*Aneta Zduniak1, Sylwia Olszewska2, Agnieszka Mielczarek1
Metaloproteinazy i ich udział w degradacji systemów wiążących. Część 2
Metalloproteinases and their role in the degradation of bonding systems. Part 2
1Zakład Stomatologii Zachowawczej, Warszawski Uniwersytet Medyczny
Kierownik Zakładu: dr hab. n. med. Agnieszka Mielczarek
2Praktyka prywatna: Klinika Radość, Warszawa
Kierownik Kliniki: lek. dent. Barbara Sobczak
Streszczenie
Stabilność warstwy hybrydowej jest kluczowa dla zapewnienia trwałości wypełnień z materiałów złożonych. Czynniki osłabiające siłę wiązania związane są m.in. z obecnością bakterii i ich enzymów w strukturze biofilmu bakteryjnego. Chroniczne uszkadzanie warstwy hybrydowej zachodzi także w wyniku hydrolizy i wypłukiwania monomerów adhezyjnych, które infiltrowały zdemineralizowaną matrycę zębiny. Do czynników sprzyjających degradacji zalicza się również nanoprzeciek. Bardzo wiele badań analizuje wpływ endogennych proteaz na degradację warstwy hybrydowej. Endogenne enzymy kolagenolityczne: metaloproteinazy (MMPs) i katepsyny cysteinowe, są odpowiedzialne za degradację matrycy kolagenowej w warstwie hybrydowej. Inhibicja endogennych proteaz jest zatem konieczna dla spowolnienia degradacji wypełnień. Aktywność enzymów w zębinie i warstwie hybrydowej może być regulowana przez endo- i egzogenne inhibitory.
Praca stanowi przegląd dostępnego piśmiennictwa opublikowanego w bazie medycznej PubMed i w polskich czasopismach stomatologicznych w latach 2002-2017. Jej celem jest ocena roli metaloproteinaz i katepsyn cysteinowych w degradacji warstwy hybrydowej i przegląd związków o działaniu inhibicyjnym w stosunku do tych grup enzymów.
Summary
The stability of the hybrid layer is crucial for ensuring the durability of fillings made of composite materials. Factors which weaken the bond strength are related to, among others, the presence of bacteria and their enzymes in the structure of the bacterial biofilm. Chronic damage the hybrid layer is also a result of hydrolysis and leaching of adhesive monomers which infiltrated the demineralised dentin matrix. Nanoleakage is also among the factors contributing to degradation. Many studies examine the effect of endogenous proteases on the degradation of the hybrid layer. Endogenous collagenolytic enzymes: metalloproteinases (MMPs) and cysteine cathepsins, are responsible for the degradation of the collagen matrix in the hybrid layer. Inhibition of endogenous proteases is therefore necessary to slow the degradation of fillings. The enzyme activity in dentine and in the hybrid layer can be regulated by endo- and exogenous inhibitors.
The paper is a review of the available literature published in the PubMed medical database, as well as in Polish dental journals in the years 2002-2017. Its aim is to assess the role of metalloproteinases and cysteine cathepsins in the degradation of the hybrid layer and to review the compounds with inhibitory properties in relation to these enzyme groups.
Wykonanie rekonstrukcji twardych tkanek zęba o długim okresie klinicznego użytkowania jest miarą sukcesu w stomatologii odtwórczej. W chwili obecnej największą uwagę przykłada się do powierzchni adhezyjnej łączącej tkanki zęba z wypełnieniem. Obserwuje się bowiem stopniową degradację tej strefy w miarę funkcjonowania odbudowy. Odsłonięcie kolagenu na skutek wytrawiania zębiny lub aplikacji samotrawiących primerów usuwa bądź modyfikuje mineralną fazę zębiny. Odsłonięta macierz jest impregnowana następnie monomerami adhezyjnymi, co prowadzi do powstania warstwy hybrydowej. Stabilność polimerów żywicy i odsłoniętego kolagenu jest kluczowa dla trwałości połączenia zębiny i materiału łączącego. Degradacja obu tych części osłabia adhezję i prowadzi do powstania mikro-szczeliny pomiędzy zębem a materiałem wypełnieniowym, która może ulec penetracji przez florę bakteryjną (1).
