Characterization of the interaction of polysaccharides with dental materials including consecutive or simultaneous adsorption of proteins
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Charakterisierung der noch wenig untersuchten Interaktion von Polysacchariden mit Dentalmaterialien einschließlich der konsekutiven oder simultanen Adsorption von Proteinen. Hierzu kamen die Quarzkristallmikrowaage (QCM), biochemische Assays (Bicinchoninsäure- (BCA) und Phenolschwefesäure- (PSA) Assays), ein neu entwickelter UV-basierter Assay zu simultanen Bestimmung von Sacchariden und Proteinen sowie Rasterkraftmikroskopie (SFM) und -spektroskopie sowie TEM-Analysen zum Einsatz. Insgesamt konnten durch das Projekt viele beteiligte Faktoren und Prozesse in der immer noch wenig untersuchten Polysaccharid-Oberfläche-Interaktion, aber auch in der Polysaccharid-Protein Interaktion geklärt und verstanden werden. Es gibt aber auch noch weiterführenden Forschungsbedarf, um noch tiefgehender Aufschluss über die Interaktion an der Grenzfläche zu erhalten. Im Wesentlichen konnte Folgendes gezeigt werden: Dextrane adsorbieren in durchaus beachtlicher Menge an Oberflächen wie Titan, Gold und Silicium, sind allerdings nur recht locker an diese gebunden. Dies zeigt sich in geringen Adhäsionskräften sowie darin, dass sie durch längere Spülschritte zumindest in strömender Flüssigkeit zwar nicht vollständig, aber in großem Maße entfernt werden. Es findet keine Schichtbildung wie bei vielen Proteinen statt, sondern eher ein Kristallisationsprozesse. Dextrane zeigen eine pH-Abhängigkeit in der Adsorption, obwohl sie über einen weiten pH- Bereich ungeladen vorliegen. Dies kommt vermutlich durch Wasserstoffbrückenwechselwirkung von auf der Substratoberfläche vorhandenen OH- Gruppen und denen des Dextran zustande. Diese sind vermutlich auch dafür verantwortlich, dass die Adhäsionskräfte auf Ti und Si zeitabhängig ansteigen, da dies auf Konformationsänderungen im Bereich von Sekunden bis Minuten hindeutet. Im Falle der simultanen Adsorption entsteht eine adsorbierte Biopolymerschicht, in der der BSA-Anteil nicht durch die Anwesenheit von Dextran beeinflusst wird. Auch die pH- Abhängigkeit folgt derjenigen, die für reine BSA-Adsorption in früheren Projekten gefunden wurde. Dextran adsorbiert an oder auf dieser Schicht konzentrationsabhängig. Im Falle der konsekutiven Adsorption adsorbiert Dextran in größeren Mengen auf BSA sowie auf LYS, haftet dort aber nur gering und kann vermutlich durch längeres Spülen entfernt werden. Wird zuerst Dextran adsorbiert, wird es durch BSA quasi vollständig verdrängt. Lysozym zeigt Agglomeration mit Dextran. Aus dentalmedizinischer Sicht stellen die Erkenntnisse zur simultanen und konsekutiven Adsorption die spannendsten Ergebnisse dar. Eine vorsichtige Extrapolation der vorhandenen Daten lässt den Schluss zu, dass zur Ausbildung der initialen Schicht an Substratoberflächen primär die Protein-Oberflächeninteraktion beiträgt. Die reale Pellikel würde somit aus einer Proteinschicht bestehen. Die Anlagerung von Polysacchariden spielt dabei eine sekundäre Rolle, wobei die bevorzugte Adsorption von Proteinen die Anlagerung von Polysacchariden (zumindest das hier untersuchte Dextran) eher reduziert. Aus kariologischer Sicht wäre dies sogar vorteilhaft, da für die Bildung der physiologischen protektiven Pellikel nur die Speichelproteine (aber keine Polysaccharide) erforderlich wären. Allerdings konnten wir auch zeigen, dass durchaus beachtliche Mengen an Polysaccharidpolymeren (wenn auch eher locker gebunden) an dentale Substrate gebunden werden können. Mit Blick auf unsere übliche Ernährung kann daraus eine temporäre Modifikation der Pellikel entstehen, die möglicherweise die Adhärenz von kariogenen Bakterien begünstigt. Die vorliegenden Daten zeigen auf jeden Fall auf, dass eine Adsorption von Dextranen im Rahmen der In-vitro-Pellikelbildung auf dentalen Substraten möglich ist. Dieses Ergebnis ist absolut neu, zur klinischen Relevanz müssen aber weitere Studien erfolgen.
Publications
- "Adsorption of carbohydrates and proteins on dental materials" ENFI 2018, Wittenberg
S. Ehnert, C. Rösch, P. Arenja, S. Trautmann, B. König, C. Müller-Renno, M. Hannig, Ch. Ziegler
- "Determination of the Amount of Carbohydrates Adsorbed on Solid Substrates", Physica Status Solidi A (2018) 1700845
P. Arenja, C. Rösch, K. Huttenlochner, C. Müller-Renno, M. Hannig, C. Ziegler
(See online at https://doi.org/10.1002/pssa.201700845) - "Untersuchung der Adsorption von Kohlenhydraten und Proteinen auf Dentalmaterialien – ein kombinierter biochemischer und oberflächenanalytischer Ansatz" AOFA 2018, Kaiserslautern
S. Ehnert, C. Rösch, P. Arenja, S. Trautmann, B. König, C. Müller-Renno, M. Hannig, Ch. Ziegler
- "Simultaneous quantification of total carbohydrate and protein amounts from aqueous solutions by the sulfuric acid ultraviolet absorption method (SA-UV method)", Analytica Chimica Acta 1174 (2021) 338712
S. Ehnert, J. Seehase, C. Müller-Renno, M. Hannig, C. Ziegler
(See online at https://doi.org/10.1016/j.aca.2021.338712)
