1. Evaluación de la liberación in vivo de iones metálicos a partir de aparatología ortodóncica en diversas matrices y sus potenciales efectos tóxicos
- Author
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Martín Cameán, Ana María, Solano Reina, José Enrique, Iglesias Linares, Alejandro, Jos Gallego, Ángeles Mencía, and Universidad de Sevilla. Departamento de Estomatología
- Subjects
toxicología ,estomatología y ortodoncia - Abstract
RESUMEN Resumen La biocompatibilidad de la aparatología ortodóncica es una fuente de investigación en los últimos años ya que está íntimamente relacionada con la liberación de iones metálicos al organismo humano e inducción potencial de efectos biológicos. Dentro del medio intraoral, durante un tratamiento de ortodoncia, que habitualmente comprende 2-3 años, las células orales están en contacto directo con la aparatología ortodóncica. Así mismo, la cavidad oral es un medio ideal para los procesos de corrosión, dadas sus características de humedad, pH y microbiológicas. La aparatología ortodóncica está compuesta por bandas, brackets, arcos y muelles, entre otros dispositivos. A lo largo de los años, los materiales ortodóncicos han evolucionado siguiendo las necesidades de los tratamientos, apareciendo materiales como la aleación níquel-titanio en los años 70, que se caracteriza por un 55% de níquel y 43% de titanio, utilizándose en las primeras fases de tratamiento para el alineamiento y nivelación. Así mismo, aparecieron materiales como el acero, ßTi y TMA (titanio-molibdeno-aluminio). Con el fin de englobar la literatura ortodóncica en relación a la liberación de metales en la cavidad oral, se realizó una revisión de los estudios más recientes examinando tanto la propia liberación de iones metálicos, como los efectos tóxicos de dichos iones con especial interés en su citotoxicidad y genotoxicidad. Estudios previos sugieren que se debe realizar un análisis de cada caso para tener conciencia del aumento de la variabilidad de los materiales, su composición y los procesos de manufacturación. Los estudios acerca de la toxicidad in vivo son escasos, por lo que se deberían realizar nuevas investigaciones para intentar clarificar los resultados contradictorios existentes hasta la actualidad, así como para investigar los mecanismos tóxicos implicados en los efectos observados, con especial énfasis en el daño oxidativo. Por otra parte, son necesarios nuevos estudios de monitorización in vitro e in vivo que permitan establecer relaciones de causa-efecto entre la liberación de iones metálicos y biomarcadores de citotoxicidad y genotoxicidad. Los resultados de esta revisión dieron lugar a la siguiente publicación: IN VITRO AND IN VIVO EVIDENCE OF THE CYTOTOXIC AND GENOTOXIC EFFECTS OF METAL IONS RELEASED BY ORTHODONTIC APPLIANCES: A REVIEW (Martín-Cameán A y col., 2015. Enviado a Environmental Toxicology and Pharmacology, en revisión). Además, se ha llevado a cabo una revisión sistemática siguiendo las directrices PRISMA (Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses (PRISMA). Empleando tanto fuentes electrónicas [CENTRAL,MedLine;SCOPUS; EMBASE, Cochrane Library, ISI Web of Science, PASCAL, OVID HealthSTAR, y EBM] y búsquedas manuales [OpenGrey; Google Scholar] se analizaron los efectos cito/genotóxicos de este tipo de aplicaciones ortodoncias en humanos. Se seleccionaron 17 artículos y 6 estudios finalmente cumplieron los criterios (PICOS). Se observaron diferencias significativas en la mayoría de los estudios (5 de 6) respecto a daños citotóxicos y genotóxicos después de un tratamiento corto (1-3 meses) y a mas largo plazo (24- 48 meses). Algunos estudios que evaluaron efectos post-tratamiento (2 de 3) no encontraron diferencias significativas con respecto a los controles después de eliminar las aplicaciones ortodóncicas. Se concluye por tanto, la necesidad de llevar a cabo rigurosos ensayos clinicos aleatorios para determinar la continuidad de los daños cito/genotóxicos inducidos durante el tratamiento ortodóncico en población joven (12-26 años). Los resultados de esta revisión dieron lugar a la siguiente publicación: GENOTOXIC, CYTOTOXIC EFFECTS AND GENE EXPRESSION CHANGES INDUCED BY ORTHODONTIC FIXED APPLIANCES OVER ORAL MUCOSA