Evaluating DNA damage response (DDR) activation in human prostate cancer

Introduction: Au Canada, le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué chez les hommes et le plus mortel après les cancers du poumon et du côlon. Il y a place à optimiser le traitement du cancer de la prostate de manière à mettre en œuvre une médecine personnalisée qui s’adapte aux caractéristiques de la maladie de chaque patient de façon individuelle. Dans ce mémoire, nous avons évalué la réponse aux dommages de l’ADN (RDA) comme biomarqueur potentiel du cancer de la prostate. Les lésions potentiellement oncogènes de l'ADN déclenche une cascade de signalisation favorisant la réparation de l'ADN et l’activation des points de contrôle du cycle cellulaire pour préserver l’intégrité du génome. La RDA est un mécanisme central de suppression tumorale chez l’homme. La RDA joue un rôle important dans l’arrêt de la prolifération des cellules dont les génomes sont compromis, et donc, prévient la progression du cancer en agissant comme une barrière. Cette réponse cellulaire détermine également comment les cellules normales et cancéreuses réagissent aux agents utilisés pour endommager l'ADN lors du traitement du cancer comme la radiothérapie ou la chimiothérapie, en plus la présence d,un certain niveau de RDA dans les cellules du cancer de la prostate peuvent également influer sur l'issue de ces traitements. L’activation des signaux de la RDA peut agir comme un frein au cancer dans plusieurs lésions pré-néoplasiques de l'homme, y compris le cancer de la prostate. Il a été démontré que la RDA est augmentée dans les cellules de néoplasie intra- épithéliale (PIN) comparativement aux cellules prostatiques normales. Toutefois, le devient de la RDA entre le PIN et l’adénocarcinome est encore mal documenté et aucune corrélation n'a été réalisée avec les données cliniques des patients. Notre hypothèse est que les niveaux d’activation de la RDA seront variables selon les différents grades et agressivité du cancer de la prostate. Ces niveaux pourront être corrélés et possiblement prédire les réponses cliniques aux traitements des patients et aider à définir une stratégie plus efficace et de nouveaux biomarqueurs pour prédire les résultats du traitement et personnaliser les traitements en conséquence. Nos objectifs sont de caractériser l'activation de la RDA dans le carcinome de la prostate et corréler ses données avec les résultats cliniques. Méthodes : Nous avons utilisé des micro-étalages de tissus (tissue microarrays- TMAs) de 300 patients ayant subi une prostatectomie radicale pour un cancer de la prostate et déterminé le niveau d’expression de protéines de RDA dans le compartiment stromal et épithélial des tissus normaux et cancéreux. Les niveaux d’expression de 53BP1, p-H2AX, p65 et p-CHK2 ont été quantifiés par immunofluorescence (IF) et par un logiciel automatisé. Ces marqueurs de RDA ont d’abord été validés sur des TMAs-cellule constitués de cellules de fibroblastes normales ou irradiées (pour induire une activation du RDA). Les données ont été quantifiées à l'aide de couches binaires couramment utilisées pour classer les pixels d'une image pour que l’analyse se fasse de manière indépendante permettant la détection de plusieurs régions morphologiques tels que le noyau, l'épithélium et le stroma. Des opérations arithmétiques ont ensuite été réalisées pour obtenir des valeurs correspondant à l'activation de la RDA qui ont ensuite été corrélées à la récidive biochimique et l'apparition de métastases osseuses. Résultats : De faibles niveaux d'expression de la protéine p65 dans le compartiment nucléaire épithélial du tissu normal de la prostate sont associés à un faible risque de récidive biochimique. Par ailleurs, nous avons aussi observé que de faibles niveaux d'expression de la protéine 53BP1 dans le compartiment nucléaire épithéliale du tissu prostatique normal et cancéreux ont été associés à une plus faible incidence de métastases osseuses. Conclusion: Ces résultats confirment que p65 a une valeur pronostique chez les patients présentant un adénocarcinome de la prostate. Ces résultats suggèrent également que le marqueur 53BP1 peut aussi avoir une valeur pronostique chez les patients avec le cancer de la prostate. La validation d'autres marqueurs de RDA pourront également être corrélés aux résultats cliniques. De plus, avec un suivi des patients plus long, il se peut que ces résultats se traduisent par une corrélation avec la survie. Les niveaux d'activité de la RDA pourront éventuellement être utilisés en clinique dans le cadre du profil du patient comme le sont actuellement l’antigène prostatique spécifique (APS) ou le Gleason afin de personnaliser le traitement.

