Использование воды с микропузырьками для удаления микробной биопленки с ортодонтических конструкций – исследование in vitro (часть 2).

продолжение статьи "Использование воды с микропузырьками для удаления микробной биопленки с ортодонтических конструкций – исследование in vitro (часть 1)".

Эффективность воды с микропузырьками в удалении биопленки S. mutans с фиксированных конструкций

Эффект также наблюдался при удалении биопленки с брекетов, фиксированных к поверхности зуба. Окрашивание на зубной налет отчетливо показало, что объем остаточной биопленки в группе ВМ был значительно ниже, чем в группе ВВ как в случае с немедленным осушением образцов (Рис. 4а), так и после их нахождения в воде в течение 3 минут (Рис. 4б). Остаточный объем биопленки, окрашенной на зубной налет, экстрагированной 70% этанолом, при измерении оптической плотности при 540 нм в группе ВМ был значительно меньше, чем в группе ВВ, как в случае зуба (Рис. 5а-1, б-1), так и в случае брекета (Рис. 5а-2, б-2), как при немедленном высушивании (Рис. 5а-1, а-2 *р<0.05), так и при высушивании после 3 минут нахождения в воде (Рис. 5б-1, б-2, *р<0.05). Между группой, где проводилось немедленное высушивание и группой, где образец оставляли в воде на 3 минуты, не было отмечено значимых различий в результатах.

Рисунок 4. Эффект воды с микропузырьками при удалении биопленки S. mutans с фиксированных конструкций
а: Немедленное осушение
б: Осушение после 3 минут нахождения в воде

Рисунок 5. Эффект воды с микропузырьками при удалении биопленки S. mutans с фиксированных конструкций
а-1: Остаточный объем биопленки на поверхности зуба при немедленном осушении
а-2: Остаточный объем биопленки на поверхности брекета при немедленном осушении
б-1: Остаточный объем биопленки на поверхности зуба при осушении после 3 минут нахождения в воде
б-2: Остаточный объем биопленки на поверхности брекета при осушении после 3 минут нахождения в воде
*: Наблюдались значимые различия, р<0.05.
Вертикальная ось графика показывает остаточное количество микробов в экстрактах, выделенных с помощью 70% этанола, окрашенных красителем на зубной налет, по данным измерения оптической плотности при 540 нм.

Эффективность воды с микропузырьками в удалении биопленки C.albicans с полистирольного планшета, имитирующего съемную конструкцию
Для оценки эффекта воды с микропузырьками использовался 96-луночный микротитровальный планшет. Оценка остаточного объема биопленки C.albicans проводилось с использованием редокс-индикатора и измерения оптической плотности при 540 нм. Оптическая плотность на поверхности 96-луночного планшета была значительно ниже в группе ВМ по сравнению с группой ВВ (Рисунок 6а, **р<0.01). Таким образом, эффективность воды с микропузырьками была значительно выше, чем у водопроводной воды.

Эффективность воды с микропузырьками в удалении биопленки C.albicans со съемной конструкции
Эффект, обнаруженный в эксперименте с полистирольным планшетом, был также подтвержден на примере съемной ортодонтической конструкции. Остаточный объем биопленки C. albicans оценивался с помощью экстрагирования окрашенной на зубной налет биопленки и измерения оптической плотности экстракта при 540 нм. Остаточный объем на съемной ортодонтической конструкции был значительно ниже в группе ВМ, чем в группе ВВ (Рис. 6б **р<0.01).

Рисунок 6. Эффект воды с микропузырьками при удалении биопленки C. albicans.
а: полистирольный планшет
Вертикальная ось графика показывает остаточное количество микробов, оцениваемое с помощью редокс-индикатора и оптической плотности при 540 нм.

б: съемная конструкция
Вертикальная ось графика показывает остаточное количество микробов в экстрактах, выделенных с помощью 70% этанола, окрашенных красителем на зубной налет, по данным измерения оптической плотности при 540 нм.

