Aus dem Forschungslabor

Neue Aspekte in der Kariesprophylaxe

Effiziente Mundhygiene, zahngesunde Ernährung und regelmäßige Fluoridierungsmaßnahmen sind die Eckpfeiler der bewährten traditionellen Kariesprophylaxe. Neben diesen bewährten Strategien werden seit vielen Jahren auch neue Konzepte in der Kariesprävention verfolgt, die darauf abzielen, die Kolonisation der Zahnoberfläche mit den Karies verursachenden Mutans- Streptokokken (S. mutans) selektiv zu verhindern.

Hierzu zählen die passive Immunisierung durch lokale intraorale Applikation von Antikörpern gegen S. mutans, die mukosale Immunisierung gegen S. mutans sowie die „replacement therapy“, das heißt die Substitution von S. mutans durch einen gentechnisch veränderten, nicht pathogenen Bakterienstamm.

Passive Immunisierung gegen S. mutans

Die Fähigkeit von Mutans- Streptokokken, an der Schmelzoberfläche zu adhärieren und so das Biotop Zahn zu kolonisieren, stellt die entscheidende Voraussetzung für die Etablierung eines pathogenen Biofilms auf der Zahnoberfläche und die anschließende Entstehung der kariösen Läsion dar. S. mutans- Bakterienzellen sind von einem Besatz aus Fimbrien überzogen, an denen sich spezifische Oberflächenproteine, die so genannten Adhäsine befinden.

Mit diesen Adhäsinen können sie an Rezeptoren, die entweder in der Pellikelschicht auf der Zahnoberfläche oder an der Oberfläche anderer, bereits adhärenter Mikroorganismen lokalisiert sind, irreversibel anhaften.

Verfahren der lokalen passiven Immunisierung basiert auf der Überlegung, dass Antikörper, die mit den molekularen Mechanismen der Adhärenz von S. mutans interferieren, nach der Applikation auf den gereinigten Zahnschmelz in der Pellikelschicht angereichert werden und dadurch der bakteriellen Anhaftung und Kolonisation direkt entgegenwirken können [Ma et al. 1998, Ma 1999]. Um das Verfahren der lokalen passiven Immunisierung in der menschlichen Mundhöhle zu realisieren, bedarf es jedoch vergleichsweise großer Mengen von Antikörpern, die spezifisch gegen die Oberflächenadhäsine von S. mutans gerichtet sein müssen. Erst durch die Nutzung moderner biotechnologischer Methoden ist es in den letzten Jahren gelungen, die benötigten Antikörper in hinreichend großer Menge herzustellen. Dazu wurden Tabakpflanzen gentechnisch derart transformiert, dass sie sekretorische IgAund G-Antikörper produzieren, die gegen die Oberflächenadhäsine der Bakterien gerichtet sind [Ma et al. 1998]. Die Eignung dieser sIgA/G-Antikörper zur passiven topischen Immunisierung gegen die Bakterien wurde bereits an menschlichen Probanden nachgewiesen [Ma et al. 1998]. Die Lokalapplikation der Antikörper auf die Zahnoberfläche bewirkte einen viermonatigen Schutz der menschlichen Mundhöhle vor der Rekolonisation mit S. mutans, während in der Placebo-Gruppe innerhalb des viermonatigen Nachuntersuchungszeitraumes eine intraorale Wiederbesiedelung mit S. mutans-Bakterien nachgewiesen werden konnte [Ma et al. 1998]. Unerwünschte systemische Nebenwirkungen ließen sich nicht feststellen. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch die topische Applikation von Antikörpern eine effektive passive Immunisierung gegen S. mutans erzielt werden kann. Derzeit wird nach Möglichkeiten gesucht, die Zulassung für dieses Verfahren der Kariesimmunisierung zu erlangen, so dass möglicherweise bereits in einigen Jahren eine entsprechende Karies-Vakzine für die Lokalapplikation in der Mundhöhle zur Verfügung stehen könnte.

