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Während der Schmelzbildung entsteht nur in geringem Ausmaß reiner Hydroxylapatit, dessen stöchiometrische Zusammensetzung Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ ist. Vielmehr ist die Zahnhartsubstanz kalziumdefizient, sodass für das Mineral von Schmelz und Dentin der Ausdruck „substituierter, karbonierter Apatit“ zutreffender ist. Dieses Mineral ist verwandt mit Hydroxylapatit, gleichzeitig jedoch wesentlich säurelöslicher. Daher sind lokal applizierte Fluoride ein unverzichtbarer Bestandteil der präventionsorientierten Zahnheilkunde.

Der Durchmesser der Schmelzkristalle beträgt etwa 40 nm, die Apatitkristalle verlaufen in Schmelzprismen (4 bis 5 μm) gebündelt annähernd senkrecht zur Zahnoberfläche. Kleine Spalten und Poren zwischen den Kristallen sind mit Proteinen, Lipiden und Wasser aufgefüllt und erlauben aus diesem Grunde die Passage kleinerer Moleküle (Milchsäure) und Ionen (H+ und Ca²⁺). Ausgereifter Schmelz enthält etwa 3 Vol.-% Proteine und Lipide und etwa 12 Vol.-% Wasser, sodass etwa 15 Vol.-% für Diffusionsvorgänge zur Verfügung stehen. Im Verlaufe von Demineralisationsvorgängen werden Mineralien (Phosphate und Kalzium) aus der Zahnhartsubstanz herausgelöst, so dass die demineralisierte Zahnhartsubstanz immer poröser wird.

Fehlende Kalziumionen im menschlichen Schmelz werden natürlicherweise durch Natrium, Magnesium, Zink usw. ersetzt. Darüber hinaus enthält dieses Mineral zwischen 3 und 6 Gew.-% Karbonat, das häufig die Phosphationen ersetzt. Schmelz, Dentin und Knochen können durch die vereinfachte Formel

Ca_10-x(Na)_x(PO₄)_6-y(CO₃)_z(OH)_2-u(F)_u

wiedergegeben werden. Karbonationen werden während der Hartsubstanzbildung in die Mineralsubstanz eingebaut und sind hauptverantwortlich für die irreguläre Kristallstruktur. Während der Demineralisation werden vorzugsweise diese Karbonationen aus dem Mineralverbund herausgelöst; im Falle einer Remineralisation werden diese Karbonationen jedoch nicht wieder eingebaut.

Beeinflussung der Demineralisation durch Fluoride

Fest eingebautes Fluorid
Abhängig von der Fluoridaufnahme während der Zahnentwicklung beträgt der Fluoridgehalt von gesundem, menschlichem Schmelz etwa 20 bis 100ppm Fluorid, wobei Zähne, die sich in Gegenden mit natürlicherweise hohem Fluoridgehalt des Trinkwassers entwickeln, entsprechend höhere Fluoridmengen aufweisen. Die äußersten wenigen Mikrometer des Schmelzes können Fluoridmengen von 1.000 bis 2.000ppm enthalten. Verschiedene Untersuchungen konnten zeigen, dass in Lösung befindliches Fluorid, das den karbonierten Apatit umgibt, hinsichtlich einer Demineralisation wesentlich effektiver ist als Fluoride, die in die Kristallstruktur eingebaut sind. So konnte in Demineralisationsversuchen nachgewiesen werden, dass zwischen synthetisch karboniertem Apatit (3 Gew.-% Karbonat, vergleichbar mit humanem Zahnschmelz) und Zahnschmelz mit einem Fluoridgehalt von 1.000ppm kein Unterschied besteht. Diese Beobachtung ist insofern wichtig, als hierdurch nachvollziehbar wird, dass der Einbau von 20 bis 100ppm Fluorid in die Zahnhartsubstanz offensichtlich nicht zu einer bedeutsamen Veränderung der Löslichkeit führt. Selbst bei höheren Mengen fest eingebauten Fluorids (1.000ppm) ergibt sich keine merkliche Säureresistenz. Erst wenn Fluoride während der Remineralisation in eine neue Kristalloberfläche eingebaut werden, ergibt sich daraus eine veränderte Säurelöslichkeit.