Czynniki osłabiające siłę wiązania związane są m.in. z obecnością bakterii i ich enzymów w strukturze biofilmu bakteryjnego. Udowodniono, że Streptococcus mutans posiada zdolność uwalniania specyficznych enzymów – esteraz, które przyczyniają się do degradacji żywic z materiałów złożonych i systemów łączących (2).
Chroniczne uszkadzanie warstwy hybrydowej zachodzi również w wyniku hydrolizy i wypłukiwania monomerów adhezyjnych, które infiltrowały zdemineralizowaną matrycę zębiny. Wypłukiwanie ułatwia sorpcja wody i jej penetracja przez strefę luźnych włókien kolagenowych lub hydrofilnych domen systemów wiążących. Mechaniczne zużycie wypełnienia może dalej przyspieszać degradację tego połączenia poprzez starcie jego powierzchni i zwiększenie pola penetracji enzymów i wody. Degradacja hydrolityczna jest uważana za główną przyczynę uszkodzenia warstwy hybrydowej, prowadzącą do redukcji siły wiązania w czasie (3).
Za kolejny czynnik sprzyjający degradacji warstwy hybrydowej uważa się nanoprzeciek – przenikanie małych jonów i cząsteczek do warstwy hybrydowej przy widocznym braku stref jej uszkodzenia. Nanoprzeciek powstaje na skutek zaburzonego balansu pomiędzy tempem demineralizacji zębiny a poziomem jej infiltracji systemami wiążącymi. Zjawisko to obserwuje się zarówno w przypadku systemów, w których tkanki są trawione w trakcie odrębnej procedury, jak i przy stosowaniu systemów samotrawiących. Oba warianty nie zapewniają wystarczającego wysycenia sieci kolagenowej i powodują powstanie warstwy hybrydowej o niejednorodnej, zróżnicowanej grubości (4).
Brak wysycenia sieci kolagenowej systemem wiążącym sprzyja powstawaniu zjawiska degradacji włókien kolagenowych. Włókna, które nie zostały zinfiltrowane, ulegają zniszczeniu na skutek utraty żywicy z przestrzeni między włóknami i ich dezorganizacji. Stopień degradacji może różnić się w zależności od stosowanego systemu wiążącego (3).
Coraz więcej badań analizuje wpływ endogennych proteaz na degradację warstwy hybrydowej. Doniesienia te mają istotne implikacje kliniczne. W proces degradacji zaangażowane są endogenne metaloproteinazy, m.in. MMP-9. Uzyskanie hydrolitycznej aktywności MMPs wymaga obecności wody. W wilgotnych warunkach MMPs hydrolizują wiązania peptydowe, co powoduje degradację połączenia zębiny z żywicą (5-8).
Pashley i wsp. (9) badali działanie enzymów proteolitycznych na zdemineralizowaną zębinę przechowywaną w wodzie, sztucznej ślinie i oleju oraz ocenili rolę inhibitorów enzymów proteolitycznych w ochronie zdemineralizowanego kolagenu matrycy. Uzyskane wyniki sugerują, że degradacja hydrolityczna włókien kolagenowych występuje przy absencji bakterii. Zdaniem autorów, metaloproteinazy ze zmineralizowanej matrycy zębiny mogą ulec aktywacji w trakcie wytrawiania bądź uzdatniania zębiny i są prawdopodobnie odpowiedzialne za degradację warstwy hybrydowej w środowisku wodnym.
Po potwierdzeniu obecności i działania endogennych metaloproteinaz w zębinie, dokonano oceny aktywności tych enzymów w strefie warstwy hybrydowej (10). Udowodniono, że wewnątrz warstwy hybrydowej występują aktywne enzymy proteolityczne. Ich aktywność rejestrowana była w strefie dna warstwy hybrydowej, co koreluje z obecnością pól zdemineralizowanego, ale nieprzesyconego systemem wiążącym kolagenu. Interesujące wydaje się to, że obszary odsłoniętego kolagenu spotykane były w rejonie występowania nanoporów w warstwie hybrydowej i stanowiły podłoże jej postępujących w czasie uszkodzeń.
