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Ein Diskussionsbeitrag des Masterkurses „Parodontologie und Implantattherapie“ der DG Paro und DIU

Komplexe Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem und dem Mikrobiom, die an der multifaktoriellen Ätiologie von chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie der Parodontitis und orogastrointestinalen Tumoren beteiligt sind. P. gingivalis spielt eine eminente Rolle in diesen Wechselbeziehungen. (Quelle: Modifiziert nach Atanasova und Yilmaz45.).

Inflammasome gehören zur angeborenen Immunantwort und bestehen aus multifunktionellen Proteinkomplexen. Sie induzieren die Maturation von Interleukin(IL)-1β, IL-18 sowie IL-33 und steigern die Entzündungsreaktion bis hin zur Pyroptose. Inflammasome spielen eine wichtige Rolle in der Parodontitispathogenese. Sie könnten als Marker (zum Beispiel im Speichel) für eine nicht diagnostizierte Parodontitis und für Allgemeinerkrankungen dienen. Im Rahmen des DIU-Masterkurses Parodon­tologie und Implantattherapie führten Dr. Kay-Arne Walther et al. eine Literaturrecherche über Inflammasom und Parodontitis durch. Die Ergebnisse wurden in diesem Diskussionsbeitrag in der Parodontologie 3/2021 veröffentlicht, im Beitrag wurden einzelne interessante Studien hervorgehoben und praxisrelevante Schlussfolgerungen gezogen.

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Rötung, Schwellung und Schmerzen sind klinische Zeichen einer Entzündung. Diesen Vorgang setzen Immunzellen in Gang, die Inflammasome enthalten. Inflammasome sind komplexe Multiproteinstrukturen des angeborenen Immunsystems, die sich im Zytosol befinden1. Inflammasome bilden die „erste Abwehrlinie“ gegen entzündliche Einflüsse. Neuere Studien fanden sie aber auch in epithelialem Gewebe2 wie beispielsweise in der Gingiva. Sie sind für die Induktion von Entzündungsreaktionen verantwortlich. Ein aktiviertes Inflammasom setzt die Sekretion vom proinflammatorischen Zytokin IL-1β, IL-18 und IL-33 (Abb. 1 und 2) in Gang. Bereits einen Tag nach dem initialen Entzündungsreiz werden die Inflammasome abgebaut, damit eine überschießende Entzündung verhindert wird1.

Aufbau und Aktivierung

Inflammasome bestehen aus einem Sensor­komplex, einem Adapterprotein und einer Pro-Caspase. Der Sensorkomplex besteht häufig aus einem „Nucleotidebinding oligomerization domain(NOD)-like“-Rezeptor (NLR) und detektiert das inflammatorische Signal. Es konnten spe­zifische Rezeptoren wie beispielsweise „NLR containing pyrin domain“-3 (NLRP3), NLRP6 und „NLR family CARD domain containing“-4 (NLRC4) identifiziert werden1,3.

Aktiviert werden Inflammasome durch Mustererkennungsrezeptoren („Pattern recognition receptors“, PRRs). Diese Rezeptoren können entweder auf der Membranoberfläche, zum Beispiel als „Toll-like“-Rezeptor (TLR), oder im Zytoplasma, beispielsweise als NLR, exprimiert werden. Sie erken­nen Pathogene durch charakteristische Muster, die pathogenassoziierten molekularen Muster („Pathogen-associated molecular patterns“, PAMPs) oder die gefahrassoziierten molekularen Muster („Danger-associated molecular patterns“, DAMPs). DAMPs sind wirtseigene Mole­küle wie beispielsweise Desoxyribo­nu­kleinsäure (DNA) und Adenosintriphosphat (ATP), die eine nicht infektiöse Entzündungs­reaktion auslösen können6,7. PAMPs sind spe­zifische Strukturproteine eines Pathogens, welche eine infektiös bedingte Entzündungsreaktion initiieren können. PAMPs sind kaum modifizierbar und für das Überleben des Pathogens essen­ziell8,9.Neben verschiedenen weiteren Stimuli können auch Titandioxidkristalle zu einer Akti­vierung führen10.

