Allgemeine Zahnmedizin

Mehr als nur Fermentation? Die Stoffwechselaktivität der Bakterien in der Plaque

Plaque entwickelt sich im Mund eines jeden Menschen. Warum aber haben die einen mit Karies oder Parodontitis zu kämpfen, während die anderen davon verschont bleiben? Entscheidend können zum einen die unterschiedliche Stoffwechselaktivität der Bakterien und zum anderen die daraus resultierenden verschiedenen Interaktionen mit der Hartsubstanz und der Gingiva sein. Eine wichtige Stoffwechselaktivität der Plaque-Mikroorganismen ist die Fermentation von Zuckern, was zu einem Absinken des pH-Wertes direkt an der Oberfläche des Zahnes und zur wohlbekannten Demineralisation führt.

Tatsächlich haben bisher die meisten einschlägigen Studien die Fermentationsprozesse bzw. die Veratmung von Sauerstoff und die Physiologie der dafür verantwortlichen Bakterien ins Visier genommen. In der Plaque lebenden jedoch etwa 500 verschiedene Bakterienarten [1], sodass es dort weitaus mehr bakterielle Stoffwechselwege als nur Fermentation und Sauerstoffrespiration geben dürfte. Genau dies konnte jetzt in einer von uns vorgelegten Studie gezeigt werden [2]. Wir untersuchten speziellen die Umsetzung des im Speichel in hohen Konzentrationen vorkommenden Salzes Nitrat (NO₃^-), wobei sich zeigte, dass Nitrat tatsächlich von Bakterien umgesetzt wird und dass dabei die Gase Stickstoffmonoxid (NO), Lachgas (N₂O) und Stickstoffgas (N₂) entstehen (Abb. 1). NO ist ein bekanntes Signalmolekül im menschlichen Körper und kontrolliert weitgehend die Interaktion zwischen Zellen des Immun-, Nerven- und Blutsystems. Interessanterweise werden in der Plaque NO-Konzentrationen erreicht, die im Körper die Interaktion der genannten Zellen beeinflussen können. 

Wie kommt Nitrat in den Speichel?

Wie kommt es nun zur Umsetzung von Nitrat und der Bildung von NO in der Plaque? Dazu ist vorwegzuschicken, wie Nitrat in den Speichel gelangt. Der größte Teil des im Körper zirkulierenden Nitrats wird mit der Nahrung aufgenommen. Erdnahe Gemüsesorten (Blattsalate, Artischocken, Rote Bete) enthalten viel Nitrat, insbesondere wenn sie auf stark gedüngtem Boden wuchsen. Im Magen und im Darm wird Nitrat in das Blut aufgenommen, sodass die Blutkonzentration bei 20–40 µM liegt. In den Speicheldrüsen wiederum wird Nitrat stark aufkonzentriert, sodass im Speichel Konzentrationen von 0,5 bis zu 10 mM vorkommen können [3]. Aus dieser Quelle nun bedient sich die Mundflora. Die bakterielle Nitratatmung, auch Denitrifikation genannt, ist dabei der entscheidende Prozess.

Die Nitrat-Umsetzung in der Plaque durch Denitrifikation

Zu diesem Prozess kommt es immer dann, wenn den Bakterien kein Sauerstoff zur Verfügung steht. Gleiches geschieht in der Umwelt, z.B. in Böden, Meeressedimenten und Klärwerken. Während der Denitrifikation wird Nitrat schrittweise zu Nitrit (NO₂^-), NO, N₂O und N₂ reduziert, während kohlenstoffhaltige, organische Verbindungen (z.B. Zucker) oxidiert werden. Die Zwischenprodukte der Denitrifikation reichern sich nun in der Plaque an und gelangen in den Speichel und die Mundluft. Tatsächlich haben schon andere Forscher beobachtet, dass NO₂^- und NO im Speichel zu finden sind; die direkte Verbindung zur bakteriellen Denitrifikation konnte jedoch nicht hergestellt werden [4]. Um genau dies zu zeigen, inkubierten wir Plaque mit Nitrat, welches mit einem stabilen Isotop im Stickstoff (¹⁵N-NO₃^-) markiert war. In den Experimenten konnte man sehen, dass ¹⁵N-markiertes Stickstoffgas (^15,15N₂) gebildet wurde. Außerdem konnten wir jedes einzelne Bakteriengen im Zahnbelag finden, das für die Denitrifikation benötigt wird.

