Biokompatibilität subperiostaler Zahnimplantate: Einfluss unterschiedlicher Titanoberflächenbehandlungen auf die Expression extrazellulärer Matrixgene in gingivalen Fibroblasten

Marco Roy, Alessandro Corti, Silvia Dominici, Alfonso Pompella, Mauro Cerea, Elisa Chelucci, Barbara Dorocka-Bobkowska, Simona Daniele.

Full text link: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36826858/

Biokompatibilität subperiostaler Zahnimplantate: Einfluss unterschiedlicher Titanoberflächenbehandlungen auf die Expression extrazellulärer Matrixgene in gingivalen Fibroblasten

1. Wissenschaftliche Referenz

• Titel der Studie: Biocompatibility of Subperiosteal Dental Implants: Effects of Differently Treated Titanium Surfaces on the Expression of ECM-Related Genes in Gingival Fibroblasts
• Autoren: Marco Roy, Alessandro Corti, Silvia Dominici, Alfonso Pompella, Mauro Cerea, Elisa Chelucci, Barbara Dorocka-Bobkowska, Simona Daniele.
• Fachzeitschrift: Journal of Functional Biomaterials
• Erscheinungsjahr:
• DOI:3390/jfb14020059.

2. Wissenschaftlicher Hintergrund

Die digitale Implantologie und moderne additive Fertigungsverfahren haben das Interesse an subperiostalen Zahnimplantaten in den vergangenen Jahren deutlich neu belebt. Insbesondere Patienten mit ausgeprägter Oberkieferatrophie, bei denen konventionelle enossale Implantate nur eingeschränkt oder gar nicht eingesetzt werden können, profitieren potenziell von patientenspezifischen Implantatkonzepten, die mittels selektivem Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) hergestellt werden.

Im Gegensatz zu klassischen enossalen Implantaten stehen subperiostale Implantate sowohl mit dem Knochen als auch mit den umgebenden Weichgeweben in engem Kontakt. Daher hängt ihr biologischer Langzeiterfolg nicht ausschließlich von der Osseointegration ab, sondern ebenso von einer stabilen Weichgewebeintegration. Gingivale Fibroblasten übernehmen hierbei eine zentrale Funktion, da sie an der Bildung der extrazellulären Matrix, der Wundheilung und der Ausbildung einer belastbaren periimplantären Bindegewebsbarriere beteiligt sind. Obwohl zahlreiche Oberflächenmodifikationen für Titan entwickelt wurden, liegen bislang nur begrenzte Daten über deren spezifischen Einfluss auf Fibroblasten im Zusammenhang mit subperiostalen Implantaten vor. Diese Studie untersucht genau diese Fragestellung.

3. Ziel der Studie

Ziel dieser Untersuchung war es zu analysieren, ob unterschiedliche Titanoberflächenbehandlungen die biologische Reaktion humaner gingivaler Fibroblasten beeinflussen. Untersucht wurden Zellvitalität, Proliferation, Migration, Entzündungsreaktion sowie die Expression verschiedener Gene, die für Zelladhäsion und Organisation der extrazellulären Matrix von Bedeutung sind. Dadurch sollte festgestellt werden, welche Oberflächenbehandlung die günstigsten Voraussetzungen für die Integration periimplantärer Weichgewebe schaffen könnte.

4. Methodik

Die Arbeit wurde als experimentelle In-vitro-Studie durchgeführt. Hierzu verwendeten die Autoren eine immortalisierte humane gingivale Fibroblasten-Zelllinie (CRL-4061), die auf fünf unterschiedlich behandelten Titanoberflächen kultiviert wurde. Untersucht wurden eine unbearbeitete maschinell gefertigte Oberfläche (Ti-1), eine elektropolierte Oberfläche (Ti-2), eine sandgestrahlte und säuregeätzte Oberfläche (Ti-3), die proprietäre AlTiColor™-Oberfläche (Ti-4) sowie eine anodisierte Titanoberfläche (Ti-5).

