Charakterisierung der Wirkung antimikrobieller Substanzen auf Multispeziesbiofilme mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie

Autor: Steiner, Kristin geb. Heinrich
Rok vydání: 2012
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DOI: 10.17169/refubium-11628
Popis: Die Mundhöhle ist ein Lebensraum mit idealen Voraussetzungen für die Besiedlung durch eine Vielzahl von Mikroorganismen, deren Organisation in Plaqueschichten auf den Zahnoberflächen das typische Beispiel eines bakteriellen Biofilms darstellt [Marsh & Bradshaw, 1995]. Durch ständig wechselnde Umgebungsbedingungen und äußere Einflussfaktoren wie eine ungesunde Ernährungsweise, Krankheiten, immunologische Fehlfunktionen und ungenügende Mundhygiene wird das in der dentalen Plaque herrschende Gleichgewicht gestört, was zu pathologischen Plaquebildungsprozessen führen kann [Marsh, 1999]. Weil die dentale Plaque als Biofilm dadurch eine pathogenetische Relevanz bekommt, ist es von grundsätzlicher Bedeutung, die Ausreifung und das ungestörte Plaquewachstum zu verhindern oder wenigstens zu reduzieren. In der Zahnmedizin werden antimikrobielle Substanzen wie zum Beispiel Mundspüllö-sungen seit vielen Jahren erfolgreich zur Prävention und Behandlung von Karies und parodontalen Erkrankungen eingesetzt und stellen somit eine wertvolle Ergänzung zu manuellen Therapiemaßnahmen dar [Barnett, 2003; Gottenbos et al., 1999; Pitten et al., 2003; Shapiro et al., 2002]. Antimikrobielle Agenzien können außerdem als begleitende Maßnahmen zur Mund- und Zahnpflege entscheidend zur Bekämpfung pathologischer Plaquebildungsprozesse und zur Verbesserung der Mundhygiene beitragen [Marsh, 1999; Pitten et al., 2003; Shapiro et al., 2002]. Sowohl die Behandlung als auch die Prävention parodontaler Erkrankungen sind in erster Linie auf die dentale Plaque als Biofilm fokussiert. Um klinisch relevante Resultate zur Verfügung stellen zu können, ist es notwendig, Multispeziesbiofilmmodelle in vitro zu entwickeln, da mit diesen antimikrobielle Substanzen besser untersucht werden können [Shen et al., 2009; Wilson, 1996]. Viele Studien haben gezeigt, dass Bakterien in einem Biofilmverbund gegenüber Antiseptika weniger empfindlich sind als Monospezieskulturen bzw. Bakterien in Suspensionen („planktonische Bakterien“) [Bradshaw & Marsh, 1999; Costerton et al., 1999; Donlan & Costerton, 2002; Marsh & Bradshaw, 1995; Pitten et al., 2003; Romero et al., 2008]. Der Charakter der dentalen Plaque als Multispeziesbiofilm spielt deshalb gerade bei der Einwirkung antimikrobieller Substanzen auf die bakterielle Mikroflora eine große Rolle [Sissons et al., 1996; Wilson et al., 1996]. Nur mit einer Multispezieskultur kann auf die In-vivo-Situation zurückgeschlossen werden, da sie die Natur am ehesten imitiert [Pratten et al., 1998a]. Das in der vorliegenden Studie erarbeitete Modell erlaubt die Untersuchung oraler, in vitro gewachsener Multispeziesbiofilme und deren Reduktion nach Anwendung ver- schiedener kommerziell erhältlicher Mundspüllösungen. Bei den Testsubstanzen han-delt es sich um Chlorhexamed Forte® 0,2 % (Chlorhexidindigluconat), Listerine® (Phe-nolderivat), Hexoral® (Hexetidin) und Meridol® (Zinnfluorid). Die auf speziellen Thermanox®-Deckgläschen kultivierten Multispeziesbiofilme wurden anschließend mit elektronenmikroskopischen Methoden dokumentiert. Ein Vorteil dieser Methode ist der systematische Vergleich akkumulierter Bakterien auf den Biofilmträgern, was bei der Betrachtung der individuellen Wirkung der Testsubstanzen von entscheidender Bedeutung ist. Die Auswertung der Biofilme auf den einzelnen Biofilmträgern ergab ein sehr heterogenes Bild, was sowohl die Zusammensetzung als auch die relative Häufigkeit der Bakterien anbelangt. Auch wenn die Morphotypen der verschiedenen Multispeziesbiofilme eines Probanden weitgehend übereinstimmten, so variierten die prozentualen Anteile aufgrund der Wirkung der Testsubstanzen erheblich. Ebenso zeigte sich eine Änderung der phänotypischen Eigenschaften des Biofilms in Abhängigkeit von der Mundspüllösung. Während Chlorhexamed Forte®, Meridol® und Hexoral® eine selektive Abtötung einzelner Morphotypen und somit eine Veränderung der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft bewirken, wird unter dem Einfluss von Listerine® die Bakterienzahl relativ gleichmäßig reduziert. Insgesamt konnten nur wenige allgemeingültige Zusammenhänge zwischen der zweifellos vorhandenen Wirkung der antimikrobiellen Substanzen und der Gesamtbakterienmenge bzw. der Zusammensetzung der mikrobiologischen Gemeinschaft festgestellt werden. Die mit Mundspüllösung behandelten Patientenbiofilme zeigten im Vergleich zu derjenigen der Kontrollbiofilme deutlich geringere Gesamtbakterienmengen, wobei die durch Chlorhexamed Forte® 0,2 % erzielte Reduktion der Bakterienmenge bei der Mehrheit der Probanden am deutlichsten ist. Die Ergebnisse dieser Studie, in der antimikrobielle Mundspüllösungen gegen Multispeziesbiofilme verschiedener Probanden getestet wurden, zeigen die unterschiedlichen Wirkmechanismen dieser Substanzen in vitro. Weitere Studien sollten der Frage nachgehen, ob die unterschiedlichen Wirkungen der Mundspüllösungen auf Multispeziesbiofilme auch in vivo bestätigt werden können.
