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Zahnfleisch in der Petrischale

Mit ihrer Hilfe beißen wir uns durch. Umso schlimmer, wenn sie vorzeitig ausfallen. Den Halt unserer Zähne im Kieferknochen stellt als eines der fünf Gewebetypen im Zahnhalteapparat das Zahnfleisch sicher. Für die Homöostase im Zahnfleischgewebe sorgt ein komplexes Zusammenspiel von Biomolekülen. Welche von ihnen dieses Gleichgewicht aufrechterhalten oder nach einer Verletzung wieder herstellen untersucht das Team von Prof. Dr. Pascal Tomakidi von der Universitätsklinik Freiburg.

Schematische Darstellung der organotypischen interaktiven Kokultur: Metallgitterchen (schwarz umgrenzte weiße Fläche), auf dem die Zellkultur-Matrix aus Kollagen Typ I (gelb) platziert wird. In dieser Zellkultur-Matrix befinden sich die Gingiva-Bindegewebsfibroblasten (rot), und auf der Oberfläche der Matrix werden die Gingiva-Keratinozyten (auch Epithelzellen genannt, grün) kultiviert. Durch die räumlich getrennte Interaktion zwischen den beiden Zelltypen können die Keratinozyten auch in vitro ein geschichtetes Gingiva-Epithel rekonstituieren. Das Zellkultur-Medium ist durch die schwarz gestrichelten Linien gekennzeichnet. © Prof. Dr. Pascal Tomakidi

Hierfür verfügen die Forscher über ein gewebenahes In-vitro-Testsystem, mit dem sie ein Zahnfleischepithel in der Kulturschale nachbilden können. Mit diesem In-vitro-Gewebeäquivalent lassen sich zum Beispiel auch neue Biomaterialien auf ihr mögliches Anwendungspotenzial hin testen - und das zunächst unabhängig von Tierversuchen.

Unsere Zähne werden durch den sogenannten Zahnhalteapparat oder auch Parodont im Kieferknochen gehalten. Dieser besteht aus fünf Geweben: dem Alveolarknochen, in dem der Zahn sitzt, dem auf der Zahnwurzel selbst sitzenden Wurzelzement, dem Parodontalligament (einem speziellen Bindegewebe, das beim Kauen den Druck abpuffert) und dem Zahnfleisch, auch Gingiva genannt. Letzteres setzt sich wiederum zusammen aus dem Gingiva-Bindegewebe und dem Gingiva-Epithel. Das Gingiva-Epithel besteht aus mehreren Schichten von Epithelzellen, die je nach Differenzierungsstadium eine unterschiedliche Morphologie besitzen, und dem darunter liegenden Bindegewebe, der sogenannten Lamina propria.

Das Zahnfleisch weist im Aufbau Ähnlichkeiten zu unserer Haut auf, denn auch dort bilden Epithelzellen mit ihrer engen Anordnung die äußere Abschlusszone, und zusammen mit den Zellen des Bindegewebes produzieren sie in ihrer Umgebung die Moleküle, die an der Bildung der epithelialen Basalmembran oder auch Basallamina beteiligt sind. In dieser Schicht aus vernetzten Proteinen und Kohlenhydraten sind die Epithelzellen über spezielle Proteine, die sogenannten Intergrine, verankert. Dank dieser Verankerung reißt das Zahnfleisch bei mechanischer Beanspruchung nicht auf.

„Das Zahnfleisch ist ein extrem dynamisches Gewebe, Epithelzellen teilen sich, reifen und gehen schnell wieder verloren – ein ständiger Kreislauf“, sagt Prof. Dr. Pascal Tomakidi, Leiter der Abteilung für Orale Biotechnologie der Universitätsklinik für Mund-, Zahn- und Kieferheilkunde Freiburg. „Die Homöostase dieses komplex organisierten Gewebes aus Epithelzellen und Bindegewebe wird durch ein dynamisches Zusammenspiel verschiedener Moleküle vermittelt. Einer unserer Interessenschwerpunkte ist, dieses molekulare Wechselspiel zu charakterisieren.“