Udowodniono, że w zębinie traktowanej zarówno izolowanym wytrawiaczem, jak i systemami samotrawiącymi dochodzi do sekrecji enzymów MMP-2 i MMP-9. Działanie tych metaloproteinaz może być intensyfikowane na skutek utraty inhibicyjnych zdolności cząsteczek TIMP – głównych naturalnych inhibitorów MMPs obecnych w tkankach zęba. Te endogenne związki łącząc się z cząsteczkami metaloproteinaz, hamują ich aktywność, a zachowanie równowagi między nimi i MMPs jest kluczowe dla zapewnienia stabilności zdrowych tkanek zęba (10, 11). TIMPs kontrolują metaloproteinazy na dwa sposoby – przez hamowanie etapu przemiany proenzymu w enzym oraz przez hamowanie aktywności MMPs.
Dotychczas poznano cztery rodzaje TIMPs (TIMP-1, -2, -3, -4), które posiadają zdolność tworzenia kompleksów enzym-inhibitor. TIMPs zbudowane są z dwóch podjednostek: N-końcowej i C-końcowej. Wszystkie inhibitory TIMP hamują metaloproteinazy. W warunkach fizjologicznych, przy niskich stężeniach MMPs, z reguły nieaktywnych, układ MMP-TIMP działa niezawodnie i bierze udział w modelowaniu tkanek. W stanach patologicznych tkankowe inhibitory nie są w stanie zahamować aktywności podwyższonego miana czynnych MMPs (6, 12, 13).
Powyżej zamieściliśmy fragment artykułu, do którego możesz uzyskać pełny dostęp.
Mam kod dostępu
- Aby uzyskać płatny dostęp do pełnej treści powyższego artykułu albo wszystkich artykułów (w zależności od wybranej opcji), należy wprowadzić kod.
- Wprowadzając kod, akceptują Państwo treść Regulaminu oraz potwierdzają zapoznanie się z nim.
- Aby kupić kod proszę skorzystać z jednej z poniższych opcji.
Opcja #1
24 zł
Wybieram
- dostęp do tego artykułu
- dostęp na 7 dni
uzyskany kod musi być wprowadzony na stronie artykułu, do którego został wykupiony
Opcja #2
59 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 30 dni
- najpopularniejsza opcja
Opcja #3
119 zł
Wybieram
- dostęp do tego i pozostałych ponad 7000 artykułów
- dostęp na 90 dni
- oszczędzasz 28 zł
Piśmiennictwo
1. Breschi L, Martin P, Mazzoni A et al.: Use of specific MMP-inhibitor (galardin) for preservation of hybrid layer. Dent Mat 2010; 26: 571-578.
2. Bourbia M, Ma D, Cvitkovitch DG et al.: Cariogenic bacteria degrade dental resin composites and adhesives. J Dent Res 2013; 92: 989-994.
3. Frassetto A, Breschi L, Turco G et al.: Mechanisms of degradation of the hybrid layer in adhesive dentistry and therapeutic agents to improve bond durability – a literature review. Dent Mat 2016; 32: e41-e53.
4. Breschi L, Prati C, Gobbi P et al.: Immunohistochemical analysis of collagen fibrils within the hybrid layer: a FEISEM study. Oper Dent 2009; 29: 538-546.
5. Visse R, Nagase H: Matrix metalloproteinases and tissue inhibitors of metalloproteinases: structure, function, and biochemistry. Circ Res 2003; 92: 827-839.
6. Chaussain-Miller C, Fioretti F, Goldberg M, Menashi S: The role of matrix metalloproteinases (MMPs) in human caries. J Dent Res 2006; 85(1): 22-32.
7. Hebling J, Pashley DH, Tjäderhane L, Tay FR: Chlorhexidine arrests subclinical degradation of dentin hybrid layers in vivo. J Dent Res 2005; 84(8): 741-746.
8. van Strijp AJ, Jansen DC, DeGroot J et al.: Host-derived proteinases and degradation of dentine collagen in situ. Caries Res 2003; 37: 58-65.