Perceptions de personnes atteintes de cancer quant au soutien offert par l'IPO dans la période entourant l'annonce du diagnostic

L’annonce d’un diagnostic de cancer devrait être considérée par les professionnels de la santé, comme un processus constitué de plusieurs étapes que doit traverser la personne atteinte, plutôt que comme un évènement en soi (Tobin & Begley, 2008). Lors de la période entourant l’annonce du diagnostic, la personne peut être confrontée à des difficultés reliées à la navigation dans un système de santé complexe, en plus des sentiments négatifs engendrés par la crainte de la maladie. Pour soutenir les personnes atteintes de cancer, le programme québécois de lutte contre le cancer (PQLCC), a instauré le rôle de l’infirmière pivot en oncologie (IPO) en 2000. À l’heure actuelle, peu d’études, à notre connaissance, se sont attardées au soutien de l’IPO dans cette période. La présente étude avait pour but, d’explorer les perceptions de personnes atteintes de cancer quant au soutien offert par l’IPO, dans la période entourant l’annonce du diagnostic. L’étudiante-chercheuse s’est inspirée du Cadre de soins de soutien de Fitch (1994) pour entreprendre cette étude qualitative descriptive. Des entrevues individuelles auprès de sept personnes atteintes de différents cancers ont été réalisées. L’analyse de données a été effectuée à l’aide de la méthode de Miles et Huberman (2003), par la transcription intégrale des entrevues. Elle a permis d’identifier trois thèmes soit : le soutien formel requis pour faire face au chaos, le soutien informationnel et émotionnel à parfaire et le soutien disponible apportant sécurité et assurance. Les résultats ont mis en évidence les perceptions de personnes atteintes de cancer quant au soutien offert par l’IPO soit la nécessité de rendre accessible les soins et services de l’IPO plus tôt dans la période entourant l’annonce du diagnostic. Les personnes atteintes de cancer ont besoin d’être aidées à faire face aux difficultés rencontrées lors de cette période, notamment à l’incertitude reliée aux résultats d’examens diagnostics, à l’incompréhension des informations reçues et aux sentiments négatifs engendrés par la menace de la maladie. Les résultats évoquent le souhait des participants, à l’effet que, l’offre de soutien de l’IPO, soit axée sur leurs besoins essentiellement dans les domaines informationnel et émotionnel. Ils auraient souhaité pouvoir, partager leur expérience avec l’IPO, mieux comprendre le diagnostic de cancer et savoir davantage à quoi s’attendre lors du début des traitements. Par ailleurs, savoir que le soutien de l’IPO est disponible apporte aux personnes atteintes de cancer une assurance et une confiance en leur capacité à faire face aux traitements et leur apporte un sentiment de sécurité.

L'impact de l'infiltration lymphocytaire sur le pronostic de l'adénocarcinome du pancréas

L’objectif principal de cette étude est de déterminer la valeur pronostique de l’infiltrat lymphocytaire dans l’adénocarcinome du pancréas. Les densités des lymphocytes T CD3+, CD4+, CD8+, FOXP3+ et CD45RO+ intratumoraux (T) et péritumoraux (PT) de 111 spécimens ont été mesurées avec des micromatrices tissulaires. Un Index Lymphocytaire (IL) a été créé basé sur les valeurs des CD4+ T, CD8+ PT et le ratio CD3+ T/PT regroupant les patients selon que les tumeurs présentaient aucune (IL---), 1 à 2 (IL+/-) ou les 3 caractéristiques immunitaires favorables (IL+++). La survie médiane des patients atteints d’un cancer du pancréas est significativement différente selon la catégorie d’index lymphocytaire; elle était de 14 mois pour IL---, de 19 mois pour IL +/- et de 29 mois pour IL+++ (p=0,01). L’IL est un facteur indépendant de survie en analyse multivariée ainsi que la différenciation tumorale et l’utilisation d’un traitement adjuvant. L’IL est un facteur pronostique de survie des adénocarcinomes du pancréas réséqués et devrait pouvoir permettre une meilleure classification des patients.