In Lösung befindliches Fluorid
Bei Anwesenheit von geringen Fluoridkonzentrationen (in Speichel oder Plaqueflüssigkeit) kann Hydroxylapatit unterhalb des kritischen pH-Wertes von 5,7 aufgelöst werden. Die freigesetzten mineralischen Bestandteile können jedoch als Fluorapatit oder als gemischtes Fluorhydroxyapatit repräzipitieren. Dieser Mechanismus verhindert den Verlust mineralischer Bestandteile und liefert gleichzeitig einen Schutz für die Kristallitstruktur, indem fluoridreiche äußere Schichten auf die Apatitkristallite aufgelagert werden.

In Laborversuchen konnte gezeigt werden, dass die geringe Menge von 1ppm Fluorid in einer Demineralisationslösung die Lösungsrate von karboniertem Apatit auf ein dem reinen Hydroxylapatit vergleichbares Maß reduzierte. Die weitere Erhöhung der Fluoridkonzentration in der Säurelösung führte bei Kontakt zu karboniertem Apatitzu einer logarithmisch erniedrigten Löslichkeitsrate. Diese Beobachtungen zeigen, dass die Anwesenheit von Fluoriden in der die Kristallite umgebenden Lösung zu einer starken Adsorption auf der Oberfläche von karboniertem Apatit führt, sodass die Kristalloberfläche wirksam gegen einen Säureangriff geschützt ist. Auf die klinische Situation übertragen bedeutet dies, dass die Anwesenheit von Fluoriden die Kristallitoberfläche ausreichend stark gegen eine begrenzte Menge der von Bakterien gebildeten Säuren schützen kann. Der Anwesenheitvon geringen Mengen gelösten Fluorids ist daher eine wesentlich größere Bedeutung beizumessen als den Fluoridmengen, die während der Zahnentwicklung in die Zahnhartsubstanzen bzw. in den Apatit eingebaut werden.

Dies wurde in verschiedenen In-situ-Studien bestätigt, bei denen Haifischschmelz, der fast ausschließlich aus Fluorapatit besteht (30.000 ppm F^-), nach vierwöchiger Tragedauer in der Mundhöhle (unter kariogenen Bedingungen) ebenso wie humaner Schmelz (substituierter Hydroxylapatit) eine initiale Karies aufwies. Diese Demineralisation war bei Haifischschmelz zwar deutlich geringer als bei humanem Schmelz; gleichzeitig konnte jedoch auch gezeigt werden, dass humaner Schmelz bei täglicher Anwendung einer Fluoridspüllösung deutlich geringe Läsionstiefen als Haifischschmelz aufwies. Dieser direkte Vergleich von fest gebundenem und löslichem Fluorid belegt eindeutig die hinsichtlich der Kariesprävention herausragende Rolle des in Lösung befindlichen Fluorids.

Bedeutung des Kalziumfluorids
Bei Anwesenheit von Fluorid sind Speichel bzw. speichelähnliche Flüssigkeiten hinsichtlich des Fluorapatits übersättigt. Dies gilt für die meisten pH-Werte, die in der Zahnplaque auftreten können. Der kritische pH-Wert für einen fluoridreichen Apatitistbedeutend niedriger als der für Hydroxylapatit. Nach einer lokalen Fluoridierung der Zahnhartsubstanzen bilden sich ein so genanntes KOH-lösliches Fluorid auf der Oberfläche und in tieferen Schmelzschichten geringe Mengen strukturell gebundenen Fluorids. Das KOH-lösliche Fluorid wurde als Kalziumfluorid (CaF₂) oder kalziumfluoridähnliches Material identifiziert.

