Untersuchungen zur Kariesprävention in einem biofilmbasierten In-vitro-Modell: Validierung an Beispielen innovativer Präventionsmaßnahmen nach Monoinfektion mit Streptococcus mutans

Abstract

Weiter- und Neuentwicklungen von Strategien zur Kariesprävention scheinen trotz erheblicher Präventionserfolge weiterhin notwendig zu sein. In-vivo Untersuchungen stoßen dabei an ethische und tierschutzrechtliche Grenzen. Daher ist es notwendig, realitätsnahe In-vitro Modelle zu entwickeln, die den vier kariesätiologischen Hauptfaktoren Wirtsorganismus , Plaque , Substrat und Zeit Rechnung tragen und eine Einschätzung des kariespräventiven Potenzials neuer Ansätze ermöglichen. Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung eines neuartigen biofilmbasierten In-vitro Kariesmodells zur Erzeugung kariesähnlicher Läsionen und die Anwendung des Modells zur Einschätzung des kariespräventiven Potenzials verschiedener, zukünftig einsetzbarer kariespräventiver Strategien, für die bislang eine realitätsnahe In-vitro-Testung fehlte. Mit Hilfe des gewählten Aufbaus war die Kultivierung eines S.-mutans-Biofilms über einen Zeitraum bis zu neun Wochen ohne Fremdkontamination möglich. Das Modell erlaubte die reproduzierbare Erzeugung initialer Primär- und Sekundärkariesläsionen im Zahnschmelz, die mit natürlich entstandenen Läsionen vergleichbar waren. Die karieshemmenden Eigenschaften etablierter Verfahren, wie der Fluoridierung und der Versiegelung von Zahnoberflächen mit Kompositmaterialien, konnten innerhalb des In-vitro- Modells reproduzierbar nachgestellt werden, und es konnte zur Untersuchung ausgewählter experimenteller kariespräventiver Maßnahmen verwendet werden. Neben etablierten Konzepten entwickeln sich auch im Bereich der Kariologie zunehmend biologische Konzepte, die darauf abzielen, die Pathogenität des oralen Biofilms abzuschwächen. Da Immunisierungen gegenüber dem Leitkeim S. mutans aufgrund der fehlenden Lebensbedrohlichkeit dieser Erkrankung wenig angemessen erscheinen, könnten Mechanismen, die einer Adhäsion dieses Keimes an der Zahnoberfläche entgegenwirken, zukünftig eine Rolle spielen. Eigene In- vitro Ergebnisse zeigten, dass von heterogen strukturierten Glykanlösungen eine die lektinvermittelte Adhäsion dieses Keimes inhibierende Wirkung ausgeht. Mit der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine experimentelle Glykanlösung mit antiadhäsiven Eigenschaften gegenüber S. mutans eine kariesprotektive Wirkung besitzt, die sich in einem Experiment an gnotobiotischen mit S. mutans infizierten Ratten verifizieren ließ. Durch den Nachweis der karieshemmenden Wirkung der Glykanlösung eröffnet sich die Perspektive einer innovativen Ergänzung der Kariesprävention auf biologischer Ebene, von der keine Nebenwirkungen oder Resistenzentwicklungen zu erwarten sind und die im Sinne eines proof of principle Einfluss auf die Behandlung von Infektionserkrankungen in anderen medizinischen Bereichen haben könnte. Aufgrund der Reproduzierbarkeit, der Sicherung des Langzeitbetriebs ohne Fremdkontamination und der Möglichkeit der Manipulierbarkeit der Proben während des laufenden Betriebs erscheint das In-vitro Modell geeignet, ein breites Spektrum an Fragestellungen zur Weiter- und Neuentwicklung kariespräventiver Strategien zu bearbeiten. Somit kann es einen Beitrag leisten, im Rahmen der Kariesforschung notwendige Tierversuche und klinische Experimente auf ein absolut notwendiges Mindestmaß zu reduzieren.

Although during recent years a caries decline could be detected for most industrialized countries, dental caries remains an important problem. Therefore, continuing development of new preventive strategies and techniques still seems to be indispensable. Due to ethical considerations, the use of in- vivo human and animal studies must be restricted to the minimum. Therefore, it seems to be necessary to develop in-vitro models that allow a simulation of the four etiological factors of dental caries (host, plaque, substrate, and time) in a realistic way and hence an estimate of the caries preventive potential of new measures. The aim of the present work was to develop a novel biofilm-based caries model for the production of caries-like lesions and to evaluate the model by testing innovative strategies that might be used for the prevention of dental caries in the future. The biofilm-based in-vitro caries model allowed the continuing cultivation of a Streptococcus mutans biofilm for up to nine weeks without unintentional contamination. The model was capable of producing initial primary and secondary caries-like lesions in a reproducible way. The histopathological appearance of the lesions was comparable to naturally induced initial caries lesions. The caries-preventive potential of established measures such as application of fluoride solutions and pit and fissure sealing could be simulated reproducibly, and the model was successfully used to test a set of experimental preventive strategies. Besides established concepts, biological strategies such as immunization increasingly develop in cariology in order to reduce the pathogenicity of oral biofilms. However, caries prevention by immunization against S. mutans does not seem to represent an appropriate strategy because dental caries is not a life- threatening disease. Consequently, concepts focusing on blocking the adhesion of pathogens to the tooth surface might be of importance for future strategies. Recent studies from our laboratory showed that heterogenic- structured glycan solutions have the ability to prevent the lectin-mediated in-vitro adhesion of S. mutans. The present study revealed that an experimental glycan solution with anti-adhesive properties was able to reduce the development of caries-like lesions in-vitro and in gnotobiotic rats. These findings provide a new perspective for a biological caries preventive strategy. In terms of a proof of principle , this strategy might also have high impact on the treatment of microbial infections in other fields of medicine because neither a development of resistance nor of unwanted side effects can be expected. Because of the reproducibility, the possibility of long operation periods without unintentional contamination, and the possibility to manipulate specimens during operation, the biofilm-based in- vitro caries model seems to be appropriate for studying the outcome of a wide spectrum of new experimental preventive strategies. The model can make an important contribution to reducing necessary animal and human caries studies to the absolute minimum.