Doctoral Thesis
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Im Laufe der Jahre haben viele wissenschaftliche Studien bewiesen, dass bei der Bearbeitung von Wurzeloberflächen die Handinstrumenten und die maschinell betriebenen Instrumente gleich gute Resultate erzielen. Die Ergebnisse dieser und weiterer Studien zeigten, dass die Erfahrung der Behandler eine wichtige Rolle bei der Bearbeitung von Wurzeloberflächen spielt, um zufrieden stellende Ergebnisse zu erreichen. Die Behandler mit unterschiedlicher klinischer Erfahrung erreichten auch signifikant unterschiedliche Ergebnisse in der Güte der Wurzeloberflächenbehandlung. Die Unterschiede zwischen den Behandlern traten bei der erreichten Effektivität, dem Abtrag und der Bearbeitungszeit auf. Obwohl die Studenten am wenigsten erfahren waren, haben sie die wenigste Bearbeitungszeit in Anspruch genommen. Bei der Bearbeitung von Wurzeloberflächen lässt sich ein Abtrag der Zahnhartsubstanz nicht vermeiden. Dieser Abtrag der Zahnhartsubstanz kann durch die richtige Anwendung der Schall- bzw. Ultraschallgeräten reduziert werden. Die Zahnstellung spielt eine große Rolle bei der Erreichbarkeit und Effektivität der eingesetzten Instrumente bzw. Spitzen. In dieser Arbeit hat das Vorhandensein großer Interdentalräume die Effektivität der Wurzeloberflächenbearbeitung positiv beeinflusst. Die approximalen Flächen, die Furkationen und die apikalen Drittel der Wurzeloberflächen bereiten die größten Probleme bei der Erreichbarkeit und Bearbeitung von Wurzeloberflächen. Mit den geraden Spitzen haben die Behandler aller drei Gruppen die besten Ergebnisse bezüglich der Effektivität der Wurzeloberflächenbearbeitung und des Abtrags der Zahnhartsubstanz erreicht. Mit der Kombination aus den geraden und den gebogenen Spitzen wurde besser gearbeitet, als nur mit den gebogenen Spitzen, aber schlechter als nur mit den geraden Spitzen. Die gebogenen Spitzen versprechen mehr als was sie halten. Die schlechtesten durchschnittlichen Ergebnisse traten bei der Anwendung von den gebogenen Spitzen. Es konnte keine Korrelation zwischen der Effektivität der Wurzeloberflächenbearbeitung und dem Abtrag von Zahnhartsubstanz nachgewiesen werden.
Angesichts der zu beachtenden Risiken bei der Anwendung von Chlorhexidin ist die Erprobung weiterer Mundhöhlenantiseptika als notwendig anzusehen. Chlorhexidin wirkt u. a. mutagen, indiziert für experimentell nach 14 d reversible prämaligne Alterationen. In der vorliegenden Studie wurde eine 0,12%ige Polihexamid (Lavasept®)- Mundspüllösung mit einem Placebo, einer 0,12%igen Chlorhexidin-Mundspüllösung sowie mit der kommerziellen Mundspüllung Listerine® verglichen. Der in vivo antibakterielle Effekt wurde durch Aufnahme der Bakterienmenge von der Zahnoberfläche (Zahn 36) und der Mukosa 4 h nach der ersten Mundspülung und 5 d später, d.h. 12 h nach der letzten Mundspülung. Für die Untersuchung wurden 16 freiwillige gesunde Versuchspersonen rekrutiert. Die ermittelten Daten wurden anhand von ANOVA mit Bonferroni-Korrekturen für multiple Vergleiche analysiert (Signifikanzniveau a = 0,05). Lavasept war in der Plaquehemmung signifikant wirksamer als Placebo. Es gab keinen signifikanten Unterschied zu Chlorhexidin und Listerine. In der Bakterienreduktion auf der Mukosa war Lavasept nach 4 h und 5 d signifikant wirksamer als Listerine und Placebo. Chlorhidin war hier allen 3 anderen Mundspülungen überlegen. Auf der Zahnoberfläche zeigte Lavasept in der Kurzzeitwirkung tendenziell die antiseptische Wirksamkeit von Chlorhexidin. Lavasept war nach 4 h und 5 d auf der Zahnoberfläche signifikant wirksamer in der Bakterienreduktion als Listerine und Placebo. Übereinstimmend mit vorherigen Studien (Rosin et al. 2001) konnte gezeigt werden, dass Lavasept die Bakterienrekolonisation behindert und die orale Bakterienmenge reduziert. Die vorliegenden Ergebnisse lassen es aussichtsreich erscheinen, den Einfluss von Polihexamid (Lavasept®) als Mundspülung in der Prävention plaque-assoziierter Erkrankungen auch bei bereits etablierter Plaque zu untersuchen.
