Characterization of cytokines, matrix metalloproteinases and toll-like receptors in human periodontal tissue destruction

Periodontal Disease affects the supporting structures of the teeth and is initiated by a microbial biofilm called dental plaque. Severity ranges from superficial inflammation of the gingiva (gingivitis) to extensive destruction of connective tissue and bone leading to tooth loss (periodontitis). In periodontitis the destruction of tissue is caused by a cascade of microbial and host factors together with proteolytic enzymes. Matrix metalloproteinases (MMPs) are known to be central mediators of the pathologic destruction in periodontitis. Initially plaque bacteria provide pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) which are sensed by Toll-like receptors (TLRs), and initiate intracellular signaling cascades leading to host inflammation. Our aim was to characterize TNF-α (tumor necrosis factor-alpha) and its type I and II receptors in periodontal tissues, as well as, the effects of TNF-α, IL-1β (interleukin-1beta) and IL-17 on the production and/or activation of MMP-3, MMP-8 and MMP-9. Furthermore we mapped the TLRs in periodontal tissues and assessed how some of the PAMPs binding to the key TLRs found in periodontal tissues affect production of TNF-α and IL-1β by gingival epithelial cells with or without combination of IL-17. TNF-α and its receptors were detected in pericoronitis. Furthermore, increased expression of interleukin-1β and vascular cell adhesion molecule-1 was found as a biological indicator of TNF-α ligand-receptor interaction. MMP-3, -8, and 9 were investigated in periodontitis affected human gingival crevicular fluid and gingival fibroblasts produced pro-MMP-3. Following that, the effect of IL-17 was studied on MMP and pro-inflammatory cytokine production. IL-17 was increased in periodontitis and up-regulated IL-1β, TNF-α, MMP-1 and MMP-3. We continued by demonstrating TLRs in gingival tissues, in which significant differences between patients with periodontitis and healthy controls were found. Finally, enzyme-linked immunosorbent assays were performed to show that the gingival cells response to inflammatory responses in a TLR-dependent manner. Briefly, this thesis demonstrates that TLRs are present in periodontal tissues and present differences in periodontitis compared to healthy controls. The cells of gingival tissues respond to inflammatory process in a TLR-dependent manner by producing pro-inflammatory cytokines. During the destruction of periodontal tissues, the release (IL-1β and TNF-α) and co-operation with other pro-inflammatory cytokines (IL-17), which in turn increase the inflammation and thus be more harmful to the host with the increased presence of MMPs (MMP-1, MMP-3, MMP-8, MMP-9) in diseased over healthy sites.

Parodontaalisairaudet on hampaiden kiinnityskudostulehduksia, jotka johtuvat hampaiden mikrobibiofilmin kerääntymisestä hammasplakiksi. Vakavuudeltaan sairaudet vaihtelevat pinnallisesta ientulehduksesta (gingiviitti) kiinnityskudon ja luun tuhoutumiseen ja hampaan irtoamiseen johtavaan kiinnityskudostulehdukseen (parodontiitti). Parodontiittiin liittyvä kudostuho johtuu sekä bakteeri- että isäntäperäisistä tekijöistä yhdessä proteolyyttisten entsyymien kanssa. Matriksin metalloproteinaasit (MMP) ovat keskeisiä tekijöitä parodontiitin patologisessa kudostuhossa. Hammasplakin bakteerit ilmentävät patogeeneihin liittyviä molekyylirakenteita (pathogen-associated molecular patterns, PAMPs), joita toll-like-reseptorit (TLRs) tunnistavat ja solunsisäinen signaalireitti isännän tulehdusreaktiossa alkaa. Työn tavoitteena oli karakterisoida TNF-α (tumor necrosis factor-alpha) ja sen tyyppi I ja II reseptorit parontaalikudoksessa. Lisäksi tutkimme TNF- α:n, IL-1β:an (interleukiini-1-beetta) ja IL-17:sta (interleukiini-17) vaikutuksia MMP-3:en, MMP-8:an ja MMP-9:än tuottoon ja /tai aktivaatioon. Kartoitimme TLR:eita parodontaalikudoksessa ja tutkimme, kuinka eräiden PAMP:ien sitoutuminen kohde-TLR:ään vaikuttaa ikenen epiteelisolujen TNF- α:n ja IL-1β:an tuottoon yhdessä ja erikseen IL-17:sta kanssa. Tulokset osoittivat, että parodontaalikudokset ilmentävät TLR:eita tasoilla, jotka eroavat parodontaalisesti sairaiden ja terveiden välillä. Ienkudoksen solut reagoivat tulehdukseen TLR-riippuvaisesti tuottamalla tulehdusvälittäjäaineita, TNF-α ja IL-1β. Parodontiitissa tulehdusvälittäjäaineiden tuotanto ja niiden yhteistoiminta IL-17:sta kanssa voimistaa isännälle haitallista tulehdureaktiota, jossa myös vapautuu enemmän MMP:eja (MMP-1, MMP-3, MMP-8 ja MMP-9) verrattuna terveisiin henkilöihin. Tutkimuksen perimmäinen tarkoitus on kerätä tietoa mahdollisia uusia hoitomenetelmiä varten, jotka olisivat turvallisia, tehokkaita, huokeita ja johtaisivat vähäisiin haittavaikutuksiin ihmisillä, jotka kärsivät suun tulehduksista.