Enamel covers dental crown and is the most mineralized structure in the vertebrate body. Its development begins with the secretion, processing and selfassembly of a complex mixture of proteins. The establishment of an ordered organic matrix seems to be a crucial step for the proper formation of enamel mineral phase. Polarizing microscopy shows that the secretory-stage enamel organic matrix (SEOM) is strongly birefringent in non-stained 5 µm-thick sections. This property indicates high level of molecular organization, which may be physiologically important. Changes in SEOM birefringence brightness may reflect molecular disorders and may be associated with alterations in the forming enamel mineral phase. Delay in fixation of SEOM may lead to rapid loss of birefringence, impairing analysis of that tissue with polarized light microscopy. In the present work, we analyzed the effects of Amelx and Mmp20 knocking out (experiment 1), bisphosphonates (experiment 2) and metallo and serine proteinases¿ inhibitors (experiment 3) on SEOM birefringence. Experiment 1 showed that Amelx+/- female mice exhibit a significant reduction in the birefringence brightness when compared to Amelx+/+ female animals. (p=0.0029). The SEOM from Amelx-/- female mice did not show birefringence. Mmp20-/- mice presented an expressive reduction in the optical retardation values in comparison to Mmp20+/+ and Mmp20+/- animals (p=0.0000). Mmp20+/+ and Mmp20+/- mice presented similar birefringence (p=1.0000). Experiment 2 showed that rats treated with sodium alendronate do not present morphological alterations in the SEOM, but exhibit significant decrease in the birefringence brightness when compared to control rats (p0.05). Experiment 3 evidenced that 1,10-phenanthroline (metalloproteinase inhibitor) and phenylmethylsulphonyl fluoride (serine proteinase inhibitor) preserve SEOM birefringence brightness ex vivo. The results presented here support the following conclusions: 1) SEOM birefringence results from amelogenin supramolecular organization and is influenced by proteolytic activity of Mmp20; 2) sodium alendronate can induce quantitative changes in the supramolecular organization of the SEOM; 3) bisodic etidronate does not disturb molecular order of the secreted enamel organic matrix and may induce changes in mature enamel by affecting directly secretory activity of ameloblasts; 4) rapid loss of birefringence in no immediately fixed SEOM is caused by the activity of enamel proteinases. Key Words: Dental enamel, Birefringence, Bisphosphonates, Phenanthroline, Phenylmethylsulphonyl FluorideDoutoradoHistologia e EmbriologiaDoutor em Biologia Buco-Denta