Anschließend werden verschiedene Wege zur Weiterleitung des Signals aktiviert. Eine Senkung der intrazellulären Kaliumionen-Konzentration durch extrazelluläres ATP sowie aktivierte TLR oder NLR leiten das Signal über den Transkriptionsfaktor „Nuclear factor kappa B“ (NF-κB) weiter. Dadurch werden der Inflammasomkomplex zusammengesetzt sowie das inaktive proIL-1β, proIL-18 und proIL-33 gebildet. Verschiedene Inflammasomrezeptoren interagieren mit Adapterproteinen, wodurch Pro-Caspase-1 in die aktive Form Caspase-1 gespalten wird. Caspase-1 katalysiert die Prozessierung der proinflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-18 und IL-33. Anschließend werden IL-1β, IL-18 und IL-33 aus der Zelle freigesetzt (Abb. 2). Der genaue Mechanismus ist bisher nicht eindeutig geklärt. Ein Teil des IL-1β wird über Poren in der Zellmembran sezerniert, welche von Gasdermin-D gebildet werden11,12.

Eine weitere Gruppe von Inflammasomen kann auch direkt durch Caspase-4 und -5 zyto­solisches Lipopolysaccharid detektieren14. Die proinflammatorischen Zytokine fördern die Angio­genese, Rekrutierung von Phagozyten, Reparatur von Epithelzellen sowie die Regulierung der Zytokin- und Chemokinproduktion durch andere Immunzellen am Ort der Infektion oder Ver­letzung15. Unterschiedliche Mengen der pro­inflammatorischen Zytokine reagieren in unterschiedlichen Geweben anders. Sind Inflammasome dauerhaft aktiv, kann es zu einer unkontrollierten Freisetzung von IL-1β kommen. Dies begünstigt verschiedene autoinflammatorische und Autoimmunerkrankungen16.

Inflammasom und Parodontitis

Erste Studien konnten bereits 1985 nachweisen, dass das Lipopolysaccharid (LPS) von Porphyromonas gingivalis (P. gingivalis) die Produktion von IL-1 in Makrophagen induziert17. Die intrazelluläre Signalkaskade und die Regulierung der IL-1-Produktion über das Inflammasom waren zunächst nicht bekannt.

Bostanci et al.18 konnten 2009 erstmals einen Zusammenhang zwischen Inflammasomen und Parodontitis zeigen. Die Messenger-Ribonukleinsäuren (mRNA) von NLRP2 und NLRP3 waren im gingivalen Gewebe der Parodontitispatienten signifikant höher exprimiert als im Gewebe gesunder Probanden. Die Konzentration von NLRP3-mRNA korrelierte hierbei mit der IL-1β- und IL-18-Konzentration. Zusätzlich konnte in vitro eine Hochregulation von NLRP3, IL-1β und IL-18 in Monozyten durch P. gingivalis gezeigt werden. Dies deutet darauf hin, dass Inflammasome an der Parodontitispathogenese beteiligt sind. Immunhistochemische Analysen wiesen eine erhöhte NLRP3-Expression vor allem in der Epithelschicht nach. Somit sind NLRP3-Inflammasome wichtige Bestandteile des angeborenen Immunsystems, um eine bakterielle Invasion in den Sulkus und in die Gingiva zu verhindern19. Die gesteigerte Expression ist bereits bei einer Gingivitis vorhanden, ohne dass es zu einer Knochenresorption gekommen sein muss18.

