This copy is for personal use only - distribution prohibited.

Transkrypt

1 PROTET. STOMATOL., 2014, LXIV, 2, Wpływ modyfikacji powierzchni tworzywa akrylowego na formowanie biofilmu bakteryjno-grzybiczego przegląd piśmiennictwa Effect of surface modification of acrylic resin materials on the bacterial and fungal biofilm formation. A literature review Mariusz Cierech, Elżbieta Mierzwińska-Nastalska Katedra Protetyki Stomatologicznej Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego Kierownik: prof. dr hab. E. Mierzwińska-Nastalska HASŁA INDEKSOWE: tworzywa akrylowe, modyfikacja powierzchni, Candida albicans Streszczenie Wraz ze starzeniem się społeczeństwa zwiększa się zapotrzebowanie na leczenie protetyczne z zastosowaniem akrylowych protez częściowych lub całkowitych. Infekcja grzybami drożdżopodobnymi może prowadzić do miejscowych stanów zapalnych, jak również oddziaływać ogólnoustrojowo, co w skrajnych przypadkach prowadzić może do uogólnionej fungemii. Obecnie próbuje się modyfikować powierzchnię spolimeryzowanego tworzywa akrylowego przy pomocy substancji zaburzających formowanie biofilmu bakteryjno-grzybiczego. W pracy przedstawiono wpływ mannanu, fotopolimeryzujących żywic łączących oraz dwutlenku tytanu na adhezję mikroorganizmów. Pomimo obiecujących wyników redukujących ilość drobnoustrojów oraz zaburzających formowanie struktury biofilmu, konieczne są dalsze badania nad biokompatybilnością i trwałością zastosowanych materiałów. Modyfikacja tworzywa akrylowego jest zatem obiecującą metodą profilaktyki stomatopatii protetycznych, wymaga jednak stworzenia ścisłego protokołu postępowania w zależności od użytej substancji. KEY WORDS: acrylic resins, surface modyfication, Candida albicans Summary The aging population increases the demand for prosthetic treatment with use of acrylic partial or complete dentures. Infections with yeast can lead to local inflammation, as well as to systemic effects, which in extreme cases can lead to systemic fungemia. Currently attempts are made to modify the surface of polymerized acrylic resin with the substances that disrupt the formation of bacteria and fungal biofilm. The effect of mannan, photopolymerized resins and titanium dioxide on the adhesion of microorganisms was presented in this paper. Despite promising results of reducing the number of microorganisms and disrupting biofilm formation, further studies on the biocompatibility and durability of the applied materials are needed. Modification of acrylic resins is, therefore, a promising method of preventing dental stomatitis, however, this requires to produce and follow a strict treatment protocol, depending on the substance that has been used. 121

2 M. Cierech, E. Mierzwińska-Nastalska Stomatopatie protetyczne określane są jako zmiany patologiczne zlokalizowane w obrębie błony śluzowej jamy ustnej, których podłożem przyczynowym są uzupełnienia protetyczne (1). Występują najczęściej w przypadkach użytkowania akrylowych protez całkowitych górnych, jednak mogą mieć miejsce także przy innych uzupełnieniach ruchomych czy protezach stałych (1, 2). Głównymi przyczynami ich powstawania są uraz mechaniczny, infekcja grzybicza oraz płytka protez. Częstość ich występowania jest skorelowana z błędami klinicznymi oraz laboratoryjnymi popełnionymi przy ich wykonaniu, niestosowaniem się do zaleceń lekarza odnośnie ich użytkowania, czy osobniczą podatnością pacjenta (3). Niezmiernie istotna wydaje się także biokompatybilność materiału z którego wykonane jest uzupełnienie. Obserwuje