Bakterierna som lever i tandplack och bidrar till karies motstår ofta traditionell antimikrobiell behandling, eftersom de kan "gömma sig" i en klibbig biofilmmatris, en limliknande polymerställning.

En ny strategi utarbetad av University of Pennsylvanias forskare tog ett mer sofistikerat tillvägagångssätt. Istället för att bara applicera ett antibiotikum på tänderna, de utnyttjade de pH-känsliga och enzymliknande egenskaperna hos järninnehållande nanopartiklar för att katalysera aktiviteten av väteperoxid, ett vanligt naturligt antiseptisk medel. Den aktiverade väteperoxiden producerade fria radikaler som samtidigt kunde bryta ned biofilmmatrisen och döda bakterierna inom, reducerar plack avsevärt och förhindrar tandförfall, eller hålrum, i en djurmodell.

"Även om man använder en mycket låg koncentration av väteperoxid, processen var otroligt effektiv för att störa biofilmen, " sa Hyun (Michel) Koo, en professor vid Penn School of Dental Medicine:s avdelning för ortodonti och avdelningar för pediatrisk tandvård och gemenskapens munhälsa och seniorförfattaren till studien, som publicerades i tidskriften Biomaterial . "Att lägga till nanopartiklar ökade effektiviteten av bakteriedödande mer än 5, 000 gånger. "

Tidningens huvudförfattare var Lizeng Gao, en postdoktor i Koos labb. Medförfattare var Yuan Liu, Dongyeop Kim, Yong Li och Geelsu Hwang, hela Koo's lab, samt David Cormode, en biträdande professor i radiologi och bioteknik med utnämningar vid Penns Perelman School of Medicine och School of Engineering and Applied Science, och Pratap C. Naha, en postdoktor i Cormodes labb.

Verket byggde på ett avgörande fynd av Gao och kollegor, publicerad 2007 i Naturens nanoteknik , visar att nanopartiklar, länge tros vara biologiskt och kemiskt inert, kan faktiskt ha enzymliknande egenskaper. I den studien, Gao visade att en nanopartikel av järnoxid betedde sig på samma sätt som en peroxidas, ett enzym som finns naturligt och som katalyserar oxidativa reaktioner, använder ofta väteperoxid.

När Gao gick med i Koos labb 2013, han föreslog att använda dessa nanopartiklar i en muntlig miljö, eftersom oxidationen av väteperoxid producerar fria radikaler som kan döda bakterier.

"När han först presenterade det för mig, Jag var väldigt skeptisk, " sa Koo, "eftersom dessa fria radikaler också kan skada frisk vävnad. Men sedan motbevisade han det och sa till mig att detta är annorlunda eftersom nanopartiklarnas aktivitet är beroende av pH."

Gao hade funnit att nanopartiklarna inte hade någon katalytisk aktivitet vid neutralt eller nästan neutralt pH på 6,5 eller 7, fysiologiska värden som vanligtvis finns i blod eller i en frisk mun. Men när pH var surt, närmare 5, de blir mycket aktiva och kan snabbt producera fria radikaler.

Scenariot var idealiskt för att rikta in plack, som kan producera en sur mikromiljö när den utsätts för socker.

Gao och Koo sträckte ut handen till Cormode, som hade erfarenhet av att arbeta med järnoxidnanopartiklar i ett radiologiskt bildkontext, för att hjälpa dem att syntetisera, karakterisera och testa effektiviteten av nanopartiklar, flera former av vilka redan är FDA-godkända för avbildning hos människor.

Börjar med in vitro -studier, som innebar att man odlade en biofilm innehållande den hålrumsframkallande bakterien Streptococcus mutans på en tandemaljliknande yta och sedan exponerade den för socker, forskarna bekräftade att nanopartiklarna fäste vid biofilmen, bibehölls även efter att behandlingen avbrutits och effektivt kunde katalysera väteperoxid under sura förhållanden.

De visade också att nanopartiklarnas reaktion med en 1 procent eller mindre väteperoxidlösning var anmärkningsvärt effektiv för att döda bakterier, utplåna mer än 99,9 procent av S. mutans i biofilmen inom fem minuter, en effekt mer än 5, 000 gånger större än att använda enbart väteperoxid. Ännu mer lovande, de visade att behandlingsregimen, som involverar en 30-sekunders lokal behandling av nanopartiklarna följt av en 30-sekunders behandling med väteperoxid, kan bryta ner biofilmmatriskomponenterna, i huvudsak avlägsna den skyddande klibbiga ställningen.

Att gå över till en djurmodell, de applicerade nanopartiklar och väteperoxid lokalt på tänderna på råttor, som kan utveckla tandförfall när de smittas med S. mutans precis som människor gör. Två gånger om dagen, en minuts behandlingar under tre veckor minskade markant uppkomsten och svårighetsgraden av kariösa lesioner, den kliniska termen för karies, jämfört med kontrollen eller behandlingen med enbart väteperoxid. Forskarna observerade inga negativa effekter på tandköttet eller orala mjukdelar från behandlingen.

"Det är mycket lovande, "sa Koo." Effekten och toxiciteten måste valideras i kliniska studier, men jag tror att potentialen finns där."

Bland de attraktiva egenskaperna hos plattformen är det faktum att komponenterna är relativt billiga.

"Om du tittar på den mängd du behöver för en dos, du tittar på något som 5 milligram, " sa Cormode. "Det är en liten mängd material, och nanopartiklarna är ganska lätt att syntetisera, så vi pratar om en kostnad på cent per dos."

Dessutom, plattformen använder en koncentration av väteperoxid, 1 procent, vilket är lägre än många för närvarande tillgängliga tandblekningssystem som använder 3 till 10 procents koncentrationer, minimera risken för negativa biverkningar.

Blickar framåt, Gao, Koo, Cormode och kollegor hoppas kunna fortsätta att förfina och förbättra effektiviteten hos nanopartikelplattformen för att bekämpa biofilmer.

"Vi studerar rollen som nanopartikelbeläggningar, sammansättning, storlek och så vidare så att vi kan konstruera partiklarna för ännu bättre prestanda, " sa Cormode.