Zahnheilung aus dem Mikrobiom
Karies betrifft weltweit Milliarden Menschen und führt bei fortgeschrittenen Schäden oft zur Wurzelbehandlung. Ein Forschungsteam der Universität Zürich arbeitet nun an einem neuen Zahnzement, der die natürlichen Reparaturmechanismen des Zahns aktivieren soll. Unterstützung erhält Projektleiter Isaac Bugueno durch ein von der Werner Siemens-Stiftung finanziertes MedTech Entrepreneur Fellowship.
Karies gilt als eine der häufigsten Erkrankungen der Welt. Die Weltgesundheitsorganisation WHO schätzt, dass rund 2,5 Milliarden Menschen an einem solchen Infekt leiden, bei dem Zahnsubstanz durch Bakterien und Säuren zerstört wird. In Europa, wo viel Zucker konsumiert wird, leidet praktisch jeder Mensch mindestens einmal im Lauf seines Lebens an einem kariösen Zahn. Werden geschädigte Zähne nicht frühzeitig und richtig behandelt, können immer tiefere Löcher entstehen.
Die Bakterien fressen sich nach und nach durch die verschiedenen Zahnschichten: zuerst durch den Zahnschmelz, dann durch das Dentin – und im schlimmsten Fall bis ins Zahnmark, auch Pulpa genannt, das weiche, lebende Gewebe innerhalb des Zahns. Ist dieses Stadium erreicht, sind die Möglichkeiten der Zahnerhaltung heute beschränkt, selbst wenn die Zahnmarkzellen noch nicht abgestorben sind.
Zwar gibt es unter dem Markennamen «Biodentine» moderne Zementfüllungen, die Kalzium freisetzen und dadurch in begrenztem Mass die Zahnheilung fördern können. Doch Komplikationen sind häufig, das Bakterienwachstum der Karies ist oft schneller als der Heilungsprozess im Zahn. Dann bleibt nur noch eine Wurzelbehandlung: Die Zahnärztin oder der Zahnarzt entfernt das entzündete Zahnmark, nimmt die Nerven heraus und füllt den Zahn mit künstlichem Material. Der Zahn bleibt zwar erhalten, biologisch gesehen ist er jedoch tot.
Zahnzellen zum Nachwachsen anregen
Im obersten Stock des Zentrums für Zahnmedizin der Universität Zürich reift aber eine Technologie heran, die das Potenzial hat, die Kariesbehandlung zu revolutionieren: Sie heisst MutaDent und wird entwickelt von Privatdozent Isaac Bugueno und Postdoktorandin Argyro Lamprou. Sie treiben die wissenschaftliche Entwicklung der Technologie massgeblich voran und haben das Projekt gemeinsam gegründet.
Isaac Bugueno leitet eine Forschungsgruppe am Institut für Orale Biologie der Universität Zürich. Darüber hinaus profitiert das Projekt von wissenschaftlichen Kooperationen sowie Mentoring durch die Klinik für Kaufunktionsstörungen und dentale Materialwissenschaften der Universität Zürich, insbesondere mit Professorin Mutlu Özcan, sowie von der wissenschaftlichen Zusammenarbeit mit Professor Erick Carreira am Departement Chemie und Angewandte Biowissenschaften der ETH Zürich.
Die Idee von MutaDent ist ambitioniert: Statt zerstörtes Gewebe lediglich zu ersetzen, wollen die Forschenden die natürlichen Reparaturmechanismen des Zahns aktivieren. «Wir entwickeln einen neuartigen Zahnfüllzement, der erstmals den geschädigten Zahn physikalisch, chemisch und biologisch unterstützt», sagt Isaac Bugueno. Konkret soll MutaDent die Bildung von spezialisierten Zellen an der Oberfläche der Pulpa anregen. Diese sogenannten Odontoblasten produzieren Dentin, jene harte Substanz, welche den grössten Teil des Zahns ausmacht und unter dem Zahnschmelz liegt.
Bugueno beschreibt das Prinzip von MutaDent mit dem Bild einer Rakete: Die erste Stufe besteht aus einem speziellen Zahnzement, der direkt in die geschädigte Stelle eingebracht wird. Darin eingebettet sind winzige Partikel, deren Herkunft und Aufbau das Team aus patentrechtlichen Gründen noch geheim halten muss. Sie sind so dimensioniert, dass sie tief genug in Richtung Pulpa gelangen können, ohne in Blutgefässe oder Nerven einzudringen. Nach einer gewissen Zeit lösen sie sich auf und setzen winzige biologisch aktive Moleküle frei.
Eine überraschende Entdeckung
In diesen Molekülen liegt der Kern der Innovation. Sie haben die Fähigkeit, dentale Stammzellen in der Pulpa zu stimulieren. Die Stammzellen beginnen daraufhin, neue Odontoblasten zu bilden. Diese wiederum wachsen entlang feinster Kanäle weit in das Dentin hinein und bauen dort neues Zahngewebe auf. «Unser Ziel ist es, die körpereigene Regeneration gezielt zu verstärken, bevor irreversible Schäden entstehen», sagt Argyro Lamprou.
