Wirkung von Chlorhexidin und Aluminium-Ionen auf die initiale Biofilmbildung in situ

Abstract

Wirkung von Chlorhexidin und Aluminium-Ionen auf die initiale Biofilmbildung in situ Ziel: Chlorhexidin (CHX) wird Zahnpasten zur Hemmung der Biofilmneubildung zugesetzt. Ebenso werden Aluminiumverbindungen mit diesem Ziel eingesetzt. In der vorliegenden Stu-die sollte der Einfluss von Chlorhexidin und Aluminiumverbindungen einzeln sowie in Kom-bination in kommerziellen und experimentellen Zahnpasten untersucht werden. Material und Methode: Die Biofilmbildung erfolgte in situ auf bovinen Schmelz- (S) und Dentinprüfkörpern (D) (jeweils n=288), die auf Kunststoffschienen mittels Silikon im Oberkie-fermolarenbereich von sechs Probanden befestigt wurden. Innerhalb einer Verweildauer von 24 h wurden im 1. Quadranten positionierte Prüfkörper nach 30 min, 12 h und 23,5 h für jeweils 30 s geputzt. Die Prüfkörper des 2. Quadranten wurden nicht geputzt, jedoch in der Mundhöhle belassen. Alle Prüfkörper wurden 2 min mit dem Putzschaum kontaminiert. Folgende Zahnpas-ten wurden eingesetzt: Basispaste (B-P: PEG-32, Sorbitol, Hydroxyethylzellulose, SiO2, TiO2, SLS (NaC12H25SO4)), Chlorhexidin-Basispaste (B-CHX-P: B-P + 0,05 % CHX), Aluminium-Lactat-Paste (Al1-P: B-P + Al-Lactat (C9H15AlO9) 0,8%, NaF 1360 ppm), Aluminium-Lactat-Chlorhexidin-Paste (Al1-CHX-P: PEG 32, Sorbitol, Hydraxyethylzellulose, SiO2, TiO2, Co-camidopropyl, Al-Lactat 0,8%; NaF 1360ppm; Olaflur (C27H60F2N2O3)) und Aluminium-Lactat-Aluminiumfluorid-Aluminiumhydroxid-Chlorhexidin-Paste (Al3-CHX-P: Al1-P + CHX 0,05%, AlF3 1360ppm, Al(OH)3). Putzen mit Wasser (W) diente als Kontrolle. Biofilme auf den Prüfkörpern wurden mittels Vitalfluoreszenz (SYTO 9, Propidiumiodid) untersucht. Eine Bestimmung der Biofilmbedeckung erfolgte anhand eines 6-stufigen Scorings (S1 = ein-zelne Bakterien, S2 = bakterielle Aggregation, S3 = Kolonien, S4 = Bedeckung < 50%, S5 = Bedeckung > 50%, S6 = Bedeckung > 90%). Die Biofilmvitalität wurde mit einem 5-stufigen Scoring aufsteigend entsprechend des Anteils grüner Fluoreszensen bewertet. Für die mit dem Zahnpastaschaum in Kontakt gekommenen, ungeputzten Schmelzprüfkörper wurde die Ober-flächenbedeckung colorimetrisch gemessen. Die Rasterelektronenmikroskopie ermöglichte darüber hinaus eine morphologische Beschreibung der in situ unter dem Einfluss der Zahn-pastaformulierungen entstandenen Biofilme. Ergebnisse: Die Biofilmbildung unterlag unabhängig von den Pasten einer großen interindivi-duellen Variabilität. Auf Schmelz- und Dentinprüfkörpern der rechten Seite, die aktiv mit ent-sprechender Paste geputzt wurden, waren einzelne Bakterien und kleine Kolonien erkennbar (median S/D): W:3/3, B-P: 3/2,5, B-CHX-P: 2/1,3, Al1-P: 2/2, Al1-CHX-P: 2/2, Al3-CHX-P: 1/1. Alle wirkstoffhaltigen Pasten bewirkten eine signifikante Hemmung der initialen Biofilm-bedeckung gegenüber der Kontrolle Wasser (p<0,001). Auf ungeputzen Schmelz- und Dentin-prüfkörpern der linken Seite waren sowohl vereinzelte Bakterienkolonien, als auch eine nahezu vollständige Biofilmbedeckung zu finden (median S/D): W: 4/5, B-P: 4/4, B-CHX-P: 4/4, Al1-P: 3,5/3, Al1-CHX-P: 4/3, Al3-CHX-P: 2/3. Die Biofilmneubildung war auf ungeputzen Prüf-körpern, die mit Al1-P und Al3-CHX-P in Berührung kamen, vermindert (p<0,015). Nach An-wendung der Aluminium-Paste und der CHX-Basispaste zeigte sich ein ausgeglichenes Ver-hältnis roter und grüner Fluoreszenz. Das Umspülen mit Al1-CHX-P führte auf den Schmelzprüfkörpern sogar zu einem verhältnismäßigen Anstieg grüner Fluoreszenzen und so-mit zu einem hohen Anteil vitaler Bakterien. Die Anwendung von Al3-CHX-P bewirkte eine signifikante Abnahme der Biofilmvitalität (p<0,001). Mittels rasterelektronenmikroskopischer Aufnahmen war es möglich die Biofilmmorphologie näher zu beschreiben und Zahnpasten-rückständen auf den Prüfkörperoberflächen nachzuweisen. Die Biofilme bestanden zumeist aus Kokken, die sich auf den Schmelzprismen bzw. den Dentintubuli ablagerten. Geputze Prüfkör-per wiesen im Vergleich zu umspülten Prüfkörpern eine geringere Biofilmbedeckung und ver-mehrt Zahnpastarückstände auf. Putzen mit Al1-P führte zu nahezu bakterienfreien Prüfkörper-oberflächen. Auf mit Al1-CHX-P umspülten Prüfkörpern, lagerten sich große organische Putz-körper ab, die eine Anhaftungsstelle für Bakterien und Pellikelbestandteile boten. Auf Prüfkör-pern, die mit Al3-CHX-P umspült oder geputzt wurden, waren nur vereinzelt Kokken sichtbar. Mit Hilfe der energiedispersiven Röntgenspektroskopie konnten Aluminium-Rückstände auf diesen Prüfkörpern nachgewiesen werden. Schlussfolgerung: Die alleinige Verwendung von 0,05% Chlorhexidin zeigt eine begrenzte antibakterielle Wirkung. Aluminiumlactat scheint