The oral cavity is a habitat with ideal conditions for colonization by a variety of microor-ganisms, whose organization in plaque layers on dental surfaces shows a typical example of a bacterial biofilm [Marsh & Bradshaw, 1995]. Due to constantly changing environmental conditions and external influences such as unhealthy diet, disease, immunological dysfunction and poor oral hygiene, the prevailing balance in the dental plaque is disturbed, which can lead to pathological plaque formation processes [Marsh, 1999]. This causes the dental plaque as a biofilm to obtain a pathogenetic relevance. It is therefore of fundamental importance to prevent or at least reduce the maturation and undisturbed plaque growth. In dentistry, antimicrobial substances such as mouthwashes have successfully been used for many years for the prevention and treatment of dental caries and periodontal diseases and therefore represent a valuable supplement to manual therapy measures [Barnett, 2003; Gottenbos et al., 1999; Pitten et al., 2003; Shapiro et al., 2002]. In addi-tion, antimicrobial agents as accompanying measures to the oral and dental care can contribute significantly to fight pathological plaque formation processes and to improve the oral hygiene [Marsh, 1999; Pitten et al., 2003; Shapiro et al., 2002]. Both the treat-ment and the prevention of periodontal diseases are primarily focused on dental plaque as a biofilm. To provide clinically relevant results it is necessary to develop multispecies biofilm models in vitro. These facilitate the examination of antimicrobial substances [Shen et al., 2009; Wilson, 1996]. Many studies have shown that bacteria in a biofilm formation are less sensitive towards antiseptics than monospecies cultures or those in suspension (planktonic bacteria) [Bradshaw & Marsh, 1999; Costerton et al., 1999; Donlan & Costerton, 2002; Marsh & Bradshaw, 1995; Pitten et al., 2003; Romero et al., 2008]. Therefore, the character of the dental plaque biofilm as a multispecies biofilm plays a major role on the effect of antimicrobial substances on the bacterial microflora [Sissons et al., 1996; Wilson et al., 1996]. Only with a multispecies culture conclusions can be drawn on the in vivo situation, since it comes closest to nature [Pratten et al., 1998a]. The model developed in the present study allows the investigation of oral, in vitro grown multispecies biofilms and their reduction after application of various commercially available mouthwashes. The test substances are Chlorhexamed Forte® 0.2% (chlorhexidine), Listerine® (phenol derivative) Hexoral® (hexetidine) and Meridol® (stannous fluoride). The multispecies biofilms cultured on special Thermanox® coverslips were subse-quently documented with electron microscopical methods. An advantage of this method is the systematic comparison of accumulated bacteria on the biofilm carriers, which is essential when considering the individual effect of the test substances. The evaluation of the biofilms on their biofilm carriers led to a very heterogeneous pic-ture, with regard to both the composition and the relative abundance of the bacteria. Even though the morphotypes of the different multispecies biofilms of one and the same subject coincided to a large extent, their proportional shares varied considerably due to the effect of the test substances. Furthermore, a change in the phenotypic characteristics of the biofilm appeared as a result of the mouthwashes used. While Chlorhexamed Forte®, Meridol® and Hexoral® cause a selective elimination of individual morphotypes and therefore a change in composition of the bacterial community, the number of bacteria is reduced relatively even when using Listerine®. In all, only a few generally valid correlations could be ascertained between the undoubtedly existing effect of antimicrobial substances on the total bacteria amount and the composition of the microbial community. The patients' biofilms treated with mouthwash showed a much lower total bacteria count than the control biofilms, whereby the achieved reduction of the bacterial amount is clearest in the majority of those test biofilms having used Chlorhexamed Forte® 0.2%. The results of this study in which antimicrobial mouth rinses were tested against multispecies biofilms of different test persons, show the different effects of these substances in vitro. Further studies should address the question whether the different effects of mouthwashes can also be confirmed on multispecies biofilms in vivo.
Databáze: OpenAIRE
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