Forschung

Im Bereich der Kariologie forschen wir im Labor (in vitro) und führen klinische Studien am Patienten durch. Unsere Forschungsinteressen auf diesem Gebiet liegen in der Prävention der Karies und nicht-invasiven Therapieoptionen (siehe auch Biofilm), Beeinflussung der De- und Remineralisation der Zahnhartsubstanzen z.B. durch Fluorid und Mineralien (z.B. mit Kalziumphosphaten), minimalinvasiven Restaurationen, insbesondere mit adhäsiven Restaurationsverfahren sowie Keramikrestaurationen, deren adhäsive Verankerung und klinische Eignung (Restaurative Zahnmedizin). Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit diagnostischen Methoden z.B. auf Basis der Fluoreszenz. 

Im Bereich der restaurativen Kariologie interessieren uns die Kariesexkavation und deren Einfluss auf den adhäsiven Verbund von Restaurationen mit Dentin sowie die Vitalität und regenerative Vorgänge der Zahnpulpa (Endodontie). In diesem Forschungsgebiet spielt auch die komplexe Interaktion von Bakterien und bakteriellen Toxinen in der kariös veränderten Zahnhartsubstanz mit Bestandteilen von Biomaterialien und biologischen Schutzmechanismen im Hinblick auf die Gesundheit und Vitalität der Zellen in der Zahnpulpa (z.B. Odontoblasten) eine große Rolle. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit den biologischen Eigenschaften zahnmedizinischer Materialien (Biokompatibilität) und deren klinische Bewährung und Langzeitverhalten (Materialunverträglichkeit).

Bei der Wurzelkanalbehandlung wird das ursprünglich vitale Gewebe der Zahnpulpa (der "Zahnnerv") durch ein synthetisches Material ersetzt, wobei physiologische Gewebefunktionen (z.B. Schmerzreaktionen - heiß/kalt) verloren gehen. Es ist jedoch bereits möglich, nach dem Prinzip des Tissue Engineering Zahnpulpagewebe wieder wachsen zu lassen. Wir arbeiten mit verschiedenen Trägermaterialien, in die Pulpastammzellen eingesät werden, um ein geeignetes Material zur Pulpageweberegeneration identifizieren zu können. Es werden unterschiedliche natürliche oder synthetische, gelartige Biomaterialien getestet, die gut in den Wurzelkanal eingebracht werden können. Das Trägermaterial dient den Zellen als Stützgerüst, wird aber mit der Zeit von diesen abgebaut. Des Weiteren werden Wachstumsfaktoren zugegeben, die Pulpastammzellen anlocken und die Zelldifferenzierung und Gewebebildung induzieren. Solche Wachstumsfaktoren sind auch im menschlichen Dentin enthalten und können aus der Oberfläche des Wurzelkanaldentins im Rahmen einer Wurzelkanalbehandlung herausgelöst und für regenerative Zwecke genutzt werden. Ziel unserer Forschung ist es, eine Methode zu entwickeln, die alternativ zur Wurzelkanalbehandlung durchgeführt werden kann, um Pulpagewebe durch das Einbringen eines Biomaterials in den Wurzelkanal nach Freisetzung von Wachstumsfaktoren aus dem Dentin zu regenerieren.

Parodontale Erkrankungen werden durch bakteriellen Biofilm ausgelöst und können durch patientenindividuelle Entzündungsreaktionen zu einem massiven Knochenverlust entlang der Zahnwurzeln und in der Folge zu Zahnlockerung, Zahnwanderung und Zahnausfall führen. In klinischen Studien untersuchen wir Möglichkeiten, verloren gegangenes Gewebe des Zahnhalteapparates zu regenerieren.

Darüber hinaus hat unsere Forschung im Bereich Parodontologie zum Ziel, Erkenntnisse über den dentalen Biofilm in vitro zu gewinnen und Möglichkeiten zu entwickeln, den dentalen Biofilm so zu beeinflussen, dass Schäden am parodontalen Gewebe verhindert und einer Parodontitis vorgebeugt werden kann.

