Development and Characterization of an in vitro Four-species Anaerobic Dental Biofilm Model

Dental caries is the most common chronic disease worldwide. It is characterized by the demineralization of tooth enamel caused by acid produced by cariogenic dental bacteria growing on tooth surfaces, termed bacterial biofilms. Cariogenesis is a complex biological process that is influence by multiple factors and is not attributed to a sole causative agent. Instead, caries is associated with multispecies microbial biofilm communities composed of some bacterial species that directly influence the development of a caries lesion and other species that are seemingly benign but must contribute to the community in an uncharacterized way. Clinical analysis of dental caries and its microbial populations is challenging due to many factors including low sensitivity of clinical measurement tools, variability in saliva chemistry, and variation in the microbiota. Our laboratory has developed an in vitro anaerobic biofilm model for dental carries to facilitate both clinical and basic research-based analyses of the multispecies dynamics and individual factors that contribute to cariogenicity. The rational for development of this system was to improve upon the current models that lack key elements. This model places an emphasis on physiological relevance and ease of maintenance and reproducibility. The uniqueness of the model is based on integrating four critical elements: 1) a biofilm community composed of four distinct and representative species typically associated with dental caries, 2) a semi-defined synthetic growth medium designed to mimic saliva, 3) physiologically relevant biofilm growth substrates, and 4) a novel biofilm reactor device designed to facilitate the maintenance and analysis. Specifically, human tooth sections or hydroxyapatite discs embedded into poly(methyl methacrylate) (PMMA) discs are incubated for an initial 24 hr in a static inverted removable substrate (SIRS) biofilm reactor at 37°C under anaerobic conditions in artificial saliva (CAMM) without sucrose in the presence of 1 X 106 cells/ml of each Actinomyces odontolyticus, Fusobacterium nucleatum, Streptococcus mutans, and Veillonella dispar. During days 2 and 3 the samples are maintained continually in CAMM with various exposures to 0.2% sucrose; all of the discs are transferred into fresh medium every 24 hr. To validate that this model is an appropriate in vitro representation of a caries-associated multispecies biofilm, research aims were designed to test the following overarching hypothesis: an in vitro anaerobic biofilm composed of four species (S. mutans, V. dispar, A. odontolyticus, and F. nucleatum) will form a stable biofilm with a community profile that changes in response to environmental conditions and exhibits a cariogenic potential. For these experiments the biofilms as described above were exposed on days 2 and 3 to either CAMM lacking sucrose (no sucrose), CAMM with 0.2% sucrose (constant sucrose), or were transferred twice a day for 1 hr each time into 0.2% sucrose (intermittent sucrose). Four types of analysis were performed: 1) fluorescence microscopy of biofilms stained with Syto 9 and hexidium idodine to determine the biofilm architecture, 2) quantitative PCR (qPCR) to determine the cell number of each species per cm2, 3) vertical scanning interferometry (VSI) to determine the cariogenic potential of the biofilms, and 4) tomographic pH imaging using radiometric fluorescence microscopy after exposure to pH sensitive nanoparticles to measure the micro-environmental pH. The qualitative and quantitative results reveal the expected dynamics of the community profile when exposed to different sucrose conditions and the cariogenic potential of this in vitro four-species anaerobic biofilm model, thus confirming its usefulness for future analysis of primary and secondary dental caries.

Complexação de guaiacol com ß-ciclodextrina para tratamento de alveolite seca: avaliação in vitro e in vivo