Bewertet wurden mehrere biologische Parameter. Neben der Zellvitalität und Zellproliferation analysierten die Autoren die Morphologie der Fibroblasten, die Expression extrazellulärer Matrixgene mittels RT-PCR, die Konzentration verschiedener Adhäsionsproteine durch ELISA, die Freisetzung von Endothelin-1 als Entzündungsmarker sowie die Zellmigration anhand von Scratch-Assays. Sämtliche Versuchsbedingungen wurden mehrfach reproduziert, um die Aussagekraft der Ergebnisse zu erhöhen.

5. Wichtigste Ergebnisse

Die Untersuchungen zeigten zunächst, dass keine der fünf getesteten Titanoberflächen zytotoxische Effekte auf die gingivalen Fibroblasten ausübte. Zellvitalität und Zellproliferation blieben während des gesamten Untersuchungszeitraums auf einem mit der Kontrollgruppe vergleichbaren Niveau. Dies spricht dafür, dass alle untersuchten Oberflächen grundsätzlich eine gute Biokompatibilität gegenüber den verwendeten Fibroblasten aufweisen. Ebenso wurde bei keiner der Oberflächen eine signifikante Veränderung der Endothelin-1-Freisetzung festgestellt, sodass unter den gewählten Versuchsbedingungen keine verstärkte entzündliche Zellreaktion nachweisbar war.

Deutliche Unterschiede zeigten sich dagegen bei biologischen Prozessen, die für die Integration der Weichgewebe von zentraler Bedeutung sind. Sämtliche Titanoberflächen stimulierten in unterschiedlichem Ausmaß die Expression mehrerer Gene, die an Zelladhäsion und Bildung der extrazellulären Matrix beteiligt sind. Dazu gehörten insbesondere Vinculin (VCL), Fibronectin (FN), Kollagen Typ I Alpha-1 (Col1A1) sowie Integrin β1 (ITGB1). Ergänzende Proteinanalysen bestätigten Veränderungen bei Adhäsionsproteinen wie der Focal Adhesion Kinase (FAK) und N-Cadherin, wobei sich die Stärke der Reaktion je nach Oberflächenbehandlung unterschied.

Auch die Scratch-Assays belegten, dass die Fibroblasten auf allen Titanoberflächen proliferieren und migrieren konnten. Allerdings unterschieden sich die Oberflächen hinsichtlich ihrer Fähigkeit, diese zellulären Prozesse zu fördern. Die Autoren ordnen die biologische Leistungsfähigkeit in folgender Reihenfolge ein:

• Ti-3 – sandgestrahlt und säuregeätzt
• Ti-4 – AlTiColor™
• Ti-5 – anodisiert
• Ti-2 – elektropoliert
• Ti-1 – unbearbeitet (maschinell gefertigt)

Nach Auffassung der Autoren bietet die sandgestrahlte und säuregeätzte Titanoberfläche unter den untersuchten Varianten die günstigsten Voraussetzungen für die Förderung jener Fibroblastenfunktionen, die mit einer erfolgreichen Weichgewebeintegration subperiostaler Implantate in Zusammenhang stehen. Diese Schlussfolgerung bezieht sich jedoch ausschließlich auf die Ergebnisse des verwendeten In-vitro-Modells.

6. Klinische Analyse

Die vorliegende Studie lenkt den Fokus auf einen biologischen Aspekt der Implantologie, der im Vergleich zur Osseointegration bislang deutlich weniger untersucht wurde: die Interaktion zwischen Implantatoberflächen und periimplantären Weichgeweben. Gerade bei subperiostalen Implantaten besitzt diese Fragestellung besondere Relevanz, da diese Implantate großflächig unter dem Periost liegen und unmittelbar mit dem Bindegewebe der Gingiva in Kontakt stehen. Die Qualität der Weichgewebeheilung kann daher wesentlich zur langfristigen biologischen Stabilität einer implantatgetragenen Rehabilitation beitragen.

Ein wesentliches Ergebnis der Untersuchung besteht darin, dass alle getesteten Titanoberflächen eine gute Biokompatibilität aufweisen und weder die Zellvitalität beeinträchtigen noch eine verstärkte inflammatorische Antwort auslösen. Gleichzeitig zeigt die Studie, dass die Mikrostruktur der Oberfläche einen messbaren Einfluss auf die Zelladhäsion, Differenzierung und Migration besitzt. Diese biologischen Prozesse gehören zu den frühesten Ereignissen der periimplantären Wundheilung und sind entscheidend für die Ausbildung einer stabilen Weichgewebeanlagerung.