Zellkulturen so nah wie möglich an der Gestalt des natürlichen Gewebes

Der Biologe Tomakidi hat jahrelang am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in Heidelberg Tumorerkrankungen der Haut erforscht. Er kennt sich also aus mit den Verhältnissen in geschichteten Epithelgeweben. Er weiß auch, dass man die zellulären und molekularen Vorgänge in der Gingiva nur schwer in der Petrischale untersuchen kann. Die Zellkulturen müssen so nah wie möglich am Vorbild des natürlichen Gewebes gestaltet sein. Deshalb haben sein Team und er ein Testsystem entwickelt, in dem humane Epithelzellen zusammen mit Zellen des Bindegewebes wachsen. In diesen sogenannten organotypischen Kokulturen gelingt es den Freiburger Forschern sogar, die Zellen zu einer weitgehend korrekten Ausbildung einer Basallamina zu bewegen.

„Solche Kokulturen bilden zum einen, ähnlich wie echtes Zahnfleischgewebe, verschiedene Schichten aus Epithelzellen aus“, sagt Tomakidi. „Außerdem produzieren sie weitestgehend die gleichen Biomarker.“ Diese Biomarker sind Moleküle, die für die Funktion der Gingiva entscheidend sind, etwa die Proteine der Basallamina oder Keratine, die das Zytoskelett der Epithelzellen bilden. Dazu zählen aber auch die erwähnten Intergrine. Sie verankern nicht nur die Epithelzellen in der Basallamina, sondern stellen auch Sensoren gegenüber extrazellulären biomechanischen Reizen dar. Wird das Gewebe durch Druck-, Zug- oder Scherkräfte beansprucht, melden sie es über eine Signalkaskade ins Zellinnere, wo Reaktionen in Gang kommen können, die dann Gene anschalten oder in ihrer Funktion unterdrücken, so dass Zellen sich teilen, differenzieren, in die Apoptose gehen oder bestimmte Moleküle synthetisieren können.

Zu sehen sind zwei Bilder, in beiden jeweils ein grün leuchtendes Netz und rot leuchtende Körner.
Fluoreszenzoptische Darstellung von in-vitro-Gingiva-Epithel und Gingiva-Fibroblasten in der Kokultur: (A) Die Grünfluoreszenz zeigt das epitheliale Kompartiment an. In rot fluoreszieren die Zellkerne des in-vitro-Gingiva Epithel-Äquivalentes sowie der Gingiva-Fibroblasten, die tiefer unten in der Kollagen-Zellkultur-Matrix liegen. (B) Hier zeigt die Grünfluoreszenz die Gingiva-Fibroblasten in der Kollagen-Zellkultur-Matrix an und die Rotfluoreszenz erneut die Zellkerne der Fibroblasten sowie der Gingiva-Keratinozyten, die auf der Oberfläche der Zellkultur-Matrix nach etwa 14 Tagen ein mehrschichtiges Epithel gebildet haben. © Quelle: Prof. Dr. Pascal Tomakidi

Die In-vitro-Kokulturen erlauben den Forschern um Tomakidi verschiedene Anwendungen. Zum einen studieren sie die molekularen Zusammenhänge bei der Aufrechterhaltung der natürlichen Gewebehomöostase. Welche Proteine und Signalmoleküle sorgen dafür, dass das Gewebe in einem gesunden beziehungsweise normalen Zustand bleibt? In den letzten Jahren sind den Freiburgern durch den Einsatz moderner molekularbiologischer Techniken einige Mitspieler in dem molekularen Signalgeschehen ins Netz gegangen.