Die Forschung in der Restaurativen Zahnmedizin gilt der präklinischen und klinischen Untersuchung zahnärztlicher Füllungswerkstoffe. Sowohl in vitro Testverfahren als auch kontrollierte klinische Studien haben sich bewährt, um Aussagen über die Qualität dentaler Restaurationsysteme zu treffen. Gegenstand der Forschung sind neben der Untersuchung metallischer Werkstoffe vor allem Untersuchungen zahnfarbener Werkstoffe (Keramiken, Kunststoffe, Befestigungsmaterialien, Adhäsivsysteme), welche adhäsiv an den Zahnhartsubstanzen haften.

In-vitro Prüfung adhäsiver Füllungsmaterialien
Bei der in-vitro Prüfung adhäsiver Füllungsmaterialien interessieren vor allem die Qualität und Mikromorphologie des Klebeverbundes zwischen Zahn und Füllungswerkstoffen. Hier kommt die Darstellung und Charakterisierung der Verbundzone im Rasterelektronenmikroskop zum Einsatz. Röntgen-Mikrobereichsanalysen zur Elementverteilung ergänzen die Befunde.

Mittels Haftfestigkeitsuntersuchungen werden die Haftung verschiedener Werkstoffe an den Zahnhartsubstanzen und die Beständigkeit des Verbundes ermittelt. Eine Alterung der Restaurationen wird simuliert, indem die Restaurationen thermo-mechanischen Wechselbelastungen in einem Kausimulator ausgesetzt werden. Aspekte wie Randschluss, Präparationsgeometrie, Restzahnhartsubstanzstärke und Keramikschichtdicke stehen als Untersuchungsparameter im Vordergrund.

Klinische Prüfung adhäsiver Füllungsmaterialien
Die klinische Prüfung adhäsiver Füllungsmaterialien befasst sich mit der prospektiv-randomisierten Untersuchung von Keramikteilkronen und Kompositfüllungen. In klinischen Untersuchungen werden neue Füllungsmaterialien im Zahnhalsbereich, neue Keramiken und der Einfluss von neuartigen Befestigungssystemen im Vergleich zu bewährten Systemen bei der Eingliederung von Keramikteilkronen geprüft und ihr Langzeitverhalten dokumentiert.

In der restaurativen Zahnheilkunde werden indikationsabhängig verschiedene Materialien in der Mundhöhle verwendet. In den letzten Jahren häuften sich nun Klagen von Patienten über Unverträglichkeitserscheinungen gegenüber verschiedenen Werkstoffgruppen.

Die von den Patienten angegebenen Symptome umfassen lokale Reaktionen, wie Gingivitiden, Schleimhautbrennen oder Geschmacksstörungen und systemische Krankheitszeichen, wie Kopfschmerzen oder Abgeschlagenheit. Die Verifizierung eines ursächlichen Zusammenhanges zwischen einem verwendeten Werkstoff und den von Patienten angegebenen Beschwerden ist außerordentlich schwierig. Zum einen sind die Symptome oftmals allgemeiner Natur, so dass sie auch einer Vielzahl anderer Erkrankungen zugeordnet werden können. Zum anderen werden unterschiedliche Materialien häufig gemeinsam in der Mundhöhle eines Patienten appliziert, so dass eine Zuordnung bestimmter Symptome zu einer bestimmten Werkstoffgruppe im Einzelfall oftmals nicht möglich ist.

Auf die gesamte Bevölkerung bezogen ist die Anzahl an Patienten mit einer Materialunverträglichkeit sehr gering. Jedoch ist der Leidensdruck des Einzelnen sehr hoch. Dementsprechend hoch ist daher der diagnostische und zeitliche Aufwand pro Patient.

Aus den Ergebnissen und Erfahrungen, die im Rahmen eines vom Bundesministerium für Gesundheit geförderten Forschungsprojekts erzielt wurden, ist die Etablierung einer wöchentlichen Sprechstunde hervorgegangen. Die Basisdiagnostik umfasst eine ausführliche Anamnese und einen umfangreichen, zahnärztlichen Befund. Bei Bedarf wird ein Allergietest (Epikutantest) durchgeführt. In vielen Fällen ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit anderen Fachrichtungen notwendig, um andere, mögliche Ursachen der Beschwerden zu finden.

Prüfung der Gewebeverträglichkeit dentaler Werkstoffe in vitro
Die Biokompatibilität dentaler Werkstoffe wird in Basisprüfungen nach nationalen und internationalen Richtlinien für Medizinprodukte geprüft. Die Testung der Werkstoffe folgt den Vorgaben des Standards DIN EN ISO7405   Dentistry - Evaluation of biocompatibility of medical devices used in dentistry ( ISO 7405 :2008). Hierbei werden insbesondere die Zytotoxizität und Mutagenität dentaler Werkstoffe beurteilt.  

