Syntetyczny hydroksyapatyt jako biomimetyczna alternatywa dla fluoru w profilaktyce próchnicy zębów

• Skuteczność hydroksyapatytu była oceniana w wielu badaniach koncentrujących się na profilaktyce chorób jamy ustnej. W przeciwieństwie do fluorków, przypadkowe połknięcie HAP jako składnika pasty do zębów nie wiąże się z żadnym istotnym ogólnoustrojowym ryzykiem zdrowotnym
• Stosowanie biomimetycznego HAP, jako aktywnego składnika w produktach do higieny jamy ustnej, może być klinicznie użyteczne i pomocne w planowaniu opieki stomatologicznej nad dziećmi i dorosłymi nawet w przypadku wysokiego ryzyka próchnicy

Głównym czynnym składnikiem produktów konsumenckich zapobiegających próchnicy zębów (past, płukanek) już od prawie 100 lat jest fluor. Dowody na to, że pasty do zębów z fluorem znacząco ograniczają próchnicę, są dobrze udokumentowane w piśmiennictwie (3, 4, 5, 6). Kariostatyczny mechanizm działania fluoru polega głównie na hamowaniu demineralizacji i promowaniu remineralizacji szkliwa za pomocą wapnia i fosforanów pochodzących ze śliny oraz ograniczaniu wzrostu bakterii płytki nazębnej (7). Aby uzyskać przeciwpróchnicowe działanie, preparaty fluoru powinny być aplikowane bezpośrednio na powierzchnię zębów regularnie, najlepiej codziennie (8).

Fluor

Pomimo korzystnego przeciwpróchnicowego wpływu fluorków, spożycie ich w nadmiernej ilości może wywierać toksyczne działanie na organizm (9). Obliczono, że ryzyko fluorozy zębów jest ograniczone do minimum, jeśli dzienne spożycie fluoru ze wszystkich źródeł nie przekracza dawki 50 μg/kg masy ciała (10). Jednakże dowiedziono, że ryzyko fluorozy zębów występuje nawet w miejscach, gdzie woda pitna charakteryzuje się niską zawartością fluorków (poniżej 0,25 mg/l) (11). Codzienne stosowanie produktów do higieny jamy ustnej może przyczyniać się do zwiększenia całkowitego dziennego spożycia fluoru (12). Szczególnie narażone na nadmierne przyjmowanie fluoru są dzieci, ponieważ podczas szczotkowania zębów mogą połykać nawet 50% zaaplikowanej pasty (9). Średnie spożycie fluoru w wyniku połknięcia pasty podczas codziennego szczotkowania zębów szacuje się na około 1,4 µg/kg masy ciała dla dorosłych i 11,5 µg/kg masy ciała dla dzieci (13). Jednocześnie należy zaznaczyć, że skuteczność profilaktyczna fluorkowych past do zębów jest zależna od stężenia fluoru. Ze względów bezpieczeństwa u dzieci zaleca się ograniczenie ilości pasty do zębów aplikowanej na szczoteczkę, ale jednocześnie rekomenduje się stosowanie wyższych stężeń fluoru. Wytyczne polskich ekspertów przewidują stosowanie u dzieci w wieku 6-36 miesięcy śladowej ilość pasty o stężeniu 0,1% F (1000 ppm), u dzieci w wieku 3-6 lat – ilości pasty wielkości ziarenka grochu, a  powyżej 6 roku życia - pasty o stężeniu 0,15%F (1450 ppm) w ilości 1-2 cm (14). Jednak z badań in vitro wynika, że ilość aplikowanej pasty może mieć wpływ na jej zdolność do oczyszczania powierzchni szkliwa i lepszy efekt czyszczący uzyskuje się przy większej objętości pasty (15).

Wymienione ograniczenia w stosowaniu past do zębów zawierających fluorki, uzasadniają potrzebę stosowania innych skutecznych związków o potencjalnym przeciwpróchnicowym działaniu, które mogą być bezpiecznie stosowane przez pacjentów w każdym wieku, w dowolnym stężeniu, bez ryzyka przedawkowania i powodowania działań niepożądanych.