CELLS: A SYSTEMATIC REVIEW. Martín-Cameán A et al., 2015. Submitted to Dental Materials (under revision) Diversos estudios han evaluado la liberación de iones metálicos a partir de aparatología ortodóncica en fluidos biológicos. La liberación de los elementos se ha medido principalmente mediante espectrometría de absorción atómica (AAS), espectrometría de emisión atómica con plasma acoplado inductivamente (ICPAES) o a través de espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS). La mayoría de ellos han concluido que no se alcanzan concentraciones tóxicas en saliva y suero. Sin embargo, concentraciones no tóxicas pueden ser suficientes para producir cambios biológicos en la mucosa oral. Debido a que la liberación de metales en células de mucosa oral, que han estado en contacto prolongado con la aparatología fija, en pacientes de ortodoncia se ha estudiado mínimamente y no existen datos de validación previa disponibles, consideramos de importancia desarrollar y optimizar un procedimiento analítico para determinar titanio (Ti), vanadio (V), zirconio (Zr), cobalto (Co), cromo (Cr), cobre (Cu) y níquel (Ni) en células de mucosa oral en pacientes con y sin tratamiento de ortodoncia mediante ICP-MS. El procedimiento analítico se basa en la extracción y digestión de las muestras en medio ácido y cuantificación simultánea de los elementos. El método fue validado adecuadamente: la ecuación de regresión fue calculada a partir de los estándares preparados en la misma matriz sin células de mucosa oral y el rango lineal fue de 0.5-50.0 ng/mL para el Zr, de 5.0-50.0 ng/mL para Ti y V, y de 2.0-100.0 ng/mL para Co, Cr, Cu y Ni. Los límites de detección fueron de 0.9, 2.8 y 0.4 ng/mL para Ti, V y Zr, respectivamente; mientras que fueron de 0.10, 0.38, 0.49 y 0.67 ng/mL para Co, Cr, Cu y Ni, respectivamente. Los límites de cuantificación fueron de 1.8, 3.4 y 0.7 ng/mL para Ti, V y Zr, respectivamente, mientras que fueron de 0.20, 1.13, 0.98 y 1.81 ng/mL para Co, Cr, Cu y Ni, respectivamente. Los porcentajes de recuperación (%) obtenidos oscilaron entre 101-108 para el Ti, 98-111 para el V, 92-104 para el Zr, 104-109 para el Co, 103-107 para el Cr, 106-113 para el Cu y 84-110 para el Ni. Los datos de precisión intermedia (RSD%) fueron adecuados para todos los elementos, a los tres niveles de concentración elegidos. El método resultó robusto para los tres factores que se consideraron en el proceso de tratamiento de la muestra: tiempo de calentamiento, volumen de agua desionizada, y volumen de HNO3 PlasmaPure 65% utilizado para diluir las muestras, lo cual permite su validación y aplicación a células de mucosa oral en pacientes ortodóncicos. Los métodos validados se aplicaron con éxito a la determinación de la liberación de dichos iones metálicos en 40 pacientes, 20 de los cuales se encontraban bajo tratamiento de ortodoncia (13-15 meses) y 20 individuos control. Se evaluaron los resultados obtenidos, encontrándose contenidos significativamente superiores de Co, Cr , Cu y Ni en el grupo tratado en comparación con el grupo control, siendo las concentraciones detectadas inferiores a las Ingestas diarias tolerables (IDT) (Ni, Co) o a sus niveles máximos de ingesta tolerable establecidos (UL) de los elementos estudiados (Cr, Cu). Los resultados de estos experimentos han dado lugar a las siguientes publicaciones: VALIDATION OF A METHOD TO QUANTIFY TITANIUM, VANADIUM AND ZIRCONIUM IN ORAL MUCOSA CELLS BY INDUCTIVELY COUPLED PLASMA-MASS SPECTROMETRY (ICP-MS) (Martín Cameán A y col., 2014. Talanta 118:238-244) DEVELOPMENT AND VALIDATION OF AN INDUCTIVELY COUPLED PLASMA MASS SPECTROMETRY (ICP-MS) METHOD FOR THE DETERMINATION OF COBALT, CHROMIUM, COPPER AND NICKEL IN ORAL MUCOSA CELLS (Martín-Cameán A y col., 2014. Microchemical Journal 114:73-79) La cavidad oral es un medio particularmente ideal para la biodegradación de metales debido a sus propiedades iónicas, térmicas, microbiológicas y enzimáticas. En este contexto, las aleaciones ortodóncicas emiten corrientes electrogalvánicas tomando como medio la saliva, produciendo una liberación de iones metálicos a la mucosa oral. Diversos factores afectan a la liberación de iones, tales como el proceso de manufacturación, tipo de