Ein neuer Weg der Kariesprävention

Beeinflussung des Biofilm-Metabolismus

Der mikrobielle Biofilm ist normalerweise ein Garant für gesunde orale Verhältnisse. Sobald es allerdings aufgrund eines hochfrequenten Konsums von niedermolekularen Kohlenhydraten zu häufigen pH-Abfällen im Biofilm kommt, entsteht eine azidogene und azidurische Mikroflora, und es kommt zu einer Demineralisierung der Zahnhartsubstanzen. Karies ist somit das Ergebnis der metabolischen Aktivität eines kariogenen, mikrobiellen Biofilms.

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

Systematische Übersichtsarbeiten der vergangenen Jahre verdeutlichen, dass die regelmäßige Anwendung von fluoridhaltigen Zahnpasten, Fluoridlacken und -gelen beziehungsweise fluoridhaltigen Mundspüllösungen zu einer erheblichen Kariesreduktion führt. So ist die Kariesprävalenz auch in Deutschland insbesondere bei Jugendlichen in den vergangenen Dekaden erheblich gesunken. Aber nach wie vor entsteht eine Vielzahl initialer Kariesläsionen. Und zudem ist die kariesprophylaktische Wirksamkeit von Fluoriden bei Patienten mit hoher Kariesaktivität verringert. Die Kariesprävention durch Fluoridpräparate zielt in erster Linie auf die Beeinflussung der De- und Remineralisierungsvorgänge an der Zahnoberfläche.

Der kariesverursachende Biofilm auf der Zahnoberfläche wird durch Fluoride hingegen kaum beeinflusst. Vor diesem Hintergrund wird schon seit geraumer Zeit nach Methoden gesucht, mit denen man einen zusätzlichen kariespräventiven Effekt erzielen kann. So wurden zum Beispiel kalziumhaltige Verbindungen wie Amorphes-Calcium-Phos-phat/Casein-Phosphopeptid (ACP-CPP) entwickelt, um einen zusätzlichen remineralisierenden Effekt zu erzielen. Die Daten zur klinischen Wirksamkeit von Präparaten, die diese Substanz enthalten, sind widersprüchlich. So formulierte auch das Evidence-Based-Center der amerikanischen Zahnärztegesellschaft im Jahr 2011, dass es keine gesicherten Kenntnisse darüber gibt, dass derartige Präparate zur Kariesprävention beitragen können. Außerdem ist der Hauptwirkungsmechanismus der Anwendung dieser Präparate wieder die Remineralisierung des bereits demineralisierten Zahnschmelzes. Neue Methoden der Kariesprävention sollten aber möglichst bereits die Entstehung initialer Kariesläsionen verhindern. Es lässt sich in diesem Zusammenhang konstatieren, dass es auch für eine kariespräventive Effektivität fluoridfreier Zahnpasten mit anderen Inhaltsstoffen, wie zum Beispiel Nano-Hydroxylapatit keine Evidenz aus klinischen Studien gibt.

Konsequenterweise gerät die Beeinflussung des kariogenen, mikrobiellen Biofilms zunehmend in den Fokus der Forschung. Auf den ersten Blick würden möglicherweise antimikrobiell wirksame Spüllösungen eine gute Möglichkeit zur Kariesprävention bieten. Im Biofilm leben die kariesauslösenden Bakterien aber in einer Art „Lebensgemeinschaft“, die durch die Anwendung von antimikrobiell wirksamen Substanzen nur sehr bedingt beeinflusst werden kann. Bakterien in Biofilmen können sich nämlich erfolgreich gegen eine derartige Beeinflussung wehren. So sind erheblich höhere Konzentrationen antimikrobieller Wirkstoffe – als in den üblichen Spüllösungen vorhanden – erforderlich, um eine kariespräventive Wirkung zu erzielen.

