Concentraciones de elementos traza y microscopía multifotónica en dientes humanos para la estimación de la edad

Abstract

La estimación de la edad es uno de los problemas más complejos de resolver en las Ciencias Forenses, debido a la falta de consenso y precisión de los métodos, tanto en personas vivas como en fallecidas, su determinación en muchas ocasiones es crucial en la resolución de los casos. Es numerosa la metodología descrita en la literatura científica para su estimación, principalmente en huesos y en dientes. La elección de los métodos más apropiados en cada caso resulta crucial, al igual que el cumplimiento de los principios médicos, éticos y legales. Actualmente, los dientes se han convertido en una herramienta fundamental tanto en Antropología como en Odontología Forense, principalmente en los casos donde el sujeto no puede ser identificado visualmente o por otros medios, ya que los dientes son más resistentes a situaciones extremas como desastres naturales, accidentes, incendios, etc. en comparación con los huesos que pueden sufrir un mayor número de alteraciones. La dentina es, debido a su naturaleza, única y singular, una matriz biológica apropiada para el estudio del depósito de los elementos a largo plazo. La cual presenta una estabilidad elemental de su estructura y a su vez un importante dinamismo y diversidad en su composición. El objetivo general de esta tesis fue analizar, mediante diferentes técnicas instrumentales, los cambios químicos que se producen en los dientes humanos con el paso de los años, con el fin de ampliar y mejorar los métodos existentes para la estimación de la edad. El primer objetivo fue investigar en población española, un total de 25 elementos traza en 150 dentinas coronales sanas, molares y premolares. Los dientes fueron clasificados en tres grupos de edad, por sexo y por tipo de diente. Los elementos analizados fueron agrupados en esenciales o potencialmente esenciales y en tóxicos o potencialmente tóxicos, y fueron detectados en el siguiente orden de concentración Ca > P > Mg > Na > S > K > Sr > Zn > Ba > Fe > B > Ti > Mn > Cr > Ni > Cu > Co > Se > V y los tóxicos: Al > Pb > Sn > Li > As > Cd. Las técnicas usadas fueron Espectrometría de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS) y Espectrometría de emisión óptica con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-OES). El segundo objetivo fue determinar la estimación de la edad a través de 11 dientes, mediante el uso de las técnicas de microscopía multifotónica: Fluorescencia por excitación de dos fotones (TPEF) y Generación de segundo armónico (SHG). En primer lugar, a partir de la comparación de ambas señales obtenidas (ratio) y con la obtención del parámetro AGIN o SAAID (Índice de Edad). Y, por otro lado, mediante la variación del tamaño de los túbulos presentes en la dentina. El sodio, potasio, bario, níquel y cobalto son los elementos esenciales que presentan variabilidad en función del sexo. Sodio y cobalto fueron más elevados en mujeres. El plomo fue el único elemento tóxico significativamente superior en varones. Ambos tipos de dientes, molares y premolares son apropiados indistintamente para el estudio de los elementos traza en la dentina. Del total de 25 elementos analizados, diez se correlacionaron significativamente con la edad, de los cuales tres son tóxicos (Pb, Sn y Li) o potencialmente tóxicos y siete esenciales (Sr, Mg, S, K, Zn, Ba, B). Sus concentraciones medias fueron significativamente superiores al aumentar el rango de edad, con excepción del B y el Zn. Los elementos tóxicos plomo, litio y estaño se correlacionan de forma significativa y positiva entre sí y con los elementos esenciales que aumentan significativamente con la edad (Sr, Mg, S, K, Zn, Ba, B). El plomo es el elemento que mejor explica la edad en función de sus concentraciones en la dentina mediante un modelo de regresión logarítmica. El esmalte solo proporciona señal TPEF, mientras que la dentina emite señal TPEF y SHG, esta última debido a la presencia de colágeno. Entre la ratio de las señales TPEF/SHG de áreas locales y global de la dentina no hay diferencias significativas, existiendo una correlación entre ambas cercana a 1. Por lo tanto, no es necesario realizar un análisis con microscopía multifotónica local, siendo suficiente un análisis global. Observamos que la ratio entre ambas señales multifotónicas (TPEF/SHG) aumenta de forma progresiva y significativa desde los 18 hasta los 50 años, al igual que los valores SAAID, debido a la disminución del colágeno presente en la dentina con el paso de los años. Ambos parámetros se mantienen más estables a partir de esta edad. Por otro lado, el aumento del tamaño de los túbulos de la dentina observados mediante SHG, indican un incremento de la edad, probablemente debido al aumento de componente mineral y a la reducción de fibras de colágeno. Entre el sujeto de menor y mayor edad hay un incremento del 65% del tamaño de los túbulos dentinarios. El análisis de los elementos traza y la microscopía multifotónica en la dentina humana son herramientas complementarias eficaces para la estimación de la edad, siendo de especial trascendencia en diferentes circunstancias en el ámbito médico-forense

