Autoarchaeology: Unraveling Hormone Deficiency through High-Resolution Biogeochemistry and Dental Histomorphometry—Implications for Bioarchaeological Life History Reconstructions

The relationship between health status and the biogeochemical composition of mineralized dental tissues is a highly innovative and understudied area of bioarchaeology. This approach opens a cognitive window on infant health and well-being from archaeological and paleoanthropological horizons. Within this research framework, this thesis aims to explore a possible correlation between variations in trace elements incorporated into dental tissues during their formation and possible hormonal fluctuations, with a focus on hypothyroidism and its potential impact on tooth mineralization. Specifically, this thesis seeks to construct baseline models, not previously found in the literature, based on contemporary individuals with known anamnestic and dietary histories that can subsequently be applied to the study of past individuals. Teeth are among the most informative bioarchaeological remains due to their chemical and physical properties that allow them to be better preserved in the archaeological record. In addition, unlike skeletal tissues, dental enamel forms in a circadian rhythm, permanently recording information about an individual's growth and development from the intrauterine period through adolescence without undergoing remodeling. This makes teeth true "temporal archives" capable of providing biochronological information through growth markers linked to biological rhythms, thus alleviating the limitations imposed by the Osteological Paradox. In this thesis, special attention is paid to congenital hypothyroidism treated from birth with levothyroxine (LT4), in order to study the trends of dental enamel mineralization from the gestational period to the first year of life, thus providing an overview of the maternal endocrine system during pregnancy. Eight teeth from three different contemporary individuals with different histories of hypothyroidism were analyzed: congenital hypothyroidism, Hashimoto's thyroiditis diagnosed in adulthood, and hypothyroidism detected in childhood. Analysis of thin sections of teeth allowed quantification with high temporal resolution of the timing of crown formation and the presence of markers of physiological stress (Accentuated Lines). Advanced biogeochemical profiling analysis techniques performed by LA-ICPMS (Laser Ablation Inductive Coupled Mass Spectrometry) allowed correlation of individual life days with known hormonal variations, diet, and observable stresses in the tooth crown. Ba/Ca and Sr/Ca ratios were quantified as indicators of breastfeeding and weaning patterns, while Mg/Ca and Zn/Ca were used as indicators of enamel mineralization processes. The observed trace element trend patterns showed consistent diversity from what would be expected in contemporary healthy individuals. In addition, among individuals with hypothyroidism, there are differences between those treated with replacement medication and those not treated. Understanding these aspects in dental specimens from archaeological horizons provides a valuable tool for assessing the quality of life and health status of individuals from the past, also allowing the measurement of physiological stress and shedding light on the period of pregnancy, still poorly documented, if not absent, in the (paleo)anthropological literature. The work done in this thesis lays the groundwork for a methodological development of bioarchaeological research that integrates biological data with historical and cultural context, but also sheds light on the evolution of the maternal endocrine system during pregnancy, the implications for neurodiversity, and the age of sexual maturity.

Il rapporto tra stato di salute e composizione biogeochimica dei tessuti dentali mineralizzati è un campo di studio estremamente innovativo e ad oggi ancora scarsamente indagato in ambito bioarcheologico. Questo approccio apre una finestra conoscitiva sulla salute e benessere degli infanti da orizzonti archeologici e paleoantropologici. In questo quadro di ricerca, il presente lavoro di tesi mira a esplorare una possibile correlazione tra la variazione degli elementi in traccia incorporati nei tessuti dentali durante la loro formazione e possibili fluttuazioni ormonali, con un focus sull'ipotiroidismo e il suo potenziale impatto sulla mineralizzazione dei denti. In particolare, questa tesi vuole costruire dei modelli di riferimento, ad oggi non presenti in letteratura, costruiti su individui contemporanei con storia anamnestica e nutrizionale nota, che possano essere successivamente applicati allo studio degli individui del passato. I denti sono tra i resti bioarcheologici più informativi grazie alle loro caratteristiche chimico-fisiche che ne permettono una migliore conservazione nel record archeologico. Inoltre, a differenza dei tessuti scheletrici, lo smalto dentale si forma con un ritmo circadiano, registrando in modo permanente informazioni sulla crescita e lo sviluppo di un individuo dal periodo intrauterino sino all’adolescenza senza subire rimodellamenti. Questo rende i denti veri e propri “archivi temporali”, capaci di fornire informazioni biocronologiche attraverso marcatori di accrescimento connessi ai ritmi biologici, attenuando quindi le limitazioni dettate dall’Osteological Paradox. In questo lavoro di tesi, particolare attenzione è dedicata all'ipotiroidismo congenito trattato con levotiroxina (LT4) dalla nascita, per investigare gli andamenti della mineralizzazione dello smalto dentale dal periodo gestazionale fino al primo anno di vita, offrendo così anche una panoramica del sistema endocrino materno durante la gravidanza. A questo proposito sono stati analizzati otto denti da tre diversi individui contemporanei caratterizzati da diverse storie di ipotiroidismo: ipotiroidismo congenito, tiroidite di Hashimoto diagnosticata in età adulta e ipotiroidismo scoperto in età pediatrica. L’analisi delle sezioni sottili dei denti ha permesso di quantificare ad alta risoluzione temporale i tempi di formazione delle corone dentali e la presenza di marcatori di stress fisiologico (Linee Accentuate). Tecniche avanzate di analisi biogeochimiche per profili eseguite tramite LA-ICPMS (Laser Ablation Inductive Coupled Mass Spectrometry) hanno permesso di correlare i giorni di vita dell’individuo con le fluttuazioni ormonali conosciute, la dieta e gli stress osservabili nella corona del dente. Sono stati quantificati i rapporti Ba/Ca e Sr/Ca come indicatori delle modalità di allattamento e svezzamento, mentre Mg/Ca e Zn/Ca sono stati usati come indicatori dei processi di mineralizzazione dello smalto. I modelli di andamento degli elementi in traccia osservati hanno mostrato una consistente diversità da quanto atteso per individui contemporanei sani. Inoltre, tra gli individui affetti da ipotiroidismo vi sono differenze tra quelli trattati o meno con farmaco sostituivo. La comprensione di questi aspetti in campioni dentali da orizzonti archeologici fornisce un valido strumento per valutare la qualità della vita e lo stato di salute di individui del passato, permettendo inoltre di misurare il carico di stress fisiologico e di far luce sul periodo della gravidanza, ancora scarsamente documentato, se non assente, nella letteratura (paleo)antropologica. Il lavoro svolto in questa tesi pone le basi per uno sviluppo metodologico della ricerca bioarcheologica, integrando dati biologici con il contesto storico e culturale, ma anche illuminando l’evoluzione del sistema endocrino materno durante la gravidanza, le implicazioni sulla neurodiversità e l’età di maturità sessuale.