Hintergrundinformationen: Bakterien gehören zu den ältesten Lebensformen und sind ein elementarer Bestandteil aller ökologischen Lebensräume auf der Erde. Der Mensch als Holobiont ist ein eigenständiges Ökosystem mit einer Vielzahl von ökologischen Nischen und einer großen bakteriellen Vielfalt. Durch innere oder äußere Einflüsse kann es zu Veränderungen der Umweltbedingungen kommen, die eine veränderte Zusammensetzung des Mikrobioms zur Folge haben. Eine solche Dysbiose wirkt sich auf den Gesundheitszustand des Menschen aus und kann zu schweren Krankheiten führen. Das orale Mikrobiom gehört mit zu den komplexesten Mikrobiomen des Menschen. Es bildet eine natürliche Barriere gegen Krankheitserreger und beugt somit u.a. lokalen Krankheiten wie Karies oder Parodontitis vor. Die Metaproteomik ermöglicht es, die exprimierten Proteine des Mikrobioms und deren Interaktion mit dem Wirt zu untersuchen. Diese Technologie überwindet somit die Beschränkung auf Laborkulturen und ermöglicht die Untersuchung des Mikrobioms direkt in seinem natürlichen Lebensraum. Die Metaproteomik bietet eine Reihe von Instrumenten zur Vertiefung des Verständnisses des oralen Mikrobioms hinsichtlich des Gesundheitszustandes des Menschen.
Ziele: Ein Ziel dieser Dissertation war es einen Arbeitsablauf für die Durchführung von Metaproteomstudien des oralen Mikrobioms zu erarbeiten, beginnend bei der Probensammlung über die Präparation der Proben für die Massenspektrometrie bis hin zur bioinformatischen Auswertung. Diesen Arbeitsablauf galt es für das Mikrobiom des Speichels sowie für die Biofilme auf der Zunge und des supragingivalen Plaques zu etablieren bzw. zu adaptieren. Darauf aufbauend wurden Metaproteomstudien durchgeführt, um die drei Mikrobiome bei gesunden Probanden hinsichtlich ihrer exprimierten Proteine, deren metabolischer Bedeutung und Interaktionen mit dem Wirt sowie deren taxonomische Zuordnung zu studieren.
Studiendesign: Die Dissertation umfasst drei Studien mit drei unterschiedlichen Kohorten. Allen Studien ist gemein, dass die Kohorten sich aus oral gesunden Probanden im Alter von 20-30 Jahren zusammensetzten.
In der ersten Studie verglichen wir die Salivette® sowie den Paraffinkaugummi anhand von fünf Probanden, um die effektivste Methode zur Sammlung von Speichel für Metaproteomstudien zu identifizieren.
In der zweiten Studie wurden die Mikrobiome von Speichel und Zunge anhand von 24 Probanden miteinander verglichen und dafür eine Auswertestrategie entwickelt, um der Komplexität dieser Metaproteomstudie gerecht zu werden.
Im Rahmen unserer dritten randomisierten Einzelblindstudie, die auf einem Cross-over-Design basierte, erhielten 16 Probanden vier unterschiedliche lokale Behandlungsschemata, um deren Auswirkung auf das Plaque-Mikrobiom zu untersuchen. Die Behandlungen bestanden aus zwei Lutschtabletten, die Bestandteile des Lactoperoxidase-Systems in unterschiedlichen Konzentrationen enthielten, einer Lutschtablette mit einem Placebo-Wirkstoff sowie Listerine® Total Care™ Mundspülung als Positivkontrolle.
Alle Proben wurden, basierend auf einem Bottom-Up-Ansatz, unter Verwendung von nano LC-MS/MS Massenspektrometern in einer datenabhängigen Messstrategie (DDA, data- dependant acquisition mode) vermessen. Die bioinformatische Auswertung erfolgte für die erste Studie mit Hilfe der Proteome Discoverer Software. Für die Studien zwei und drei wurde die Trans-Proteomic Pipeline eingesetzt. Die taxonomische sowie funktionelle Zuordnung der identifizierten Proteine erfolgte für alle Studien anhand der Prophane Software.