Aus klinischer Sicht könnten diese Erkenntnisse insbesondere für die Entwicklung patientenspezifischer subperiostaler Implantate von Bedeutung sein, die mithilfe digitaler CAD/CAM-Workflows und additiver Fertigung hergestellt werden. Dennoch sollte die Aussagekraft der Ergebnisse nicht überschätzt werden. Die Studie liefert keinen Nachweis, dass eine bestimmte Oberflächenbehandlung die klinische Erfolgsrate, die Implantatüberlebensrate oder die langfristige Stabilität periimplantärer Gewebe verbessert.

Vielmehr handelt es sich um präklinische Daten, die das Verständnis biologischer Mechanismen erweitern und eine Grundlage für zukünftige tierexperimentelle und klinische Untersuchungen schaffen. Erst durch prospektive klinische Studien kann beurteilt werden, ob die beobachteten zellulären Vorteile tatsächlich zu einer verbesserten Weichgewebeheilung und einem langfristigen klinischen Nutzen führen.

7. Klinische Anwendung

Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in erster Linie für die Entwicklung und Optimierung subperiostaler Zahnimplantate relevant, die mittels digitaler Planungs- und Fertigungstechnologien hergestellt werden. Insbesondere bei Patienten mit ausgeprägter Kieferatrophie, für die konventionelle enossale Implantate nur eingeschränkt geeignet sind, könnten geeignete Titanoberflächen dazu beitragen, die biologischen Wechselwirkungen zwischen Implantat und periimplantärem Weichgewebe zu verbessern.

Von besonderem Interesse sind die Daten im Zusammenhang mit CAD/CAM-gestützten Arbeitsabläufen und der additiven Fertigung durch Selective Laser Melting (SLM). In diesem Kontext stellt die Oberflächenbehandlung einen zusätzlichen Faktor dar, der neben der patientenspezifischen Implantatgeometrie die frühe Weichgewebeheilung beeinflussen könnte.

Gleichzeitig erlauben die vorliegenden Ergebnisse keine klinischen Empfehlungen hinsichtlich eines bestimmten Implantatsystems oder chirurgischen Protokolls. Die Studie liefert ausschließlich experimentelle Daten auf zellulärer Ebene und enthält keine Aussagen zu Implantatüberlebensraten, biologischen oder technischen Komplikationen sowie zu klinischen Langzeitergebnissen.

8. Evidenzniveau, Limitationen und Transparenz

Bei der vorliegenden Arbeit handelt es sich um eine experimentelle In-vitro-Studie und damit um präklinische Evidenz. Sie liefert wichtige Erkenntnisse über die biologischen Reaktionen gingivaler Fibroblasten auf unterschiedliche Titanoberflächen, erlaubt jedoch keine unmittelbaren Rückschlüsse auf die klinische Leistungsfähigkeit subperiostaler Implantate beim Menschen.

Die Aussagekraft der Ergebnisse wird durch mehrere Faktoren begrenzt. Die Experimente wurden ausschließlich an einer immortalisierten humanen Fibroblasten-Zelllinie durchgeführt. Komplexe biologische Einflüsse des klinischen Umfelds – darunter Immunreaktionen, bakterielle Besiedlung, vaskuläre Versorgung, mechanische Belastung und individuelle Patientenvariabilität – konnten im Versuchsmodell nicht berücksichtigt werden. Darüber hinaus fehlen tierexperimentelle Untersuchungen sowie klinische Verlaufs- und Langzeitdaten. Aussagen zur Implantatprognose oder zur Langzeitstabilität der periimplantären Gewebe sind daher nicht möglich.

Hinsichtlich der Transparenz geben die Autoren an, dass die Titanscheiben von NewAncorvis Srl. zur Verfügung gestellt wurden und die Oberflächenbehandlungen durch Al Ti Color Srl. durchgeführt wurden. In den bereitgestellten Informationen findet sich jedoch keine ausdrückliche Erklärung zu Interessenkonflikten, die diese Unternehmen betrifft.