Stickstoffmonoxid und Lachgas in der Plaque

Um die in der Plaque gebildeten Gase NO und N₂O nachzuweisen, verwendeten wir in Handarbeit selbst gefertigte Mikroelektroden aus Glas, Silikon und Platin bzw. Karbonfasern. Damit sind auch sehr geringe Konzentrationen der im Wasser gelösten Gase messbar. Die Besonderheit dieser elektrochemischen Sensoren ist ihre sehr hohe räumliche Auflösung. Wir können damit selbst 0,1–0,5 mm dicke Plaqueschichten beproben (Abb. 2). Neben Mikroelektroden für NO und N₂O stehen uns auch Sensoren für Sauerstoff, Nitrat und pH zur Verfügung. Für die Messungen musste die Plaque jedoch aus den Approximalräumen entfernt und außerhalb des Mundes relativ intakt präpariert werden. Die Messungen zeigten eindeutig, dass NO und N₂O nur gebildet werden, wenn NO₃^- zur Verfügung steht (Abb. 2).

Ãœberraschenderweise werden NO und N₂O durch Denitrifikation auch in der Gegenwart von Sauerstoff gebildet, obwohl man bisher glaubte, dass Denitrifikation nur anaerob von Bakterien durchgeführt wird. Die Plaque scheint in diesem Sinne besondere Eigenschaften zu besitzen, die selbst eine aerobe Denitrifikation erlauben. Die Menge an gebildeten NO und N₂O hängt zudem vom pH-Wert der Plaque ab (Abb. 2). Bei niedrigem pH wird mehr NO und N₂O gebildet. Sinkt also der pH-Wert der Plaque durch Fermentationsaktivität anderer Bakterien, so steigt auch die Konzentration von NO, weil bei niedrigem pH-Wert Nitrit nicht nur biologisch, sondern auch chemisch zu NO umgesetzt wird. Da NO ein wichtiges Signalmolekül für menschliche Zellen ist, ergeben sich wiederum interessante Möglichkeiten für Wechselwirkungen zwischen Plaque und Gingiva. So ist vorstellbar, dass die erhöhte NO-Konzentration bei plötzlicher Zuckerzufuhr nun direkt von den Gingivazellen wahrgenommen werden kann. Sie wären somit bestens darüber informiert, welche Stoffwechselaktivitäten in der Plaque stattfinden und wie stark diese ausgeprägt sind. Ein experimenteller Nachweis dieser Hypothese steht allerdings noch aus.  

Aber nicht nur NO ist ein interessantes Zwischenprodukt der Denitrifikation. Auch N₂O hat es in sich. In der zahnärztlichen Praxis erlebt es gerade als analgetisches Narkosegas eine kleine Renaissance, dagegen betrachten es die Klimaforscher als ein sehr effektives Treibhausgas: Es ist pro Molekül ca. 200-mal so effektiv wie CO₂.

Wir wollten nun wissen, ob uns die Denitrifikation im Zahnbelag zum schmerzfreien Einschlafen bringen kann oder ob wir durch Zähneputzen das Weltklima retten können. Dazu bestimmten wir die Bildungsrate von N₂O direkt im Mund. Dabei zeigte sich, dass wir Menschen bis zu 266 Billarden Moleküle N₂O pro Stunde (443 nmol/h) aus dem Mund abgeben. Mit geputzten Zähnen ist die Bildungsrate wesentlich niedriger und erreicht nur noch 38 % der Rate mit ungeputzten Zähnen. Die Menge an gebildeten N₂O reicht aber bei weitem nicht für eine „Autoanalgesie“. Auch in einem Raum zusammen mit vielen anderen Kollegen, z.B. bei einem Kongress, kann sich nicht genügend N₂O in der Luft anreichern. Denitrifikation im Zahnbelag kann also nicht als Ausrede für das Einschlafen während eines Vortrages herhalten. Auch für das Klima ist die durch Denitrifikation im Zahnbelag gebildete Menge an N₂O nicht relevant. Selbst auf eine Weltbevölkerung von 6,7 Mrd. Menschen hochgerechnet macht sie nur 0,0008 % des gesamten N₂O-Budgets aus. Das meiste N₂O wird viel eher in überdüngten Böden und nährstoffreichen Gewässern gebildet.

Stoffwechselaktivität im Zahnbelag und dentale Ökologie

Die vorliegende Studie zeigte, dass es sich lohnt, nach bisher unerwarteten Stoffwechselwegen im Zahnbelag zu suchen. Die daraus resultierenden Erkenntnisse könnten das Verständnis z.B. von der Parodontitis wesentlich erweitern. Sie könnten zu neuen, nachhaltigen Therapien führen, die das Ziel haben, ein gesundes ökologisches Gleichgewicht zwischen menschlichem Gewebe und intraoraler Flora zu gewährleisten.

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