9. Pashley DH, Tay FR, Yiu C et al.: Collagen degradation by host derived enzymes during aging. J Dent Res 2004; 83: 216-221.
10. Mazzoni A, Nascimento FD, Carrilho M et al.: MMP activity in the hybrid layer detected with in situ zymography. J Dent Res 2012; 91: 467-472.
11. Mazzoni A, Tjäderhane L, Checchi V et al.: Role of dentin MMPs in caries progression and bond stability. J Dent Res 2015; 94(2): 241-251.
12. Niu LN, Zhang L, Jiao K et al.: Localization of MMP-2, MMP-9, TIMP-1 and TIMP-2 in human coronal dentine. J Dent 2011; 39: 536-542.
13. Lipka D, Boratyński J: Metaloproteinazy MMP. Struktura i funkcja. Postępy Hig Med Dosw 2008; 62: 328-336.
14. Baker AH, Edwards DR, Murphy G: Metalloproteinase inhibitors: biological actions and therapeutic opportunities. J Cell Sci 2002; 115: 3719-3727.
15. Tersariol IL, Geraldeli S, Minciotti CL et al.: Cysteine cathepsins in human carious dentin-pulp complex. J Endod 2010; 36: 475-481.
16. Nascimento FD, Minciotti CL, Geraldel S et al.: Cysteine cathepsins in human carious dentin. J Dent Res 2011; 90(4): 506-511.
17. Zduniak A, Mielczarek A: Rola endogennych metaloproteinaz (MMPs) w przebiegu procesu próchnicowego. Stom Wsp 2017; 24(1): 49-53.
18. Tjäderhane L, Nacimento FD, Breschi L et al.: Strategies to prevent hydrolytic degradation of hybrid layer – a review. Dent Mat 2013; 29: 999-1011.
19. Zhou J, Tan J, Xang X et al.: MMP-inhibitory effect of chlorhexidine applied in a self-etching adhesive. J Adhes Dent 2011; 13: 111-115.
20. Pallan S, Furtado Arujo MV, Cilli R, Prakki A: Mechanical properties and characteristic of developmental copolymers incorporating catechin or chlorhexidine. Dent Mater 2009; 25: 1269-1274.
21. Cadenaro M, Pashley DH, Marchesi G et al.: Influence of chlorhexidine on the degree of conversion and E-modulus of experimental adhesive blends. Dent Mater 2009; 25: 1269-1274.
22. Almahdy A, Koller G, Sauro S: Effects of MMPs inhibitors incorporated within dental adhesives. J Dent Res 2012; 91: 605-611.
23. Carrilho MR, Carvahlo RM, de Goes MF et al.: Chlorhexidine preserves dentin bond in vitro. J Dent Res 2007; 86: 90-94.
24. Gu LS, Kim YK, Takahashi K et al.: Immobilization of a phosphonated analog of matrix phosphoproteins within cross-linked collagen as a templating mechanism of biomimetic mineralization. Acta Biomater 2011; 7: 268-277.
25. Tezvergil-Mutluay A, Agee K, Uchiyama T et al.: The inhibitory effects of quaternary ammonium methacrylates on soluble and matrix-bounds MMPs. J Dent Res 2011; 90: 535-540.
26. Pashley DH, Tay FR, Imazato S: How to increase the durability of resin-dentin bonds. Compend Contin Educ Dent 2011; 32: 60-64.
27. Tezvergil-Mutluay A, Agee KA, Mazzoni A, Carvalho RM: Can quaternary ammonium methacrylates inhibit matrix MMPs and cathepsines? Dent Mater 2015; 31: 25-32.
28. Jiao Y, Niu L, Ma S, Li J: Quaternary ammonium-based biomedical materials: State-of-the-art, toxicological aspects and antimicrobial resistance. Progr Polym Sci 2017. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2017.03.001.
29. Niu L, Zhang W, Pashley DH et al:. Biomimetic remineralization of dentin. Dent Mater 2014; 30: 77-96.
30. Kim YK, Mai S, Mazzoni A et al.: Biomimetic remineralization as a progressive dehydration mechanism of collagen matrices-implications in the aging of resin dentin bonds. Acta Biomat 2010; 6: 3729-3739.
