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Comprehensive LC-MS/MS analysis of the saliva metabolome in association to oral health status: a population-based study

  • Periodontitis is one of the most prevalent oral diseases worldwide caused by multifactorial interactions between host and oral bacteria. Altered cellular metabolism of host and microbes releases a number of intermediary end-products known as metabolites. Recently, there is an increasing interest in identifying metabolites from oral fluids like saliva to widen the understanding of the complex pathogenesis of periodontitis. It is believed, that some metabolites might serve as indicators toward early detection and screening of periodontitis and perhaps even for monitoring its prognosis in the future. Because contemporary periodontal screening methods are deficient, there is an urgent need for novel approaches in periodontal screening procedures. To this end we associated oral parameters (clinical attachment level, periodontal probing depth, supragingival plaque, supragingival calculus, number of missing teeth, and removable denture) with a large set of salivary metabolites (n=383) obtained by mass spectrometry among a subsample (n=909) of non-diabetic participants of the Study of Health in Pomerania (SHIP-Trend-0). Linear regression analyses were performed in age-stratified groups and adjusted for potential confounders. A multifaceted image of associated metabolites (n=107) with considerable differences according to age groups was revealed. In the young (20-39 years) and middle-aged groups (40-59 years), we found metabolites predominantly associated with periodontal variables; whereas among the older subjects (60 + years), tooth loss was strongly associated with metabolite levels. Metabolites associated with periodontal variables were clearly linked to tissue destruction, host- defence mechanisms and bacterial metabolism. Across all age groups, the bacterial metabolite phenylacetate was significantly associated with periodontal variables. Our results revealed alterations of the salivary metabolome in association with age and oral health status. Among our comprehensive panel of metabolites, periodontitis was significantly associated with the bacterial metabolite phenylacetate, a promising substance for further biomarker research.
  • Parodontitis zählt zu den hochprävalenten oralen Erkrankungen und betrifft Millionen von Menschen auf der ganzen Welt. Sie beeinträchtigt die Lebensqualität der Betroffenen negativ durch Einschränkungen in verschiedenen funktionellen und ästhetischen Aspekten. Darüber hinaus besteht der Verdacht, dass Parodontitis ein Risikofaktor im Zusammenhang mit der Entstehung von weit verbreiteten systemischen Erkrankungen darstellt. Bis jetzt gibt es noch keine zuverlässigen, reproduzierbaren Screeningtests für den klinischen Alltag. Parodontitis wird noch immer anhand von eindeutigen, klinisch sichtbaren (gerötetes Zahnfleisch, Zahnfleischblutung, gelockerte Zähne, Zahnfleischrückgang), messbaren (vergrößerte Sondierungstiefen) oder röntgenologischen Befunden diagnostiziert, welche in der Regel in bereits fortgeschrittenen Stadien der Erkrankung zu finden sind. Aufgrund dieser Defizite in der Früherkennung von Parodontitis beschäftigt sich die Forschung zunehmend mit der Suche nach passenden Biomarkern, welche als diagnostische Werkzeuge dienlich sein könnten. Dabei rückt zunehmend neben der Genomik und Proteomik auch die Metabolomik in den Fokus der wissenschaftlichen Untersuchungen. Parodontitis wird durch multifaktorielle Interaktionen zwischen dem Menschen und bestimmten pathogenen Keimen der Mundhöhle verursacht. Dabei produzieren Wirt und Bakterium verschiedene Zwischen- oder Endprodukte, sogenannte Metabolite. Es wird angenommen, dass einige dieser Metaboliten als Indikatoren für die Früherkennung und das Screening von Parodontitis eignen könnten. In diesem Zusammenhang assoziierten wir orale Parameter (klinisches Attachment-Level, Parodontal-Sondierungstiefe, supragingivale Plaque, supragingivale Zahnstein, Anzahl der fehlenden Zähne und herausnehmbaren Zahnersatz) mit einer großen Menge von Speichelmetaboliten (n=383), die durch Massenspektrometrie aus einer Probandengruppe (n=909) von nicht-diabetischen Teilnehmern der Gesundheitsstudie in Pommern (SHIP-Trend-0) gewonnen wurden. Lineare Regressionsanalysen wurden in nach Alter geschichteten Gruppen durchgeführt und mögliche Störfaktoren bereinigt. Insgesamt fanden wir 107 Metabolite, die zu unseren untersuchten oralen Variablen assoziiert waren. Dabei zeigten sich erheblichen Unterschieden zwischen den Altersgruppen. In der Gruppe der Jüngeren (20-39 Jahre) und der Gruppe mittleren Alters (40-59 Jahre) fanden wir Metabolite, die überwiegend mit parodontalen Variablen assoziiert waren. Bei den älteren Probanden (>60 Jahre) war jedoch der Zahnverlust stark mit den gefundenen Metaboliten assoziiert. Die mit Parodontitis assoziierten Metaboliten standen eindeutig im Zusammenhang mit Gewebezerstörung, Wirtsabwehrmechanismen und bakteriellem Stoffwechsel. In allen drei Altersgruppen war der bakterielle Metabolit Phenylacetat signifikant positiv mit den Parodontitis-Variablen assoziiert. Um zu spezifizieren, ob unsere gefundenen Metabolite aus dem lokalen Stoffwechsel innerhalb der Mundhöhle stammen oder es sich um Stoffe aus dem Blutplasma handelt (die über die Sulcusflüssigkeit in den Speichel gelangt sind oder bei der Speichelentstehung bereits translatiert wurden) führten wir zusätzlich eine umfangreiche Plasmametabolomanalyse bei den Probanden durch. Anhand der Ergebnisse lies sich keine Übereinstimmung finden, was für einen Ursprung der mit Parodontitis assoziierten Metabolite aus dem lokalen oralen Stoffwechsel spricht. Unsere Ergebnisse zeigten deutlich die Veränderungen des Speichelmetaboloms im Zusammenhang mit Alter und dem allgemeinen Gesundheitszustand der Mundhöhle. Durch die Kombination mit Plasma-Metabolomik-Analysen können wir außerdem die systemischen Auswirkungen unserer Ergebnisse beurteilen. Nicht zuletzt waren die Level des Speichelmetaboliten Phenylacetate über alle Altersbereiche hinweg konsistent mit Variablen der Parodontitis assoziiert wodurch dieser einen potenziellen Marker für das Screening darstellt. Unsere umfassende Arbeit dient als Referenz für zukünftige Forschungen in Fall-Kontroll-Studien zu Parodontitis und liefert wichtige Hinweise für die Exploration von Speichelproben für die Biomarker-Forschung im Allgemeinen.

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Metadaten
Author:Dr. med. dent. Claudia LiebschORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-42234
Title Additional (German):Umfangreiche LC-MS/MS Analyse des Speichelmetaboloms in Assoziation zum oralen Gesundheitsstatus: eine populationsbasierte Studie
Referee:Prof. Dr. med. dent. Thomas Kocher, Prof. Dr. med. dent. Peter Eickholz
Advisor:Prof. Dr. med. dent. Thomas Kocher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2020
Date of first Publication:2020/12/22
Granting Institution:Universität Greifswald, Universitätsmedizin
Date of final exam:2020/12/14
Release Date:2020/12/22
Tag:Metabolom; Parodontitis; Speichel
Inflammation; LC-MS/MS; Metabolism; Metabolome; Periodontitis; Saliva
GND Keyword:Parodontitis, Metabolom, Periodontitis, Metabolome, Metabolomics, Saliva
Page Number:89
Faculties:Universitätsmedizin / Poliklinik für Zahnerhaltung, Parodontologie und Endodontologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit