European Cells and Materials Vol. 38 2019 (pages 63-78) DOI: 10.22203/eCM.v038a06

BIOLOGY OF SOFT TISSUE REPAIR: GINGIVAL EPITHELIUM IN WOUND HEALING AND ATTACHMENT TO THE TOOTH AND ABUTMENT SURFACE

Gibbs1,2,*, S. Roffel2 , M. Meyer3 and A. Gasser3

1 Department of Molecular Cell Biology and Immunology, VU University Medical Centre, Amsterdam UMC, the Netherlands

2 Department of Oral Cell Biology, Academic Centre for Dentistry Amsterdam (ACTA), University of Amsterdam and Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam, the Netherlands

3 Nobel Biocare Services AG, Kloten, Switzerland

Abstract

Epithelium attachment to the tooth or abutment surface is necessary to form a biological seal preventing pathogens and irritants from penetrating the body and reaching the underlying soft tissues and bone, which in turn can lead to inflammation and subsequent bone resorption. The present review investigated oral wound closure and the role of micro-environment, saliva, crevicular fluid and microbiota in wound healing. The importance of the junctional epithelium (peri-implant epithelium) attachment to the abutment surface was investigated. Current research focuses on macro-design, surface-topography, surface-chemistry, materials, coatings and wettability to enhance attachment, since these optimised surface properties are expected to promote keratinocyte attachment and spreading through hemi-desmosome formation. Detailed studies describing the extent of junctional epithelium attachment – e.g. barrier function, hemi-desmosomes, epithelium quality, composition of the external basement membrane or ability of the epithelium to resist microbial penetration and colonisation – are not yet reported in animals due to ethical considerations, scalability, expense, technical challenges and limited availability of antibodies. In vitro studies generally include relatively simple 2D culture models, which lack the complexity required to draw relevant conclusions. Additionally, human organotypic 3D mucosa models are being developed. The present review concluded that more research using these organotypic mucosa models may identify relevant parameters involved in soft-tissue[1]abutment interactions, which could be used to study different macro-shapes and surface modifications. Such studies would bridge the gap between clinical, animal and traditional in vitro cell culture studies supporting development of abutments aiming at improved clinical performance. Keywords: Oral epithelium, junctional epithelium, abutment, implant, attachment, biological seal, surface, basement membrane, saliva, crevicular fluid.

Conclusions and future perspectives Previous research on implant and abutment development has been directed mainly towards achieving optimal implant embedment into bone. Fewer studies have described soft tissue attachment to the abutment surface. Most studies evaluating soft tissue attachment focus on connective tissue attachment, with only few studies describing epithelial attachment. Epithelial attachment to the abutment surface is necessary to form the biological seal preventing pathogens from penetrating the underlying soft tissues and bone. Further research needs to focus on the material physical and chemical properties to enhance epithelial attachment. Since animal studies are extremely limited due to ethical considerations and costs as well as lack of tools and techniques, only a few animals are included in current studies with limited read-out parameters. No detailed studies reporting the extent of junctional 74 www.ecmjournal.org S Gibbs et al. Epithelium attachment to abutment surface epithelium attachment e.g. hemi-desmosomes, epithelium quality, composition of the external basement membrane or ability of the epithelium to resist microbial penetration and colonisation are available. While in vitro studies generally involve relatively simple 2D culture models, they lack the complexity required to draw relevant conclusions. Human organotypic gingiva 3D in vitro models may overcome some of these restrictions and, therefore, open new opportunities for research. In the future, more research regarding the interaction of soft tissue and abutments using models ranging from human organotypic 3D in vitro models to clinical cases may help us to better understand the relevant parameters involved in these interactions.

BIOLOGIE DER WEICHTEILREPARATUR: GINGIVALES EPITHEL BEI DER WUNDHEILUNG UND DER BEFESTIGUNG AM ZAHN UND DER ABUTMENT-OBERFLÄCHE
Gibbs1,2,*, S. Roffel2 , M. Meyer3 und A. Gasser3

1 Abteilung für Molekulare Zellbiologie und Immunologie, VU University Medical Centre, Amsterdam UMC, Niederlande

2 Abteilung für orale Zellbiologie, Akademisches Zentrum für Zahnmedizin Amsterdam (ACTA), Universität Amsterdam und Vrije Universiteit Amsterdam, Amsterdam, die Niederlande

3 Nobel Biocare Services AG, Kloten, Schweiz

Zusammenfassung

Die Anhaftung des Epithels an der Zahn- oder Abutmentoberfläche ist notwendig, um eine biologische Versiegelung zu bilden, die verhindert, dass Krankheitserreger und Reizstoffe in den Körper eindringen und das darunter liegende Weichgewebe und den Knochen erreichen, was wiederum zu Entzündungen und anschließender Knochenresorption führen kann. In der vorliegenden Übersichtsarbeit wurden der orale Wundverschluss und die Rolle der Mikroumgebung, des Speichels, der Crevikularflüssigkeit und der Mikrobiota bei der Wundheilung untersucht. Untersucht wurde die Bedeutung der Anhaftung des Junktionalepithels (periimplantäres Epithel) an der Abutmentoberfläche. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf Makrodesign, Oberflächentopographie, Oberflächenchemie, Materialien, Beschichtungen und Benetzbarkeit, um die Anhaftung zu verbessern, da diese optimierten Oberflächeneigenschaften die Anhaftung und Ausbreitung von Keratinozyten durch Hemidesmosomenbildung fördern sollen. Detaillierte Studien, die das Ausmaß der Anhaftung des Junktionalepithels beschreiben – z. B. Barrierefunktion, Hemidesmosomen, Epithelqualität, Zusammensetzung der äußeren Basalmembran oder die Fähigkeit des Epithels, dem Eindringen von Mikroben und der Kolonisierung zu widerstehen – wurden bisher aus ethischen Gründen, wegen der Skalierbarkeit, der Kosten, der technischen Herausforderungen und der begrenzten Verfügbarkeit von Antikörpern nicht an Tieren durchgeführt. In-vitro-Studien umfassen in der Regel relativ einfache 2D-Kulturmodelle, denen es an der nötigen Komplexität fehlt, um relevante Schlussfolgerungen zu ziehen. Darüber hinaus werden derzeit organotypische 3D-Schleimhautmodelle für den Menschen entwickelt. Die vorliegende Übersichtsarbeit kam zu dem Schluss, dass weitere Forschungen unter Verwendung dieser organotypischen Schleimhautmodelle relevante Parameter identifizieren könnten, die an den Wechselwirkungen zwischen Weichgewebe[1] und Abutment beteiligt sind und für die Untersuchung verschiedener Makroformen und Oberflächenmodifikationen genutzt werden könnten. Solche Studien würden die Lücke zwischen klinischen, tierexperimentellen und traditionellen In-vitro-Zellkulturstudien schließen und die Entwicklung von Abutments mit dem Ziel einer verbesserten klinischen Leistung unterstützen. Schlüsselwörter: Oralepithel, Junktionalepithel, Abutment, Implantat, Attachment, biologische Abdichtung, Oberfläche, Basalmembran, Speichel, Crevikularflüssigkeit.

Schlussfolgerungen und Zukunftsperspektiven Die bisherige Forschung zur Entwicklung von Implantaten und Abutments war hauptsächlich darauf ausgerichtet, eine optimale Implantateinbettung in den Knochen zu erreichen. Weniger Studien haben das Weichgewebeattachment an der Abutmentoberfläche beschrieben. Die meisten Studien, die das Weichgewebeattachment untersuchen, konzentrieren sich auf das Bindegewebeattachment, während nur wenige Studien das Epithelattachment beschreiben. Epitheliale Anhaftung an der Abutment-Oberfläche ist notwendig, um die biologische Versiegelung zu bilden, die das Eindringen von Krankheitserregern in die darunter liegenden Weichgewebe und den Knochen verhindert. Weitere Forschungsarbeiten müssen sich auf die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials konzentrieren, um die Epithelanhaftung zu verbessern. Da Tierversuche aufgrund ethischer Erwägungen und Kosten sowie mangelnder Instrumente und Techniken nur in sehr begrenztem Umfang durchgeführt werden können, werden in den aktuellen Studien nur wenige Tiere mit begrenzten Messparametern berücksichtigt. Es liegen keine detaillierten Studien vor, die über das Ausmaß der Anhaftung des Epithels an der Oberfläche der Schnapp-Kupplung, z. B. Hemidesmosomen, die Qualität des Epithels, die Zusammensetzung der äußeren Basalmembran oder die Fähigkeit des Epithels, dem Eindringen von Mikroben und der Besiedlung zu widerstehen, berichten. www.ecmjournal.org S Gibbs et al. Bei In-vitro-Studien handelt es sich in der Regel um relativ einfache 2D-Kulturmodelle, denen es an der nötigen Komplexität mangelt, um relevante Schlussfolgerungen zu ziehen. Organotypische 3D-In-vitro-Modelle der menschlichen Gingiva könnten einige dieser Einschränkungen überwinden und somit neue Möglichkeiten für die Forschung eröffnen. In Zukunft könnten weitere Forschungen zur Interaktion von Weichgewebe und Abutments unter Verwendung von Modellen, die von organotypischen 3D-In-vitro-Modellen des Menschen bis hin zu klinischen Fällen reichen, dazu beitragen, die relevanten Parameter, die bei diesen Interaktionen eine Rolle spielen, besser zu verstehen.