Auch eine allein mechanische Mundhygiene ohne gleichzeitige Verwendung einer fluoridhaltigen Zahnpasta ist nur begrenzt kariespräventiv wirksam. So verbleibt häufig auch nach dem Zähneputzen an vielen Stellen ein Biofilm auf der Zahnoberfläche, der azidophile und azidurische Keime enthalten kann. Einige Mikroorganismen, die sich in einer sogenannten normalen Mikroflora befinden und mit einer guten oralen Situation korrelieren, sind allerdings in der Lage, Moleküle aus der Nahrung und dem Speichel zu Ammoniak (NH3) zu metabolisieren. Sie halten damit den Biofilm in einer Balance und helfen die Etablierung einer kariogenen Mikroflora zu unterdrücken. Es scheint sogar eine inverse Korrelation zwischen dem Vorhandensein dieser alkaliproduzierenden Mikroorganismen und der Kariesprävalenz zu geben. Der pH-Wert in einem Biofilm auf der Zahnoberfläche wird also unter anderem durch die Produktion von Milchsäure aus niedermolekularen Kohlenhydraten beziehungsweise von NH3 aus Proteinen, Peptiden und anderen Molekülen determiniert. Der pH-Wert wiederum bestimmt das Bakterienwachstum und somit auch die Zusammensetzung des Bakterienkollektivs. Umgekehrt wird durch diese Parameter die Pufferkapazität im Biofilm mit beeinflusst.

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.

Kombi-Wirksamkeit von Arginin/Kalzium/Fluorid

Diese Erkenntnisse führten dazu, dass man argininhaltige Zahnpflegeprodukte zunächst in situ bezüglich ihrer karieshemmenden Wirkungen untersuchte. Die Ergebnisse waren eindeutig positiv. So wurde zum Beispiel in einer Untersuchung eine Zahnpasta mit 1,5 Prozent Arginin, Kalziumkarbonat und 1 450 ppm F- in Form von NaMFP verwendet. Eine weitere Zahnpasta enthielt 1,5 Prozent Arginin, Dikalziumphosphat und 1 450 ppm F- in Form von NaMFP. Als Positivkontrolle fungierte eine fluoridhaltige Zahnpasta (NaMFP: 1450 ppm F-) auf Dikalziumphosphatbasis, als Negativkontrolle NaMFP (250 ppm) auch auf Dikalziumphosphatbasis. Es wurden insgesamt 29 Probanden eingeschlossen und jeweils zwei Proben aus Zahnschmelz in intraoralen Apparaturen im Unterkiefer der Probanden eingesetzt. Anschließend wurde durch das Eintauchen in Essigsäure während 48 Stunden eine Demineralisierung der Schmelzproben erzeugt. Die Probanden putzten in dieser Cross-Over-Studie die Schmelzproben zweimal täglich für eine Minute mit der entsprechenden Zahnpasta und spülten danach zehn Sekunden lang mit Leitungswasser. Nach jeweils zwei Wochen wurden die Schmelzproben dem Mund entnommen und mit Mikroradiografie (spezielles Röntgenverfahren zur Bestimmung des Mineralgehalts) evaluiert. Dabei zeigte sich, dass die argininhaltigen Zahnpasten eine signifikant bessere Remineralisierung bewirkten als die anderen Zahnpasten. In der Negativkontrolle (250 ppm Fluorid als NaMFP, kein Arginin) kam es sogar zu einer Demineralisierung der Schmelzproben.

Anschließend wurden auch klinische Studien zur Wirksamkeit von argininhaltigen Zahnpasten durchgeführt, denn nur die klinische Anwendung eines Produkts kann die wirkliche Evidenz liefern, ob ein Kariesprophylaktikum wirksam eingesetzt werden kann. Insbesondere gilt es, natürlich auch nachzuprüfen, ob eine Substanz zu einer verbesserten Kariesreduktion im Vergleich zum Goldstandard Fluorid führt.