The estimation of age is one of the most complex problems to solve in Forensic Sciences, due to the lack of consensus and precision of the methods, both in living and deceased people, its determination in many occasions is crucial in the resolution of the cases. The methodology described in the scientific literature for its estimation is numerous, mainly in bones and teeth. The choice of the most appropriate methods in each case is crucial, as is compliance with medical, ethical and legal principles. Nowadays, dental pieces have become a fundamental tool in both Anthropology and Forensic Dentistry, mainly in case where the subject can not be identified visually or by other means, since the teeth are more resistant to extreme situations such as natural disasters, accidents, fires, etc. in comparation with bones that can suffer a greater number of alterations. Dentine is, due to its unique and singular nature, a suitable biological matrix for the study for the long-term deposition of the elements. It has an elemental stability of its structure and at the same time an important dynamism and diversity in its composition. The general objective of this thesis was analysed by using different instrumental techniques, the chemical changes that occur in the human teeth over the years, in order to extend and improve the existing methods for age estimation. The first objective was to investigate in Spanish population, a total of 25 trace elements in 150 healthy coronal dentines, molars and premolars. The teeth were classified into three age groups, by sex and by tooth type. The elements analysed were grouped into essential or potentially essential and toxic or potentially toxic, and they were detected in the following order of concentration Ca > P > Mg > Na > S > K > Sr > Zn > Ba > Fe > B > Ti > Mn > Cr > Ni > Cu > Co > Se > V, and the toxic: Al > Pb > Sn > Li > As > Cd. The techniques used were Inductively Couple Plasma Mass Spectromety (ICP-MS) and Inductively Couple Plasma Optical Emission Spectromety (ICP-MS). The second objective was to determine the estimation of age through 11 teeth, using the techniques of multiphoton microscopy: Two Photon Excitation Fluorescence (TPEF) and Second Harmonic Generation (SHG). Firstly, from the comparison of both signals obtained (ratio) and with the obtaining of the AGIN and SAAID (Age Index). Secondly, by varying the size of the tubules present in the dentine. Sodium, potassium, barium, nickel and cobalt are the essential elements that show variability according to sex. Sodium and cobalt were higher in women. Lead was the only toxic element significantly higher in men. Both types of teeth, molars and premolars, are suitable for the study of trace elements in dentine. Of the 25 elements analysed, ten were significantly correlated with age, of which three are toxic (Pb, Sn and Li) or potentially toxic and seven essential (Sr, Mg, S, K, Zn, Ba, B). Their average concentrations were significantly higher as the age range increased, with the exception of B and Zn. The toxic elements lead, lithium and tin correlate significantly and positively with each other and with the essential elements which increase significantly with age (Sr, Mg, S, K, Zn, Ba, B). Lead is the element that best explains age as a function of its concentrations in dentine using a logarithmic regression model. Enamel only provides a TPEF signal, while dentine shows TPEF and SHG signals, the latter due to the presence of collagen. There are no significant differences between the ratio of TPEF/SHG signals from local areas and global dentine, with a correlation between both close to 1. Therefore, it is not necessary to perform an analysis with local multiphoton microscopy, a global analysis being sufficient. We observe that the ratio between the two multiphoton signals (TPEF/SHG) increases progressively and significantly from 18 to 50 years of age, as do the SAAID values due to the decreases in collagen present in dentine over the years. Both parameters remain more stable after this age. On the other hand, the increase in the size of the dentine tubules observed by SHG, indicates an increase in age, probably due to the increase in the mineral component and the reduction of collagen fibres. Between the younger and older subjects there is a 65% increase in the size of the dentine tubules. Trace elements analysis and multiphoton microscopy in human dentine are effective complementary tools for age estimation, being of particular importance in different circumstances in the medical-forensic field.