Introduction: While an increased interest in the possible oral health benefits of probiotics has emerged, there is a lack of understanding of their anti-caries properties on complex dental biofilms. The present study aimed to investigate the effect of the probiotics Lactobacillus reuteri and Streptococcus oligofermentans on multispecies biofilm composition, architecture, and caries activity in vitro. Methods: A continuous-cultured biofilm model containing multiple cariogenic species, Streptococcus mutans, Lactobacillus rhamnosus and Actinomyces naeslundii, was employed. Cariogenic biofilms were preliminarily cultured on bovine enamel specimens with identical surface areas (4.5 × 4.5 mm), which were randomly allocated in separate chambers (n = 21/group). The specimens were challenged with L. reuteri whole culture (LC) or its cell-free supernatant (LS), S. oligofermentans whole culture (SC) or its cell-free supernatant (SS), or fresh medium (negative control, NC) once per day, followed by five cycles of alternate rinses of modified Brain Heart Infusion (MBHI) broth and defined mucin medium (DMM). After 10-day cultivation, biomass amount and biofilm composition, e.g., total viable cells and strain-specific bacterial numbers, were evaluated via colony-forming units (CFU) counts and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) (n = 5/group). The biofilm architecture was visualized via fluorescence in situ hybridization (FISH), with one specimen randomly selected from each group. Caries activity was determined by pH measurement and by assessing biofilm-induced lesions, e.g., mineral loss (ΔZ) and lesion depth (LD), via transverse microradiography (TMR, n = 15/group). Result: The cariogenic bacterial amounts (L. rhamnosus and S. mutans) and the total living cell number were significantly decreased after the application of L. reuteri whole culture compared to NC (p < 0.05). Meanwhile, ΔZ (vol % × μm, mean ± SD) and LD (μm, mean ± SD) were significantly decreased in the LC group (1846.67 ± 317.89; 78.2 ± 13.13; p < 0.05). In the SC group, the pathogenic bacterial counts (A. naeslundii and S. mutans), total living bacterial count, ΔZ (3315.87 ± 617.30), and LD (101.35 ± 15.08) were significantly reduced (p < 0.05). No significant reductions in bacterial numbers or ΔZ were observed in the two supernatant groups (p > 0.05). Biofilm architecture was the typical structure of supragingival plaque and not affected by types of probiotic interventions. Conclusion: Viable cultures of L. reuteri and S. oligofermentans could significantly reduce the caries activity of the multispecies biofilm in vitro and display anti-caries potential, while no significant effects from their cell-free supernatants were observed.
Einleitung: Während Probiotika ihr Antikaries-Potential in Monospeziesbiofilmen demonstriert haben, fehlt es an Verständnis über ihre Auswirkungen auf komplexe dentale Biofilme. Wir verglichen daher in vitro die Wirkung der Probiotika Lactobacillus reuteri und Streptococcus oligofermentans auf die Zusammensetzung, Architektur und Kariesaktivität von komplexen Biofilmen aus verschiedener Bakterienspezies. Methoden: Es wurde ein kontinuierlich kultivierbares, künstliches Biofilmmodell verwendet, das aus drei kariogenen Spezies, Streptococcus mutans, Lactobacillus rhamnosus und Actinomyces naeslundii, zusammengesetzt war. Diese kariogenen Biofilme wurden auf Rinderschmelzproben mit der identischen Fläche (4,5 × 4,5 mm) kultiviert, die nach dem Zufallsprinzip in getrennten Kammern (n = 21/Gruppe) verteilt und einmal täglich entweder mit L. reuteri-Lebendkultur (LC) oder zellfreiem Kulturüberstand (LS), mit S. oligofermentans-Lebendkultur (SC) oder zellfreiem Kulturüberstand (SS), oder nur mit Medium (Negativkontrolle, NC) umspült wurden, nachdem sie fünf Zyklen mit abwechselnder Zuführung von modifizierter Brain Heart Infusion (MBHI)-Boullion und definiertem Muzinmedium (DMM) erfahren hatten. Nach 10-tägiger Kultivierung wurde die Biofilmzusammensetzung (Gesamt- und stammspezifische Bakterienzahl) mittels Zählungen koloniebildender Einheiten (CFU) und quantitativer PCR (qPCR) ausgewertet (n = 5/Gruppe). Die Biofilmarchitektur wurde mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) an einer Zufallsstichprobe, die aus jeder Gruppe ausgewählt wurde, visualisiert. Die Kariesaktivität wurde durch pH-Messung und Bestimmung des Mineralverlustes (ΔZ) sowie der Läsionstiefe (LD) der biofilminduzierten Läsionen mittels transversaler Mikroradiographie ermittelt (TMR, n = 15 /Gruppe). Ergebnisse: Im Vergleich mit NC waren die kariogene Bakterienmenge (L. rhamnosus und S. mutans) und die Gesamtbakterienzahl in der LC-Gruppe nach 10-tägiger Applikation signifikant vermindert (p < 0,05) und auch ΔZ (vol % × μm, Mittelwert ± SD) und LD (μm, Mittelwert ± SD) waren signifikant niedriger (1846,67 ± 317,89; 78,2 ± 13,13; p < 0,05). Zudem war in der SC-Gruppe die kariogene Bakterienmenge (A. naeslundii und S. mutans) und die Gesamtbakterienzahl sowie ΔZ (3315,87 ± 617,30) und LD (101,35 ± 15,08) signifikant niedriger (p < 0,05). Die Applikation von Kulturüberständen hatte keine signifikante Verringerung der Bakterienzahl oder ΔZ bzw. LD zum Ergebnis (p > 0,05). Alle Biofilme zeigten die typische Architektur supragingivaler Plaque unabhängig von der Gruppenzuordnung. Schlussfolgerung: Lebendkulturen von L. reuteri und S. oligofermentans konnten signifikant die Kariesaktivität von kariogenen Multispezies-Biofilm in vitro senken. Kulturüberstände zeigten keinen solchen Effekt.
