The anti-biofilm effects of bisphosphonates and bioactive glass on the periodontopathogen Aggregatibacter actinomycetemcomitans

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151308
Title: The anti-biofilm effects of bisphosphonates and bioactive glass on the periodontopathogen Aggregatibacter actinomycetemcomitans
Author: Hiltunen, Anna
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy
Publisher: Helsingfors universitet
Date: 2015
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201801151308
http://hdl.handle.net/10138/156237
Thesis level: master's thesis
Abstract: Periodontitis is a globally significant disease which destroys the attachment tissues and alveolar bone of teeth, eventually leading to tooth loss. Biofilms, the most intrinsic lifestyle of bacteria, play a pivotal role in the occurrence of this disease. Periodontal biofilms can be treated with topically administered chlorhexidine and strain-specific antibiotics. However, these antimicrobials do not offer solutions for periodontal attachment tissue and alveolar bone loss. Some therapeutical alternatives for these conventional treatments have been investigated. In numerous studies, periodontitis is treated successfully (increased attachment and/or alveolar bone levels) with topically and systemically administered bisphosphonates. Furthermore, a topically administered bone graft substitute (bioactive glass) has shown to improve periodontal parameters. In addition, bioactive glass has known antimicrobial and anti-biofilm effects. Moreover, a few bisphosphonates have shown antimicrobial activity against some bacterial strains. Hence, both bisphosphonates and bioactive glass are promising materials for dental applications, also raising interest in their combination. Indeed, it could be hypothesized that this combination product could simultaneously treat both the underlying cause (biofilms) and consequences (alveolar bone and attachment tissue loss) of periodontitis. Open research questions remain for the combination product. Is the anti-biofilm effect enhanced when bioactive glass is combined with bisphosphonates? Moreover, do bisphosphonates have intrinsic anti-biofilm properties? These questions are investigated in this thesis, which is a continuation of a recent doctoral dissertation. In this dissertation, a clodronate-bioactive glass combination product was studied by applying it into periodontal pockets. However, anti-biofilm effects were not assessed. In this thesis, a close examination is carried out on these effects, utilizing relevant biofilm models. The aims of this work were to investigate anti-biofilm effects of bisphosphonates (alendronate, clodronate, etidronate, risedronate and zoledronate) (i) alone, administered as solutions and (ii) combined with bioactive glass S53P4. Optimization of the used assay methods (96-well plate assay, Static Biofilm method) was performed. The anti-biofilm effects of bisphosphonate solutions were screened in the 96-well plate assay using a model organism Staphylococcus aureus Newman and a periodontopathogen Aggregatibacter actinomycetemcomitans ATCC 33384. After this, experiments were conducted with bisphosphonate-bioactive glass combinations. The experiments were performed with a single-specie (A. actinomycetemcomitans ATCC 33384) dental biofilm model based on the Static Biofilm method. The model mimics conditions encountered by periodontal bacteria in the oral cavity. In this part, bisphosphonate particle sizes were measured to determine a suitable control material. In addition to bacterial experiments, pH measurements were carried out to gain an insight to a possible anti-biofilm mechanism. Bisphosphonates administered as stand-alone compounds did not have an effect on either the Gram-positive model organism (S. aureus Newman) or the Gram-negative periodontopathogen (A. actinomycetemcomitans ATCC 33384). In contrast, most combinations of bisphosphonate-bioactive glass revealed a statistically significant increase in anti-biofilm effect on A. actinomycetemcomitans ATCC 33384. The combinations were compared to a control composed of inert glass and bioactive glass. In these assay conditions, the risedronate-bioactive glass-combination was the most effective (significant statistical difference, p < 0.05). Other combinations also reduced biofilms (significant statistical differences, p < 0.05), with the exception of clodronate-bioactive glass, where the change was not statistically significant. The most effective combinations (containing risedronate and etidronate) subjected the biofilms to a period of low pH. Conversely, the least effective combination (clodronate-bioactive glass) rapidly became alkaline, similarly to the control compounds (inert glass and bioactive glass). Thus, anti-biofilm efficacy could be connected to lowered pH. This observation is supported by recent literature where A. actinomycetemcomitans has been deemed highly sensitive to acidity. However, establishing the anti-biofilm rank order of bisphosphonate-bioactive