Molecular interactions of dental resins with human oral and intestinal cells

• Applicant: Dr. Joachim Volk
• Subject Area: Dentistry, Oral Surgery
• Term: from 2007 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 51134548

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war es, die chemisch-biologischen Wechselwirkungen von Initiatoren und Komonomeren dentaler Kompositmaterialien unter gewebeähnlichen Bedingungen im 3D-EZM-Kokulturmodell zu untersuchen und ihre Bedeutung für die Gewebshomöostase zu analysieren. Wir etablierten ein In-vitro-Zellkulturmodell, das aufgrund seines, im Vergleich zu Monolayern, komplexeren Aufbaus dazu beitragen kann, die biologische Signifikanz von in vitro ermittelten Materialeffekten besser bewerten zu können. Die Charakterisierung des von uns etablierten 3D-Modells hat gezeigt, dass die beiden Zelltypen des 3D-KKMs vital sind und entsprechend ihrer natürlichen Physiologie agieren. Außerdem konnten wir aufgrund des von uns gewählten Designs erstmals zeigen, dass CQ und HEMA in der Lage sind, eine maximal konfluente Schicht oraler Keratinozyten zu passieren, was zeigt, dass auch tieferliegende Zellschichten mit den Materialien konfrontiert werden. Die Keratinozyten und Fibroblasten des 3D-KKMs reagierten auf die Behandlung mit HEMA, CQ und DBPO mit genregulatorischen Anpassungen auf einen veränderten Redoxhaushalt. Gleichzeitig konnten wir Modulationen von Gewebshomöostase-assoziierten und pro-inflammatorischen Genen nachweisen, die sich im Wesentlichen quantitativ und nicht qualitativ zwischen Monolayern und 3D-KKM unterscheidet (Hypothese A). Vor allem HEMA aber auch CQ reduzierten die Proliferation auf molekularer (Reduktion von Mki-67 mRNA) und phänotypischer Ebene (kleinere Kolonien von OKF6/TERT2). Eine apoptotische Wirkung, wie sie in Monolayerkulturen von verschiedenen Zellen nachgewiesen wurden, konnten wir im 3D- KKM hingegen nicht feststellen (Hypothese B). Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass CQ, 72 Stunden nach Behandlung, einen starken regulativen Einfluss auf 9 von 39 untersuchten extrazellulären Proteasen auf Protein-Ebene hat und somit vermutlich die Gewebshomöostase beeinflusst. HEMA reduzierte die Abundanz einer Protease 24 Stunden nach der Behandlung. Außerdem konnten wir eine Aktivierung des redoxsensitiven Transkriptionsfaktors Nrf2 durch CQ und DBPO und einiger Zielgene (HO-1, NQO1, SOD1) nachweisen. Bisher konnten wir allerdings keinen Zusammenhang zwischen der Aktivierung von Nrf2 und der Regulation von Bestandteilen der EZM belegen oder endgültig ausschließen. Hierzu stehen noch letzte Experimente aus, in denen eine stärkere Reduktion des oxidativen Stresses und die Analyse weiterer Gene im Fokus stehen. Das von uns verwendete 3D-KKM liefert demnach valide Ergebnisse und kann genutzt werden, um komplexe Fragestellungen bezüglich der Effekte von zahnärztlichen Materialien auf Zellen der oralen Mukosa zu untersuchen.

Publications

• Cytotoxic and genotoxic potential ofthe type I photoinitiators BAPO and TPO on human oral keratinocytes and V79 fibroblasts. Dent Mater 34 (12): 1783 – 1796
  Popal M., Volk J., Leyhausen G., Geurtsen W.
  
• Comparative Analysis of CQ-caused Effects in Monolayer-cultures and 3D-co-culture Models. J Dent Res 98 (Spec Iss A): 1925. 97th Meeting of the International Association for Dental Research (IADR/AADR/CADR General Session, 2019/06/19- 2019/06/22 in Vancouver, BC, Canada)
  Perduns R, Volk J, Plum M, Wielgosz S, Beckedorf A, Gutzki F, Kaever V, Geurtsen W
  
• Effects of HEMA on genes related to oxidative defense, inflammatory response and organization of the ECM in human oral cells. Biomed Tech (Berl) 64 (S1): Poster #95; Page: 143. 2018 Annual Meeting of the German Society for Biomaterials (DGBM). 2018/11/08-2018/11/10 in Braunschweig, Germany
  Perduns R, Volk J, Schertl P, Leyhausen G, Wielgosz S, Beckedorf A, Geurtsen W
  
• Effects of HEMA on Nrf2-related gene expression using a newly developed 3D co-culture model of the oral mucosa. Dent Mater 35 (9): 1214 - 1226
  Perduns R, Volk J, Plum M, Gutzki F, Kaever V, Geurtsen W
  
• HEMA modulates the transcription of genes related to oxidative defense, inflammatory response and organization of the ECM in human oral cells. Dent Mater 35 (3): 501 - 510
  Perduns R., Volk J., Schertl P., Leyhausen G., Geurtsen W.
  
• HEMA moduliert die Transkription von Genen die bei oxidativem Stress, Entzündungen und der Organisation der EZM eine Rolle spielen. 51. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft für Grundlagenforschung vom 10.01. bis 11.01.2019 in Mainz
  Perduns R, Volk J, Leyhausen G, Plum M, Wielgosz S, Beckedorf A, Geurtsen W
  
• Long-term treatment with HEMA is associated with persistent up-regulation of redoxregulated cytoprotective proteins in oral keratinocytes. Naunyn-Schmiedeberg's Arch Pharmacol 392: S82. German Pharm-Tox Summit 2019. 2019/02/25-2019/02/28 in Stuttgart, Germany
  Volk J, Perduns R, Schertl P, Wessels M, Leyhausen G, Beckedorf A, Geurtsen W
  
• Das zytotoxische und genotoxische Potential der Typ-1-Fotoinitiatoren BAPO und TPO bei humanen oralen Keratinozyten und V79-Fibroblasten. (2020). Dissertation. Medizinische Hochschule Hannover
  Popal M.
  
• HEMA-induced transcriptional modulation of oral cells using an artificial mucosal 3D-model. Naunyn-Schmiedeberg's Arch Pharmacol 393, S81. German Pharm-Tox Summit 2020. 2020/03/02- 2020/03/05 in Leipzig, Germany
  Plum M, Perduns R., Volk J, Gutzki F, Wielgosz S, Beckedorf A, Kaever V, Geurtsen W
  
• Impact of the photoinitiator camphorquinone on the expression of genes related to oxidative stress and inflammation in oral cells. Naunyn-Schmiedeberg's Arch Pharmacol 393, S80. German Pharm-Tox Summit 2020. 2020/03/02-2020/03/05 in Leipzig, Germany
  Perduns R, Volk J, Plum M, Wielgosz S, Beckedorf A, Geurtsen W
  
• Camphorquinone alters the expression of extracellular proteases in a 3D co-culture model of the oral mucosa. Dent Mater 37 (2): 236 - 248
  Perduns R, Volk J, Plum M, Jochums A, Gutzki F, Kaever V, Geurtsen W