Hydroksyapatyt

Obiecującym środkiem, który może być brany pod uwagę w profilaktyce próchnicy zębów jest hydroksyapatyt (HAP). HAP – minerał o wzorze chemicznym Ca₅(PO4)₃(OH)) - to fosforan wapnia o morfologii mikro- i nanokrystalicznej, który stanowi podstawowy składnik mineralny zębów i kości. Jest powszechnie stosowany jako biomateriał w medycynie i stomatologii ze względu na doskonałą bioaktywność (potencjał do odkładania depozytów fosforanu wapnia) oraz osteokonduktywność (zdolność do tworzenia rusztowania dla tkanki kostnej) (16). Ponadto minerał ten posiada dodatkowe korzystne właściwości: jest biomimetyczny (wykazuje fizyczne i chemiczne cechy zbliżone do tych charakteryzujących twarde tkanki ludzkiego organizmu), nietoksyczny, nieimmunogenny i nie wywołuje istotnych reakcji zapalnych w komórkach i tkankach, co zostało potwierdzone w licznych eksperymentach in vitro i in vivo (16, 17, 18, 19).

Skuteczność HAP była oceniana w wielu badaniach koncentrujących się na profilaktyce chorób jamy ustnej (20, 21, 22, 22). W przeciwieństwie do fluorków, przypadkowe połknięcie HAP jako składnika pasty do zębów nie wiąże się z żadnym istotnym ogólnoustrojowym ryzykiem zdrowotnym, np. fluorozą, ponieważ hydroksyapatyt jest głównym nieorganicznym składnikiem ludzkich tkanek twardych, takich jak zęby i kości (24). HAP może być syntetyzowany w różnych postaciach krystalicznych i rozmiarach cząstek (od nano- do mikrometrów) (25). Szczególne zainteresowanie naukowców badających kwestię biokompatybilności materiałów budzi HAP w skali nano.

Z przeglądu piśmiennictwa wynika, że nanocząstki HAP są nietoksyczne (24). Mimo, że po aplikacji nanocząstek HAP do tkanek może dochodzić do wzrostu stężenia jonów wapnia w cytoplazmie komórek, to w żywym organizmie nadmiar jonów może być łatwo eliminowany przez błonę komórkową. Nanoczastki HAP, stosowane jako substytut kości i powłoka implantów, nie wywierają szkodliwego działania ponieważ są wchłaniane przez osteoklasty i makrofagi. Doustne podawanie HAP jest bezpieczne, gdyż cząsteczki są rozpuszczane przez kwas żołądkowy z uwolnieniem jonów wapnia i fosforanów. Nanocząstki HAP nie są też absorbowane przez błonę śluzową jamy ustnej. Ponadto morfologia i wielkość (nano) cząstek fosforanu wapnia wydaje się nie mieć istotnego wpływu na odpowiedź biologiczną komórek. Podsumowując, ryzyko związane z narażeniem na fosforan wapnia, w tym hydroksyapatyt, w dawkach powszechnie stosowanych w stomatologii, produktach ochrony zdrowia i kosmetykach jest bardzo niskie i zgodnie z dostępnymi danymi nie ma znaczenia klinicznego (24).

Kariostatyczny mechanizm działania hydroksyapatytu

Zgodnie z najnowszymi doniesieniami kariostatyczny mechanizm działania hydroksyapatytu polega na (26):

a. tworzeniu ochronnej warstwy hydroksyapatytu na powierzchni twardych tkanek zęba dzięki silnemu powinowactwu HAP do szkliwa i zębiny. Po aplikacji na powierzchnię zęba, cząsteczki HAP tworzą mosty mineralno-mineralne z kryształami hydroksyapatytów szkliwa. Powoduje to powstanie warstwy ochronnej na powierzchni zęba, która posiada zdolność do remineralizacji odwapnionych tkanek. Jednocześnie może chronić ząb przed szkodliwym działaniem kwasów pochodzenia bakteryjnego lub dietetycznego. Długotrwałe stosowanie preparatów do pielęgnacji jamy ustnej (pasty, płukanki) zawierających HAP powoduje zagęszczanie i stałe odnawianie warstwy przylegającej do powierzchni zęba, wzmacniając jej ochronne działanie;

b. uwalnianiu jonów wapnia i neutralizowanie kwaśnego pH. HAP nie tylko tworzy warstwę ochronną na powierzchni zębów, ale może być wbudowywany do płytki nazębnej. Kwasy pochodzenia bakteryjnego lub dietetycznego rozpuszczają cząsteczki warstwy ochronnej HAP, co powoduje uwolnienie jonów wapnia, które biorą udział w buforowaniu kwasów podwyższając pH płytki nazębnej. Wynikają z tego następujące korzyści:

