Einfluss von experimentellen Fluorid- und Zink-Kurkuma-Zahnpasten auf die bakterielle Biofilmbildung in situ

Abstract

Die vorliegende In-situ-Studie befasst sich mit den Einflüssen experimenteller Zahnpasten, einer Fluoridpaste und einer Zink-Kurkuma-Paste, auf die bakterielle Biofilmbildung. Die Versuche hatten zum Ziel, drei zentrale Hypothesen zu überprüfen. Dabei ging es um fol-gende Fragestellungen: Erstens, ob die Zahnpasten im Vergleich zu Kontrollsubstanzen (Wasser und Basispaste) anti-bakterielle und antiadhäsive Effekte aufweisen, zweitens um den Unterschied zwischen mecha-nischer und chemischer Biofilmkontrolle sowie drittens um die Differenzierung von Lang - und Kurzzeiteffekten dieser Zahnpasten auf die Vitalität und Neubildung von Biofilmen. Im Rahmen der Studie wurden bovine Schmelzproben in der Mundhöhle einer Biofilmbildung ausgesetzt und mit Fluoridpaste, Zink-Kurkuma-Paste oder Kontrollsubstanzen (Wasser und Basispaste) behandelt. Die Prüfkörper wurden in festgelegten Abständen (nach 30 min, 12 h, 24 h, 36 h, 47,5 h) entweder mechanisch mit Zahnbürste und der entsprechenden Zahnpasta gereinigt oder mit der Zahnpasta-Speichel-Lösung umspült. Die Entnahme der Prüfkörper er-folgte zu zwei Zeitpunkten. Ein Teil der Prüfkörper wurde nach 47,5 h entnommen, zu diesem Zeitpunkt war das letzte Putzen oder Umspülen 11,5 h her. Die Entnahme der restlichen Prüf-körper erfolgte nach einer weiteren Anwendung der Prüfsubstanzen und einer Wirkzeit von 30 min zum Zeitpunkt 48 h nach Einsetzen. Das Spülprotokoll ermöglichte durch die Differen-zierung der Entnahmezeitpunkte einen Rückschluss auf Langzeit- und Kurzzeitwirkung. Die Untersuchung der Biofilmbedeckung und Biofilmvitalität erfolgte mittels Fluoreszenzmik-roskopie, wobei jeweils zwei verschiedene Auswertungsmethoden (ImageJ und Scoring-Verfahren: Bedeckung: 1 = einzelne Bakterien, 2 = bakterielle Aggregation, 3 = Kolonien, 4 = Bedeckung < 50%, 5 = Bedeckung > 50%; Vitalität: fünfstufige Skala je nach Anteil grüner Fluoreszenz) angewandt wurden. Die Analyse der Biofilmmorphologie fand durch Rasterelekt-ronenmikroskopie statt, ergänzend wurde eine Elementanalyse mit energiedispersiver Röntgen-spektroskopie (EDX) durchgeführt. Die Ergebnisse demonstrieren, dass sowohl die experimentelle Fluoridpaste (F-P) als auch die Zink-Kurkuma-Paste (ZK-P) die Neubildung und Vitalität von Biofilmen im Vergleich zur Kon-trolle statistisch signifikant reduzieren. Dabei konnten leichte Unterschiede in der Wirksamkeit beobachtet werden. Nach dem Kontrolldurchgang mit Wasser wurde nach 47,5 h eine Biofilm-bedeckung von durchschnittlich 89% (Score 4,9) auf den Prüfkörpern festgestellt. Nach dem Umspülen mit der Basispaste wiesen die Prüfkörper eine durchschnittliche Bede-ckung von 80% (Score 4,3) auf. Das Umspülen mit Fluoridpaste und Zink-Kurkuma-Paste re-sultierte in einer statistisch signifikanten Reduktion der Biofilmneubildung bei viermalig um-spülten Prüfkörpern (F-P: 37% (Score 3,71), ZK-P: 31% (Score 3,75)). Die mechanische Rei-nigung der Schmelzprüfkörper mit einer Zahnbürste und Paste zeigte eine durchschnittliche Re-duktion der Biofilmbedeckung auf 0,2% (Score 1). Dieser Effekt wies einen statistisch signifi-kanten Charakter auf. Die Vitalität lag bei mit Wasser umspülten Prüfkörpern nach 47,5 h im Mittel bei 77% (Score 4,4), bei der Basispaste war sie mit 55% (Score 3,5) statistisch signifikant niedriger. Bei den mit Fluoridpaste und Zink-Kurkuma-Paste gespülten Prüfkörpern zeigte sich eine statistisch signifi-kante Reduktion der Vitalität im Vergleich zu Wasser und Basispaste (F-P: 42%, (Score 3), ZK-P: 34%, (Score 2,7)). Darüber hinaus zeigten die Fluoridpaste und die Zink-Kurkuma-Paste eine sofortige Wirkung. Zwischen den Entnahmezeitpunkten 47,5 h und 48 h reduzierte sich die Vi-talität statistisch signifikant auf F-P 35% (Score 2,4) und ZK-P 26% (Score 2,2)). Somit wies die mechanische Reinigung eine stärkere Reduktion der Biofilmbedeckung im Ver-gleich zur chemischen Spülung auf. Die Langzeitwirkung der Zahnpasten zeigte statistisch sig-nifikante Effekte in Form von Reduktion der Biofilmvitalität und Biofilmbedeckung. Zudem konnte ein Kurzzeiteffekt auf die Vitalität nachgewiesen werden. Die Resultate legen nahe, dass eine chemische Biofilmkontrolle durch die mit Fluoriden und Zink-Kurkuma angereichte Pasten möglich ist, zudem ist die Substantivität der experimentellen Zahnpasten vielversprechend.