się częstsze występowanie zmian na błonie śluzowej o charakterze stomatopatii protetycznej powikłanej infekcją grzybiczą w przypadku uzupełnień akrylowych niż wykonanych z innych materiałów (4, 5). Świadczy to o właściwościach tworzywa, którego powierzchnia stwarza korzystniejsze warunki do odkładania się biofilmu bakteryjno - grzybiczego (6,7). Chropowatość dośluzowej powierzchni płyty protezy, która nie jest poddawana procesowi polerowania, może powodować przewlekłe drażnienie podłoża protetycznego, szczególnie przy współistniejącej słabej stabilizacji protezy czy obecności przeszkód zgryzowych. Nierówna powierzchnia stwarza także dogodne warunki do odkładania płytki protez stwarzając tym samym gorsze warunki dla utrzymania prawidłowej higieny uzupełnienia. Chropowatość tworzywa zależy od właściwości danego typu akrylu, stosowania się do zaleceń producenta odnośnie warunków jego polimeryzacji oraz zastosowanej jakości gipsu w procesie puszkowania protez. Kolejną właściwością tworzywa akrylowego mogącą mieć wpływ na powstawanie stomatopatii protetycznej jest jego porowatość. Cecha ta świadczy o obecności w tworzywie porów wypełnionych powietrzem, które z jednej strony pogarszają właściwości mechaniczne tworzywa (8, 9), ale są także mikroskopijnymi przestrzeniami, w których może zalegać płyn ze środowiska jamy ustnej, stwarzając korzystne warunki do rozwoju mikroorganizmów, takich jak Candida albicans. Nasiąkliwość tworzywa będąca w pewnym stopniu wykładnikiem jego porowatości, może zatem predysponować do infekcji grzybiczej (10). Tworzywa podlegające procesom pęcznienia mogą także zmieniać swoje wymiary, co może negatywnie odbić się na jakości wykonanego uzupełnienia. Powstawanie stomatopatii protetycznych jest zatem zawsze procesem wieloczynnikowym, gdzie znaczenie ma osobnicza podatność pacjenta, jakość wykonanego uzupełnienia, a także biokompatybilność tworzywa z którego zostało ono wykonane. Obecnie nie poprzestaje się tylko na optymalizacji składu chemicznego tworzywa, ale także próbuje się pokrywać powierzchnię spolimeryzowanego akrylu za pomocą substancji, takich jak fotopolimeryzujące żywice łączące, dwutlenek tytanu czy inne preparaty utrudniające przyleganie mikroorganizmów. Modyfikacja powierzchni ma za zadanie wygładzenie wszelkich mikronierówności tworzywa oraz zmianę wolnej energii powierzchniowej, co skutkuje zwiększeniem hydrofilności materiału. Zmiany te mają wpływać na specyficzne i niespecyficzne oddziaływania między drobnoustrojami a powierzchnią biomateriału i utrudniać formowanie się złożonej struktury biofilmu bakteryjno- -grzybiczego. W pracy przedstawiono stosowane obecnie sposoby modyfikacji tworzywa akrylowego i mechanizmy odpowiedzialne za zmiany w adhezji drobnoustrojów do powyższych biomateriałów. Mechanizm przylegania drobnoustrojów do płyty protezy składa się z dwóch następujących 122 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2

3 po sobie faz (11). Pierwsza odwracalna i niespecyficzna wykorzystuje m.in. oddziaływania elektrostatyczne i siły van der Waalsa, natomiast druga polega na swoistych oddziaływaniach pomiędzy adhezynami obecnymi w ścianach komórkowych drobnoustrojów, a komplementarnymi stereochemicznie cząstkami na płycie tworzywa akrylowego. Komórki Candida posiadają na swojej powierzchni hydrofilne polisacharydy, takie jak mannan czy galaktomannan, które oddziałują nie tylko z nabłonkiem błony śluzowej, ale także z powierzchnią biomateriałów (12). Iwamoto i wsp. (13) zaobserwowali jednak, iż pokrycie tworzywa