• tkanki zęba pozostają nienaruszone ponieważ kwasy atakują ochronną warstwę HAP, a nie szkliwo
• uwolnione z HAP jony wapnia remineralizują zdemineralizowane szkliwo, zarówno w jego warstwach powierzchownych jak i głębokich. Dodatkowo wzrost stężenia wapnia w płytce nazębnej i na powierzchni zęba przesuwa równowagę chemiczną z fazy rozpuszczania szkliwa w kierunku bardziej stabilnego stanu
• wzrost pH chroni tkanki zęba przed demineralizacją. Ze względu na fakt, że krytyczna wartość pH przy której dochodzi do rozpuszczania hydroksyapatytu szkliwa wynosi około 5,5, nawet niewielki wzrost pH płytki może zapewnić ochronę powierzchni zęba przed demineralizacją;

c. hamowaniu adhezji bakterii do powierzchni tkanek zęba. Cząsteczki HAP zaadsorbowane do tkanek zęba zapobiegają przyleganiu pierwszych drobnoustrojów (początkowych kolonizatorów) do powierzchni szkliwa pokrytej błonką nabytą. Wykazano, że bakterie zamiast do powierzchni zęba przylegają do cząstek HAP, tworząc agregaty, które są łatwo usuwane z jamy ustnej ze śliną podczas połykania lub płukania jamy ustnej. Zmniejsza się w ten sposób liczba drobnoustrojów zdolnych do tworzenia płytki nazębnej. Powoduje to redukcję odkładania płytki nazębnej i tym samym zmniejsza ryzyko demineralizacji tkanek zęba przez kwasy pochodzenia bakteryjnego;

d. głębokiej remineralizacji zmian próchnicowych. Cząsteczki HAP stanowią źródło jonów wapnia do procesu remineralizacji. Niezależnie od stężenia HAP w środkach do pielęgnacji jamy ustnej, remineralizacja zmian próchnicowych z użyciem HAP przebiega bardziej jednorodnie w porównaniu do związków fluoru. W przypadku stosowania fluorków remineralizacja jest ograniczona do powierzchownej warstwy zmiany próchnicowej. Remineralizacja z udziałem HAP wydaje się być głębsza i bardziej homogenna w całej warstwie podpowierzchniowej zmiany, przyczyniając się do zachowania integralności kryształów hydroksyapatytów szkliwa i sprzyjając ich wzrostowi. Ten biomimetyczny proces mineralizacji umożliwia regenerację szkliwa i zębiny.

Badania potwierdzające skuteczność HAP

Badania w warunkach in vitro wykazały, że HAP remineralizuje odwapnione szkliwo i zębinę, a także chroni zęby przed demineralizacją (27). Jednak dla lekarzy praktyków najistotniejsze są dowody wynikające z badań in vivo, zaplanowanych jako randomizowane badania kliniczne. W pięciu przeprowadzonych dotychczas randomizowanych badaniach z udziałem pacjentów dowiedziono, że HAP zawarty w pastach do zębów wykazuje działanie przeciwpróchnicowe (21, 23, 28, 29, 30).

W pierwszym badaniu z 1989 roku oceniano wpływ stosowania pasty do zębów z zawartością 5% hydroksyapatytu na występowanie próchnicy zębów u dzieci ze szkoły podstawowej. Po 3 latach używania pasty zademonstrowano statystycznie niższy przyrost wskaźnika PUWZ w grupie dzieci szczotkujących zęby pastą z hydroksyapatytem w porównaniu do grupy kontrolnej (pasta placebo) (28).

W dwóch innych niezależnych badaniach analizowano remineralizujący wpływ pasty do zębów z hydroksyapatytem na początkowe zmiany próchnicowe powierzchni policzkowych i stycznych w zębach stałych dzieci i młodych dorosłych (23, 29). Do oceny zmian wykorzystano system ICDAS (międzynarodowy system wykrywania i oceny próchnicy), metodę fluorescencji laserowej (urządzenie DIAGNOdent), oprogramowanie komputerowe analizujące zasięg zmian próchnicowych na fotografiach cyfrowych oraz radiografię cyfrową. Wykorzystanie jednocześnie wielu metod badawczych wpływa na zwiększenie wiarygodności i obiektywizm badań. Co ciekawe, z metodologicznego punktu widzenia Badiee i wsp. (29) zastosowali dodatkowo pastę do zębów z fluorem jako kontrolę pozytywną i mimo, że obie pasty (z HAP i fluorem) znacząco zmniejszyły zasięg początkowych zmian próchnicowych u pacjentów po leczeniu ortodontycznym, w przypadku pasty z HAP uzyskano lepsze rezultaty.