Zum anderen interessieren die Forscher sich aber auch für die Prozesse der molekularen Signalverarbeitung, wenn etwa biomechanische Kräfte auf die Zellen parodontaler Gewebe einwirken oder wenn es entzündet ist oder gar verwundet wird. Solche Untersuchungen können prospektiv dazu beitragen, die Regeneration von verletztem Zahnfleischgewebe zu verbessern. Denkbar in diesem Kontext sind zukünftige biochemische und/oder biomechanische Strategien, beispielsweise unter Verwendung von bioaktiven Matrixmolekülen, zellunterstützenden Wachstumsfaktoren oder Biomaterialien mit bestimmten auf die Zellen zugeschnittenen biomechanischen Elastizitätseigenschaften. „Wir können zum Beispiel testen, ob und wo die relevanten Biomarker nach einer Regenerationsphase im Epithel wieder exprimiert werden“, sagt Tomakidi. „Damit können wir feststellen, ob das Gewebe sich korrekt nachgebildet hat und wieder alle wichtigen Funktionen erfüllt.“

Gewebe-Defekte mit Hilfe von Biomaterialien beheben

Ein Einsatzgebiet der Kokulturen, das erst in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen hat, kommt aus der Richtung der Biomaterial-Forschung. Wenn in unserem Parodont ein Gewebe-Defekt entsteht, kann er unter Mitwirkung eines geeigneten Biomaterials wieder behoben werden. Aber dazu müssen die Gewebe des Zahnhalteapparates dieses Biomaterial annehmen und auf ihm gut gedeihen wollen. „In unseren Kokulturen untersuchen wir zum Beispiel zusammen mit Materialforschern, welche Effekte die biochemisch-biomechanische Komposition neuartiger Biomaterialien, beispielsweise auf Polymerbasis, auf Zellen eines Epithels und/oder Bindegewebes hat“, sagt Tomakidi. Hier stellen sich zum einen Fragen nach mechanischen Eigenschaften wie der Elastizität von Kandidaten-Materialien, die mechanisch mit dem natürlichen Gewebe in Verbindung stehen. Zum anderen nach der Zell- und Gewebeverträglichkeit der einzelnen Materialkompomemten. Entstehen etwa unerwünschte metabolische Abbauprodukte, sobald ein Material mit Zellen sogenannter Zielgewebe in direkte oder indirekte Wechselwirkung tritt? Wird die Homöostase des Zahnfleischgewebes gestört?

Diese In-vitro-Untersuchungen stehen im Kontext einer „Grenzflächenproblematik“. „Diese Fragen lassen sich auch unter In-vitro-Bedingungen an unsere Zellsysteme adressieren und teilweise mit ihnen beantworten“, sagt Tomakidi. „Unsere Zellsysteme sind nicht nur von ihrer Komplexität her näher an dem natürlichen Zahnfleischgewebe dran. Wir können im Unterschied zu den heute gängigen Testsystemen, die sehr häufig auf Zellen von Nagetieren beruhen, alle Zelltypen direkt aus dem menschlichen Zielgewebe extrahieren und kultivieren. Vor allem die interaktive Kokultur mit ihren körpernahen physiologischen Zell-Zell-Interaktionen ermöglicht dabei die Erarbeitung von in vivo relevanteren Aussagen über putative Materialeffekte im Kontext Zell- und Gewebeverträglichkeit.“

Von der Grundlagenforschung hin zum klinisch-therapeutischen Nutzen

Je mehr die Forscher um Tomakidi über die biochemisch-biomechanischen Zusammenhänge auf zellulärem und molekularem Niveau im Zahnhalteapparat wissen, desto näher rückt der Gedanke an den klinisch-therapeutischen Nutzen dieser Grundlagenforschung. Zu was die moderne Zahn- und Kieferheilkunde in Zukunft fähig sein wird, hängt unter anderem von dieser Art von Grundlagenforschung ab. „Die Herausforderungen sind heute aber nur in einem interdisziplinären Ansatz lösbar“, sagt Tomakidi. „Materialforscher, Biomechaniker, Klinker und Biologen sowie Physiker, Chemiker und Biotechnologen müssen zusammen an einem Strang ziehen, und dafür sind die Bedingungen an der Universitätsklinik Freiburg mit dem reichhaltigen universitären Umfeld optimal.“

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/zahnfleisch-in-der-petrischale