glass combinations would benefit from experiments with equal bisphosphonate particle sizes.Parodontiitti on kansainvälisesti merkittävä sairaus, joka tuhoaa hampaan kiinnityskudoksia ja alveoliluuta. Tämä johtaa lopulta hampaan irtoamiseen. Biofilmit, bakteereille ominaisin olomuoto, ovat tärkeässä roolissa parodontiitin synnyssä. Parodontiitin biofilmejä voidaan hoitaa topikaalisesti annostellulla klooriheksidiinillä ja bakteerikannan mukaisesti valituilla antibiooteilla. Kuitenkaan nämä mikrobilääkkeet eivät tarjoa ratkaisuja parodontiitin aiheuttamaan kiinnityskudos- ja alveoliluukatoon. Terapeuttisia vaihtoehtoja näille perinteisille hoitokäytännöille onkin tutkittu. Lukuisissa tutkimuksissa parodontiittia on hoidettu onnistuneesti (kasvaneet alveoliluu- ja/tai kiinnityskudostasot) topikaalisesti ja systeemisesti annostelluilla bisfosfonaateilla. Myös topikaalisesti annostellulla luun täytemateriaalilla (bioaktiivinen lasi) on saavutettu parodontaalistatuksen kohentumista. Tällä materiaalilla on myös todettu olevan mikrobien ja biofilmien vastaista tehoa. Myös eräät bisfosfonaatit ovat osoittaneet tehoa muutamia mikrobikantoja vastaan. Näiden seikkojen vuoksi sekä bisfosfonaatit että bioaktiivisen lasi ovat lupaavia materiaaleja hammassovelluksissa, ja niiden yhdistäminen onkin herättänyt kiinnostusta. Voidaankin esittää hypoteesi, että tällä yhdistelmävalmisteella voidaan hoitaa sekä parodontiitin juurisyytä (biofilmit) että seuraksia (alveoliluu- ja kiinnityskudoskato). Yhdistelmävalmisteeseen liittyy kuitenkin avoimia kysymyksiä. Voidaanko biofilmien vastaista vaikutusta parantaa yhdistämällä bioaktiivinen lasi bisfosfonaattien kanssa? Onko bisfosfonaateilla itsellään biofilmien vastaista tehoa? Näitä kysymyksiä tutkitaan tässä pro gradu -tutkielmassa, joka on jatkoa tuoreelle väitöskirjalle. Kyseisessä väitöskirjassa tutkittiin klodronaatista ja bioaktiivisesta lasista muodostettua yhdistelmävalmistetta parodontaaliseen ientaskuun annosteltuna. Työssä ei kuitenkaan käsitelty näiden aineiden vaikutuksia biofilmeihin. Tässä pro gradu -tutkielmassa näitä vaikutuksia tutkittiin relevantteja biofilmimalleja hyödyntämällä. Tämän työn tavoitteina oli kartoittaa bisfosfonaattien (alendronaatti, etidronaatti, klodronaatti, risedronaatti ja tsoledronaatti) vaikutuksia biofilmeihin (i) yksin liuoksena annosteltuna ja (ii) yhdessä bioaktiiviseen lasin S53P4 kanssa annosteltuna. Käytettyjä menetelmiä (96-kuoppalevy- ja Staattinen biofilmimenetelmä) optimoitiin. Bisfosfonaattiliuoksien vaikutuksia malliorganismin (Staphylococcus aureus Newman) ja parodontiittipatogeenin (Aggregatibacter actinomycetemcomitans ATCC 33384) biofilmeihin tutkittiin 96-kuoppalevymenetelmällä. Tämän jälkeen siirryttiin bisfosfonaatti-bioaktiivinen lasi-yhdistelmien tutkimiseen. Näitä tutkittiin yhdestä kannasta (A. actinomycetemcomitans ATCC 33384) koostuvalla biofilmimallilla, joka pohjautuu Staattiseen biofilmimenetelmään. Tämä malli kuvastaa olosuhteita, jotka parodontiittibakteerit kohtaavat suussa. Tässä osassa suoritettiin myös bisfosfonaattien hiukkaskokomittaus sopivan kontrollimateriaalin valitsemiseksi. Bakteeritöiden lisäksi tutkielmaan sisällytettiin pH-mittauksia, joilla selvitettiin mahdollisia biofilmien vastaisia mekanismeja. Yksikään bisfosfonaattiliuos yksinään annosteltuna ei osoittanut tehoa Gram-positiiviseen malliorganismiin (S. aureus Newman) eikä Gram-negatiiviseen parodontiittipatogeeniin (A. actinomycetemcomitans ATCC 33384). Sen sijaan, useimmat bisfosfonaatti-bioaktiivinen lasi-yhdistelmät osoittivat tilastollisesti merkittäviä biofilmien (A. actinomycetemcomitans ATCC 33384) vastaisia vaikutuksia. Yhdistelmiä verrattiin kontrolliin, joka koostui inertistä- sekä bioaktiivisesta lasista. Risedronaatti-bioaktiivinen lasi-yhdistelmä oli tehokkain (tilastollisesti merkittävä ero, p < 0.05) näissä koeolosuhteissa. Myös useimmat muut yhdistelmät vähensivät biofilmien määrää merkittävästi (tilastollisesti merkittävät erot, p < 0.05). Vain klodronaatti-bioaktiivinen lasi-yhdistelmän vaikutus ei ollut tilastollisesti merkittävä. Huomattiin, että tehokkaimmat yhdistelmät (etidronaatti- ja risedronaatti-bioaktiivinen lasi) altistivat biofilmit matalan pH:n ajanjaksolle. Sen sijaan vähiten aktiivisella yhdistelmällä (klodronaatti-bioaktiivinen lasi) ja kontrollinäytteellä pH muuttui nopeasti emäksiseksi. Täten, biofilmin vastaiset vaikutukset voivat olla yhteydessä mataliin pH-arvoihin. Myös tuoreessa kirjallisuudessa on havaittu A. actinomycetemcomitans:n olevan erittäin herkkä happamuudelle. Jotta yhdistelmävalmisteet voitaisiin asettaa biofilmien vastaiseen paremmuusjärjestykseen, tulisi jatkotutkimus suorittaa samalla bisfosfonaattien hiukkaskoolla.
Subject: A. actinomycetemcomitans
S. Aureus
bisphosphonate
bioactive glass
biofilm
periodontitis
Discipline: Industriell farmaci
Industrial pharmacy
Teollisuusfarmasia


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Master's thesis_Hiltunen.pdf 2.102Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record