Grocholewicz i wsp. (23) w długoterminowych (2 lata) badaniach porównali skuteczność żelu z zawartością 10% HAP (grupa 1), ozonoterapii (grupa 2) i skojarzonego działania żelu i ozonu (grupa 3) w remineralizacji początkowych zmian próchnicowych na powierzchniach stycznych zębów bocznych. Do oceny zastosowano cyfrowe radiogramy skrzydłowo-zgryzowe. Po dwóch latach obserwacji we wszystkich grupach odnotowano redukcję odsetka początkowych zmian próchnicowych, jednak najlepsze efekty stwierdzono przy skojarzonym działaniu żelu z HAP i ozonoterapii.

Dwa kolejne randomizowane badania kliniczne przeprowadzone przez Schlagenhaufa i wsp. (21) oraz Paszyńską i wsp. (30) dostarczyły dalszych dowodów na skuteczność przeciwpróchnicową past z HAP w zębach stałych i mlecznych u pacjentów z wysokim ryzykiem próchnicy. Zarówno w 6-miesięcznych obserwacjach Schlagenhaufa i wsp. (21), gdzie oceniano młodych pacjentów leczonych ortodontycznie, jak i w rocznych badaniach Paszyńskiej i wsp. (30), którymi objęto dzieci z uzębieniem mlecznym wykazano, że codzienne stosowanie pasty do zębów z HAP było w takim samym stopniu skuteczne w zapobieganiu progresji próchnicy jak używanie pasty z fluorem.

Na podstawie cytowanych badań można stwierdzić, że stosowanie biomimetycznego HAP, jako aktywnego składnika w produktach do higieny jamy ustnej, może być klinicznie użyteczne i pomocne w planowaniu opieki stomatologicznej nad dziećmi i dorosłymi nawet w przypadku wysokiego ryzyka próchnicy. W przeciwieństwie do fluorków, HAP cechuje się biokompatybilnością i jest bezpieczny w przypadku niezamierzonego połknięcia.

Piśmiennictwo:

1. Frencken JE i wsp. Global epidemiology of dental caries and severe periodontitis — a comprehensive review. J Clin Periodontol (2017); 44:94–105.

2. Hausen H, Kärkkäinen S, Seppä L. Application of the high-risk strategy to control dental caries. Community Dent Oral Epidemiol (2000) 28:26–34. doi: 10.1034/j.1600-0528.2000.280104.x

3. Walsh T i wsp. Fluoride toothpastes of different concentrations for preventing dental caries. Cochrane Database Syst Rev (2019) 3:CD007868. doi: 10.1002/14651858.CD007868.pub3

4. Wong MCM, Clarkson J, Glenny AM, Lo ECM, Marinho VCC, Tsang BWK, et al. Cochrane reviews on the benefits/risks of fluoride toothpastes. J Dent Res. 2011;90(5):573–9. doi: 10.1177/0022034510393346.

5. Petersen PE, Lennon MA. Effective use of fluorides for the prevention of dental caries in the 21st century: the WHO approach. Community Dent Oral Epidemiol. 2004;32:319–21. [

6. Twetman S, Caries prevention with fluoride toothpaste in children: an update. Eur Arch  Ped Dent.  2009, 10 (3), 162-7.

7. Epple M, Enax J, Meyer F. Prevention of caries and dental erosion by fluorides-a critical discussion based on physico-chemical data and principles. Dent J (2022) 10:6. doi: 10.3390/dj10010006

8. Limeback H. Comprehensive Preventive Dentistry. Arnes, AI: John Wiley & Sons, Ltd. (2012).

9. Ekambaram M, Itthagarun A, King NM. Ingestion of fluoride from dentifrices by young children and fluorosis of the teeth–a literature review. J Clin Pediatr Dent (2011) 36:111- 21. doi: 10.17796/jcpd.36.2.3106602470287130

10. Dong H i wsp. Associations of low level of fluoride exposure with dental fluorosis among U.S. children and adolescents, NHANES 2015-2016. Ecotoxicol Environ Saf. (2021) 221:112439. doi: 10.1016/j.ecoenv.2021.112439

11. Strużycka I. i wsp.˙ Assessing fluorosis incidence in areas with low fluoride content in the drinking water, fluorotic enamel architecture, and composition alterations. Int. J Enviro. Res Public Health (2022) 19, 7153. https://doi.org/10.3390/ijerph19127153

12. Meyer-Lueckel H, Grundmann E, Stang A. Effects of fluoride tablets on caries and fluorosis occurrence among 6- to 9-year olds using fluoridated salt. Comm Dent Oral Epidemiol (2010) 38:315-23. doi: 10.1111/j.1600-0528.2010.00539.x

