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- Biofilm (2) (entfernen)
Despite the great progress that has been made in the prophylaxis of oral diseases over the past decades, dental caries and periodontal diseases remain major challenges in the field of dentistry. Biofilm formation on dental hard tissues is strongly associated with the etiology of these oral diseases. Therefore, the process of bioadhesion and biofilm formation on tooth surfaces is of particular interest for dental research. The first stage of bioadhesion on dental surfaces is the formation of the pellicle layer. This mainly acellular film, composed largely of adsorbed proteins, glycoproteins, and lipids, is distinguished from the microbial biofilm (plaque). As the interface between teeth and the oral environment, the pellicle plays a key role in the maintenance of oral health and is of great physiological and pathophysiological importance. On the one hand, the pellicle shows protective properties for the underlying dental hard tissues. On the other hand, it also serves as the basis for dental plaque and therefore, for the development of oral diseases such as caries and periodontitis. Hydrophobic interactions, which are governed by lipophilic substances, are of high relevance for bacterial adherence. Therefore, pellicle lipids, which are a significant constituent of this biological structure, are an interesting target for dental research, as they could modulate oral surfaces, influence microbial interactions, and potentially impede bacterial adherence. Compared to the extensive work on the pellicle´s ultrastructure and protein/amino acid composition, little attention has been given to its lipid profile. Knowledge of the lipid composition of the pellicle may provide insight into several oral pathological states, including caries, dental erosion, and periodontal disease processes and could contribute to novel approaches in preventive dentistry. The principle aim of this thesis was the comprehensive characterization of the fatty acid (FA) profile of the in situ formed pellicle layer. This includes the influence of pellicle maturation on the FA profile as well as intra- and interindividual differences. Furthermore, investigations on the effect of rinses with edible oils on the pellicle´s FA composition were a focus of this work. For these purposes, an analytical method based on a combination of innovative specimen generation and convenient sample preparation with sensitive mass spectrometric analysis was successfully developed and comprehensively validated within this thesis. Pellicle samples were formed in situ on bovine enamel slabs mounted on individual upper jaw splints. After a comprehensive sample preparation, gas chromatography coupled with electron impact ionization mass spectrometry (GC-EI/MS) was used in order to characterize qualitatively and quantitatively a wide range of FA (C12-C24). The individual FA profiles of pellicle and saliva samples collected from ten research participants were investigated. The relative FA profiles of the pellicle samples gained from the different subjects were very similar, whereas the amount of FAs showed significant interindividual variability. Compared to the pellicle´s characteristic FA profile, higher proportions of unsaturated FAs were detected in the saliva samples, highlighting that FAs available in saliva are not adsorbed equivalently to the pellicle layer. This, in turn, shows that pellicle formation is a highly selective process that does not correlate directly with salivary composition. Additionally, pellicle samples collected after 3, 30, 60, 120, and 240 min of intraoral exposure were analyzed. It could be shown that pellicle maturation has only a minor impact on the FA composition. However, the FA content increased substantially with increasing oral exposure time. Modifying the pellicle´s lipid composition by using edible oils as a mouthwash could alter the physicochemical characteristics of the pellicle and strengthen its protective properties by delaying bacterial adhesion. Therefore, the impact of rinses with safflower oil on the pellicle´s FA composition was determined. The application of rinses with safflower oil resulted in an accumulation of its specific FAs in the pellicle, thus representing a possibility for modifying the pellicle´s lipid profile. The present work is the first to apply a validated method that combines in situ pellicle formation, sample preparation, and the comprehensive determination of FAs via a sensitive analytical method. The results provide valuable information regarding the pellicle´s FA composition which closes an existing knowledge gap in pellicle research. A broader knowledge of the lipid composition of the pellicle contributes to the understanding of oral bioadhesion processes and may help facilitate novel approaches in preventive dentistry.
In der vorliegenden Arbeit wurden in unterschiedlichen aquatischen biologischen Proben Akkumulationsuntersuchungen ausgewählter Elemente durchgeführt. Als Probenmaterial dienten Biofilme und Zooplankton aus verschiedenen aquatischen Systemen (bergbaube einflusst und unbeeinflusst). Beide biologisch unterschiedlichen Habitate können einer seits extrem empfindlich auf erhöhte Elementkonzentrationen reagieren. Andererseits können sie sich durch verschiedenste Mechanismen und „Überlebensstrategien“ an erhöh te Metallkonzentrationen adaptieren. In der aquatischen Nahrungskette sind sie ein wich tiges Bindeglied und zeigen den ökologischen Zustand natürlicher Gewässer an. Für Biofilme und Zooplankton wurden im Rahmen dieser Arbeit deshalb Methoden ent wickelt und modifiziert, um bei Probenmaterialien im μg-Bereich effektive reproduzier bare Elementbestimmungen durchführen zu können. Die Anwendung war für Biofilme weniger kompliziert, da mit 500 μg ausreichend Probenmaterial zur Verfügung stand. Analytisch aufwendiger stellte sich die Anwendung für Zooplankton heraus. Hier lag der Fokus in der Elementbestimmung auf Einzelindividuen, deren Absolutgewichte zwischen 10 und 50 μg lagen. Parallele Untersuchungen ausgewählter Referenzmaterialien bestätigten die Eignung dieser Methode. Mit dem Einsatz einer Kalt-Plasma-Veraschung zur Reduzierung der organischen Matrix konnte die Methode weiter modifiziert werden. Für die Elementakkumulation in Biofilmen wurde die Eignung natürlicher und künstlicher Aufwuchsträger untersucht und verglichen. Daraus schlussfolgernd ergaben sich Untersuchungen zur Elementakkumulation in Biofilmen zweier unterschiedlicher Oberflä chengewässer. Einerseits machte die Bewertung von Biofilmen innerhalb von Longitudinalprofiluntersuchungen eines bergbaubeeinflussten Fließgewässers (Tisza, Un garn) den Einfluss von Schadstoffeinträgen nach Havarie-Ereignissen sichtbar. Anderer seits ergaben Untersuchungen an natürlichen Biofilmen eines Stollensystems zur Halden entwässerung (Mansfelder Land, Mitteldeutschland) zeitabhängige Sorptionseffekte ausgewählter Elemente. Die angewendeten Methoden wurden unter optimalen Laborbedingungen und unter Ein haltung der Guten Laborpraxis (GLP) entwickelt. Als Analysentechnik standen zwei TXRF-Geräte zur Verfügung, die prinzipiell für Elementanalysen mit kleinsten Proben mengen bzw. Probenvolumina auskommen. Sowohl die stationäre als auch die portable TXRF waren für alle Untersuchungen sehr gut geeignet und erbrachten im Vergleich mit zertifizierten Referenzmaterialien akzeptable Wiederfindungsraten. Weiterhin galt es zu überprüfen, inwieweit die zur Verfügung stehende Analysentechnik auch mobil eingesetzt werden kann. Dafür wurde die entwickelte „Wet“ Methode vor Ort in Ungarn angewendet und der Elementgehalt in einzelnen Zooplanktonindividuen semi quantitativ bestimmt. Die eingesetzte portable TXRF vom Typ S2 PICOFOX™ erwies sich für diese Fragestellung als sehr gut geeignet. Abschließend wurden die ermittelten Elementakkumulationen in ausgewählten biologischen Proben der Biofilme und im Zooplankton anhand der Grenzwerte der EU-WRRL bewertet.