Die Studienlage zur Aktivierung und Inaktivierung des Inflammasoms durch P. gingivalis stellt sich als indifferent dar. Etliche Studien zeigten, dass durch eine P.-gingivalis-Infektion Inflammasome in humanen Immunzellen aktiviert werden. Eine Reihe anderer Studien demonstrierte die Inaktivierung des Inflammasomkomplexes in humanen Immunzellen durch P.-gingivalis-Infektionen. Diese Diskrepanz der Ergebnisse resultiert möglicherweise aus der Verwendung unterschiedlicher Zelllinien sowie des Infektionsmodus (P. gingivalis allein versus Biofilminfektion13). Eine aktuelle Übersichtsarbeit von Olsen und Yilmaz20 beschreibt detailliert die molekularen Mechanismen der Modulation der angeborenen Immunantwort durch P. gingivalis.

Ein interessantes In-vitro-Modell publizierten Bostanci et al.21, welches die vermeintlich widersprüchlichen Aussagen der vorangegangenen Studien erklären könnte. So führt supra- und subgingivaler Biofilm zu einer differenziellen Genexpression in NLRP3-Inflammasomen. Im supragingivalen „Züricher Biofilm-Modell“22, das aus 6 Bakterienspezies besteht, wurde eine erhöhte Expression von Caspase-1, IL-1β und IL-18 gefunden. Anhand des subgingivalen „Züricher Biofilm-Modells“23, das aus 10 Bakterienspezies besteht, kam es bei einer hohen Biofilmkonzentration zu einer reduzierten Expression von Caspase-1, IL-1β und IL-18. Die Autoren schlussfolgerten, dass eine Hochregulation des Inflammasomkomplexes durch supragingivalen Biofilm mit dem frühen Entzündungsstadium einer Parodontitis korreliert. Hingegen ist es für das Überleben und die Persistenz eines subgingivalen Biofilms günstig, wenn der Inflammasomkomplex herunterreguliert beziehungsweise blockiert wird24. P. gingivalis scheint von einem langandauernden niedrigen Entzündungszustand zu profitieren, der für das Bakterium nicht schädlich ist. Vielmehr entsteht durch die parodontalen Abbauprodukte eine nährstoffreiche Umgebung, die das Wachstum von P. gingivalis begünstigt25.

Isaza-Guzman et al.26 analysierten den Speichel von Patienten mit chronischer sowie aggressiver Parodontitis und verglichen diesen mit dem von parodontal gesunden Probanden. Hierbei zeigte sich, dass die Konzentration von NLRP3 und IL-1β im Speichel eindeutig mit dem Ausmaß der klinisch gemessenen Parameter der Parodontitispatienten korrelierte.

Drei Ziele zur Inhibition von Inflammasomen

Weitere Studien befassten sich mit dem gingivalen Epithel und dem Speichel. Die Expression von NLRP3-Inflammasomen und IL-1β in gingivalen Epithelzellen steigt bei Parodontitis- und/oder Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 stark an. Eine Stimulation der Zellen mit der Kombination aus LPS und Glukose führt zu einer weitaus höheren Expression von NLRP3-Inflammasomen als die Stimulation mit den Einzelsubstanzen27. Daraus ergibt sich, dass bei Patienten mit Diabetes mellitus Typ 2 und/oder einer Parodontitis der Entzündungszustand der Gingiva durch die verstärkte Aktivierung der Inflammasome ausgeprägter ist13. Zukünftig könnte eine medikamentöse Suppression der Inflammasomaktivität die Therapie sowohl der Parodontitis als auch anderer entzündlicher Erkrankungen unterstützen. Hierbei würden sich drei therapeutische Inhibitionsziele anbieten: Blockierung der Inflammasomrezeptoren, der intrazellulären Signalkaskade und der freigesetzten Inflammasommediatoren (wie IL-1β und IL-18). Für alle drei Inhibitionsziele gibt es bereits Medikamente gegen entzündliche Allgemeinerkrankungen wie Diabetes mellitus Typ 2 oder Atherosklerose. Einige präklinische Parodontitisstudien wurden bereits publiziert. In einem Tierexperiment wurde bei Mäusen eine Parodontitis induziert. Eine Gruppe bekam den Caspase-1-Inhibitor VX-765, wodurch diese Gruppe nach 10 Tagen ca. 50 Prozent weniger Knochenverlust zeigte als die nicht medikamentös therapierte Gruppe28.