Adaptive Mechanismen zellulärer Reaktionen
Zahnärztliche Werkstoffe stehen zum Teil über lange Zeit in engem Kontakt mit Geweben des Mundraums. Wegen der Wechselwirkung mit oralen Geweben ist die Analyse der Biokompatibilität dentaler Werkstoffe eine Voraussetzung ihrer klinischen Anwendung. Speziell die Identifizierung kausaler Zusammenhänge zwischen physikalisch-chemischen Eigenschaften von Komponenten restaurativer Werkstoffe und biologischen Reaktionen tragen zu vorhersagbaren therapeutischen Ergebnissen bei. Aktuell werden mit Monomeren dentaler Komposite wie TEGDMA oder HEMA als Werkzeuge adaptive zelluläre Mechanismen mit Hilfe von Zellkulturen untersucht. Dabei wurde oxidativer Stress als Folge der vermehrten Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) als ein sehr rasches, initiales intrazelluläres Phänomen der Wirkung von Monomeren erkannt. Diese Störung des Redoxgleichgewichts beeinträchtigt die Vitalität von Zellen und inhibiert spezifische Leistungen wie die Zelldifferenzierung und Mineralisation oder protektive Reaktionen des zellulären Immunsystems wie die Freisetzung pro- und anti-inflammatorischer Zytokine. Als protektiven Mechanismus gegen Material-induzierten oxidativen Stress aktivieren Zellen die Expression des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 und des Nrf2-regulierten Systems enzymatischer Antioxidantien wie Catalase und anderer Enzymsysteme zur Wiederherstellung der zellulären Redoxhomöostase. In aktuellen Forschungsprojekten wird der ursächliche Zusammenhang zwischen der Inhibition der Freisetzung von Zytokinen aus immunkompetenten Zellen (Odontoblasten/Makrophagen) der Zahnpulpa, die mit LPS (Lipopolysaccharid) oder LTA (Lipoteichonsäure) kariogener Mikroorganismen stimuliert wurden und der Exposition dieser Zellen gegen dentale Monomere untersucht.

Die Mundhöhle ist das Habitat zahlreicher Mikroorganismen. Organisieren sich diese als Biofilm, eingebettet in eine selbst produzierte extrazelluläre polymere Substanz, so steigt ihre Pathogenität. Es ist bekannt, dass zur Abtötung von Bakterien in Biofilmen um ein Vielfaches höhere Konzentrationen von Desinfektionsmitteln und Antibiotika notwendig sind als zur Abtötung von planktonischen Bakterien. Dies erschwert die Inaktivierung von Bakterien im Biofilm erheblich.

In der Arbeitsgruppe "Biofilm" an der Poliklinik für Zahnerhaltung und Parodontologie werden in vitro Biofilmmodelle zu kariologischen und parodontologischen Fragestellungen etabliert, um die Effektivität sowohl konventioneller (z.B. Chlorhexidin) wie auch neuartiger antimikrobieller Substanzen oder Verfahren zu evaluieren.

Ein solches neuartiges Verfahren mit großen Erfolgsaussichten stellt die Photodynamische Inaktivierung von Bakterien (PIB) dar. Diese Methode beruht auf der Bestrahlung eines ungiftigen Farbstoffes, dem so genannten Photosensibilisator, mit sichtbarem Licht einer bestimmten Wellenlänge in Anwesenheit von Sauerstoff, wobei Singulettsauerstoff und Sauerstoffradikale entstehen, welche Bakterien über oxidative Prozesse abtöten. Zur Entwicklung und Prüfung der Wirksamkeit neuer antimikrobieller Photosensibilisatoren besteht eine langjährige Kooperation unserer Poliklinik mit der Klinik und Poliklinik für Dermatologie und dem Institut für Organische Chemie.

