来源:科研圈

聚焦在牙齿研究上的科学家,有的在找怎么补牙,有的在看怎么长牙,有的专门去找蛀牙研究古代人的生活。不得不说,这项工作真的酷爆了。

撰文 ESTHER LANDHUIS

翻译 卓思琪

审校 阿金

研究者小心操作着医用牙钩和牙钻来治疗牙齿问题,从我们远古祖先那不那么洁白的牙齿上“阅读”着他们的健康史。DRAGONIMAGES/ISTOCKPHOTO 研究者小心操作着医用牙钩和牙钻来治疗牙齿问题,从我们远古祖先那不那么洁白的牙齿上“阅读”着他们的健康史。DRAGONIMAGES/ISTOCKPHOTO

几年前,Dean Ho 被一块三明治磕了牙。虽然他的牙医帮他补上了,但没过几个月牙齿又开始摇摇晃晃。这是他在加州大学牙科分校工作的时,一个意外的“惊喜”。

“我觉得这是我一辈子最痛苦的事情了。”Ho 回忆道。他是一名生物工程师,带领实验室利用科学、工程理论解决着生物学和药学上的问题。

Ho 的牙根内部受到了感染,需要进行根管治疗。许多病人惧怕这个过程:牙医用牙钻钻到牙齿内部,然后刮掉受到感染的组织;之后,将牙齿上钻出的洞用类似橡胶的材料堵上。

不过 Ho 对这个填洞的过程却十分感兴趣。

他那时候其实不太明白牙根管是什么。这可能算是一个惊喜了,因为他现在在加州大学牙科学院工作了。但是他不对付病人,而是一个生物工程师。他领导着一个实验室,这个实验室用科学、工程的原则来解决生物和药学上的问题。

他躺在牙科椅上,嘴里插着各种各样的管子、牙医工具,抬着手玩手机。哦不,他其实是在和牙医进行打字交流。

“你在做什么?”“会不会疼?”“还要多久?”

他的问题充满了手机屏幕。

而当根管治疗结束之后,Ho 又有了更多的问题——这次是作为一个生物工程师会提出的问题。他对牙齿填充材料感到好奇,所以问道:“嘿,伙计,这材料是不是有什么特别之处?有没有其他材料可以更好?”

这样的想法如同一把钥匙,打开了创造新材料的大门,为改善根管治疗造福后代铺设了道路。

不过,在牙齿上“灵光一闪”的科学家可不止 Ho一人。一位波士顿的生物学家在实验室培养牙齿的时候也受到了类似的启发。对一个考古学家,那些坏掉的牙齿如今也转变成了福音,其中镶嵌的 DNA 片段能为他们提供古代文明中人们饮食和疾病的信息。

更好的牙齿填充材料

感染会对根管病患带来疼痛。就算牙医对其进行了治疗,但填充牙齿空洞的工作并不完美。这一部位还可能存在着一些漏洞,给细菌留下了再次侵入的机会。

纳米金刚石尺寸微小、拥有规则的碳原子结构。该图展示了原子级别的纳米金刚石膜性。由于它多表面的结构可与多种分子相连,因此这些纳米颗粒常用于药物治疗。如今,它作为牙齿填充物也很受欢迎。 AmericanChemical Society/Dean Ho Group 纳米金刚石尺寸微小、拥有规则的碳原子结构。该图展示了原子级别的纳米金刚石膜性。由于它多表面的结构可与多种分子相连,因此这些纳米颗粒常用于药物治疗。如今,它作为牙齿填充物也很受欢迎。 AmericanChemical Society/Dean Ho Group

琢磨着这些问题, Ho 有了想法。Ho 的实验室近年一直在研究金刚石——这里可不是说的商店中闪闪发亮的钻石珠宝,而是超小尺寸的纳米金刚石。它们由一组组碳原子组成。每组比千分之一的头发丝还要小。2007年,Ho 的小组展示了这类纳米金刚石的碳碎片,它们拥有非同寻常的弯曲韧性和强度。这一特性允许这些碳碎片应用到其他重要项目上,比如携带细胞毒性药物去杀死癌细胞。至此,Ho 的团队找到了纳米金刚石更多的用处。利用该材料可以得到更加锐化清晰的医学影像,还能帮助骨骼再生。

此时,在牙医的办公室的 Ho 有了另一个主意。用纳米金刚石来制作更好的根管填充物如何?