In einer kürzlich publizierten Studie von Aral et al.29 wurde die Wirkung von Colchizin untersucht. Colchizinhaltige Arzneimittel zur Behandlung der Gicht wurden bereits vor 3.000 Jahren verwendet. Durch die Störung der Ausrichtung der Mikrotubuli wirkt Colchizin auf verschiedene Signalwege, unter anderem auf NLRP3-Inflammasome30,31. Das Colchizin wurde bei Mäusen intraperitoneal injiziert und es wurde anschließend eine Parodontitis induziert. Durch das Colchizin hatten Mäuse mit einer Parodontitis einen halb so hohen IL-1β-Spiegel im gingivalen Gewebe und ca. 50 Prozent weniger Knochenverlust als Mäuse mit einer Parodontitis ohne Colchizinmedikation. Die klinischen Werte der Mäuse mit Colchizinmedikation waren mit gesunden Mäusen fast vergleichbar.

Die direkte Blockierung von Inflammasomprodukte wie IL-1β ist eine weitere Therapieoption. Bei Makaken wurde eine Parodontitis induziert und in der Hälfte des Kollektivs erfolgte eine intrapapilläre Injektion von IL-1β- und Tumornekrosefaktor(TNF)-α-Rezeptorblockern (3-mal pro Woche für 6 Wochen). Durch die Rezeptorblocker wird die biologische Funktion von IL-1β und TNF-α deutlich herabgesetzt. Zu allen Messzeitpunkten bis zum Ende der Studie nach 6 Wochen war der Knochenverlust wie bei den oben aufgeführten Studien halb so hoch wie in der Parodontitisgruppe ohne medikamentöse Therapie32.

Humanstudien wurden bisher nur mit dem Co-Enzym Q10 unternommen, was durch Anti-Aging-Produkte bekannt ist. Q10 führt zu einer antientzündlichen Reaktion im parodontalen Gewebe und zu einer verminderten NLRP3-Inflammasomaktivität durch die Blockierung intrazellulärer Signalkaskaden33. Hanioka et al.34 applizierten wöchentlich bei Parodontitispatienten subgingival Q10 in ausgewählte Taschen, wobei keine antiinfektiöse Parodontitistherapie erfolgte. Nach 3 Wochen reduzierten sich der klinische Attachmentlevel und die Sondierungstiefe deutlich, wobei die Taschen ohne subgingivale Q10-Applikation keine klinischen Veränderungen zeigten.

Inflammasom und Darmmikrobiom

Interessanterweise beeinflussen Inflammasome auch die homöostatische Modulation zwischen Wirt und kommensalem Biofilm im Darm. Eine der Hauptfunktionen der Inflammasome ist die Überwachung der Zusammensetzung des intestinalen Mikrobioms35. Intestinale Phagozyten exprimieren NLRC4-Inflammasome, die zwischen kommensalen und pathogenen Bakterien unterscheiden. Bei Kontakt mit Pathogenen kommt es zur Aktivierung der Inflammasome, sodass der Entstehung eines pathogenen Mikrobioms entgegengewirkt wird36,37. Dieser Effekt wurde an Mäusen gezeigt, die einen Mangel an NLRP6-Inflammasomen in den Kolonepithelzellen aufwiesen. Bei diesen Mäu­sen bestand ein pathogenes Mikrobiom, das eine verstärkte Entzündungsreaktion hervorrief38. Ein dysbiotisches Mikro­biom kann zu chronisch entzündlichen Darm­erkrankungen wie Colitis ulce­ro­sa und Morbus Crohn führen39.