akrylowego z wykorzystaniem mannanu istotnie zmniejszyło przyleganie do nich drobnoustrojów. Sato i wsp. (14) w swoich badaniach sprawdzili wpływ mannanu na adhezję C. albicans i C. glabrata do tworzywa akrylowego. Drugi z wymienionych gatunków pomimo, iż występuje rzadziej jest często oporny na zastosowane leczenie farmakologiczne utrudniając znacznie prowadzoną terapię (15,16). Autorzy pracy wykorzystali oczyszczony mannan otrzymany ze szczepu Saccharomyces cerevisiae w stężeniach 0,1 mg/ml,1 mg/ml, 10 mg/ml oraz mannozę w stężeniu 10 mg/ml. We wnioskach pracy stwierdzono, iż mannan obniżał przyleganie Candida do tworzywa, a wraz ze wzrostem jego stężenia wzrastały właściwości przeciwgrzybicze. W przypadku mannozy nie zaobserwowano jednak zmniejszenia adhezji Candida nawet w najwyższym stężeniu. Mannan zatem, w odróżnieniu od mannozy, jest skuteczny w zapobieganiu adhezji dwóch głównych gatunków Candida przyczynowo związanych ze stomatopatią protetyczną. Autorzy podkreślają jednak, iż hamujący wpływ mannanu utrzymywał się przez 3 dni. Konieczne zatem są dalsze badania, które pozwolą na ustabilizowanie jego struktury i dłuższe utrzymywanie się na powierzchni tworzywa akrylowego. Tworzywo akrylowe Klotz i wsp. (17) zaobserwowali, iż wraz ze wzrostem hydrofobowości tworzywa wzrasta także adhezja drobnoustrojów, takich jak Candida albicans. Podejmowane są zatem próby zmniejszenia przylegania drobnoustrojów poprzez modyfikację powierzchni tworzywa akrylowego przy pomocy hydrofilnych primerów (18, 19). Dla zbadania hydrofobowości/hydrofilności tworzywa określany jest parametr wolnej energii powierzchniowej. Metoda polega na mierzeniu kąta zwilżania kropli cieczy do tworzywa akrylowego przy pomocy kamery CCD. Wykorzystuje się dwie substancje o zróżnicowanej polarności dla określenia składnika polarnego (związanego z hydrofilnymi właściwościami powierzchni) i dyspersyjnego (niepolarnego świadczącego o jej hydrofobowym charakterze). Powyższe wskaźniki zbadali w swojej pracy Lazarin i wsp. (19) wykorzystując do modyfikacji powierzchni tworzywa akrylowego substancje fotopolimeryzujące: 2-hydroxyethyl methacrylate (HE); 3-hydroxypropyl methacrylate (HP); 2-trimethylammonium ethyl methacrylate chloride (T) oraz sulfobetaine methacrylate (S). Powyższe żywice wykorzystano w stężeniach 25%, 30% i 35%. Zbadano nie tylko hydrofobowość tworzywa przed i po modyfikacji, ale także adhezję drobnoustrojów przy pomocy metody XTT. Wykorzystuje ona aktywność metaboliczną żywych drobnoustrojów ocenianą przy pomocy testów kolorymetrycznych. Wolna energia powierzchniowa, była wyższa we wszystkich grupach badanych w porównaniu z grupą kontrolną. Zaobserwowano istotne zwiększenie się składowej polarnej po modyfikacji powierzchni, a tylko niewielkie zmiany zostały odnotowane w składowej dyspersyjnej. Świadczy to, iż żywice zastosowane w badaniach zwiększały hydrofilny charakter materiału. Zaobserwowano istotnie statystycznie różnice w chropowatości dla powierzchni gładkiej i chropowatej, natomiast różnice te pomiędzy grupą kontrolną a PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2 123