和普通金刚石一样,纳米金刚石非常坚硬。把它们掺入材料可以增加材料的硬度。这些纳米金刚石也能很好的与化合物链接——比如杀菌药物。这些抗生素可抑制感染。将携带药物的纳米金刚石掺入到现有的填充材料之中,可以让根管治疗变得更加可靠。同时,Ho 认为,这样的材料能保护牙齿不再受到感染。

回到实验室,Ho 和他的同事便开始设计这一款新型填充剂。他们将这种材料和常用材料相对比。实验用的是已经从病人口中拔出来的牙齿。为了填充一颗受感染的牙齿,填充剂在填充的时候需是粘稠的状态,但是凝固后要变得坚硬。纳米金刚石能满足这一点。而且通过实验室的测试证明,它比传统材料坚固。

研究者创造了一种更优的牙齿填充材料,该材料和纳米金刚石结合在了一起。当掺入杀菌药之后,该种材料可以阻止细菌生长。至此,研究者已经在拔出的牙齿上测试了这种材料。AmericanChemical Society/Dong-Keun Lee 研究者创造了一种更优的牙齿填充材料,该材料和纳米金刚石结合在了一起。当掺入杀菌药之后,该种材料可以阻止细菌生长。至此,研究者已经在拔出的牙齿上测试了这种材料。AmericanChemical Society/Dong-Keun Lee

这一新材料确实可以抗感染。

研究者在两种材料的表面上散播细菌,发现新材料表面的细菌死得更多。

“如果有害微生物和填充材料接触,这个药物就发挥作用杀灭它们。”Ho 说。他的团队首先在两年前的 ACS Nano上报道了该材料。目前为止他们已经利用该材料尝试着填补三个人的根管。病人在六个月之后进行复查,发现新材料状态良好,而且病人的牙齿也没有再蛀掉。研究者将这些资料报道在2017年的 PNAS 上。目前他们已经将实验扩大到30人。

Ho 希望将他的研究能够激励“未来的探险家去继续探索世界”,比如 Ho 自己还没上学的小孩。“如果让小孩子知道我做了什么,他们会不会觉得我很酷?向小孩子科普我的工作,恐怕比技术本身的应用带来的影响更大。”目前,Ho 已经和艺术家合作创作一本漫画书。这本漫画不仅仅解释了什么是纳米金刚石,还说明了纳米金刚石如何被应用。(点击查看漫画)

在实验室培育出的牙齿

有时候,牙齿烂得太彻底了,根管修复已经修复不了了。取而代之,牙医用颗假牙代替原来的牙齿,或者再重新种植牙齿。然而一般来说,假牙远不达不到理想的“取而代之”的效果。“人们不喜欢假牙,”波士顿塔夫斯大学牙科医学的生物学家 Pamela Yelick 说道。这是因为假牙不能像真牙那样去“感受”,也不能像真牙一样适应咀嚼。而且它还不便于清洗,佩戴也不舒适。

而牙齿种植有着相反的问题,Yelick 补充道。一般的牙齿连接着柔软的韧带组织,可以帮助吸收咀嚼力量。但是补牙和种植牙没有这种缓冲功能。这样一来,作用在假牙上的力或会让人感到疼痛,或让假牙破碎。

Yelick 考虑她的团队是否能优化这一点。她希望寻找到一种方法来帮助人们生长出新的牙齿。

Yelick 这一灵感最初来源于麻省理工(MIT)科学家的一场讲座。讲座上,研究者们谈论了为等待肝脏移植的小孩制作人工肝脏的研究。

什么是干细胞?

MIT 团队用干细胞来培养新肝脏。干细胞在人体内少量存在。它们除了自身可以分裂为特定的某类细胞(比如皮肤细胞,神经元或者骨细胞),还拥有生产各种不同细胞的潜能。对于这场讲座,Yelick说道:“我的思绪被吸引住了。当时我觉得这是个非常酷的主意!我们为什么不拿干细胞来培养一颗牙齿呢?”

为了实现这个想法,她的团队首先需要得到正确的干细胞——可以被养出任何细胞类型的干细胞。研究要拿它来培育牙齿。为此,他们需要一个便宜的牙齿来源。Yelick灵机一动,她找到一家猪肉厂,并说服他们为自己提供猪颌。

科学家在实验室培育出的牙齿。这里是一颗由干细胞培育得来的牙齿,干细胞是从猪的牙蕾上得到的。集中在中部的牙髓细胞,它被粉红色的牙质和搪瓷(深棕色)所围绕,坚硬的材料构成牙齿外部。WeiboZhang and Pamela C。 Yelick 科学家在实验室培育出的牙齿。这里是一颗由干细胞培育得来的牙齿,干细胞是从猪的牙蕾上得到的。集中在中部的牙髓细胞,它被粉红色的牙质和搪瓷(深棕色)所围绕,坚硬的材料构成牙齿外部。WeiboZhang and Pamela C。 Yelick

回到实验室,Yelick 的团队从可能成为臼齿的雏形中分离出牙蕾。

他们用现有的方法,在猪的牙齿上把稀有的干细胞从免疫细胞混合物中分离出来。(干细胞可以通过它们表面的蛋白质特征来识别。)研究者将干细胞放入盛满细胞营养液盘子里。盘子里还有一个支架。此后几个月,这些细胞慢慢长大,并组成了一个“漂亮的小齿冠”。这可是一个了不起的功绩。该成果还登上了2002年波士顿环球报(Boston Globe )的头版。

从那以后,Yelick 的团队开始为人类培养牙齿。他们通常使用智齿或者正牙时拔下来的牙齿来分离干细胞。研究者希望未来这一方法能成为根管治疗的一个新选择。

当然,这个想法还没实现。但是他们一些思维雏形:他们用包含牙齿干细胞的凝胶,来取代传统的橡胶样材料填充坏牙。这些细胞拥有发展成任何细胞的潜力,而后他们可以组成牙齿的结缔组织。Yelick 表示,这样一来可以让干细胞原位生长,从而替代在根管治疗中已经刮干净的腐烂组织。

