Periodontitis and peri-implantitis biomarkers in human oral fluids and the null-allele mouse model

Tissue destruction associated with the periodontal disease progression is caused by a cascade of host and microbial factors and proteolytic enzymes. Aberrant laminin-332 (Ln-332), human beta defensin (hBD), and matrix metalloproteinase (MMP) functions have been found in oral inflammatory diseases. The null-allele mouse model appears as the next step in oral disease research. The MMP-8 knock-out mouse model allowed us to clarify the involvement of MMP-8 in vivo in oral and related inflammatory diseases where MMP-8 is suggested to play a key role in tissue destruction. The cleaved Ln-332 γ2-chain species has been implicated in the apical migration of sulcular epithelial cells during the formation of periodontal pockets. We demonstrated that increased Ln-332 fragment levels in gingival crevicular fluid (GCF) are strongly associated with the severity of inflammation in periodontitis. Porphyromonas gingivalis trypsin-like proteinase can cleave an intact Ln-332 γ2-chain into smaller fragments and eventually promote the formation of periodontal pockets. hBDs are components of an innate mucosal defense against pathogenic microbes. Our results suggest that P. gingivalis trypsin-like proteinase can degrade hBD and thus reduce the innate immune response. Elevated levels and the increased activity of MMPs have been detected in several pathological tissue-destructive conditions where MMPs are shown to cleave extracellular matrix (ECM) and basement membrane (BM) molecules and to facilitate tissue destruction. Elevated levels of MMP-8 have been reported in many inflammatory diseases. In periodontitis, MMP-8 levels in gingival crevicular fluid (GCF) and in peri-implant sulcular fluid (PISF) are elevated at sites of active inflammation, and the increased levels of MMP-8 are mainly responsible for collagenase activity, which leads to tissue destruction. MMP-25, expressed by neutrophils, is involved in inflammatory diseases and in ECM turnover. MMP-26 can degrade ECM components and serve as an activator of other MMP enzymes. We further confirmed that increased levels and activation of MMP-8, -25, and -26 in GCF, PISF, and inflamed gingival tissue are associated with the severity of periodontal/peri-implant inflammation. We evaluated the role of MMP-8 in P. gingivalis-induced periodontitis by comparing MMP-8 knock-out (MMP8-/-) and wild-type mice. Surprisingly, MMP-8 significantly attenuated P. gingivalis-induced site-specific alveolar bone loss. We also evaluated systemic changes in serum immunoglobulin and lipoprotein profiles among these mouse groups. P. gingivalis infection increased HDL/VLDL particle size in the MMP-8-/- mice, which is an indicator of lipoprotein responses during systemic inflammation. Serum total LPS and IgG antibody levels were enhanced in both mice groups. P. gingivalis-induced periodontitis, especially in MMP-8-/- mice, is associated with severe alveolar bone loss and with systemic inflammatory and lipoprotein changes that are likely to be involved in early atherosclerosis.

Parodontiitti ja peri-implantiitti ovat kroonisia tulehdussairauksia hampaita ja keinojuuria eli implantteja ympäröivissä kiinnityskudoksissa. Bakteerien aineenvaihduntatuotteet, entsyymit ja toksiinit, sekä isännän oma puolustusvaste vieraille antigeeneille johtavat parodontiitin ja peri-implantiitin taudinkuville tyypilliseen kova- ja pehmytkudosten tuhoutumiseen ja lopulta hampaiden ja implanttien löystymiseen ja irtoamiseen. Tutkimuksen tavoitteina oli selvittää tiettyjen entsyymien ja proteiinien esiintyminen, ilmentyminen ja aktiivisuus hampaiden kiinnityskudosten tulehduksen isäntävasteessa, tarkentaa MMP-8-entsyymin todellisia vaikutuksia elävässä elimistössä poistogeeni (knock-out) -hiirimallilla sekä lisäksi syventää tietämystä elimistön oman puolustusvasteen roolista kroonisessa tulehduksessa. Hypoteesina oli edellä mainittujen molekyylien mahdollinen aktiivisuus parodontiittissa ja peri-implantiitissa sekä aktiivisuuden merkitys parodontiitin ja peri-implantiitin diagnostiikassa, isännän omassa puolustuksessa ja taudinkuvalle tyypillisessä kiinnityskudostuhossa. Tutkittujen molekyylien aktiivisuus ja ilmentyminen tulehtuneessa ientasku- ja peri-implanttinesteessä tai ienkudoksessa voimistuu tulehduksen vakavuuden myötä. Näiden molekyylien ja entsyymien kohonneet tasot ja aktiivisuuden nousu kuvastavat parodontaali- ja peri-implantti-infektioiden vakavuutta ja osallistuvat tulehduksen syntyyn ja etenemiseen toimien samalla tulehduksen biomarkkereina. MMP-8 toimii osittain suojaavana molekyylinä P. gingivaliksen aiheuttamassa paikallisessa ja systeemisessä tulehdusvasteessa. Totaalinen MMP-8 puutos johtaa lisääntyneeseen alveoliluukatoon sekä seerumin lipoproteiinien muutokseen ateroskleroottisempaan suuntaan. Parodontiitin hoidossa tulisikin keskittyä patologisesti kohonneiden MMP-8 tasojen alentamiseen lähelle normaalia, fysiologista tasoa sen sijaan että MMP-8 tuotantoa ja toimintaa pyritään kokonaan estämään.