Das auf der Oberfläche der Zahnhartsubstanzen befindliche Kalziumfluorid-Präzipitat (Titelbild) ist in Speichel deutlich weniger löslich als in anderen (anorganischen) Lösungen. Dies wurde mit der Anwesenheiteines phosphat- oder proteinreichen Pellikels in Zusammenhang gebracht, das das Kalziumfluorid bedeckt. Unter diesen Umständen ist die Fluoridfreisetzung pH-Wertabhängig, da Phosphatgruppen in der schützenden Schicht freigesetzte Protonen im Falle einer Erniedrigung des pH-Wertes binden und auf diesem Weg Fluorid freisetzen. Konsequenterweise wird auf diese Weise das Fluorid in all den Fällen freigesetzt, in denen es am meisten benötigt wird, nämlich während eines kariogenen Angriffs.

Fluoride und Remineralisierung

Unter normalen Umständen ist der Speichel an Kalzium- und Phosphationen übersättigt und liefert somit die Grundlage für die Remineralisation der Zahnhartsubstanzen. Im Falle einer lang andauernden Demineralisation der Kristallitoberfläche dienen die angelösten Kristalle als Kristallisationszentren für eine nachfolgende Remineralisation. Dieser Prozess wird durch die Anwesenheit von Fluoriden beschleunigt, indem diese auf der Kristalloberfläche adsorbieren und Kalziumionen anziehen. Diese Auflagerung nimmt weiterhin Fluorid aus der umgebenden Lösung auf, wobei der erneute Einbau von Karbonationen ausgeschlossen ist. Konsequenterweise wird diese Auflagerung von der Zusammensetzung her zwischen dem Hydroxylapatit und dem Fluorapatit stehen. Auf diese Weise erhält die remineralisierte Kristalloberfläche fluorapatitähnliche Eigenschaften und ist im Falle eines Säureangriffs bedeutend säureunlöslicher als der ursprüngliche, karbonierte Apatit. Die Anwesenheit von Fluoriden beschleunigt diesen Prozess, sodass Kalzium- und Phosphationen auf der Kristalloberfläche zu einem mehr oder weniger schlecht löslichen Endprodukt reagieren. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die remineralisierte Kristallitoberfläche ihr Lösungsverhalten dahingehend ändert, dass ein Säureangriff relativ stark sein bzw. über vergleichsweise lange Zeit anhalten muss, um den remineralisierten Schmelz aufzulösen. Diese Reaktionsmuster sind Bestandteil der posteruptiven Reifung des Schmelzes.

Fluoridwirkung auf orale Mikroorganismen

In ihrer ionisierten Form (F^-) können Fluoride die Zellwand nicht passieren. Dies gelingt jedoch relativ leicht, wenn Fluoride in ihrer protonisierten Form (HF, Flusssäure) vorliegen. Die im Falle der Verstoffwechselung von niedermolekularen Kohlenhydraten gebildeten Säuren dissoziieren relativ rasch, sodass das von den Bakterien gebildete H+-Ion mit den Fluoridionen (gelöstes Fluorid bzw. Kalziumfluorid) zu HF reagieren kann. Dieses HF kann nun in die Zelle diffundieren, wo es rasch wieder dissoziiert. Neben der protonenbedingten Übersäuerung des Zellinneren kommt es zur fluoridinduzierten Hemmung der enzymatischen Aktivität (Enolase) der Bakterien. Auf diese Weise wird das Fluorid in den Bakterienzellen festgehalten und bei fortlaufendem Säureangriff kann weiterhin Fluorid in Form von HF in die Zelle eindringen. Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Fluoride aus der Zahnoberfläche von Bakterien aufgenommen werden, wenn gleichzeitig Säure vorhanden ist. Auf diese Weise inhibieren diese Fluoride die für die Bakterien essentielle Enzymaktivität. Dies ist die dritte lokale Wirkung der Fluoride im Rahmen der Kariesentstehung.