Die Planung wissenschaftlicher Untersuchungen mündet im Studienprotokoll, das gemeinsam von allen Beteiligten erarbeitet und umgesetzt wird. In unserer interdisziplinären Arbeitsgruppe nehmen daran üblicherweise Zahnärzte, Biologen, Mathematiker und erfahrene technische Mitarbeiter teil. Das Studienprotokoll enthält Angaben über den Studien-Typ (z.B. deskriptiv, experimentell, Meta-Analyse, retrospektiv, prospektiv, doppelt oder einfach blind,…), die Methoden der Datenerhebung und insbesondere einen Plan zur statistischen Analyse der erhobenen Daten.

Die statistischen Analysen werden vom beteiligten Mathematiker mit Hilfe einschlägiger Software durchgeführt. In nicht seltenen Fällen wird es jedoch notwendig, allgemeine statistische Verfahren an die speziellen Bedürfnisse in der Zahnmedizin anzupassen. Besonderer Wert wird auf statistische Details wie die Gruppierung und Unabhängigkeit der Stichproben oder die Abschätzung der Stichprobenumfänge gelegt, um die statistische Analyse später adäquat durchführen zu können.

Durch eine umfangreiche Datenpflege soll gewährleistet werden, dass Datensätze, die in verschiedenen Arbeitsgruppen mit ähnlichen Zielsetzungen erhoben werden, eine an den Erfordernissen der verschiedenen Projekte orientierte, einheitliche Struktur erhalten. Diese Struktur wird in einem zentral angelegten relationalen Datenbanksystem abgebildet und alle erhobenen Daten werden sukzessive in dieses System übernommen.

Die zur Datenanalyse benötigten individuell geschriebenen Programme werden laufend aktualisiert, adaptiert oder modifiziert, so dass sich alle Mitarbeiter am jeweiligen Projekt jederzeit über den aktuellen Stand des Fortgangs informieren können. Die gepflegten, zentralen Datenbanken sind Grundlagen der abschließenden statistischen Analysen. Diese wiederum dienen als Grundlage der Präsentation der Forschungsergebnisse in wissenschaftlichen Fachzeitschriften, auf Kongressen, in Vorlesungen oder anderweitigen Vorträgen.

Für die Oberflächencharakterisierung von dentalen Werkstoffen und Zahnhartsubstanzen, dem Verbund restaurativer Werkstoffe mit Zahnhartsubstanzen und biologischen Proben steht ein Rasterelektronenmikroskop mit ESEM-Modus (environmental scanning electron microscope) zur Verfügung (FEI Quanta FEG Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop). Die Darstellung der Elementzusammensetzung kleinster Probenbereiche erfolgt mittels energiedispersiver Röntgenstrahlen-Analyse (EDX). Ein Kritisch-Punkt-Trockengerät und ein Bedampfungsgerät (Kohle-, Gold- und Platintargets) dienen der speziellen Probenvorbereitung.

Die Poliklinik verfügt über komplett ausgestattete Zellkulturlaboratorien und ein mikrobiologisches Labor. Neben Standard-Zelllinien werden primäre Zellen und Stammzellen aus oralen Geweben isoliert, kultiviert und charakterisiert. Die Zellkulturen dienen zum einen der Prüfung der Biokompatibilität dentaler Werkstoffe. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Analyse von Mechanismen der Differenzierung von Stammzellen zur Regeneration von Pulpagewebe (Regenerative Zahnmedizin). Im mikrobiologischen Labor werden aerobe, fakultativ anaerobe und anaerobe Mikroorganismen kultiviert. In einem Universalinkubator zur Bebrütung der Mikroorganismen können über ein automatisches System zur Begasung aus vier Grundgasen (N₂, CO₂, H₂ und O₂) Gasgemische für verschiedene Kammern programmiert und variabel gestaltet werden. Anaerobier und Aerobier können parallel im gleichen System angezogen werden. Dieses System dient der Kultivierung kariogener und parodontalpathogener Biofilmmodelle.

Ein Durchflusszytometer (BD FACSCanto^TM 2L Blue+Red, BD Biosciences) dient der raschen Charakterisierung zellphysiologischer Eigenschaften auf der Einzelzellebene. Form, Struktur und spezifische Zellfunktionen werden mit Fluoreszenzfarbstoffen beschrieben.

Die Zellkulturlaboratorien und das mikrobiologische Labor sind mit Geräten zur Charakterisierung der Genexpression und der Proteinexpression ausgestattet.  

Spezifische Geräte wie:

• Universalinkubator
• Universalprüfmaschine
• Thermocycler
• Flodec System
• Mikroskope
• Cycler
• usw.