Klinische Studien gibt es in erster Linie zu Zahnpasten, die Arginin und unterschiedliche Kalziumverbindungen enthalten. So wurde im Jahr 2005 eine Studie von Acevedo et al. publiziert, in der eine fluoridfreie Arginin- Bikarbonat/Kalziumkarbonat-Zahnpasta bei elf- bis zwölfjährigen Schulkindern über zwei Jahre untersucht wurde. Dabei erhielten 304 Kinder die als CaviStat bezeichnete Zahnpasta und 297 Kinder dienten als Kontrolle, bei denen eine 1 100 ppm fluoridhaltige Zahnpasta verwendet wurde. Die Untersucher kamen zu dem Ergebnis, dass die argininhaltige Zahnpasta klinisch und statistisch signifikant effektiver bei der Verhinderung der Kariesentstehung und Kariesprogression als die Fluoridzahnpasta war. Nach zwei Jahren zeigte sich allerdings, dass bei Betrachtung des Gesamt-DMFS kein signifikanter Unterschied mehr zwischen den beiden Gruppen vorhanden war. Betrachtet man allerdings den DMFS-Wert für die Prämolaren und für die zweiten Molaren, dann gab es wieder einen statistisch hoch signifikanten Unterschied zugunsten der Gruppe, die die argininhaltige Zahnpasta verwendete.

Die Weiterentwicklung resultierte dann in einer Zahnpasta, die 1,5 Prozent Arginin, 1 450 ppm Fluorid (Natriummonofluorphosphat) und eine Kalziumkomponente enthält. Mit dieser Zahnpasta wurde unter anderem eine Studie durchgeführt, in der diese Zahnpasta mit einer Natrium-Monofluorphosphat-Zahnpasta (1450 ppmF-) und einer nicht-fluoridhaltigen Zahnpasta verglichen wurde. An dieser Untersuchung nahmen 446 Kinder im Alter von zehn bis zwölf Jahren aus fünf Schulen in Chengdu (China) teil, die mindestens eine initiale Kariesläsion auf der bukkalen Fläche bei einem der sechs Oberkieferschneidezähne aufwiesen. Mithilfe eines speziellen Fluoreszenzverfahrens (quantitative lichtinduzierte Fluoreszenz, QLF) wurde nach sechs Monaten evaluiert, ob die Größe der initialen Kariesläsionen unter der entsprechenden Behandlung verändert war. Die Studie war doppelt verblindet, randomisiert und kontrolliert. Sie wurde in drei parallelen Gruppen durchgeführt. Die Probanden mussten ihre Zähne zweimal täglich zu Hause putzen. Zusätzlich verwendeten sie die entsprechende Zahnpasta für zwei Minuten an den Schultagen nachmittags unter Aufsicht.

Fluoridhaltige Zahnpasta verbessert mit Arginin ihre Wirksamkeit

Die Verwendung der argininhaltigen Fluorid-Zahnpasta führte bei 45 Prozent der Probanden zu einer Verringerung der durchschnittlichen Läsionsgröße um 50 Prozent oder mehr. Die reine Fluorid-Zahnpasta resultierte bei nur 23 Prozent zu einer derartigen Verringerung der Läsionsgröße. In der Negativkontrollgruppe kam es bei 13 Prozent zu einer entsprechenden Veränderung der Läsion. Die Autoren kommen zu der Schlussfolgerung, dass die fluoridhaltige Zahnpasta mit Arginin zu einer verbesserten kariespräventiven Wirksamkeit im Vergleich zu alleiniger Fluoridapplikation beiträgt.