auch eine antibakterielle Wirkung zu besit-zen. Letztendlich kann die Kombination von Aluminium-Ionen und Chlorhexidin zu einer sig-nifikanten Abnahme der Biofilmbedeckung und Vitalität führen. Der Einfluss von Tensiden und Zahnpastabestandteilen auf den Wirkmechanismus von Aluminium-Ionen und Chlorhexi-din bleibt fraglich und sollte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Effect of chlorhexidine and aluminum ions on initial biofilm formation in situ Objectives: Chlorhexidine (CHX) is added to toothpastes to support the inhibition of biofilm reformation. Aluminum compounds are also used with this aim. In the present study, the influ-ence of chlorhexidine and aluminum compounds should be investigated individually and in combination in commercial and experimental toothpastes. Materials and methods: The biofilm formation was carried out in situ on bovine enamel (E) and dentin (D) specimens (n = 288), which were mounted to minisplits using silicone in the upper-jaw area of six subjects. In a time of 24 h the specimens positioned in the first quadrant were cleaned after 30 min, 12 h and 23.5 h for 30 s each. The specimens of the 2nd quadrant were not cleaned, but left in the mouth. All specimens were contaminated with the cleaning foam for 2 min. The following toothpastes were used: base paste (BP: PEG-32, sorbitol, hy-droxyethylcellulose, SiO2, TiO2, SLS (NaC12H25SO4)), chlorhexidine base paste (B-CHX-P: BP + 0.05% CHX) (Al1-P: BP + Al-lactate (C9H15AlO9) 0.8%, NaF 1360 ppm), aluminum lactate chlorhexidine paste (AL1-CHX-P: PEG 32, sorbitol, hydraxyethylcellulose, SiO2, TiO2, cocamidopropyl, Al-lactate (C9H15AlO9) 0.8%, NaF 1360 ppm, Olaflur (C27H60F2N2O3)) and aluminum lactate aluminum fluoride aluminum hydroxide chlorhexidine paste (Al3-CHX-P: Al1-P + CHX 0.05%, AlF3 1360ppm, Al(OH)3). Cleaning with water (W) served as control. Biofilms on the specimens were examined by means of vital fluorescence (SYTO 9, propidium iodide). A semiquantification of biofilm coverage and vitality was performed by scoring. A color histogram was additionally evaluated for non-brushing enamel specimens. Scanning elec-tron microscopy also enabled a morphological description of the in situ biofilm under the influ-ence of toothpaste formulations. Results: Biofilm formation was subject to a high degree of interindividual variability, regard-less of the pastes. On enamel and dentine specimens of the right side, which were actively brushed with appropriate paste, single bacteria and small colonies were detectable (median E/ D): W: 3/3, BP: 3/2,5, B-CHX-P: 2/1,3, Al1-P: 2/2, Al1-CHX-P: 2/2, Al3-CHX-P: 1/1. All active-ingredient pastes caused a significant inhibition of initial biofilm coverage over the con-trol water (p>0.001). On uncleaned enamel and dentin specimens on the left side, isolated bac-terial colonies as well as near complete biofilm coverage were found (median S / D): W: 4/5, BP: 4/4, B-CHX-P: 4 / 4, Al1-P: 3.5 / 3, Al1-CHX-P: 4/3, Al3-CHX-P: 2/3. Biofilm reformation was reduced (P <0.015) on uncleaned specimens in contact with Al1-P and Al3-CHX-P. After applying the aluminum paste and the CHX base paste, a balanced ratio of red and green fluo-rescence was observed. Rinsing with Al1-CHX-P even led to a relatively higher green fluores-cence on the enamel test specimens and thus to a high proportion of vital bacteria. The applica-tion of Al3-CHX-P causes a significant significant decrease in biofilm vitality (p<0.001). Using scanning electron micrographs, it was possible to describe the biofilm morphology in more detail and to detect toothpaste residues on the specimen surfaces. The biofilms mostly consisted of cocci, which were deposited on the enamel prisms or the dentinal tubules. Brushed specimens showed a lower biofilm coverage and more toothpaste residues compared to washed specimens. Cleaning with Al1-P resulted in almost bacteria-free specimen surfaces. On specimens sput-tered with Al1-CHX-P, large organic grits deposited which provided a site of attachment to bacteria and pellicle constituents. On specimens lapped or cleaned with Al3-CHX-P, only iso-lated cocci were visible. With the aid of energy-dispersive X-ray spectroscopy, aluminum res-idues could be detected on these specimens. Conclusion: The sole use of 0.05% chlorhexidine shows a limited antibacterial effect. Alumi-num lactate also appears to have an antibacterial effect. Ultimately, the combination of alumi-num ions and chlorhexidine can lead to a significant decrease in biofilm coverage and vitality. The influence of surfactants and dentifrices on the mechanism of action of aluminum ions and chlorhexidine remains questionable and should be the subject of further investigations.