aleación, características de la superficie del material y envejecimiento de la aleación. Los metales no son biodegradables, y su liberación constante puede producir efectos tóxicos irreversibles debido a su acumulación en los tejidos. El pelo de cuero cabelludo humano es un vehículo de excreción de sustancias diversas (metales pesados, drogas de adicción etc.,), llegando a estar considerada esta matriz no invasiva como uno de los materiales biológicos más importantes de monitorización ambiental. A pesar de las numerosas ventajas que presenta el pelo en biomonitorización humana, los procedimientos analíticos para la determinación de liberación de metales en ortodoncia en dicha matriz son escasos, existiendo únicamente un estudio preliminar (procedimiento no validado, muy escaso número de pacientes) que demostró la no existencia de diferencias significativas en el contenido de algunos elementos metálicos en pelo de pacientes bajo tratamiento. Nuestro estudio se centró en la evaluación de niveles de Cu, Cr, Fe, Mn y Ni en pelo humano de una amplia población tratada con aparatología ortodóncica (n=70) para determinar, si la concentración de un metal dado estaba influenciado por el tratamiento ortodóncico en comparación a un grupo control (n=56). Los niveles de los compuestos metálicos se determinaron a través de espectrometría de absorción atómica (AAS), con diferentes modalidades, llama (Cu, Fe) y cámara de grafito (GF-AAS) (Cr, Mn, Ni). Se estudió la influencia de factores individuales (género, edad) en las concentraciones de metales, se estudiaron interacciones interelementales mediante la evaluación de coeficientes de correlación entre elementos, así como mediante un análisis de regresión múltiple. Las diferencias en el contenido metálico en pelo fue significativamente mayor sólo en el caso de Mn cuando se comparó con el grupo control, aunque los contenidos pueden considerarse de la misma magnitud que otras poblaciones control y, consecuentemente, no se asocian a riesgos debidos al tratamiento. El tratamiento de ortodoncia incrementó significativamente los niveles de Mn en pacientes jóvenes ( BIOMONITORIZATION OF CHROMIUM, COPPER, IRON, MANGANESE AND NICKEL IN SCALP HAIR FROM ORTHODONTIC PATIENTS BY ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY (Martín-Cameán A y col., 2014. Environmental Toxicology and Pharmacology 37:759-771). Los microtornillos se utilizan, a día de hoy, habitualmente en los tratamientos de ortodoncia gracias a sus buenos resultados en la práctica clínica. Estos aditamentos se han popularizado ampliamente debido a su simplicidad en el manejo, bajo coste y la mínima necesidad de colaboración por parte del paciente. A pesar del elevado uso de los microtornillos en ortodoncia recientemente, los datos en la literatura ortodóncica en relación a su biocompatibilidad son muy escasos. Algunos metales propios de su composición como Ni y Cr pueden causar hipersensibilidad, dermatitis, asma y citotoxicidad. Así mismo, tienen un potencial genotóxico y carcinogénico significativo, efectos no relacionados con la dosis de exposición. La evaluación de los agentes genotóxicos se puede llevar a cabo mediante el análisis del daño de ADN primario, como se realiza en el ensayo cometa o “alkaline single cell gel electrophoresis”. Este ensayo es el método de elección para la medición de daño de ADN en células humanas en poblaciones expuestas a agentes genotóxicos. Hasta ahora, no existían estudios acerca del potencial genotóxico de los microtornillos en células de mucosa oral en humanos. Teniendo en cuenta la ausencia de estudios en este campo, el objetivo de nuestro estudio fue investigar el daño de ADN en células bucales de pacientes en tratamiento de ortodoncia mediante el ensayo del cometa en comparación con pacientes en tratamiento ortodóncico con microtornillos, y con respecto a un grupo control no tratado y un grupo de personas fumadoras (grupo control positivo). En el grupo de pacientes con tratamiento ortodóncico y en el de ortodoncia+microtornillos se obtuvo un incremento significativo (2 veces más) de %ADN en la cola del cometa en comparación con el grupo control. Las mujeres mostraron un aumento significativo del %ADN en todos los tratamientos en comparación