Wirkung fluoridhaltiger Produkte

Nach dem Gebrauch fluoridhaltiger Produkte (Zahnpasten, Mundspüllösungen, Gele) ist initial eine relativ hohe Fluoridkonzentration im Speichel nachweisbar, die nach und nach wieder auf den ursprünglichen Wert zurückfällt. Für einen Zeitraum von zwei bis sechs Stunden kann dabei die Fluoridkonzentration im Speichel zwischen 0,03 und 0,1 ppm Fluorid liegen. Dies hängt vom jeweils verwendeten Produkt und dem Individuum ab. Unabhängig davon, ob die jeweilige Person in Gegenden mit fluoridiertem oder nicht fluoridiertem Trinkwasser lebt, liegtdie Konzentration des Fluorids im Speichel bei etwa 0,05ppm. Die Höhe der jeweiligen Fluoridkonzentration im Speichel korreliert dabei signifikant mit der Kariesfreiheit. So konnte festgestellt werden, dass bei einem Fluoridgehalt des Speichels > 0,075ppm wesentlich häufiger kariesfreie Jugendliche zu beobachten waren. Die Demineralisationsrate wird also durch geringe Mengen an im Speichel gelösten Fluoriden reduziert, während die Remineralisationsrate erhöht wird. Zur Remineralisation sind gleichzeitig auch Kalzium und Phosphate nötig, die primär ebenfalls vom Speichel sowie von der Plaqueflüssigkeit zur Verfügung gestellt werden. Verschiedene In-vitro-Studien konnten zeigen, dass die Übersättigung der mineralisierenden Flüssigkeit (Speichel) an Fluorapatit,Hydroxylapatit oder beidem die treibende Kraft für Remineralisationsprozesse darstellt. Dieser Prozess ist verbunden mit der Anwesenheit von Fluoriden in der Mundflüssigkeit.

Lokale versus systemische Effekte
Wie bereits beschrieben, kommt dem regelmäßigen Kontaktvon Fluoriden mitden Zahnoberflächen (Titelbild) eine entscheidende Bedeutung im Rahmen der Kariesprophylaxe zu.Die lokalen Effekte der Fluoride sind den systemischen Auswirkungen einer regelmäßigen Fluoridierung deutlich überlegen. Dabei ist jedoch zu beachten, dass der regelmäßige Gebrauch gering konzentrierter Fluoridmengen (beispielsweise Trinkwasserfluoridierung mit 1 ppm Fluorid) nicht ausreicht, um einen vollständigen Schutz gegen eine Demineralisation zu gewährleisten. Auch fluoridhaltige Produkte wie Zahnpasten, Mundspüllösungen und lokal applizierte Gele bewirken einen kariespräventiven Effekt, der jedoch ebenfalls lediglich auf lokalen Mechanismen beruht.Die Wirkung von Fluoridtabletten ist nach oben Gesagtem ebenfalls vornehmlich in einem lokalen Effekt zu sehen. So zeigten Kinder, die Fluoridtabletten vornehmlich lutschten oder zerkauten,im Vergleich zu Kindern,die die Tabletten sofort nach der Einnahme verschluckten, eine dramatische Kariesreduktion von 80%. Diese Untersuchung zeigte deutlich, dass die lokale Wirkung des Fluorids nach dem Verschlucken von Fluoridtabletten nur sehr gering ist. Die beschriebenen Beobachtungen wurden untermauert durch die Erkenntnis,dass nach dem Verschlucken von Fluoridtabletten eine vorübergehende Erhöhung des Fluoridgehalts im Plasma zu beobachten ist und dass die in diesem Zusammenhang zu beobachtenden geringen Erhöhungen des Fluoridgehalts im Speichel kaum lokale Wirkung zeigen können. Wenn Fluoride also eine kariesprotektive Wirkung haben sollen, ist nur die lokale Applikation als ausreichend effektiv einzuschätzen.

Hinsichtlich der remineralisierenden Effekte einer regelmäßigen Fluoridierung ist das Ausmaß der bereits bestehenden Demineralisation von entscheidender Bedeutung. Remineralisationsversuche können nach oben Gesagtem nur bei moderatem Demineralisationsgrad und gleichzeitig intakter Oberfläche Aussicht auf Erfolg haben.Während gut zugängliche Okklusal-(„Hidden caries“) und Glattflächen diesbezüglich (makroskopisch bzw. mit modernen Diagnoseverfahren) relativ gut beurteilt werden können, stellen insbesondere Approximalflächen nach wie vor ein Problem dar.

