Was passiert im Körper mit Mikroplastik aus KFO-Schienen?

Es ist bekannt, dass aus Kunststoffen gefertigte Schienen wie Aligner, transparente Retainer oder Aufbissschienen in der Mundhöhle kleinste Plastikpartikel in Mi­kro- und Nanometergröße freisetzen. Die US-Wissenschaftler haben nun das Freisetzungspotenzial verschiedener Polymere verglichen, die sowohl in traditionellen Thermoformen als auch im 3D-Druck der nächsten Generation eingesetzt werden. Zusätzlich untersuchten sie, ob und wie Makrophagen-Immunzellen von den Kunststoffpartikeln beeinflusst werden.

Ihre Studie gilt als die erste, die Aufnahmen von aus Alignern stammenden kleineren Nanoplastikpartikeln durch lebende Zellen mittels Bildgebung von Makrophagen dokumentiert. Konkret getestet wurden sechs kieferorthopädische Schienen, jeweils drei direktgedruckte Harze (ActiveMemory™ DCA, Lux Creo Inc.; Tera Harz TA-28, Graphy Inc.; Nylon 12, EOS) und drei thermogeformte Materialien (Invisacryl™, Great Lakes Dental Technologies; Zendura®; Bay Materials) und Invisalign®; Align Technology Inc.).

Dabei wurden gleich große Scheiben der Materialien in künstlichen Speichel eingebracht und eine Woche lang täglich für 30 Sekunden vortexiert (maschinell geschüttelt). Die Freisetzung der Partikel wurde mittels Durchflusszytometrie quantifiziert und mittels Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie visualisiert. Zusätzlich wurde die Aufnahme der Partikel durch Makrophagen mittels Lebendzell-Zeitraffermikroskopie erfasst. Die Makrophagendifferenzierung wurde drei Tage nach der Kokultur mit den Mikroplastikpartikeln durch Durchflusszytometrie beurteilt.

Beide Typen gaben messbare Fragmente von magnetischen Nanopartikeln (MNPs) ab, die leicht von Makrophagen aufgenommen wurden, wobei direktgedruckte Polymere die höchsten Konzentrationen erzeugten. Unterschiede zeigten sich auch in der Größe der Partikel: Während thermogeformte Materialien überwiegend Nanopartikel freisetzten, gaben die gedruckten Schienen vermehrt größere Partikel im Mikrometerbereich ab.

Die biologische Toxizität von Mikroplastikpartikeln wird maßgeblich von der Partikelgröße beeinflusst – je kleiner die Partikel, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie sich im Organismus akkumulieren. Dieser Umstand könnte Einfluss auf die Einschätzung der möglichen Toxizität haben.

Nach der durchflusszytometrischen Quantifizierung der Partikel wurde eine standardisierte Menge an Mikroplastik-Flüssigkeit jeden Materials für drei Tage mit aus dem Knochenmark von Mäusen stammenden Makrophagen kultiviert. Dabei wurden die Makrophagen vorab mit Markern angefärbt, die auf die Differenzierung der Makrophagen in die Subtypen M1 (proinflammatorisch) und M2 (reparativ, antiinflammatorisch) hinweisen.

„Da Mikroplastik nicht biologisch abgebaut wird, können sie in Makrophagen überleben. Im Laufe der Zeit kann dies chronische Entzündungen auslösen, die Fähigkeit des Körpers, Infektionen zu bekämpfen, schwächen und die richtige Wundheilung behindern.“

Thikriat Al-Jewair, Co-Studienautorin und außerordentliche Professorin in der Abteilung für Kieferorthopädie, Fakultät für Zahnmedizin an der University at Buffalo

Die Makrophagen nahmen problemlos Partikel in der Größe von etwa 2 bis 10 μm auf. Dabei lösten einige der Partikel (Lux, Nylon, Invisalign) einen Makrophagen-Phänotyp aus, „der mit einer proinflammatorischen Differenzierung übereinstimmt“, wie die Forschenden berichten. Andere Partikel (Invisacryl™, Zendura®) führten nicht zu einer Hochregulation proinflammatorischer Marker, wobei die Forschenden hervorheben, dass alle Kokulturen hochviabel gewesen seien.

Die Genese inflammatorischer Prozesse ähnelt in der Literatur beschriebenen Fällen, in denen Kohlenstaub, Siliziumdioxid und Asbest in Makrophagen persistent sind. Bleiben die eingeschlossenen Partikel unverdaut, versuchen Makrophagen immer wieder, sie zu phagozytieren und durchlaufen dabei wiederholte Zyklen von Aktivierung, Schädigung und Zytokinfreisetzung, was chronische Entzündungen und fibrotische Umbauprozesse auslöst, schreiben die Forschenden. Im Bereich der Schienenkunststoffe scheinen insbesondere Urethan-basierte, direkt gedruckte Aligner „nicht immunologisch innert“ zu sein.

Die Studienautorinnen und -autoren betonen in ihrem Fazit, „dass sich kieferorthopädische Polymere hinsichtlich ihrer Freisetzungsprofile von Mikroplastik und ihrer Fähigkeit, Makrophagenreaktionen zu modulieren, deutlich unterscheiden. Dies unterstreicht die Bedeutung einer sorgfältigen Materialbewertung für die klinische Anwendung“. In laufenden Forschungsarbeiten werden auch die Oberflächeneigenschaften untersucht, da eine etwas rauere oder porösere Textur die Haltbarkeit und das Potenzial für die Freisetzung sehr kleiner Partikel im Laufe der Zeit beeinflussen könnte.