在人体实验之前,Yelick 先在猪身上进行了实验。实验花费了成百上千美元。研究还需要重复多次,以得到可靠的数据。Yelick 预测这项实验可能将在未来十年内在人体上实现。

考古金矿

Ho 在考虑怎么换牙,Yeilick 在考虑怎么长牙,而 Christina Warinner 却独钟爱于腐烂的牙齿。在她眼中,烂的越彻底,价值越昂贵。

Warinner 现在在奥克拉荷马大学工作。不过一直到2020年,她都在德国马克斯普朗克人类历史科学研究所做访问学者。作为一名分子人类学家,她的工作是分析古代骨头中的 DNA。她的目标是研究古代人的生活。“牙齿是骨骼中保存得最好的部分。”

研究生 NishaPatel(左)和 Christina Warinner 将古代牙齿中取出的样品放入离心机。这可以将细胞中的古代 DNA 分离出来。他们穿着防护衣,以防止样品被污染。ChristinaWarinner

古代牙齿最有价值的是哪部分?——牙菌斑。“你的牙齿上是不是卡满了这些玩意儿?”它变得和石头一样僵硬。这允许它跨越时间的长河保存下来。唾液里的物质会覆盖牙齿,在牙齿表面形成坚硬的矿物质层。这就让牙齿不像身体其他部位那样被分解。

从 Warinner 那里得知,被牙医从我们牙齿上刮掉的那堆坚硬物质蕴含着丰富的信息。这是因为牙菌斑中包含着来自食物、口腔细菌中或者是自身口腔细胞的DNA。通过分析这些基因信息,研究者可以得到关于古代人的饮食、健康信息。

“原始人饮食法”的真相

Warinner 的团队发现,导致现代人牙龈病的病菌同样困扰着古人。另外,牙齿上的信息揭示古代人的饮食“菜单”。她的研究表明,“原始人饮食法”这个词是有误导效应的。遵从这种饮食习惯的现代人不吃奶制品和谷粒。他们只吃水果蔬菜,和那些他们相信旧石器时代(约10,000~2,600,000年前)人会吃的东西。

在书籍和海报中,常常把“原始人饮食法”描绘成新鲜健康的食物。“我不否认早餐吃鸡蛋、鳄梨和蓝莓听上去确实很美妙。” Warinner 说。但遗憾的是,她的资料显示,“古人吃的东西并不比这些食物更好、更新鲜、更甜美,而且卡路里也没那么高。”

通过研究来自来自一个中世纪(公元1100年)德国的中年男子的牙齿,人类学家可以发现很久以前人们吃什么、得什么病。ChristinaWarinner 通过研究来自来自一个中世纪(公元1100年)德国的中年男子的牙齿,人类学家可以发现很久以前人们吃什么、得什么病。ChristinaWarinner

比如说,古代野生鳄梨可食用性几乎为零——至少它比不上如今便利店里卖的丰满的哈斯鳄梨。至于胡萝卜和西蓝花,Warinner 认为这些还没有出现在,而是直到16、17世纪时才引进的。古人吃的蔬菜是跟木头一样硬,而且多纤维、粗糙不堪。今天我们则把这些视作野草或者装饰植物。另外,Warinner 补充道:“今天许多人不会把旧石器时代的食物看做是食物的。”

Warinner 回想到:小时候,有人给了她一本带有埃及象形文字的邮票集。她震惊于其中所描述的古代世界。不久之后,她就对科学产生了兴趣。年轻的她并不曾想过会融合历史学和生物学元素,但这却是现在她正在做的事情。

“我喜欢研究自然世界,理解那些事情怎么运作、为什么而运作。”在大学时代,Warinner 接触了考古学。她迷上了这条能够交织这各种其它科学的道路。“通过这门学科,我可以看到一些关于人类过去的问题。”而且,“用生化工具和技术”她可以解决这些问题,“所以我非常喜欢这样的工作。”

Warinner 的研究让她跑遍了全球。她曾在巴西伯利兹中美洲丛林火炉般的天气中进行挖掘,也在美丽寒冷的墨西哥山脉地区中翻土探索。

最近,Warinner 去了尼泊尔喜马拉雅山脉。她和考古学家们一起进行了这次高海拔考古之旅。这次是研究那些居住在世界上环境极端、高海拔的古代人类。在那里,食物和其他资源十分稀少。

团队通过挖掘的骨骼中提取 DNA 框架来重组人类基因,试图解决哪一群人最早出现。现在,他们正在尝试识别出基因遗传特点,从而确认古代人克服此处寒冷、强光和低氧的条件。

Warinner 向学生建议:“保持你的好奇,打开你的思维。我曾经也从未想到现在能做这么有趣的研究!”

原文链接 https://www.sciencenewsforstudents.org/article/cool-jobs-drilling-secrets-teeth

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