9. Kernaussagen der Studie

• Studientyp: Experimentelle In-vitro-Studie.
• Evidenzniveau: Präklinische Laborstudie.
• Untersuchungspopulation: Immortalisierte humane gingivale Fibroblasten (CRL-4061).
• Patientenzahl: Nicht zutreffend.
• Anzahl der Implantate: Nicht zutreffend.
• Beobachtungszeitraum: Untersuchungen bis zu 72 Stunden Zellkultur.
• Primärer Endpunkt: Einfluss von fünf Titanoberflächen auf Zellvitalität, Proliferation, Migration, Entzündungsreaktion sowie die Expression extrazellulärer Matrixgene.
• Wichtigstes Ergebnis: Alle getesteten Oberflächen zeigten eine gute Biokompatibilität; die sandgestrahlte und säuregeätzte Oberfläche (Ti-3) führte zu den günstigsten biologischen Zellreaktionen.
• Wissenschaftliche Schlussfolgerung: Innerhalb der untersuchten Oberflächenbehandlungen zeigte Ti-3 die stärkste Förderung von Fibroblastenfunktionen, die mit der frühen Weichgewebeintegration in Zusammenhang stehen. Diese Aussage gilt ausschließlich für das verwendete In-vitro-Modell.
• Wesentliche Limitationen: Präklinisches Studiendesign, fehlende klinische Validierung sowie keine Langzeit- oder Patientendaten.

10. Wissenschaftliche Bedeutung

Diese Studie erweitert die wissenschaftliche Evidenz zur biologischen Optimierung subperiostaler Zahnimplantate, indem sie den Fokus auf die Interaktion zwischen Titanoberflächen und periimplantären Weichgeweben legt. Während sich ein Großteil der implantologischen Forschung traditionell auf die Osseointegration konzentriert, verdeutlicht diese Arbeit die Bedeutung gingivaler Fibroblasten für die frühe Wundheilung, die Organisation der extrazellulären Matrix und die Ausbildung einer stabilen Bindegewebsverbindung.

Ein wesentlicher wissenschaftlicher Mehrwert besteht im direkten Vergleich von fünf unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen unter identischen experimentellen Bedingungen. Dadurch konnten Unterschiede in der biologischen Zellantwort identifiziert werden, ohne dass sich Hinweise auf eine eingeschränkte Biokompatibilität der untersuchten Titanoberflächen ergaben. Die Ergebnisse liefern damit neue Erkenntnisse darüber, wie die Oberflächenmikrostruktur frühe Zellfunktionen beeinflussen kann, die für die Weichgewebeintegration relevant sind.

Aus wissenschaftlicher Sicht schafft diese Arbeit eine solide Grundlage für weiterführende translational ausgerichtete Forschung. Insbesondere tierexperimentelle Untersuchungen und prospektive klinische Studien sind erforderlich, um zu klären, ob die beobachteten zellulären Effekte tatsächlich zu einer verbesserten periimplantären Gewebeheilung sowie zu einem langfristigen klinischen Nutzen bei subperiostalen Implantaten führen.

11. Redaktionelles Fazit

Diese präklinische Untersuchung zeigt, dass unterschiedliche Titanoberflächen zwar eine vergleichbare Biokompatibilität besitzen, sich jedoch hinsichtlich ihrer Wirkung auf biologische Prozesse der Weichgewebeintegration unterscheiden. Besonders die sandgestrahlte und säuregeätzte Oberfläche förderte Zellfunktionen, die mit Adhäsion, Migration und Organisation der extrazellulären Matrix in Verbindung stehen. Obwohl diese Ergebnisse für die Entwicklung digital gefertigter subperiostaler Implantate von großem wissenschaftlichem Interesse sind, lassen sie sich aufgrund des In-vitro-Charakters der Studie nicht unmittelbar auf den klinischen Alltag übertragen. Weitere klinische Untersuchungen sind erforderlich, um die langfristige therapeutische Relevanz dieser Oberflächenmodifikationen zu bestätigen.