Détection moléculaire des métastases des ganglions lymphatique dans le cancer du col de l'utérus

Le Cancer du Col Utérin (CCU) chez la femme est provoqué par le virus oncogénique VPH. La métastase lymphatique ganglionnaire est un facteur pronostique majeur pour l’évolution de ce cancer et sa présence influence la décision thérapeutique. En général, l’envahissement ganglionnaire est diagnostiqué par histologie, mais cette méthode est laborieuse et parfois prise en défaut pour détecter les micrométastases et les cellules cancéreuses isolées et pour donner des résultats rapides en per opératoire. L’outil moléculaire que nous désirons développer pour combler cette lacune est basé sur une analyse d’ARN des gènes du VPH exprimés par les cellules du CCU. Ceci sera fait par transcription réverse de l’ARN cellulaire couplé à une réaction quantitative en chaine par polymérase en temps réel (RT-qPCR). Cette technique devrait nous permettre une détection et une évaluation rapide des micrométastases pour aider à déterminer immédiatement un pronostic fiable et la thérapie associée. C’est un test précis, sensible et rapide pour détecter un envahissement ganglionnaire dans le CCU visant à améliorer la gestion thérapeutique. Le projet est basé sur trois objectifs. En premier lieu, valider les marqueurs moléculaires E6 et E7 de VPH16 et 18 à partir des échantillons frais et des échantillons fixés dans des blocs de paraffine. En deuxième lieu, déterminer la fiabilité et la sensibilité des marqueurs pour la détection des macrométastases, des micrométastases et les cellules tumorales isolées en utilisant la technique de RT-qPCR. En troisième lieu et parallèlement au travail présenté dans ce mémoire, il est nécessaire de constituer une base de données des patientes qui ont le virus VPH16 et 18 intégré dans leur génome, qui ont été traitées et dont nous connaissons déjà le diagnostic final afin de valider la méthode (biobanque). Nous avons réussi à extraire de l’ARNm de haute qualité à partir d’échantillons complexes, à détecter les gènes E6 et E7 de VPH16 et 18 en RT-qPCR, et à déterminer précisément la limite de détection de E6 et E7 dans les échantillons frais qui est une proportion de 0,008% de cellules cancéreuses. Dans les échantillons fixés dans la paraffine, cette limite est de 0,02% et 0,05% pour E6-E7-VPH16 et E6-E7-VPH18 respectivement. Ceci comparativement à une limite de détection histologique de 1% qui est déterminée par immunohistochimie de CK19. Enfin, notre protocole est validé pour VPH18 dans les ganglions lymphatiques du CCU.

Detecting uterine cervical cancer cells using molecular biomarkers

Arrière-plan: les cellules tumorales circulantes (CTC) sont détectables dans de nombreux cancers et peuvent être utiles cliniquement pour le pronostic de la maladie, pour mesurer la récidive et pour prédire la sensibilité aux medicaments chimiothérapeutiques. Au cours des dernières années, l’études des CTC dans de nombreux cancers tels que le cancer du sein, du poumon, du côlon et de la prostate a grandement évolué. Alternativement, il y peu d'études à ce sujet concernant le cancer du col de l’utérus (CCU). Objectifs: Notre objectif est d’optimiser le processus d'enrichissement des CTC dans le CCU et la détection moléculaire des biomarqueurs E6 et E7. Matériel et Méthodes: Dans l’optique de mimer la présence de CTC dans le sang, nous avons dilué des cellules cancéreuses CaSki VPH16-positif provenant d’un CCU dans du sang humain prélevé sur des volontaires sains. Les CaSki ont été collectées suite à une centrifugation par densité avec le Ficoll, la lyse des globules rouges (RBC) et la lyse des RBC combinée avec un enrichissement positif et négatif à l’aide de marqueurs de surface cellulaire. Les CTC ont été détectées par la mesure d’expression des oncogènes E6 et E7 du virus du papillome humain (VPH), de la cytokératine 19 (CK19) et de la cycline p16INK4 en utilisant la technique quantitative en temps réel de Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR). Pour valider notre méthode de détection des CTC in vivo, nous avons recruté dix patientes atteintes d’un CCU VPH16 positif et six contrôles sains. Résultats: Dans le modèle de dilutions de cellules CaSki, la lyse des RBC seule ou combinée avec l'enrichissement négatif ou positif suggèrent des limites de détection de 1 CTC par mL de sang pour tous les biomarqueurs moléculaires utilisés. La sensibilité de détection est accrue lors de l'utilisation de l’enrichissement positif et négatif en réduisant le bruit de fond causé par les monocytes sanguins. Contrairement aux oncogènes E6 et E7, les marqueurs CK19 et p16INK4A ont été détectés chez des individus sains, les niveaux d'expression de base appropriés doivent donc être déterminés avec précision par rapport aux patientes CCU. Le gradient de densité par Ficoll a une limite de détection de seulement environ 1000 cellules par mL de sang. Enfin, les CTC ont été détectées dans 2/10 patientes en utilisant le marqueur CK19. Cependant, ces patientes étaient négatives pour les oncogènes E6/E7. Le marqueur p16INK4A était exprimé au même niveau dans tous les échantillons (CCU et normaux). Conclusion: Notre étude suggère que les oncogènes E6 et E7 du VPH16 sont les marqueurs biologiques les plus sensibles et spécifiques en qRT-PCR pour détecter les CTC dans le modèle de dilution de cellules de CCU dans le sang. Chez les patientes atteintes d’un CCU de stade précoce, seulement CK19 a révélé la présence potentielle de CTC, ce qui suggère que ces cellules sont rares à ce stade de la maladie. Mots clés: cancer du col de l’utérus, cellules tumorales circulantes, RT-qPCR, E6 et E7, CK19, p16INK4A, enrichissement immunomagnétique, détection moléculaire.