A alveolite seca (AS) é uma das complicações pós-operatórias mais comuns e sintomáticas na odontologia, porém, até o momento não há um protocolo de tratamento definido. O composto fenólico guaiacol (Gu) é um dos materiais utilizados para revestimento intra-alveolar devido às suas propriedades analgésicas, antioxidantes e antimicrobianas. Contudo, sua desvantagem é a dificuldade de manipulação decorrente da sua baixa estabilidade, alta volatilidade e sensibilidade à oxidação. Para melhorar suas propriedades e aumentar sua aplicabilidade clínica, um complexo de inclusão de Gu com ß-ciclodextrina (ßcd) foi desenvolvido. A formação do complexo supramolecular de Gu:ßcd foi caracterizada mediante a ressonância magnética nuclear (RMN), nos experimentos de 1H e 2D ROESY. A atividade antibacteriana do Gu e Gu:ßcd frente a Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Streptococcus mitis, Streptococcus mutans, Streptococcus sanguis e Aggregatibacter actinomycetemcomitans foi analisada pelo método da microdiluição e sua citotoxicidade em osteoblastos de calvária de rato, foi estudado com o ensaio do MTT. O processo de reparo alveolar induzido pelo Gu:ßcd foi avaliado histologicamente após tratamento de alveolite seca em molares inferiores de ratos. A RMN mostrou correlações espaciais entre os hidrogênios internos (H3 e H5) da ßcd e os hidrogênios aromáticos, H(a) e H(b) do Gu, confirmando a formação do complexo. A complexação do Gu na ßcd potencializou seu efeito antibacteriano e reduziu sua citotoxicidade em osteoblastos. O estudo in vivo evidenciou a ocorrência de ossificação no ápice alveolar dos ratos tratados com Gu:ßcd, no 7o dia. No 14o dia, as trabéculas ósseas ocuparam também o terço médio do alvéolo e no 21o dia, todo o alvéolo se encontrava preenchido por osso neoformado. Estes resultados foram similares ao controle negativo e superiores ao controle positivo (Alvogyl®). Os benefícios obtidos pela inclusão do Gu na ßcd foram demonstrados pela melhora das propriedades biológicas do Gu in vitro e o adequado reparo alveolar in vivo.

Relação da imunoglobulina-A e a prevalência de cáries em crianças

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Vacina contra a cárie dentária: perspetivas e preocupações: uma opção possível?

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Estudo comparativo da microflora bacteriana de doentes portadores de próteses totais acrílicas mucosuportadas e implantosuportadas

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Salivary Gland and Tooth Abnormalities Massively Increase Caries Susceptibility in A Mouse Model of Cleft Lip/Palate

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-04

A influência dos hábitos parentais no aparecimento de cárie precoce da infância grave

Introdução: A doença cárie é uma das mais comum em crianças de idade pré-escolar, e desenvolve-se logo após a erupção dentária. Na literatura está descrito que para o aparecimento e desenvolvimento desta lesão é necessário a presença de um hospedeiro susceptível, microflora cariogénica, a dieta e o tempo. No entanto, a Cárie Precoce da Infância Grave não é uma lesão de progressão normal, e sim rompante e afecta crianças, até aos três anos de idade. Os hábitos que a família tem, em especial a mãe, são responsáveis pela transmissão de bactérias que podem influenciar o aparecimento de lesões de cáries nas crianças. Simples actos como o testar a temperatura da comida antes de dar à criança, limpar a chupeta com a boca e a partilha de utensílios podem aumentar o risco de Cárie Precoce da Infância. Através de uma revisão de literatura, pretende-se explorar a influência parental no aparecimento desta doença e saber se existe fundamentos para preocupação e assim efectuar uma mais adequada prevenção junto dos pais ou encarregados de educação. Metodologia: Nesta revisão narrativa de literatura fez-se a pesquisa nas bases de dados electrónicas PubMed e SciELO; recorreu-se aos repositórios bibliográficos das universidades; páginas institucionais e referências bibliográficas de artigos; livros de Medicina Dentária Preventiva e de Odontopediatria. Discussão: Os hábitos parentais como o provar ou testar a comida das crianças antes da alimentação e a partilha de talheres durante as refeições são considerados factores de risco para o aumento dos níveis de bactérias, como o Streptococcus mutans. Em relação aos hábitos como limpar a chupeta com a boca, o contacto físico intrafamiliar e dos pais beijarem os filhos há pouca evidência científica e é necessário fazer estudos mais conclusivos nestas áreas. Conclusão: Com esta revisão de literatura foi possível identificar quais os hábitos parentais que aumentam o risco dos filhos desenvolverem Cárie Precoce da Infância Grave.

The biofilm inhibitor Carolacton inhibits planktonic growth of virulent pneumococci via a conserved target

New antibacterial compounds, preferentially exploiting novel cellular targets, are urgently needed to fight the increasing resistance of pathogens against conventional antibiotics. Here we demonstrate that Carolacton, a myxobacterial secondary metabolite previously shown to damage Streptococcus mutans biofilms, inhibits planktonic growth of Streptococcus pneumoniae TIGR4 and multidrug-resistant clinical isolates of serotype 19A at nanomolar concentrations. A Carolacton diastereomer is inactive in both streptococci, indicating a highly specific interaction with a conserved cellular target. S. mutans requires the eukaryotic-like serine/threonine protein kinase PknB and the cysteine metabolism regulator CysR for susceptibility to Carolacton, whereas their homologues are not needed in S. pneumoniae, suggesting a specific function for S. mutans biofilms only. A bactericidal effect of Carolacton was observed for S. pneumoniae TIGR4, with a reduction of cell numbers by 3 log units. The clinical pneumonia isolate Sp49 showed immediate growth arrest and cell lysis, suggesting a bacteriolytic effect of Carolacton. Carolacton treatment caused a reduction in membrane potential, but not membrane integrity, and transcriptome analysis revealed compensatory reactions of the cell. Our data show that Carolacton might have potential for treating pneumococcal infections.