Inflammasom und Plattenepithelkarzinom

Wu et al.40 zeigten erstmals, dass unter anderem NLRP3, Caspase-1 und IL-1β in erhöhter Konzentration im Gewebe von oralen Karzinomen vorkommt. Nachfolgende Studien bestätigten, dass Inflammasome die Tumorgenese von Plattenepithelkarzinomen verstärken können41,42. So kann eine vermehrte IL-1β-Produktion zu einer gesteigerten Differenzierungsrate von Th17-Zellen (Th-Zellen = T-Helferzellen) führen. Dies verschiebt die Balance zu einer erhöhten Konzentration von Th17-/Treg-Zellen (Treg-Zellen = regulatorische T-Zellen) im Gewebe, woraus eine erhöhte und zum Teil länger andauernde Entzündungsreaktion resultiert43. Durch eine medikamentöse NLRP3-Inflammasom-Inhibierung konnte im Mausmodell eine Erhöhung der „Anti-Tumor-Immunantwort“ beobachtet werden42. Des Weiteren scheint es zwischen P. gingivalis und Plattenepithelkarzinomen einen eindeutigen Zusammenhang zu geben44. Da P. gingivalis u. a. den Efflux von Kaliumionen modu­liert und Virulenzfaktoren wie Gingipaine ex­primiert, besteht eine ätiologische Verbindung zu Tumoren und chronischen Erkrankungen des Orogastrointestinaltraktes45,46. Lee et al.47 schlossen aus ihren Ergebnissen, dass die verstärkte Produktion von IL-1β zu einer erhöhten Transformation oraler Epithelzellen hin zu Karzinomen führt (Abb. 3).

Abb. 3 Komplexe Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem und dem Mikrobiom, die an der multifaktoriellen Ätiologie von chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie der Parodontitis und orogastrointestinalen Tumoren beteiligt sind. P. gingivalis spielt eine eminente Rolle in diesen Wechselbeziehungen. (Quelle: Modifiziert nach Atanasova und Yilmaz45.).
Abb. 3 Komplexe Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem und dem Mikrobiom, die an der multifaktoriellen Ätiologie von chronisch-entzündlichen Erkrankungen wie der Parodontitis und orogastrointestinalen Tumoren beteiligt sind. P. gingivalis spielt eine eminente Rolle in diesen Wechselbeziehungen. (Quelle: Modifiziert nach Atanasova und Yilmaz45.).

Fazit für die Praxis

Zurzeit liegt der Fokus der Parodontitistherapie auf der Reduktion der bakteriellen Infektion mittels Entfernung des als pathogen eingeschätzten Biofilms, unter Umständen auch auf der Beeinflussung des Mikrobioms mit dem Ziel einer Reduzierung der Pathogenität, welche durch Dysbiose induziert sein kann. Eine direkte antientzündliche Parodontitistherapie findet nicht statt. Zukünftig sollte eine Modulation der Entzündung das The­rapiespektrum erweitern. Der einheitliche molekulare Signalweg der IL-1β-Produktion mittels Inflam­masomaktivierung bietet die Chance zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze, die die Behandlung sowohl der Parodontitis als auch weiterer entzündlicher Erkrankungen verbessern könnten. Außerdem könnten NLRP3-Inflammasome im Speichel als mögliche Marker für eine nicht diagnostizierte Parodontitis Verwendung finden26. Da Titanimplantate Inflammasome aktivieren10, besteht im Hinblick auf die Ursache nicht osseointegrierter Implantate beziehungsweise die Ätiologie der Periimplantitis im Zusammenhang mit Inflammasomen weiterhin Forschungsbedarf.

Ein Beitrag von Dr. Kay-Arne Walther, Gießen, Dr. Thorsten Radam, Meiningen, Dr. Thomas Vomhof, Lippstadt, Jenny Eikeng, Leipzig, Panagiotis Iatrou, Frankfurt am Main, Alice Sprott, Aschaffenburg

Literatur auf Anfrage über news@quintessenz.de

Quelle: Quintessenz Parodontologie 03/2021 Parodontologie

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