Analyse préliminaire du rôle des "Ubiquitin specific peptidases" et de l'axe USP7-MDM2-TP53-CDKN1A dans les leucémies myéloïdes aiguës

On note un taux élevé de résistance aux traitements dans la leucémie myéloïde aiguë (LMA). Cette résistance peut être associée aux altérations de TP53. Les « ubiquitin specific peptidases » (USP) sont impliquées dans plusieurs cancers mais leurs rôles ne sont pas élucidés dans les LMA. L’analyse de l’expression génique par RT-PCR quantitative de 21 USP et des gènes de l’axe USP7-MDM2-TP53-CDKN1A dans 111 échantillons de LMA a montré une dérégulation de USP44, USP1, USP28 et CDKN1A dans respectivement 72%, 44%, 25% et 42% des cas. CDKN1A, une cible importante de TP53, pourrait avoir un rôle dans la résistance au traitement. Nous avons développé un modèle expérimental pour évaluer la réponse des cellules leucémiques à la doxorubicine et au nutlin 3, un modulateur non génotoxique de TP53, selon l’expression initiale de CDKN1A. Ce travail préliminaire suggère que certains membres de la famille des USP et CDKN1A pourraient représenter de nouvelles cibles thérapeutiques dans les LMA.

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.

Biomarqueurs pronostiques dans le cancer de la prostate : mieux prédire pour mieux traiter

Le cancer de la prostate (CP) est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en Amérique du Nord et est au troisième rang en termes de létalité chez les hommes. Suite aux traitements de première ligne, 20 à 30% des patients diagnostiqués avec un cancer localisé auront une récidive biochimique de la maladie. La déplétion androgénique mène fréquemment au développement du stade de résistance à la castration (RC). Ce dernier est associé avec une augmentation de la morbidité (métastases osseuses) et de la mortalité avec une survie moyenne inférieure à deux ans. L’évolution du CP est très hétérogène dans la population et il n’existe actuellement aucun biomarqueur pronostique permettant d’identifier les patients à risque de récurrence biochimique, de métastases osseuses et de développement d’une résistance à la castration. De nombreuses études ont démontré que les cytokines inflammatoires IL-6 et IL-8 jouent un rôle dans la pathogénèse du CP, notamment dans le développement de la résistance à la castration. Par ailleurs, les niveaux sériques élevés de ces cytokines ont été associés à un mauvais pronostic. Précédemment, notre laboratoire a démontré in vitro que la protéine IKKε entraîne une augmentation de la sécrétion de ces cytokines dans les cellules du CP et qu’elle est exprimée davantage dans les tissus de cancers plus avancés. Le premier objectif du présent mémoire fut d’évaluer dans des tissus humains la corrélation d’IKKε, IL-6 et IL-8 avec des paramètres cliniques. Nos résultats soulignent le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique de récurrence biochimique et de métastases osseuses. Nous n’avons trouvé aucune association entre IL-6/IL-8 et les paramètres cliniques inclus dans l’étude. Le second objectif de ce projet fut d’évaluer la coexpression de ces trois molécules dans l’épithélium du CP. Nos résultats confirment les observations in vitro en mettant en évidence une forte association entre l’expression d’IKKε, IL-6 et IL-8. Le troisième objectif fut d’évaluer la relation entre les niveaux sériques et tissulaires d’IL-6 et d’IL-8. Aucune relation significative n’a été établie, suggérant que les cytokines sériques ne sont pas uniquement d’origine prostatique. En conclusion, mon projet de maîtrise aura permis de préciser le potentiel d’IKKε comme biomarqueur tissulaire pronostique et de valider pour la première fois dans des tissus humains sa co-expression avec les cytokines IL-6 et IL-8, dont le rôle dans la pathogénèse de la maladie est bien établi. Une étude plus exhaustive des voies de signalisation d’IKKε reste d’intérêt pour élucider notamment les mécanismes par lesquels IKKε stimule la production de cytokines et par quels moyens cette protéine pourrait être impliquée dans le développement d’un état résistant à la castration.