Evaluación fitoquímica y microbiológica de extractos naturales y su incorporación en nanopartículas poliméricas para su aplicación odontológica

La caries dental es la principal enfermedad oral que padece la población a nivel mundial. Su prevención se basa en educación sobre higiene oral, además del uso complementario de agentes antimicrobianos. Entre las alternativas de prevención una área prometedora incluye el empleo de extractos de plantas como agentes antimicrobianos incorporados en nanopartículas poliméricas (NP), las cuales, puedan funcionar como vehículos de liberación de extractos, mejorando el desempeño de estos agentes activos naturales. El objetivo de este trabajo fue obtener extractos de plantas de Ocimum basilicum (Albahaca) Calendula officinalis (Cálendula) y aceites esenciales de Syzigium aromaticum (Clavo) y Thymus vulgaris (Tomillo). Se realizó su caracterización fitoquímica y se evaluó su actividad antimicrobiana mediante dilución en tubo contra células plantónicas de Streptococcus gordonii, Streptococcus mutans y Candida albicans (ATCC), determinando la concentración mínima inhibitoria (CMI). El extracto con mayor actividad fue incorporado en NP mediante el método de nanoprecipitación (NP) y las nanopartículas se caracterizaron en base a su tamaño e índice de polidispersidad por espectroscopia de relación fotónica; el porcentaje y la eficiencia de encapsulación y mecanismo de liberación del eugenol contenido en el aceite encapsulado, se realizó mediante cromatografía de gases acoplado a espectrometría de masas (GSMC). En la presente investigación, se determinó que el aceite esencial de clavo mostró la mayor actividad antimicrobiana con respecto a los demás extractos evaluados. Por medio de GSMC se identificó al eugenol como el componente principal del aceite esencial obtenido por hidrodestilación. Se obtuvieron NP esféricas con tamaño alrededor de 157 nm, el porcentaje y la eficiencia de encapsulación de eugenol presente en el aceite encapsulado fue de 73.16 % y 47 % respectivamente; además de mostrar una liberación in vitro de eugenol del 50 % a las 24 horas. Finalmente, la CMI del aceite de clavo sin encapsular e incorporado en NP, correspondió a 125 y 75 μg/mL respectivamente. En base a los resultados obtenidos, es factible incorporar extractos vegetales en NP para su liberación sostenida, siendo una terapia antimicrobiana prometedora dentro del área odontológica.

Actividad bactericida, antifúngica y antiviral de nanopartículas de bismuto contra patógenos orales

De acuerdo con un anuncio publicado por el NIH (National Institute of Health, EUA), los biofilms o biocapas son un problema de salud pública muy importante en el área médica, ya que representan más del 80% de las infecciones microbianas en el cuerpo humano. Los tratamientos antimicrobianos estándar, típicamente fallan para erradicarlos. Por tanto, existe una creciente necesidad de desarrollo de nuevos fármacos con nuevas y mejores capacidades que puedan controlar a los biofilms. Hoy en día, la nanoterapeútica ofrece opciones innovadoras para controlar enfermedades infecciosas incluyendo la cavidad oral, contrarrestando el crecimiento de microorganismos patógenos tales como, Streptococcus mutans, Candida albicans y herpesvirus. En el área médica, algunos derivados del bismuto, como el subsalicilato, han sido empleados en el área médica para contrarrestar el vómito, náuseas, diarrea y dolor de estómago. En esta investigación determinamos la actividad antimicrobiana de nanopartículas de bismuto (BiNPs) contra patógenos orales. La actividad antibacteriana y antifúngica lo evaluamos por el ensayo de MTT y microscopía de fluorescencia. Demostramos que las BiNPs inhibieron el crecimiento de Streptococcus mutans con un 69% de efectividad así mismo obtuvimos un 85% de inhibición con Candida albicans, además fueron capaces de inhibir la formación del biofilm de ambas cepas. Por otra parte, determinamos la actividad antiviral en un modelo de rotavirus mediante el ensayo de inmunoperoxidasa presentando 90% de control de infección con el tratamiento de BiNPs. Finalmente, se evaluó la posible citotoxicidad de BiNPs en células epiteliales de riñón de mono mediante microscopía de fluorescencia y no mostró evidencias de citotoxicidad a 24 horas de exposición.