Mukosale Immunisierung gegen S. mutans

Eine aktive Immunisierung gegen Karies, zum Beispiel durch intramuskuläre Injektion von Bakterienzellen, ist beim Menschen nicht möglich, da hierbei nicht nur Antikörper gegen den Keim, sondern auch Serumantikörper gegen menschliches Herzmuskelgewebe gebildet werden. Die daraus resultierenden Kreuzreaktionen stellen nach wie vor ein gravierendes und ungelöstes Problem der aktiven Kariesimmunisierung dar.

Auf der Suche nach möglichen Alternativen zur aktiven Immunisierung machte man die Entdeckung, dass sekretorische Antikörper (sIgA) gegen S. mutans-Bakterien mit dem Speichel sezerniert werden, wenn eine entsprechende Stimulation des mukosalen Immunsystems in der Mundhöhle erfolgt. Das mukosale Immunsystem, zu dem unter anderem der Waldeyersche Rachenring zählt, ist in der Lage, unabhängig von den im Blut zirkulierenden immunkompetenten Zellen Antikörper zu bilden. Die mit dem Speichel sezernierten sIgA-Antikörper dienen zur spezifischen Immunabwehr von intraoralen Pathogenen. Zur Induktion der Antikörpersekretion über den Speichel wird das mukosale Immunsystem durch intranasale oder tonsilläre Applikation von Antigenen in Form eines Sprays angeregt.

Als Antigene zur mukosalen Immunisierung finden neben den bakteriellen Oberflächenadhäsinen auch Enzyme (Glukosyltransferasen) von S. mutans Verwendung. Glukosyltransferasen sind für die Produktion von extrazellulären Polysacchariden (Glukanpolymeren) verantwortlich und begünstigen dadurch die Etablierung des Erregers im Biofilm an der Zahnoberfläche. Durch die mukosale Immunisierung lässt sich im menschlichen Speichel eine sekretorische Immunantwort induzieren, die auf die Blockade der Virulenzfaktoren von S. mutans (Adhäsine und Glukosyltransferasen), ausgerichtet ist [Childers et al. 2002]. Die nasale oder tonsilläre Applikation von Antigenen bieten die Möglichkeit, die intraorale Kolonisation mit S. mutans auf immunologischem Weg zu verhindern, ohne Kreuzreaktionen mit dem menschlichen Herzmuskelgewebe hervorzurufen [Hajishengallis und Michalek, 1999]. Allerdings ist die bei der mukosalen Immunisierung erzielte Produktion sekretorischer Antikörper sehr variabel und oftmals nur gering ausgeprägt. Weitere Studien sind daher noch erforderlich, um die für eine mukosale Immunisierung gegen S. mutans optimal geeignete Vakzine zu entwickeln und den resultierenden kariespräventiven Effekt bei menschlichen Probanden abzusichern.

Replacement therapy des Bakteriums

Die „replacement therapy“ beinhaltet die Substitution des natürlich vorkommenden Wildtyps von S. mutans gegen eine gentechnisch modifizierte, nicht pathogene Mutante [Hillman et al. 2000]. Der gentechnisch veränderte Austausch- oder Effektorbakterienstamm soll im bakteriellen Biofilm die ökologische Nische, die normalerweise von S. mutans besetzt wird, selektiv und dauerhaft kolonisieren. Als entscheidender Pathogenitätsfaktor dieses Bakteriums gelten seine azidogenen Eigenschaften, denn diese führen zur Ausbildung kariöser Läsionen im Zahnschmelz. Verantwortlich für die Bildung von Milchsäure im bakteriellen Stoffwechsel ist das Enzym Laktatdehydrogenase. Um das pathogene Potential des Keims zu reduzieren, wurde im bakteriellen Genom des für diese „Therapiemethode“ konzipierten Bakterienstammes das Gen, das die Bildung des Enzyms Laktatdehydrogenase kodiert, gentechnisch entfernt und durch ein neues Gen ersetzt, das die Bildung des Enzyms Alkoholdehydrogenase kodiert. Die derart modifizierte Variante von S. mutans ist aufgrund des Fehlens des Enzyms Laktatdehydrogenase nicht mehr in der Lage, Milchsäure zu produzieren. Aufgrund der erhöhten Alkoholdehydrogenase- Aktivität bildet dieser Bakterienstamm hingegen vielmehr als Stoffwechselendprodukt Äthanol, so dass die Gesamtmenge der sauren Stoffwechselmetaboliten reduziert ist. Um den natürlichen S. mutans Bakterienstamm aus dem Biofilm dauerhaft verdrängen zu können, wurde der zur Substitution konzipierte Effektorstamm außerdem mit der Fähigkeit ausgestattet, das antibakteriell wirksame Peptid Mutacin zu bilden. Mutacin bewirkt eine Inhibition des Wachstums aller anderen Mutans-Streptokokken und begünstigt dadurch die selektive Kolonisation der Zahnoberfläche mit dem Effektor-Stamm.