Обсуждение
Хотя обычные пузырьки быстро поднимаются к поверхности воды и лопаются, микропузырьки имеют очень маленькие размеры и двигаются к поверхности довольно медленно. В процессе этого движения они уменьшаются в размерах и исчезают совсем [11]. Это уникальное свойство называется коллапсом и обусловлено низкой подъемной силой и давлением, обусловленным поверхностным натяжением. Вследствие этого в воде формируются свободные радикалы, таким образом, данный эффект можно использовать в разных сферах как для очищения, так и для стерилизации воды [12-18]. Размер микропузырьков обычно составляет 10 мкм. Однако в данном исследовании их размер составлял менее 1 мкм в диаметре, так что такие пузырьки можно назвать «нанопузырьками» [21].
Для создания биопленки на ортодонтических конструкциях в данном исследовании использовались S. mutans и C. albicans. S. mutans является типичной кариесогенной бактерией, прикрепляющейся к фиксированным ортодонтическим конструкциям,[4] благодаря продукции на поверхности нерастворимого глюкана. C. albicans является оппортунистическим патогеном, вызывающим кандидоз полости рта и легко фиксирующимся на съемных зубопротезных [22] и ортодонтических конструкциях [5,23].
Вода с микропузырьками оказывала значимый эффект при удалении биопленки, сформированной S. mutans на металлических и пластиковых брекетах (эксперимент I). Более того, эффект наблюдался как на брекетах, так и на поверхности зуба (эксперимент II). Остаточный объем биопленки S. mutans на брекетах, фиксированных к зубу, был значительно ниже в группе ВМ, чем в группе ВВ. В предыдущих исследованиях также было показано, что микропузырьки обладают высокой эффективностью в удалении S. oralis со стеклянной поверхности [19-20]. Таким образом, вода с микропузырьками потенциально может предотвращать появление кариеса у ортодонтических пациентов.
Биопленку, сформированную C. albicans, также удавалось удалить не только с полистирольных планшетов, но и со съемных ортодонтических конструкций. C. albicans является типичным оппортунистическим патогеном, [22] быстро размножающимся в полости рта при установке протезов [23] или съемных ортодонтических конструкций [5]. 96-луночный микротитровальный планшет использовался для имитации съемных ортодонтических конструкций, и по результатам эксперимента было обнаружено, что эффект воды с микропузырьками был значительно выше, чем водопроводной воды (Рис. 6а **р<0.01). Эффект также оценивался на съемной конструкции для имитации реальных клинических ситуаций. Хотя конструкция имеет сложную форму, а биопленка состояла из C. albicans, вода с микропузырьками также оказалась значительно эффективней в удалении биопленки, чем водопроводная вода (Рис. 6б **р<0.01). Результаты эксперимента указывают на то, что вода с микропузырьками потенциально способна удалять биопленки, сформированные C. albicans.
Точный механизм отделения биопленки не установлен. Удаление биопленки с брекетов с помощью воды с микропузырьками, возможно, определяется скоростью межфазной поверхности, возникающей на границе газа и воды [20]. Вода с микропузырьками активирует гидродинамическую сдвигающую силу и силу поверхностного натяжения, вызывающие отделение биопленки от ортодонтического брекета.
Кроме того, граница между водой и газом в микропузырьке имеет отрицательный заряд вследствие избытка ионов ОН- по сравнению с ионами ОН+,10 и эта несбалансированность заряда также может влиять на бактериальную абсорбцию, способствуя отделению биопленки.
Вода с микропузырьками, использованная в данном исследовании, производилась из обычной воды. Она безопасна и не вызывает повреждений живых тканей. Следовательно, ее легко можно применять при чистке зубов и для полоскании полости рта после чистки. В ортодонтии использование воды с микропузырьками облегчает удаление биопленки с труднодоступных поверхностей фиксированных конструкций и зубов и, следовательно, может способствовать снижению риска возникновения кариеса и заболеваний пародонта. Она также может быть полезна для удаления биопленки со съемных конструкций в комбинации с ультразвуковой ванной. Кроме того, полоскание рта водой с микропузырьками может быть эффективным для очистки полости рта до и после операций, проводимых в челюстно-лицевой области.
Необходимо проведение дальнейших исследований для подтверждения обнаруженных эффектов в клинике.

Заключение
В данном исследовании изучалось действие воды с микропузырьками на биопленки, образованные кариесогенной бактерией S. mutans, и оппортунистическим патогеном C. albicans. Была продемонстрирована выраженная способность воды с микропузырьками к удалению биопленки с ортодонтических конструкций. Результаты этого исследования позволяют предположить, что воду с микропузырьками можно потенциально использовать для удаления биопленки с ортодонтических конструкций в полости рта пациента.

Благодарности
Генератор микропузырьков был предоставлен Shinwa Co., Ltd., Токио, Япония.

Оригинальная статья (Effect of microbubbled water on the removal of a biofilm attached to orthodontic appliances — An in vitro study — Mio Mukumoto, Tomoko Ohsima, Miwa Ozaki, Hirokazu Konishi, Nobuko Maeda и Yoshiki Nakamura) опубликована на сайте https://www.jstage.jst.go.jp.