The present in situ study investigates the effects of experimental toothpastes, a fluoride paste and a zinc-turmeric paste, on bacterial biofilm formation. The experiments were designed to test three main hypotheses. The following questions were addressed: Firstly, whether the toothpastes had antibacterial and anti-adhesive effects compared to controls (water and base paste); secondly, the difference between mechanical and chemical biofilm con-trol; and thirdly, the differentiation between the long-term and short-term effects of these tooth-pastes on biofilm vitality and new biofilm formation. In the study, bovine enamel samples were exposed to biofilm formation in the oral cavity and treated with fluoride paste, zinc-turmeric paste or controls (water and base paste). At fixed inter-vals (after 30 min, 12 h, 24 h, 36 h, 47.5 h), the samples were mechanically cleaned with a toothbrush and the corresponding toothpaste in the first quadrant and rinsed with the toothpaste-saliva solution in the second quadrant. The specimens were removed at two times. Some of the test specimens were removed after 47.5 hours, at which time the last rinse had taken place 11.5 hours earlier. The remaining specimens were removed after a further application of the test sub-stances and a 30-minute exposure period at 48 h after insertion. The rinsing protocol allowed differentiation between different removal times. Biofilm coverage and biofilm vitality were ana-lysed by fluorescence microscopy using two different scoring methods each (Image J and scor-ing method, coverage: 1 = individual bacteria, 2 = bacterial aggregation, 3 = colonies, 4 = cover-age < 50%, 5 = coverage > 50%, biofilm vitality was scored on a five point ascending scale according to the proportion of green fluorescence). Biofilm morphology was analysed by scan-ning electron microscopy, supplemented by elemental analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The results show that both the experimental fluoride paste (F-P) and the zinc-turmeric paste (ZK-P) significantly reduced the formation and vitality of biofilms compared to the control. Slight differences in efficacy were observed. After the control cycle with water, an average bio-film coverage of 89% (score 4.9) was observed in the test samples after 47.5 hours. After rinsing with the base paste, the majority of test samples showed an average coverage of 80% (score 4.3). Rinsing with fluoride paste and zinc-turmeric paste resulted in a significant reduction in the formation of new biofilm in samples rinsed four times (F-P: 37% (score 3.71), ZK-P: 31% (Score 3.75)). Mechanical cleaning of the enamel test specimens with a toothbrush showed an average reduction in biofilm coverage to 0.2% (score 1). This effect was significant. The vitality of the water rinsed test specimens was 77% on average after 47.5 hours (score 4.4), whereas it was significantly lower with the base paste at 55% (score 3.5). Specimens rinsed with fluoride paste and zinc-turmeric paste showed a significant reduction in vitality compared with water and base paste (F-P: 42%, score 3, ZK-P: 34%, score 2.7). In addition, the fluoride paste and the zinc-turmeric paste showed an immediate effect. Between the sampling times of 47.5 h and 48 h, vitality was statistically significantly reduced to F-P 35% (score 2.4) and ZK-P 26% (score 2.2). Thus, mechanical cleaning showed a greater reduction in biofilm coverage than chemical rinsing. The long-term effect of the toothpastes showed significant effects in terms of reduction in bio-film vitality and biofilm coverage. A short-term effect on vitality was also demonstrated. The results suggest that chemical biofilm control is possible with fluoride and zinc-turmeric enriched pastes, and that the substantivity of the experimental toothpastes is also promising.