4 M. Cierech, E. Mierzwińska-Nastalska poszczególnymi grupami badanymi nie były istotne. Dowodzi to, iż różnice w przyleganiu Candida albicans nie wynikają wyłącznie z cech makroskopowych jak chropowatość tworzywa, ale także od innych parametrów. Z wyjątkiem S30, S35 oraz HP30 nie zaobserwowano istotnej statystycznie korelacji pomiędzy przyleganiem Candida a hydrofilnością tworzywa. Można zatem wnioskować, że proces przylegania drobnoustrojów i formowania biofilmu jest wieloczynnikowy i zależy od wielu składowych. Autorzy we wnioskach swojej pracy podkreślają, iż zastosowanie S oraz HP istotnie zmniejszyło przyleganie Candida albicans, jednakże trwałość modyfikacji powierzchni oraz odporność na czyszczenie mechaniczne czy chemiczne powstałej warstwy pozostaje nadal niezbadana. Przed rekomendacją kliniczną powyższych substancji konieczna jest także ocena ich biokompatybilności w stosunku do błony śluzowej jamy ustnej. Ali i wsp.(18) porównali przyleganie drobnoustrojów do tworzywa akrylowego modyfikowanego przy pomocy dwóch żywic łączących: 2-Octyl Cyanoacrylate adhesive oraz Adper Single Bond Adhesive. Porównali oni je z grupą kontrolną przy użyciu trzech niezależnych metod: bezpośredniej pożywki, metody seryjnych rozcieńczeń oraz obserwacji pod mikroskopem świetlnym. Zaobserwowano, iż modyfikacja powierzchni przy pomocy Adper Single Bond Adhesive utrudniała adhezję C. albicans podczas gdy 2-Octyl Cyanoacrylate adhesive całkowicie ją uniemożliwiał. Autorzy tłumaczą ten fakt poprzez wygładzenie mikropęknięć i artefaktów powierzchni tworzywa akrylowego oraz zmianę hydrofobowości/ hydrofilności materiału. W powyższej pracy nie zbadano jednak trwałości połączenia oraz wpływu tego połączenia na błonę śluzową podłoża protetycznego. Arai i wsp. (20) z Uniwersytetu w Tokio zbadali wpływ dwutlenku tytanu na rozwój mikroorganizmów na tworzywie akrylowym. Substancja ta ma silnie hydrofilowe właściwości oraz wpływa na reakcje fotokatalityczne, przez co znalazła już zastosowanie w innych gałęziach medycyny, wpływając m.in. na zmniejszenie odkładania bakterii na cewnikach (21). Zbadano zależność TiO 2 na organizmy Streptococcus sanguis oraz Candida albicans. Pierwszy z nich uważany jest za mikroorganizm odgrywający zasadniczą rolę we wczesnej kolonizacji tworzywa przy tworzeniu biofilmu (22). Candida albicans jest natomiast najpowszechniej występującym drobnoustrojem u pacjentów leczonych protetycznie, wykazującym bardzo silną adhezję do akrylu. Ocenę ilościową przylegania drobnoustrojów przeprowadzono opierając się na koncentracji produkowanego przez drobnoustroje adenozynotrójfosforanu (ATP). Ilość powstałego ATP oceniano na podstawie jego bioilumiscencji przy pomocy testu BactTiter-Glo. Zarówno dla S. Sanguis jak i dla C. albicnas zauważono zmniejszenie się liczby kolonii w przypadku próbek pokrytych TiO 2. Adhezja S. sanguis zmniejszyła się o blisko 40%, natomiast C.albicans o 35%. Podczas obserwacji w skaningowym mikroskopie elektronowym (SEM) w przypadku tworzywa pokrytego TiO 2 zaobserwowano zaburzenia w formowaniu biofilmu. Autorzy przypuszczają, iż powyższy efekt może wynikać ze zmiany w hydrofobowości materiału oraz utleniającego działania dwutlenku tytanu. Dyskusja Wraz ze rosnącą w naszym społeczeństwie liczbą osób w podeszłym wieku zwiększa się także zapotrzebowanie na uzupełnienia protetyczne. W większości są to akrylowe protezy częściowe i całkowite. Zarówno sama konstrukcja protezy, jak i materiał z którego jest ona wykonana sprzyja odkładaniu się biofilmu bakteryjno-grzybiczego. Przy uwzględnieniu 124 PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2