Oral Administration of Lactobacillus reuteri during the First Year of Life Reduces Caries Prevalence in the Primary Dentition at 9 Years of Age

The aim of this study was to evaluate the effect on oral health, at age 9 years, of daily oral supplementation with the probiotic Lactobacillus reuteri, strain ATCC 55730, to mothers during the last month of gestation and to children through the first year of life. The study was a single-blind, placebo-controlled, multicenter trial involving 113 children: 60 in the probiotic and 53 in the placebo group. The subjects underwent clinical and radiographic examination of the primary dentition and carious lesions, plaque and gingivitis were recorded. Saliva and plaque were sampled for determination of mutans streptococci (MS) and lactobacilli (LB) in saliva and plaque as well as salivary secretory IgA (SIgA). Forty-nine (82%) children in the probiotic group and 31 (58%) in the placebo group were caries-free (p < 0.01). The prevalence of approximal caries lesions was lower in the probiotic group (0.67 ± 1.61 vs. 1.53 ± 2.64; p < 0.05) and there were fewer sites with gingivitis compared to the placebo group (p < 0.05). There were no significant differences between the groups with respect to frequency of toothbrushing, plaque and dietary habits, but to intake of fluoride supplements (p < 0.05). There were no intergroup differences with respect to L. reuteri, MS, LB or SIgA in saliva. Within the limitation of this study it seems that daily supplementation with L. reuteri from birth and during the first year of life is associated with reduced caries prevalence and gingivitis score in the primary dentition at 9 years of age.

Uma proposta de controle da cárie, na dentição decídua, em município sem fluretação de água

A cárie, na atualidade, pode ser definida como a falta de equilíbrio nos processos de desmineralização e remineralização do dente, na presença de microorganismos, os Streptococcus mutans e de dieta. Esse processo dinâmico pode ser mediado pela ação do flúor por meio de diversos veículos seja na dentição decídua ou na dentição permanente. A fluoretação da água do sistema de abastecimento é considerada a medida mais efetiva de controle da prevalência da doença quando se consideram medidas de impacto coletivo. Entretanto, no Brasil, ainda existem municípios sem fluoretação da água e com alto índice de cárie em ambas as dentições. O presente estudo propôs uma revisão de literatura sobre as alternativas de controle de cárie na dentição decídua em municípios sem fluoretação de água e se deparou com medidas educacionais, materno-infantis, além da necessidade de adoção de programas preventivos que incluam uma abordagem multiprofissional com trabalho educativo e motivacional para os pais ou responsáveis. A importância ao acesso ao serviço de saúde no primeiro ano de vida e das consultas subseqüentes regulares, associadas a melhorias das condições socioeconômicas e culturais da população sugerem ser as medidas necessárias para o controle da doença.

Uma proposta de controle da cárie, na dentição decídua, em município sem fluoretação de água

A cárie, na atualidade, pode ser definida como a falta de equilíbrio nos processos de desmineralização e remineralização do dente, na presença de microorganismos, os Streptococcus mutans e de dieta. Esse processo dinâmico pode ser mediado pela ação do flúor por meio de diversos veículos seja na dentição decídua ou na dentição permanente. A fluoretação da água do sistema de abastecimento é considerada a medida mais efetiva de controle da prevalência da doença quando se consideram medidas de impacto coletivo.Entretanto, no Brasil, ainda existem municípios sem fluoretação da água e com alto índice de cárie em ambas as dentições. O presente estudo propôs uma revisão de literatura sobre as alternativas de controle de cárie na dentição decídua em municípios sem fluoretação de água e se deparou com medidas educacionais, materno-infantis, além da necessidade de adoção de programas preventivos que incluam uma abordagem multiprofissional com trabalho educativo e motivacional para os pais ou responsáveis. A importância ao acesso ao serviço de saúde no primeiro ano de vida e das consultas subseqüentes regulares, associadas a melhorias das condições socioeconômicas e culturais da população sugerem ser as medidas necessárias para o controle da doença