Kombinera en kost med hög sockerhalt med dåliga munhygienvanor och tandhålor, eller karies, kommer sannolikt att resultera. Sockret utlöser bildandet av en sur biofilm, känd som plack, på tänderna, eroderar ytan. Karies i tidig barndom är en allvarlig form av karies som drabbar vart fjärde barn i USA och hundratals miljoner fler globalt. Det är ett särskilt allvarligt problem i underprivilegierade befolkningar.

I en studie publicerad i Naturkommunikation Denna vecka, forskare ledda av Hyun (Michel) Koo från University of Pennsylvania School of Dental Medicine i samarbete med David Cormode från Penns Perelman School of Medicine och School of Engineering and Applied Science använde FDA-godkända nanopartiklar för att effektivt störa biofilmer och förhindra karies i både en experimentell human-plack-liknande biofilm och i en djurmodell som efterliknar karies i tidig barndom.

Nanopartiklarna bryter isär tandplack genom en unik pH-aktiverad antibiofilmmekanism.

"Den uppvisar en spännande enzymliknande egenskap där den katalytiska aktiviteten förstärks dramatiskt vid surt pH men "stänger av" vid neutrala pH-förhållanden, säger Koo, professor vid Penn Dental Medicines avdelning för ortodonti och inom avdelningarna för Pediatric Dentistry och Community Oral Health. "Nanopartiklarna fungerar som ett peroxidas, aktivera väteperoxid, ett vanligt använt antiseptisk medel, att generera fria radikaler som potent demonterar och dödar biofilmer under patologiska sura tillstånd men inte vid fysiologiskt pH, vilket ger en målinriktad effekt."

Eftersom det kariesorsakande placket är mycket surt, den nya behandlingen kan rikta in sig på områden av tänderna som innehåller patogena biofilmer utan att skada den omgivande munvävnaden eller mikrobiotan.

Den speciella järnhaltiga nanopartikeln som användes i experimenten, ferumoxytol, är redan FDA-godkänd för att behandla järnbrist, en lovande indikation på att en lokal applicering av samma nanopartikel, används i flera hundra gånger lägre koncentration, skulle också vara säkert för mänskligt bruk.

Även om vissa forskare har ifrågasatt om beläggningar som används på ferumoxytol och andra nanopartiklar som används för medicinska tillämpningar skulle göra dem katalytiskt inerta, Koo, Liu, och Cormode visade att de bibehöll peroxidasliknande aktivitet, aktivera väteperoxid.

Efter att ha testat kombinationen ferumoxytol-väteperoxid på ett tandemaljliknande material, teamet gick vidare till en experimentell uppsättning som närmare replikerade förhållandena i den mänskliga munnen.

"Vi använde plackprover från kariesaktiva försökspersoner för att rekonstruera dessa högpatogena biofilmer på riktig mänsklig tandemalj, " säger Koo. "Denna simulering visade att vår behandling inte bara stör biofilmen utan också förhindrar mineralförstöring av tandens yta. Det gav mycket starka bevis för att detta skulle kunna fungera in vivo."

Ytterligare studier i en gnagarmodell som nära återspeglar stadierna av kariesutveckling hos människor visade att två gånger om dagen sköljningar av ferumoxytol och väteperoxid avsevärt minskade svårighetsgraden av karies på alla tändernas ytor och även helt blockerade bildningen av håligheter i emaljen.

Som ytterligare bevis på behandlingens riktade effekt, forskarna fann ingen signifikant förändring i mångfalden av mikrober i munnen efter behandling och fann inga tecken på vävnadsskada.

"Denna terapi dödar inte mikroorganismer urskillningslöst, "Koo säger, "men snarare verkar den bara där den patologiska biofilmen utvecklas. En sådan exakt terapeutisk metod kan rikta in sig på de sjuka platserna utan att störa den ekologiska balansen i den orala mikrobiotan, som är avgörande för en frisk mun, samtidigt som man undviker infektion av opportunistiska patogener."

Att införliva nanopartiklar i en munsköljning eller tandkräm kan vara ett kostnadseffektivt sätt att avsevärt förbättra deras effektivitet, säger Koo. Många av dessa produkter innehåller redan väteperoxid och skulle bara kräva tillsats av en liten mängd relativt billiga nanopartiklar. Med bevis som stödjer detta tillvägagångssätt i både en djurmodell och en människoliknande modell av karies, forskargruppen arbetar aktivt med att testa dess kliniska effekt.