5 zmniejszających się wraz z wiekiem zdolności manualnych pacjentów, czy użytkowania protez przez osoby upośledzone psycho-somatycznie, obserwuje się, że zabiegi higieniczne są często zaniedbywane i niewystarczające. Zastosowanie roztworów dezynfekcyjnych jest pomocne, ale nie może zastąpić mechanicznego czyszczenia protezy (23). Szczególnie u osób z obniżonymi zdolnościami układu odpornościowego zaniedbywania higieniczne protez i jamy ustnej mogą prowadzić do powstania miejscowego schorzenia jakim jest stomatopatia protetyczna powikłana infekcją grzybiczą. Z kolei poprzez działanie na górne drogi oddechowe może nieść ryzyko aspiracyjnego zapalenia płuc lub uogólnionej fungemii (24, 25). Aby zapobiec tym schorzeniom konieczny jest skrupulatny instruktaż higieny jamy ustnej i protez, a także informacje dotyczące zastosowania wspomagających chemicznych środków odkażających. Aby ułatwić zabiegi higieniczne próbuje się także modyfikować powierzchnię tworzywa akrylowego przy pomocy różnych substancji. Tworzywa polimerowe, takie jak akryl mają niską energię powierzchniową co świadczy o silnych właściwościach hydrofobowych. Pierwotna adhezja drobnoustrojów wynika z hydrofobowych interakcji, takich jak siły van der Waalsa oraz oddziaływania elektrostatyczne. Ważną rolę w pierwotnych oddziaływaniach odgrywa S. sanguis czy S. mutans. W dalszych etapach formowania biofilmu większą rolę zaczynają spełniać oddziaływania pomiędzy poszczególnymi gatunkami drobnoustrojów i następuje szybki wzrost C. albicans. Ma to swoje implikacje kliniczne, gdyż ograniczenie przylegania pierwszych kolonizujących drobnoustrojów może zaburzyć formowanie biofilmu już w jego początkowej fazie. Po modyfikacji powierzchni TiO 2 zaobserwowano 40% zmniejszenie adhezji S. sanguis, co w znaczny sposób zaburzyło powstawanie struktury biofilmu w obrazach SEM (20). Nie Tworzywo akrylowe wiadomo jednak jak długo działanie przeciwbakteryjne jest efektywne. Wytworzenie hydrofilowej warstwy na powierzchni tworzywa akrylowego w sposób istotny utrudnia formowanie biofilmu bakteryjno-grzybiczego (18, 19). Jednakże przed aplikacją kliniczną powinno się zbadać własności biokompatybilne użytych substancji i ich interakcje z powierzchnią błony śluzowej. Kolejnym istotnym aspektem jest trwałość wytworzonego połączenia pomiędzy substancją modyfikującą a płytą protezy. Należy zwrócić uwagę na specyficzne warunki panujące w jamie ustnej, na które narażone jest wytworzone wiązanie. Poddawanie uzupełnienia cyklicznym zabiegom higienicznym polegającym na oddziaływaniach zarówno mechanicznych, jak i chemicznych oraz stałe przebywanie w wilgotnym środowisku jamy ustnej osłabia to połączenie. Modyfikacja tworzywa akrylowego jest zatem obiecującą metodą profilaktyki stomatopatii protetycznych, jednak procesy te wymagają dalszych badań i stworzenia protokołu postępowania w zależności od użytej substancji. Piśmiennictwo 1. Spiechowicz E.: Protetyka Stomatologiczna. Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa Spiechowicz E., Mierzwińska-Nastalska E.: Grzybice jamy ustnej. Med Tour Press International, Warszawa Mierzwińska-Nastalska E., Rusiniak K., Gontek R., Okoński P.: Wpływ higieny protez na powstawanie zakażenia grzybiczego błony śluzowej jamy ustnej. Nowa Stom., 2000, 4, 14, Sobolewska E.: Wpływ materiałów nowej generacji stosowanych w protetyce odtwórczej na środowisko jamy ustnej. Roczniki PAM, 2010, 56, 3, Sobolewska E. Frączak B., Czarnomysy- PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2 125