Die Entdeckung des Stammzellen stimulierenden Moleküls sei dem Zufall zu verdanken, erzählt Isaac Bugueno. Mithilfe von Methoden, die vom Team von Erick Carreira entwickelt wurden, lassen sich einzelne Moleküle aus jenen Mikroorganismen isolieren und synthetisieren, die natürlicherweise auf und im Menschen leben. Ursprünglich untersuchte die Forschungsgruppe, ob solche Stoffe toxische Auswirkungen auf Zellen des Zahnmarks haben könnten.
Statt eines Stoffes, der Zahnzellen abtötet, fanden die Forschenden jedoch genau das Gegenteil: «Eines Tages kam eine Doktorandin und sagte, in einer Probe geschehe etwas Seltsames», erzählt Bugueno. «Unter bestimmten Konzentrationen eines Moleküls starben die Zahnmark-Zellen nicht ab, sondern vermehrten sich.»Die Substanz bringt die dentalen Stammzellen dazu, sich zu teilen und neues Gewebe zu bilden.
Noch befindet sich die Technologie in einer frühen Entwicklungsphase. Derzeit arbeiten die Forschenden daran, das Material zu optimieren und die biologischen Mechanismen besser zu verstehen. Dabei müssen zahlreiche Fragen geklärt werden. Welche Effekte gehen vom Zement selbst aus? Wie lässt sich der pH-Wert so einstellen, dass die empfindlichen biologischen Substanzen aktiv bleiben? Und wie können die Wirkstoffe zuverlässig und in richtiger Dosierung freigesetzt werden?
Von Forschung zu Anwendung
Unterstützt wird die Entwicklung durch ein MedTech Entrepreneur Fellowship der Universität Zürich, das Isaac Bugueno erhalten hat. Das von der Werner Siemens-Stiftung finanzierte MedTech Entrepreneur Programm unterstützt junge Forschende beim Transfer von Forschungsergebnissen in marktfähige Produkte und Dienstleistungen. Es umfasst finanzielle Mittel von 150‘000 Schweizer Franken sowie Infrastruktur, Coaching und Unterstützung beim Networking.
«Wir können dank dieser Unterstützung nicht nur die wissenschaftliche Arbeit vorantreiben, sondern auch die wirtschaftliche Grundlage für eine spätere Kommerzialisierung zu schaffen», sagt Isaac Bugueno. Dazu gehören Patentierungen, regulatorische Vorbereitungen und die Planung zukünftiger klinischer Studien. Das Fellowship schafft den Raum, um die Brücke zwischen Grundlagenforschung und Anwendung zu schlagen – ein Schritt, an dem viele vielversprechende Technologien scheitern.
Zahnmodell auf einem Chip
Für ihre Experimente nutzen die Forschenden eine ganze Palette moderner Testsysteme. Dazu gehören echte Zähne, die Patientinnen und Patienten entfernt werden mussten und für Forschungszwecke weiterverwendet werden. Daneben kommen künstliche Modelle zum Einsatz. Besonders komplex sind sogenannte «Dent-on-a-Chip»-Systeme, die Bugueno und Lamprou im Labor der Forschungsgruppe zeigen. Es handelt sich um miniaturisierte Zahnmodelle auf einem Chip, die wichtige Bestandteile eines echten Zahns nachbilden und realitätsnahe Untersuchungen ermöglichen.
Im Labor steht sogar eine rotierende Vorrichtung, die Schwerelosigkeit simuliert. «Wir möchten dereinst auch testen, ob Zahnzellen im Weltraum – unter Ausschluss der Schwerkraft – rascher wachsen könnten», sagt Bugueno. Noch ist das Zukunftsmusik. Doch das Beispiel zeigt, wie breit die Forschenden die Möglichkeiten der Zahnregeneration ausloten.
Einfache Idee, enormes Potenzial
Bis Patientinnen und Patienten tatsächlich von der Technologie profitieren können, dürften noch Jahre vergehen. Zunächst stehen weitere Laborversuche, Tierversuche und später klinische Studien am Menschen an. Doch die Forschenden sehen in ihrem Ansatz grosses Potenzial, ist doch die Kariesbehandlung ein Milliardenmarkt. «Der Hersteller von Biodentine etwa hat angekündigt, bis 2032 einen Umsatz von über einer Milliarde Euro erzielen zu wollen», sagt Bugueno.
Das Schöne an MutaDent, so die beiden Forschenden, sei die Einfachheit der Idee. «Wir setzen bewusst auf einen Zement, der in seiner Handhabung den heute verwendeten Materialien ähnelt, denn Zahnärztinnen und Zahnärzte müssen unser Produkt nahtlos in ihre Behandlungsabläufe integrieren können», erklärt Argyro Lamprou. Ausserdem, ergänzt Isaac Bugueno, «bringen wir in diesen Zahnzement eigentlich nur eine Substanz ein, die einen natürlichen Vorgang im Zahn ankurbelt.»
Sollte der Ansatz funktionieren, könnte er die Behandlung fortgeschrittener Karies grundlegend verändern. Statt Gewebe zu entfernen und durch künstliches Material zu ersetzen, könnte die Zahnmedizin in Zukunft auf die Selbstheilungskräfte des Zahns setzen.
Text: Simon Koechlin
Zürich MedTech-