In einer zweiten, ähnlichen Untersuchung mit einem nahezu identischen Versuchs- design wurde die oben genannte Arginin-Zahnpasta mit 1 450 ppm Fluorid in Form von Natriummonofluorphosphat auf Kalziumkarbonat-Basis mit einer Zahnpasta verglichen, die 1 450 ppm Fluorid auf NaF-Basis enthielt. Wieder wurde eine Negativkontrolle ohne Fluorid verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass es in der Gruppe mit der argininhaltigen Zahnpasta nach sechs Monaten zu einer Verringerung des Läsionsvolumens um 51 Prozent kam. Die Werte für die reine Fluoridzahnpasta betrug 34 Prozent und für die Negativkontrolle 13 Prozent (Abbildung 4). Damit zeigte sich, dass die argininhaltige Zahnpasta auch im Vergleich zu einer Zahnpasta mit einem ionisch gebundenen Fluorid wirksamer war. Auch in einer dritten Studie, die bei Kindern in Thailand durchgeführt wurde und die wieder ein ähnliches Versuchsdesign aufwies, zeigte sich die argininhaltige Zahnpasta gegenüber der reinen Fluoridzahnpasta überlegen.

Die Wirksamkeit der Zahnpasta wurde auch in Studien mit klassischer klinischer Kariesdiagnostik überprüft.

So nahmen in einer groß angelegten Studie 6 000 Probanden im Alter von sechs bis zwölf Jahren teil, die mindestens vier durchgebrochene, bleibende Molaren aufwiesen und zudem mindestens einen zentralen durchgebrochen Schneidezahn besaßen. Die Studie wurde als Doppelt-Blind-Studie im randomisierten Paralleldesign durchgeführt, wobei in jeder Gruppe 2 000 Probanden zugeteilt waren. Beide Probandengruppen besaßen eine moderate Kariesaktivität. Sie wurden angewiesen, zweimal täglich mit der ihnen zugeteilten Zahnpasta die Zähne zu putzen. Dabei wurden eine 1,5 Prozent Arginin- und 1 450 ppm F- (NaMFP) haltige Zahnpasta verwendet, die auf Kalziumkarbonat-Basis hergestellt war. Als weiteres Testprodukt wurde eine Zahnpasta mit gleichem Arginin- und Fluoridgehalt auf Dikalziumphosphat-Basis verwendet und als Kontrollprodukt diente eine Zahnpasta mit Natriumfluorid (1 450 ppm).

Die Studie dauerte zwei Jahre und am Ende zeigte sich, dass die Testzahnpasta einen signifikant besseren Schutz vor Karies bot als die herkömmliche Natriumfluoridzahnpasta.

Ein Unterschied zwischen den beiden argininhaltigen Zahnpasten ließ sich nicht feststellen (Abbildung 3).

Auch bei der Arretierung (Wiederaushärtung) von kariös bedingten Demineralisationen auf Wurzeloberflächen zeigt die Zahnpasta mit Arginin, Fluorid und Dikalziumphosphat gegenüber einer reinen Fluoridzahnpasta bessere Ergebnisse.

Zusammenfassung

Die lokale Applikation fluoridhaltiger Präparate ist nach wie vor die wichtigste Säule der Kariesprävention. Die Modifikation des kariogenen Biofilms wird allerdings zukünftig die Möglichkeit eröffnen, neue Wege in der Kariesprävention zu beschreiten. Die von Kleinberg bereits Ende der 1970er-Jahre theoretisch postulierte Beeinflussungsmöglichkeit des Biofilms durch alkalisierende Moleküle wie zum Beispiel Arginin wurde bereits in klinisch verwendbare Produkte umgesetzt und hat offenbar die klinische Bewährungsprobe erfolgreich bestanden zu haben. Zudem könnte die in diesen Produkten enthaltende Kalziumkomponente offensichtlich eine Möglichkeit sein, die Menge an freien Kalzium-Ionen für den Remineralisierungsprozess nach einer kariösen Attacke an der Zahnoberfläche zu erhöhen.

Prof. Dr. Elmar Hellwig
Department für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde
Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie
Hugstetter Str. 55
79106 Freiburg i.Br.
elmar.hellwig@uniklinik-freiburg.de


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