Zur Beurteilung der Tiefe approximaler Läsionen werden Bissflügelröntgenbilder herangezogen, die bei exakter Anfertigung (Rechtwinkeltechnik) hinsichtlich der Frage der Remineralisationsfähigkeit bestehender Läsionen einigermaßen aussagekräftig sind. So konnte in verschiedenen Untersuchungen gezeigt werden, dass etwa jede zweite röntgenologisch sichtbare C2-Karies (Aufhellung der inneren, dentinnahen Schmelzhälfte) eine Kavitation zeigte. Bei röntgenologisch erkennbarer C3-Karies muss davon ausgegangen werden, dass dieser Befund bei etwa drei von vier Fällen mit Kavitationen einhergeht und Remineralisationsversuche daher aussichtslos sind. Dies wurde durch eine klinische Studie untermauert, die zeigen konnte, dass bei Vorliegen einer röntgenologisch bis zu 0,5mm in das Dentin reichenden Approximalkaries innerhalb eines Beobachtungszeitraumes von drei Jahren bei 50% der Fälle mit einem Fortschreiten der Läsion zu rechnen ist. Überschreitet die röntgenologisch sichtbare Aufhellung die Schmelz-Dentin-Grenze um mehr als 0,5mm, so waren annähernd alle Läsionen innerhalb von drei Jahren progredient.Diese Beobachtungen zeigen deutlich, dass Versuche zur Remineralisierung auf frühe Kariesstadien begrenzt werden sollten, wobei der Therapieentscheid zugunsten invasiver Maßnahmen bei Patienten mit (unveränderbar) hoher Kariesaktivität bereits bei einer ausgeprägten C2-Karies indiziert sein kann; alternativ kommt bei initialen approximalen Läsionen die Infiltrationstherapie mit niedrigviskösen Kunststoffen in Betracht.

Schlussfolgerungen

1. Sowohl bei Kindern als auch bei Erwachsenen sind die kariesprotektiven Auswirkungen der Fluoride primär lokaler Natur.Die systemische Gabe der Fluoride zeigt aus kariespräventiver Sicht nur minimale Auswirkungen.
2. In Lösung befindliche Fluoride hemmen die Demineralisation an der Kristallitoberfläche. Gleichzeitige fördern sie die Remineralisation an der Kristalloberfläche und inhibieren (nach Reaktion mit Säuren) die bakterielle Aktivität.
3. Therapeutisch wirksame Fluoridmengen können durch die lokale Anwendung von Fluoriden erreicht werden. Jegliche Form der Fluoridsupplementierung sollte daher als lokale Maßnahme durchgeführt werden, indem die verwendeten Mittel so lange wie möglich im Mund behalten werden.

Aus diesen Empfehlungen lässt sich ableiten, dass die Fluoridierung mit handelsüblichen Zahnpasten bei den meisten Patienten als Basisfluoridierung ausreicht. Diese Form der Fluoridsupplementierung hat in den letzten Jahrzehnten zu einer drastischen Kariesreduktion beigetragen. Bei Patienten mit erhöhtem Kariesrisiko kann eine (temporär) erhöhte lokale Fluoridapplikation sinnvoll sein. Dies kann durch die zusätzliche Verabreichung von Fluoridspüllösungen, Fluoridgelen oder -lacken erreicht werden, die auch bei Patienten mit hohem Kariesrisiko indiziert sind. Hierdurch wird bei einem gemäßigten und zeitlich begrenzten Säureangriff ein ausreichender Schutz vor einer Demineralisation gewährleistet.

Abschließend muss jedoch betont werden, dass Karies keine Fluoridmangelkrankheit ist. Das heißt mit anderen Worten, dass bei ausreichend hohem und lang andauerndem kariogenen Angriff auch Fluoride nicht vor einer fortschreitenden Demineralisation schützen.

Eine Literaturliste kann in der Redaktion angefordert werden.

Autor: Prof. Dr. Andrej M. Kielbassa, Dr. Peter Tschoppe/Berlin

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