De bacteriën die in tandplak leven en bijdragen aan tandbederf, verzetten zich vaak tegen traditionele antimicrobiële behandelingen, omdat ze zich kunnen "verstoppen" in een kleverige biofilmmatrix, een lijmachtige polymeersteiger.

Een nieuwe strategie bedacht door onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania ging uit van een meer verfijnde aanpak. In plaats van simpelweg een antibioticum op de tanden aan te brengen, ze maakten gebruik van de pH-gevoelige en enzymachtige eigenschappen van ijzerbevattende nanodeeltjes om de activiteit van waterstofperoxide te katalyseren, een veelgebruikt natuurlijk antisepticum. Het geactiveerde waterstofperoxide produceerde vrije radicalen die tegelijkertijd de biofilmmatrix konden afbreken en de bacteriën erin konden doden, tandplak aanzienlijk verminderen en tandbederf voorkomen, of gaatjes, in een diermodel.

"Zelfs bij gebruik van een zeer lage concentratie waterstofperoxide, het proces was ongelooflijk effectief in het verstoren van de biofilm, " zei Hyun (Michel) Koo, een professor in de afdeling Orthodontie van de Penn School of Dental Medicine en afdelingen van Pediatric Dentistry en Community Oral Health en de senior auteur van de studie, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Biomaterialen . "Het toevoegen van nanodeeltjes verhoogde de efficiëntie van het doden van bacteriën met meer dan 5, 000-voudig."

De hoofdauteur van het artikel was Lizeng Gao, een postdoctoraal onderzoeker in Koo's lab. Coauteurs waren Yuan Liu, Dongyeop Kim, Yong Li en Geelsu Hwang, heel Koo's lab, evenals David Cormode, een assistent-professor radiologie en bio-engineering met benoemingen in Penn's Perelman School of Medicine en School of Engineering and Applied Science, en Pratap C. Naha, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Cormode.

Het werk bouwde voort op een baanbrekende bevinding van Gao en collega's, gepubliceerd in 2007 in Natuur Nanotechnologie , waaruit blijkt dat nanodeeltjes, lang verondersteld om biologisch en chemisch inert te zijn, zou in feite enzymachtige eigenschappen kunnen bezitten. In die studie, Gao toonde aan dat een ijzeroxide-nanodeeltje zich op dezelfde manier gedroeg als een peroxidase, een natuurlijk gevonden enzym dat oxidatieve reacties katalyseert, vaak met waterstofperoxide.

Toen Gao in 2013 bij Koo's lab kwam hij stelde voor om deze nanodeeltjes in een orale setting te gebruiken, omdat de oxidatie van waterstofperoxide vrije radicalen produceert die bacteriën kunnen doden.

"Toen hij het voor het eerst aan mij presenteerde, Ik was erg sceptisch, " zei Koo, "Omdat deze vrije radicalen ook gezond weefsel kunnen beschadigen. Maar toen weerlegde hij dat en vertelde me dat dit anders is omdat de activiteit van de nanodeeltjes afhankelijk is van de pH."

Gao had ontdekt dat de nanodeeltjes geen katalytische activiteit hadden bij een neutrale of bijna neutrale pH van 6,5 of 7, fysiologische waarden die doorgaans worden aangetroffen in bloed of in een gezonde mond. Maar toen de pH zuur was, dichter bij 5, ze worden zeer actief en kunnen snel vrije radicalen produceren.

Het scenario was ideaal voor het aanpakken van plaque, die een zure micro-omgeving kan produceren bij blootstelling aan suikers.

Gao en Koo reikten naar Cormode, die ervaring hadden met het werken met ijzeroxide-nanodeeltjes in een context van radiologische beeldvorming, om hen te helpen synthetiseren, karakteriseren en testen van de effectiviteit van de nanodeeltjes, waarvan verschillende vormen al door de FDA zijn goedgekeurd voor beeldvorming bij mensen.

Beginnend met in vitro-onderzoeken, waarbij een biofilm met de holteveroorzakende bacterie Streptococcus mutans op een tandglazuurachtig oppervlak werd gekweekt en vervolgens werd blootgesteld aan suiker, de onderzoekers bevestigden dat de nanodeeltjes zich aan de biofilm hechtten, werden behouden, zelfs nadat de behandeling was gestopt en konden waterstofperoxide effectief katalyseren in zure omstandigheden.

Ze toonden ook aan dat de reactie van de nanodeeltjes met een waterstofperoxide-oplossing van 1 procent of minder opmerkelijk effectief was in het doden van bacteriën, meer dan 99,9 procent van de S. mutans in de biofilm binnen vijf minuten uitroeien, een werkzaamheid van meer dan 5, 000 keer groter dan het gebruik van waterstofperoxide alleen. Nog veelbelovender, ze toonden aan dat het behandelingsregime, met een plaatselijke behandeling van 30 seconden van de nanodeeltjes, gevolgd door een behandeling van 30 seconden met waterstofperoxide, zou de biofilmmatrixcomponenten kunnen afbreken, in wezen het verwijderen van de beschermende kleverige steiger.

Verhuizen naar een diermodel, ze brachten de nanodeeltjes en waterstofperoxide topisch aan op de tanden van ratten, die tandbederf kan ontwikkelen wanneer ze besmet zijn met S. mutans, net als mensen. Tweemaaldaags, behandelingen van één minuut gedurende drie weken verminderden het ontstaan ​​en de ernst van carieuze laesies aanzienlijk, de klinische term voor tandbederf, vergeleken met de controle of behandeling met alleen waterstofperoxide. De onderzoekers constateerden geen nadelige effecten op het tandvlees of de zachte mondweefsels van de behandeling.

"Het is veelbelovend, " zei Koo. "De werkzaamheid en toxiciteit moeten worden gevalideerd in klinische onderzoeken, maar ik denk dat het potentieel er is."

Een van de aantrekkelijke kenmerken van het platform is het feit dat de componenten relatief goedkoop zijn.

"Als je kijkt naar de hoeveelheid die je nodig hebt voor een dosis, je kijkt naar iets van 5 milligram, "Zei Cormode. "Het is een kleine hoeveelheid materiaal, en de nanodeeltjes zijn vrij gemakkelijk te synthetiseren, dus we hebben het over de kosten van centen per dosis."

In aanvulling, het platform gebruikt een concentratie van waterstofperoxide, 1 procent, die lager is dan veel momenteel beschikbare tandbleeksystemen die concentraties van 3 tot 10 procent gebruiken, het minimaliseren van de kans op negatieve bijwerkingen.

Vooruit kijken, Gao, Koo, Cormode en collega's hopen door te gaan met het verfijnen en verbeteren van de effectiviteit van het nanodeeltjesplatform om biofilms te bestrijden.

"We bestuderen de rol van coatings van nanodeeltjes, samenstelling, grootte, enzovoort, zodat we de deeltjes kunnen ontwerpen voor nog betere prestaties, ' zei Cormode.