In Tierexperimenten mit gnotobiotischen Ratten [Hillman et al. 2000] konnte gezeigt werden, dass dieser gentechnisch veränderte Effektor-Stamm tatsächlich in der Lage ist, S. mutans aus der mikrobiellen Plaque zu verdrängen, die Zahnoberfläche selektiv zu kolonisieren und das Auftreten von Karies signifikant zu reduzieren. Das reduzierte pathogene Potential dieses gentechnisch modifizierten Bakterienstammes, sein Potential die Zahnoberfläche zu kolonisieren und seine genetische Stabilität lassen ihn auch für die Anwendung am Menschen im Rahmen dieser „Ersatztherapie“ von S. mutans zur Kariesprophylaxe geeignet erscheinen. Klinische Studien, mit denen das Potential der „replacement therapy“ zur Kariesprophylaxe beim Menschen bewiesen werden soll, befinden sich momentan in der Vorbereitung. Erst wenn die Ergebnisse dieser Studie vorliegen, wird eine endgültige Bewertung dieses neuen Konzeptes zur Kariesprophylaxe beim Menschen möglich sein.

Schlussbetrachtung

Die mukosale Immunisierung und Sekretion von Antikörpern gegen S. mutans über den Speichel sowie der Austausch dieser Keime gegen eine weniger pathogene Mutante im Sinne dieser Methode bieten interessante Möglichkeiten, um in Zukunft die intraorale Etablierung von Mutans-Streptokokken im Biofilm bereits nach Durchbruch der Milchzähne zu verhindern oder zumindest hinauszuzögern. Die Möglichkeit der passiven Immunisierung durch topische Applikation von Antikörpern gegen den Mutans-Erreger könnte zukünftig eine ergänzende Methode der Kariesprophylaxe bei Patienten darstellen, die ein hohes Kariesrisiko aufweisen. Im Hinblick auf die Einschätzung des Stellenwertes der hier vorgestellten neuen Aspekte in der Kariesprophylaxe gilt es jedoch zu beachten, dass Karies durch eine heterogene Keimflora hervorgerufen wird. Diese wäre in vollem Umfang nur durch ein breites Spektrum von Antikörpern beziehungsweise gentechnisch veränderten Austauschbakterienstämmen unterschiedlicher Spezifität zu beeinflussen. Die daraus resultierenden Verschiebungen in der Zusammensetzung der intraoralen Mikroflora und möglichen Störungen des ökologischen Gleichgewichtes in der Mundhöhle sind aktuell nicht abschätzbar.

Univ.-Prof. Dr. M. Hannig
Universitätsklinikum des Saarlandes
Klinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und
Präventive Zahnheilkunde, Geb. 73
66421 Homburg
E-Mail: zmkmhan@uniklinik-saarland.de

Nachdruck aus der Zeitschrift „Zahnärztlicher Gesundheitsdienst“ (2003; 33(3/03) 6-7) mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.

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