Impacto de dos técnicas quirúrgicas sobre la recaída local de carcinoma de mama en pacientes de una clínica de Bogotá D.C.

Introducción: El carcinoma de mama es el tumor maligno más frecuente entre las mujeres y representa una significativa mortalidad en los países en vías de desarrollo. Según datos del Instituto Nacional de Cancerología en el 2010 se reportaron 672 nuevos casos de cáncer de mama, lo que representó el 18% de todos los tumores malignos en mujeres. Durante las últimas 3 décadas las técnicas quirúrgicas para el tratamiento del cáncer de mama han presentado un cambio significativo y proponen disminución de procedimientos agresivos y radicales, intervenciones como: mastectomía radical modificada, cirugía conservadora y la disección de ganglio centinela son ejemplos claros de esta evolución asociado al incremento de la reconstrucción mamaria inmediata. Metodología: Estudio observacional tipo cohorte retrospectivo en el cual se revisó una base de datos de pacientes con cáncer de mama de las cuales 632 fueron sometidas a mastectomía radical con preservación de piel y complejo areola-pezón y mastectomía radical con preservación de piel sin preservación del complejo areola-pezón, los dos procedimientos asociados a reconstrucción mamaria inmediata y se comparó la frecuencia de recaída local entre los dos grupos. Resultados: De las 632 pacientes estudiadas al 30.5% se les realizo preservación del complejo areola pezón. Las mujeres a quienes se les realizó preservación del complejo areola pezón presentaron menor sobrevida a la recaída local a 10 años (80.51%) comparado con las mujeres a quienes no se les preservó el complejo areola pezón (87.40%), sin embargo no se encontró diferencia estadísticamente significativa para determinar que las probabilidades de sobrevida sean diferentes. Discusión: No se evidenció diferencia estadísticamente significativa entre los 2 procedimientos quirúrgicos (con y sin preservación del complejo areola pezón) en relación a la recaída local, estudios retrospectivos no han evidenciado una mayor tasa de recaídas locales en pacientes a quienes se les preserva el complejo areola-pezón, sin embargo hacen falta estudios prospectivos y aleatorizados que puedan otorgar un mayor sustento científico que garantice la seguridad de la preservación del complejo areola-pezón.

THE EXTENT OF MULTIDISCIPLINARY AUTHORSHIP OF ARTICLES ON SCIENTOMETRICS AND BIBLIOMETRICS IN BRAZIL

The publications in scientometrics and bibliometrics with Brazilian authorship expanded exponentially in the 1990-2006 period, reaching 13 times in the Web of Science database and 19.5 times in the Google Scholar database. This increase is rather superior to that of the total Brazilian scientific production in the same time period (5.6 times in the Web of Science). Some characteristics to be noticed in this rise are: 1) The total number of articles during this period was 197; in that, 78% were published in 57 Brazilian journals and 22% in 13 international journals. 2) The national and international articles averaged 4.3 and 5.9 citations/article, respectively; two journals stood out among these, the national Ciencia da Informacao (44 articles averaging 6.7 citations/article) and the international Scientometrics (32 articles averaging 6.2 citations/article). 3) The articles encompass an impressive participation of authors from areas other than information science; only one-fourth of the authors are bound to the information science field, the remaining ones being distributed among the areas of humanities/business administration, biology/biomedicine, health and hard sciences. The occurrence of adventitious authors at this level of multidisciplinarity is uncommon in science. However, the possible benefits of such patterns are not clear in view of a fragmented intercommunication among the authors, as noticed through the citations. The advantages of changing this trend and of using other scientometric and bibliometric databases, such as SciELO, to avoid an almost exclusive use of the Web of Science database, are discussed.