con el grupo control, mientras que los hombres mostraron daño de forma significativa únicamente en el grupo de ortodoncia y microtornillo. En conclusión, la aparatología ortodóncica convencional induce genotoxicidad, y la incorporación de los microtornillos estudiados no implica un aumento adicional de daño del ADN. Los resultados de este experimento dieron lugar a la siguiente publicación: EVALUATION OF GENOTOXICITY OF ORTHODONTIC MINISCREWS ON MUCOSA ORAL CELLS BY THE ALKALINE COMET ASSAY (Martín- Cameán A y col., 2014. Toxicology Mechanisms and Methods, aceptado abril 2015) Tras confirmar el efecto genotóxico de la aparatología ortodóncica y la inocuidad de los microtornillos en cuanto al daño celular adicional, quisimos cuantificar las diferencias en la liberación de metales como el aluminio (Al), cobre (Cu), cromo (Cr), manganeso (Mn), níquel (Ni), titanio (Ti) y vanadio (V) en células orales de pacientes bajo tratamiento ortodóncico convencional (brackets, bandas y arcos) en comparación con pacientes tratados adicionalmente con microtornillos, y con, respecto a un grupo control, utilizando ICP-MS. Las resultados obtenidos revelaron el siguiente orden ascendente: Cr < Ni < Ti < Cu < Al, y el Co y V fueron prácticamente no detectados. Se encontraron diferencias significativas en comparación con el grupo control para el Cu en el grupo ortodóncico, y para el Ni en ambos grupos, tanto grupo ortodóncico como grupo ortodoncia+microtornillo. Se realizaron correlaciones potenciales entre los elementos metálicos, encontrándose una correlación positiva Al/Ti, y en relación a varios factores clínicos. Se concluye que los microtornillos no incrementan de forma significativa la liberación de metales. Los resultados de este experimento dieron lugar a la siguiente publicación: IN VIVO DETERMINATION OF ALUMINIUM, COBALT, CHROMIUM, COPPER, NICKEL, TITANIUM AND VANADIUM IN ORAL MUCOSA CELLS FROM ORTHODONTIC PATIENTS WITH MINI-IMPLANTS BY INDUCTIVELY COUPLED PLASMA-MASS SPECTROMETRY (ICP-MS) (Martín-Cameán A y col., 2015. Enviado a Journal of Trace Elements in Medicine and Biology, en revisión) Para finalizar, teniendo en cuenta los resultados derivados de los experimentos realizados en la presente Tesis Doctoral, queda demostrada la liberación de iones metálicos a partir de aparatología ortodóncica, incluyendo microtornillos, a partir de pelo y células de mucosa oral, y su componente genotóxico, contribuyendo de esta forma a ampliar el conocimiento que actualmente podemos encontrar en la bibliografía científica en relación a estos materiales. A la vista de los antecedentes bibliográficos expuestos anteriormente, se constata la necesidad de actualizar de forma global y sistemática las últimas contribuciones al avance del conocimiento sobre la biocompatibilidad de los materiales ortodóncicos considerando las últimas aportaciones que se hayan publicado sobre la liberación de los elementos metálicos a partir de los mismos y sus principales efectos tóxicos, haciendo especial hincapié en los estudios de citotoxicidad y genotoxicidad realizados con este tipo de materiales en células de la mucosa oral, habida cuenta del potencial citotóxico y genotóxico de muchos de ellos. En este sentido, se plantearon revisiones bibliográficas que implican una puesta al día de los efectos citotóxicos y genotóxicos que pueden presentarse potencialmente tras la liberación de diversos cationes metálicos, como Ni, Cr, Co, Fe, Cu, revisando los aspectos toxicológicos más relevantes de los mismos; incluyendo una revisión sistemática enfocada sobre una de las matrices objeto de este estudio, células de mucosa oral, que incluya específicamente los efectos agudos celulares y sobre el ADN inducidos por contacto directo con las aplicaciones ortodóncicas. Al constatarse la escasez de métodos adecuados que permitan valorar in vivo la liberación de elementos metálicos mediante diversas técnicas espectroscópicas, y que los aplicados hasta la actualidad carecían de validación, se decidió desarrollar, optimizar y validar métodos que permitieran cuantificar de forma simultánea, exacta y reproducible los elementos que potencialmente pueden liberarse de aplicaciones ortodoncias fijas, en células de mucosa oral de pacientes