13. EFSA. Scientific opinion on dietary reference values for fluoride. EFSA J. (2013) 11:419. doi: 10.2903/j.efsa.2013.3419

14. Olczak – Kowalczyk D, Kaczmarek U (red). Stanowisko polskich ekspertów dotyczące indywidualnej profilaktyki fluorkowej u dzieci i młodzieży.Warszawa 2015

15. Sarembe S i wsp. Influence of the amount of toothpaste on cleaning efficacy: an in vitro study Eur J Dent DOI https://doi.org/ 10.1055/s-0042-1747953. ISSN 1305-7456

16. Gutiérrez-Prieto SJ i wsp. Elaboration and biocompatibility of an eggshell-derived hydroxyapatite material modified with Si/PLGA for bone regeneration in dentistry. Int J Dent (2019) 2019:5949232. doi: 10.1155/2019/5949232

17. Kamadjaja MJK, Abraham JF, Laksono H. Biocompatibility of portunus pelagicus hydroxyapatite graft on human gingival fibroblast cell culture. Med Arch (2019) 73:303-6. doi: 10.5455/medarh.2019.73.378-381

18. Remya NS, i wsp. Investigation of chronic toxicity of hydroxyapatite nanoparticles administered orally for one year in wistar rats. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl (2017) 76:518- 27. doi: 10.1016/j.msec.2017.03.076

19. Sadowska JM i wsp. Effect of nano-structural properties of biomimetic hydroxyapatite on osteoimmunomodulation. Biomat. (2018) 181:318-32. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.07.058

20. Kensche A. i wsp. Efficacy of a mouthrinse based on hydroxyapatite to reduce initial bacterial colonisation in situ. Arch. Oral Biol 80, 18–26 (2017).

21. Schlagenhauf U i wsp. Impact of a non-fuoridated microcrystalline hydroxyapatite dentifrice on enamel caries progression in highly caries-susceptible orthodontic patients: a randomized, controlled 6-month trial. J Invest Clin Dent 10, e12399 (2019).

22. Amaechi B T i wsp. Comparative efficacy of a hydroxyapatite and a fluoride toothpaste for prevention and remineralization of dental caries in children. BDJ Open 5, 18 (2019)

23. Grocholewicz K i wsp. Effect of nano-hydroxyapatite and ozone on approximal initial caries: a randomized clinical trial. Sci Rep 10, 11192 (2020)

24. Epple, M. Review of potential health risks associated with nanoscopic calcium phosphate. Acta Biomater 77, 1–14 (2018)

25. Fabritius-Vilpoux K i wsp. Quantitative affinity parameters of synthetic hydroxyapatite and enamel surfaces in vitro. Bioinspir Biomim Nan (2019) 8:141-53. doi: 10.1680/jbibn.18.00035

26. Meyer F i wsp. Hydroxyapatite as Remineralization Agent for Children's Dental Care. Front Dent Med 3:859560. doi: 10.3389/fdmed.2022.859560

27. Grewal N, Sharma N, Kaur N. Surface remineralization potential of nano-hydroxyapatite, sodium monofluorophosphate, and amine fluoride containing dentifrices on primary and permanent enamel surfaces: an in vitro study. J Indian Soc Pedodont Prev Dentistry (2018) 36:158- 66. doi: 10.4103/JISPPD.JISPPD_142_17

28.  Kani K i wsp. Effect of apatite-containing dentifrices on dental caries in school children. J Dent Health. (1989) 19:104-9. doi: 10.5834/jdh.39.104

29.  Badiee M i wsp. Comparison of the effects of toothpastes containing nanohydroxyapatite and fluoride on white spot lesions in orthodontic patients: a randomized clinical trial. Dent Res J. (2020) 17:354-9. doi: 10.4103/1735-3327. 294328

30.  Paszynska E i wsp. Impact of a toothpaste with microcrystalline hydroxyapatite on the occurrence of early childhood caries: a 1-year randomized clinical trial. Sci Rep. (2021) 11:2650. doi: 10.1038/s41598-021-81112-y

Autorki: dr hab. n. med. Małgorzata Pawińska¹, dr hab. n. med. Elżbieta Paszyńska²

¹Zakład Stomatologii Zintegrowanej Uniwersytetu Medycznego w Białymstoku

² Zakład Stomatologii Zintegrowanej Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu

Artykuł opublikowany w numerze 7/2022 magazynu Nowy Gabinet Stomatologiczny. Zobacz pełny spis treści.