Dental health in Northern Chile's Atacama oases: Evaluating the Middle Horizon (AD 500-1000) impact on local diet

As one of the few areas apt for horticulture in Northern Chile's arid landscape, the prehistory of the Atacama oases is deeply enmeshed with that of the inter-regional networks that promoted societal development in the south central Andes. During the Middle Horizon (AD 5001000), local populations experienced a cultural apex associated with a substantial increase in inter-regional interaction, population density, and quantity and quality of mortuary assemblages. Here, we test if this cultural peak affected dietary practices equally among the distinct local groups of this period. We examine caries prevalence and the degree of occlusal wear in four series recovered from three cemeteries. Our results show a reduction in the prevalence of caries for males among an elite subsample from Solcor 3 and the later Coyo 3 cemeteries. Dental wear tends to increase over time with the Late Middle Horizon/Late Intermediate Period cemetery of Quitor 6 showing a higher average degree of wear. When considered in concert with archaeological information, we concluded that the Middle Horizon was marked by dietary variability wherein some populations were able to obtain better access to protein sources (e.g., camelid meat). Not all members of Atacameno society benefited from this, as we note that this dietary change only affected men. Our results suggest that the benefits brought to the San Pedro oases during the Middle Horizon were not equally distributed among local groups and that social status, relationship to the Tiwanaku polity, and interment in particular cemeteries affected dietary composition. Am J Phys Anthropol, 2012. (C) 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Fracture in teeth—a diagnostic for inferring bite force and tooth function

Teeth are brittle and highly susceptible to cracking. We propose that observations of such cracking can be used as a diagnostic tool for predicting bite force and inferring tooth function in living and fossil mammals. Laboratory tests on model tooth structures and extracted human teeth in simulated biting identify the principal fracture modes in enamel. Examination of museum specimens reveals the presence of similar fractures in a wide range of vertebrates, suggesting that cracks extended during ingestion or mastication. The use of ‘fracture mechanics’ from materials engineering provides elegant relations for quantifying critical bite forces in terms of characteristic tooth size and enamel thickness. The role of enamel microstructure in determining how cracks initiate and propagate within the enamel (and beyond) is discussed. The picture emerges of teeth as damage-tolerant structures, full of internal weaknesses and defects and yet able to contain the expansion of seemingly precarious cracks and fissures within the enamel shell. How the findings impact on dietary pressures forms an undercurrent of the study.

Morphology and fracture of enamel

This study examines the inter-relation between enamel morphology and crack resistance by sectioning extracted human molars after loading to fracture. Cracks appear to initiate from tufts, hypocalcified defects at the enamel–dentin junction, and grow longitudinally around the enamel coat to produce failure. Microindentation corner cracks placed next to the tufts in the sections deflect along the tuft interfaces and occasionally penetrate into the adjacent enamel. Although they constitute weak interfaces, the tufts are nevertheless filled with organic matter, and appear to be stabilized against easy extension by self-healing, as well as by mutual stress-shielding and decussation, accounting at least in part for the capacity of tooth enamel to survive high functional forces.

Properties of tooth enamel in great apes

A comparative study has been made of human and great ape molar tooth enamel. Nanoindentation techniques are used to map profiles of elastic modulus and hardness across sections from the enamel–dentin junction to the outer tooth surface. The measured data profiles overlap between species, suggesting a degree of commonality in material properties. Using established deformation and fracture relations, critical loads to produce function-threatening damage in the enamel of each species are calculated for characteristic tooth sizes and enamel thicknesses. The results suggest that differences in load-bearing capacity of molar teeth in primates are less a function of underlying material properties than of morphology.

Fracture susceptibility of worn teeth

An experimental simulation study is made to determine the effects of occlusal wear on the capacity of teeth to resist fracture. Tests are carried out on model dome structures, using glass shells to represent enamel and epoxy filler to represent dentin. The top of the domes are ground and polished to produce flat surfaces of prescribed depths relative to shell thickness. The worn surfaces are then loaded axially with a hard sphere, or a hard or soft flat indenter, to represent extremes of food contacts. The loads required to drive longitudinal cracks around the side walls of the enamel to failure are measured as a function of relative wear depth. It is shown that increased wear can inhibit or enhance load-bearing capacity, depending on the nature of the contact. The results are discussed in the context of biological evolutionary pressures.