6 M. Cierech, E. Mierzwińska-Nastalska Furowicz D., Ey-Chmielewska H., Karakulska J.: Bacteria adhesion to the surface of various prosthetic materials. Roczniki PAM, 2007, 53, 2, Dorocka-Bobkowska B., Konopka K.: Powstawanie biofilmu Candida i jego znaczenie w patogenezie zakażeń przewlekłych przegląd piśmiennictwa. Dent. Med. Probl., 2003, 40, Chandra J., Kuhn D. M., Mukherjee P. K., Hoyer L. L., McCormick T., Ghannoum M. A.: Biofilm formation by the fungal pathogen Candida albicans: development, architecture, and drug resistance. J. Bacteriol., 2001, 183, Wong D.M., Cheng L.Y., Chow T.W., Clark R.K.: Effect of processing method on the dimensional accuracy and water sorption of acrylic resin dentures. J. Prosthet. Dent., 1999, 81, Ristic B., Carr L.: Water sorption by denture acrylic resin and consequent changes in vertical dimension. J. Prosthet. Dent., 1987, 58, Więckiewicz W.: Badania nasiąkliwości wybranych elastomerów silikonowych stosowanych do podścielania protez pooperacyjnych. Protet. Stomatol., 2006, LVI, 1, Waters M. G. J., Williams D. W., Jagger R.G., Lewis M. A. O.: Adherence of Candida albicans to experimental denture soft lining materials. J Prosthet. Dent., 1997, 77, Calderone R.A.: Molecular interactions at the interface of Candida albicans and host cells. Arch. Med. Res., 1993, 24, Iwamoto L., Watanabe T., Ogasawara A., Mikami T., Matsumoto T.: Adherence of Candida albicans is inhibited by yeast mannan., Yakugaku Zasshi, 2006, 126, Sato M., Ohshima T., Maeda N., Ohkubo C.: Inhibitory effect of coated mannan against the adhesion of Candida biofilms to denture base resin. Dent. Mater. J., 2013, 32, Fidel P. L., Vazquez J. A., Sobel J. D.: Candida glabrata: review of epidemiology, pathogenesis, and clinical disease with comparison to Candida albicans. Clin. Microbiol. Rev., 1999, 12, Fujita S.: Studies on microtiter broth dilution method for antifungal susceptibility testing of yeast isolates from blood and cerebrospinal fluid. Rinsho Byori, 1996, 44, Klotz S.A., Drutz D.J., Zajic J.E.: Factors governing adherence of Candida species to plastic surfaces. Infection and Immunity, 1985, 50, Ali A.A., Alharbi F.A., Suresh C.S.: Effectiveness of coating acrylic resin dentures on preventing Candida adhesion. J. Prosthodont., 2013, 22, Lazarin A., Machado A., Zamperini C., Wady A., Spolidorio D., Vergani C.: Eff ect of experimental photopolymerized coatings on the hydrophobicity of a denture base acrylic resin and on Candida albicans adhesion. Arch. Oral Biol., 2013, 58, Arai T., Ueda T., Sugiyama T., Sakurai K.: Inhibiting microbial adhesion to denture base acrylic resin by titanium dioxide coating. J. Oral Rehab., 2009, 36, Sekiguchi Y., Yao Y., Ohko Y., Tanaka K., Ishido T., Fujishima A.: Self-sterilizing catheters with titanium dioxide photocatalyst thin film for clean intermittent catheterization: basis and study of clinical use. Int. J. Urol., 2007, 14, Kashiwabara T., Yoshijima Y., Hongama S., Nagao K., Hirota K., Ichikawa T.: Denture plaque microflora in geriatric inpatients and maxillary defect patients. Prosthodont. Res. Pract., 2007, 6, Schiffner U., Bahr M., Effenberger S.: Plaque and gingivitis in the elderly: a randomized, single-blind clinical trial on the outcome of intensified mechanical or antibacterial oral hygiene measures. J. Clin. Periodontol., 2007, 34, PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2

7 Tworzywo akrylowe 24. Sumi Y., Kagami H., Ohtsuka Y., Kakinoki Y., Haruguchi Y., Miyamoto H.: High correlation between the bacterial species in denture plaque and pharyngeal microflora. Gerodontology, 2003, 20, Epstein J.B.: Diagnosis and treatment of oropharyngeal candidiasis. Oral Maxillofac. Surg. Clin. North America, 2003, 15, Zaakceptowano do druku: r. Adres autorów: Warszawa, ul. Nowogrodzka 59. Zarząd Główny PTS PROTETYKA STOMATOLOGICZNA, 2014, LXIV, 2 127