mediante la técnica de Emisión de Plasma acoplado inductivamente- Espectrometría de Masas (ICP-MS). Por otro lado, se ha considerado necesario investigar la utilidad del pelo como nueva matriz para cuantificar y valorar la exposición a metales procedentes de lixiviados a partir de aparatología ortodóncica de forma crónica, identificando así los riesgos tóxicos a largo plazo, empleando la técnica de Espectrometría de Absorción atómica (AAS). Debido a la implantación cada vez mayor del uso de mini-implantes en ortodoncia, nos resultó interesante identificar y valorar la posible contribución que puede suponer su empleo en la liberación de metales iónicos en la mucosa oral de pacientes, así como investigar sus posibles efectos genotóxicos in vivo, utilizando para ello el ensayo cometa, siendo estas investigaciones pioneras en el caso de mini-implantes. Por todo ello, los objetivos específicos propuestos en la presente Tesis Doctoral han sido: 1. Realizar una revisión de actualización de la bibliografía científica sobre los efectos tóxicos, en particular citotóxicos, y genotóxicos inducidos por aparatología ortodóncica in vitro, e in vivo. Además, se revisará de forma sistemática la literatura científica relativa a las células de la mucosa oral, una de las matrices objeto de estudio. 2. Desarrollar y validar métodos analíticos-toxicológicos, incluyendo ensayos de robustez, que permitan la cuantificación simultánea de la liberación de elementos metálicos diversos, como Co, Cr, Cu, Ni, Ti, V y Zr a partir de aparatología ortodóncica in vivo, en células de mucosa oral de pacientes tratados, por Espectroscopia de Plasma inducido acoplado a Espectrometría de Masas ( ICP-MS). 3. Investigar la idoneidad del pelo como matriz no invasiva que permita evaluar la potencial acumulación de metales in vivo en pacientes tratados con aplicaciones ortodoncias fijas, en comparación con una población control. Estudiar la posible interrelación entre dichos elementos metálicos liberados, y valorar si las posibles diferencias de los contenidos de cationes metálicos cuantificados en ambas poblaciones pueden estar ligadas bien a factores humanos (edad, sexo), y/o factores ligados a los tratamientos (tiempo de tratamiento, maloclusión, extracción). 4. Evaluar in vivo la contribución que puede suponer el empleo de microtornillos en la liberación de metales en células de mucosa oral de pacientes sometidos a un tratamiento ortodóncico. Investigar posibles interrelaciones de los contenidos metálicos entre sí, y su relación con el tipo de tratamiento. 5. Poner a punto y optimizar el ensayo del cometa in vivo en células de mucosa oral humana y su aplicación para valorar daños genotóxicos derivados de las aplicaciones ortodoncicas fijas y mini-implantes en pacientes sometidos a dichos tratamientos. Esta Tesis Doctoral esta estructurada como una recopilación de artículos científicos. Los tratamientos ortodóncicos y la obtención de muestras se ha llevado a cabo en las instalaciones de la Clínica Universitaria de la Facultad de Odontología de la Universidad de Sevilla. Los estudios han contado con la aprobación del Comité Ético de la Universidad de Sevilla, y con el consentimiento escrito firmado por todos los pacientes. El trabajo experimental se ha realizado en el Área de Toxicología de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Sevilla, haciendo uso así mismo de las instalaciones de los Servicios de Biología, Microscopía y de Radioisótopos del Centro de Investigación, Tecnología e Innovación de la Universidad de Sevilla (CITIUS). Asimismo, las investigaciones sobre la determinación de metales en pelo se han llevado a cabo en los laboratorios del área de Toxicología del Departamento de Medicina Legal, Toxicología y Antropología Física de la Universidad de Granada, gracias a la colaboración de la Dra. Molina-Villalba, y muy especialmente al trabajo y supervisión del Profesor Dr. Fernando Gil Hernández, Catedrático de Toxicología de la Universidad de Granada. Siguiendo la normativa de la Universidad de Sevilla, el resumen, la justificación y objetivos, y las conclusiones se redactan tanto en castellano como en inglés para optar a la “Mención Internacional en el Título de Doctor”.
- Published
- 2015