Ein neuer Weg der Kariesprävention

Beeinflussung des Biofilm-Metabolismus

Abbildung 1: Streptococcus mutans Biofilm auf Zahnschmelz Foto: PD Dr. Al-Ahmad

Abbildung 2: Ein kariogener Biofilm produziert bei hochfrequenter Zufuhr von niedermolekularen Kohlenhydraten organische Säuren. Dabei entsteht ein ökologisches Milieu, das durch azidurische und acetogene Keime dominiert wird. Durch die Zufuhr von Proteinen, Peptiden oder Arginin können einzelne Mikroorganismen Ammoniak produzieren und den pH-Wert im mikrobiellen Biofilm anheben. Dabei kann es in der Folge auch zur Etablierung eines weniger kariesauslösenden Biofilms kommen, in dem alkaliproduzierende Bakterien (in der Grafik rot) dominieren. Schaubild: Hellwig/zm
Abbildung 3: DMFT-Anstieg ein beziehungsweise zwei Jahre nach Anwendung unterschiedlicher Zahnpasten Grafik: zm / Quelle: Kraivaphan et al., 2013
Abbildung 4: Läsionsvolumen initialkariöser Läsionen zu Beginn, nach drei Monaten und am Ende einer klinischen Studie, in der unterschiedliche Zahnpastaformulierungen verwendet wurden. Grafik: zm / Quelle: Yin et al., 2013
Abbildung 5: Karies ist nach wie vor ein ernst zu nehmendes Gesundheitsproblem. So findet man selbst bei Patienten mit klinisch nahezu kariesfreiem Gebiss nach der Anfertigung von Bissflügelaufnahmen nicht selten approximale Kariesläsionen (Zahn 46 distal), die tief bis ins Dentin reichen. Foto: Helwig

Arginin beeinflusst die Ökologie des Biofilms

Deshalb versuchte man bereits in den 1970er Jahren, den Biofilm mit Substanzen zu beeinflussen, die zu einer Pufferwirkung führen und damit den pH-Wert während einer kariogenen Attacke begrenzen. Diese Substanzen müssen von bestimmten Mikroorganismen verstoffwechselt werden, um zum Beispiel Ammoniak als metabolisches Endprodukt zu erhalten. So konnte gezeigt werden, dass die Produktion alkalischer Metaboliten beim oralen Biofilm eine wichtige Rolle für die Kariesprävention spielt, weil die Säuren in der Plaque gepuffert werden und daraus eine wenig kariogene Flora resultiert (Abbildung 2). Damit könnte eine neue Strategie gefunden sein, die die Mundgesundheit fördert. Aufgrund der grundlegenden Untersuchungen von Kleinberg et al. wurde zum Beispiel Arginin als eine derartige Substanz identifiziert. Arginin ist in freier Form im Speichel (50 µmol) und gebunden an Speichelproteine und -peptide vorhanden.

Arginin wird durch das Arginin-Deiminase-System (AD-System) bestimmter Mikroorganismen verstoffwechselt, und es entstehen Ornithin, Ammoniak und CO2. Zu diesen Keimen gehören Streptokokkus gordonii, Streptokokkus parasanguinis und Streptokokkus mitis. Auch bestimmte Laktobazillen und Aktinomyzeten beziehungsweise Spirochäten wurden als arginolytisch identifiziert. In einer Untersuchung aus dem Jahr 2013 konnte in diesem Zusammenhang gezeigt werden, dass die Arginin-Deiminase-Aktivität im Biofilm von kariesfreien Zahnoberflächen höher war als die aus einem Biofilm von kariösen Schmelz- beziehungsweise Dentinflächen. Eine verbesserte Argininverfügbarkeit erhöht die Aktivität des Enzyms im Speichel und im Biofilm.

In klinischen Studien konnte gezeigt werden, dass kariesfreie Individuen höhere Ammoniakkonzentrationen und einen höheren pH-Wert, einen signifikant höheren freien Argininlevel im Speichel und eine höhere Arginin-Deiminase-Aktivität in ihrer Plaque und im Speichel besitzen. Die bakterielle Produktion von alkalischen Substanzen ist sehr eng korreliert mit einem niedrigeren Karieslevel.

Laborversuche konnten zeigen, dass

• ein kariogener Biofilm Arginin zu NH3 verstoffwechseln kann,

• die entsprechenden Stoffwechselwege identifiziert werden konnten,

• der pH-Wert im Biofilm bei wiederholter Gabe von Arginin ansteigt und damit dem pH-Wert-Abfall während einer kariösen Attacke entgegengewirkt,

• Mikroorganismen, die basische Metaboliten produzieren, im Verlauf der Zeit zunehmen, wenn regelmäßig Arginin zugeführt wird.

Insgesamt kann man aus den vorliegenden In-vitro-Studien schließen, dass der antikariogene Effekt einer Zahnpaste, die Arginin enthält, in erster Linie auf deren Eigenschaft zurückzuführen ist, das Arginin-Deiminase-System anzuregen und das Substrat für eine Ammoniak-Produktion durch die Plaquebakterien zur Verfügung zu stellen. Dadurch werden dann auch wieder Bestandteile des Speichels metabolisiert, die zu einer verstärkten Bildung von alkalischen Substanzen in der Plaque beitragen. Die Verwendung einer fluoridhaltigen Argininpaste führt auch zu einem bakteriellen Shift in der Plaquezusammensetzung in Richtung der Zusammensetzung des Biofilms kariesfreier Individuen. Offenbar lässt sich damit ein ökologisch gesundes orales Umfeld erzielen, in dem die Etablierung von säuretoleranten und mit Karies assoziierten pathogenen Mikroorganismen erschwert ist.

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