Ergebnisse:
Für den Paraffinkaugummi konnten wir mit 1.005 bakteriellen Metaproteinen dreimal so viele Metaproteine identifizieren im Vergleich zur Salivette® mit 313 Metaproteinen. 76,5 % der Metaproteine der Salivette® wurden ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi gefunden. Insgesamt wurden 38 Genera und 90 Spezies identifiziert, wovon 13 Genera und 44 Spezies nur mit dem Paraffinkaugummi identifiziert werden konnten. Die größte funktionelle Diversität wurde ebenfalls mit dem Paraffinkaugummi detektiert.
Das Metaproteom des Speichel- und Zungen-Mikrobioms basiert auf 3.969 bakteriellen Metaproteinen sowie 1.857 humanen Proteinen. Die Anzahl der nur für das Zungen-Mikrobiom identifizierten Metaproteine, war doppelt so hoch, im Vergleich zum Speichel.
Die Metaproteine konnten 107 Genera sowie 7 Phyla zugeordnet werden. Funktionell wurden für das Speichel-Mikrobiom signifikant höhere Metaproteinabundanzen für die Zellmotilität gefunden. Beim Zungen-Mikrobiom hingegen wiesen die Metaproteine der Biosynthese von sekundären Metaboliten, Signaltransduktion oder der Replikation höhere Abundanzen auf.
Im Rahmen der Plaque-Studie identifizierten wir durchschnittlich 1.916 (± 465) bakterielle Metaproteine je Probe, die wir taxonomisch und funktionell 116 Genera sowie 1.316 Proteinfunktionen zuordnen konnten. Die Plaque inhibierende Wirkung von Listerine® zeigte sich durch eine Reduktion der Metaproteinidentifikation von durchschnittlich 23,5 % nach der Behandlung. Darüber hinaus zeigte die Mehrheit der bakteriellen Metaproteine reduzierte relative Abundanzen während für die Metaproteine humanen Ursprungs eine Erhöhung der Proteinabundanzen gegenüber der Kontrolle vor Behandlung zu verzeichnen war. Aus funktioneller Sicht waren insbesondere metabolische Prozesse, welche für das Zellwachstum und die Zellteilung wichtig sind, betroffen. Im Gegensatz dazu erhöhten sich durch die LPO Lutschtabletten sowohl die Identifikation der Metaproteine als auch die relative Abundanz für die Mehrheit der Proteine. Nach den durch die Metaproteomdaten erhaltenen funktionellen Informationen liegen Hinweise für einen wachsenden Biofilm vor. Die Metaproteine, die eine erhöhte Abundanz nach Behandlung mit den LPO-Dragees zeigten, wurden taxonomisch hauptsächlich Erst- (S. gordonii) und Zweitbesiedlern (F. nucleatum) sowie Bakterien zugeordnet, die einem gesunden Biofilm zuträglich sind.
Fazit: Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein vollständiger Metaproteom Arbeitsablauf von der Probensammlung, über die Probenpräparation bis hin zu Datenanalyse für das Speichel-, Zungen- und Plaque-Mikrobiom erarbeitet. In drei Studien konnten wir dessen Anwendbarkeit demonstrieren und erreichten vergleichbare Ergebnisse zu anderen Metaproteomstudien, beispielsweise bezüglich der Proteinidentifikation. Für die Sammlung von Speichelproben stellte sich der Paraffinkaugummi für Metaproteomstudien als die Methode der Wahl heraus. Für das Zungen-Mikrobiom veröffentlichten wir die ersten Metaproteomdaten. Darüber hinaus publizierten wir die erste Metaproteomstudie, welche die beiden Mikrobiome von Speichel und Zunge miteinander vergleicht. Hinsichtlich des Plaque-Mikrobioms handelte es sich ebenfalls um die erste Metaproteomstudie, die ein
anerkanntes und etabliertes zahnklinisches Modell mit den Vorzügen der Metaproteomiks verbindet. Die Ergebnisse liefern erste Daten, um (auf längere Sicht gesehen) ein Produkt zur täglichen Mundhygiene entwickeln zu können, welches die bakterielle Zusammensetzung des Plaque-Biofilms positiv beeinflusst.