Литература
1) Bloom RH, Brown LR Jr. A study of the effects of orthodontic appliances on the oral microbial flora. Oral Surg Oral Med Oral Pathol 1964; 17: 658-667.
2) Alexander SA. Effects of orthodontic attachments on the gingival health of permanent second molars. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1991; 100: 337-340.
3) Huser MC, Baehni PC, Lang R. Effects of orthodontic bands on microbiologic and clinical parameters. Am J Orthod Dentofacial Orthop 1990; 97: 213-218.
4) Al Mulla AH, Kharsa SA, Kjellberg H, Birkhed D. Caries risk profiles in orthodontic patients at follow-up using Cariogram. Angle Orthod 2009; 79: 323-330.
5) Hibino K, Wong RW, Hägg U, Samaranayake LP. The effects of orthodontic appliances on Candida in the human mouth. Int J Paediatr Dent 2009; 19: 301-308.
6) Pucher JJ, Lamendola-Sitenga K, Ferguson D, Van Swoll R. The effectiveness of an ionic toothbrush in the removal of dental plaque and reduction on gingivitis in orthodontic patients. J West Soc Periodontol Periodontal Abstr 1999; 47:101-107.
7) Attarzadeh F. Water irrigating devices for the orthodontic patient. Int J Orthod 1990; 28: 17-22.
8) Hussein AE, Acar A, Dogan AA, Kadir T, Caldemir S, Erbverdi N. Investigation of bacteremia after toothbrushing in orthodontic patients. Korean J Orthod 2009; 39: 177-184.
9) Takahashi M, Kawamura T, Yamamoto Y, Ohnari H, Himuro S, Shakutsui H. Effect of shrinking microbubble on gas hydrate formation. J Phys chem B 2003; 107: 2171-2173.
10) Takahashi M. Potential of microbubbles in aqueous solutions: electrical properties of the gas-water interface. J Phys Chem B 2005; 109: 21858-21864.
11) Takahashi M, Chiba K, Li P. Free-radical generation from collapsing microbubbles in the absence of a dynamic stimulus. J Phys chem B 2007; 111: 1343-1347.
12) Burns SE, Yiacoumi S, Tsouris C. Microbubble generation for environmental and industrial separations. Sep Purif Technol 1997; 11: 221-232.
13) Kodama Y, Kakugawa A, Takahashi T, Kawashima H. Experimental study on microbubbles and their applicability to ships for skin friction reduction. Int J Heat Fluid Flow 2000; 21: 582-588.
14) Takeuchi S, Sato T, Kawashima N. Nonlinear response of microbubbles coated with surfactant membrane developed as ultrasound contrast agent-experimental study and numerical calculations. Colloid Surf B 2002; 24: 207-216.
15) Agarwal A, Ng WJ, Liu Y. Principle and applications of microbubble and nanobubble technology for water treatment. Chemosphere 2011; 84: 1175-1180.
16) Lindner JR, Song J, Xu F, Klibanov AL, Singbartl K, Ley K, Kaul S. Noninvasive ultrasound imaging of inflammation using microbubbles targeted to activated leukocytes. Circulation 2000; 102: 2745-2750.
17) Teupe C, Richter S, Fisslthaler B, Randriamboavonjy V, Ihling C, Fleming I, Busse R, Zeiher AM, Dimmeler S. Vascular gene transfer of phosphomimetic endothelial nitric oxide synthase
(S1177D) using ultrasound-enhanced destruction of plasmidloaded microbubbles improves vasoreactivity. Circulation 2002; 105: 1104-1109.
18) Tsutsui JM, Xie F, Porter RT. The use of microbubbles to target drug delivery. Cardiovasc Ultrasound 2004; 2: 23.
19) Sharma PK, Gibcus MJ, van der Mei HC, Busscher HJ. Microbubble-induced detachment of coadhering oral bacteria from salivary pellicles. Eur J Oral Sci 2005; 113: 326-332.
20) Sharma PK, Gibcus MJ, van der Mei HC, Busscher HJ. Influence of fluid shear and microbubbles on bacterial detachment from a surface. Appl Environ Microbiol 2005; 71:3668-3673.
21) O’Connell PA, McKenna GB. A novel nano-bubble inflation method for determining the viscoelastic properties of ultrathin polymer films. Scanning 2008; 30: 184-196.
22) Wang J, Ohshima T, Yasunari U, Namikoshi S, Yoshihara A, Miyazaki H, Maeda N. The carriage of Candida species on the dorsal surface of the tongue: the correlation with the dental, periodontal and prosthetic status in elderly subjects. Gerodontology 2006; 23: 157-163.
23) Samaranayake LP, MacFarlane TW. An in-vitro study of the adherence of Candida albicans to acrylic surfaces. Arch Oral Biol 1980; 25: 603-609.