Fluoride wie wirken sie genau?

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1 Fluoride wie wirken sie genau? Adrian Lussi, Elmar Hellwig und Joachim Klimek: Fluoride Wirkungsmechanismen und aktuelle Empfehlungen für deren Gebrauch. Schweiz Monatsschr Zahnmed Vol / ; Forschung und Wissenschaft (Zusammenfassung: Felix Magri; für die Durchsicht danken wir Prof. Lussi.) Die Forschung steht nicht still. Was im, auf und um den Zahn geschieht wird immer präziser verstanden. Die Zusammenfassung der Darstellung der Fluoridwirkung dreier Experten ermöglicht es, die Rolle des Fluorids bei der Demineralisation und der Remineralisation genauer zu verstehen. Das verhilft zu mehr Sicherheit, wenn das Thema «Fluoride» aufkommt. Was geschieht am Zahn? Zahnschmelz und Dentin bestehen physikalisch gesehen zum grössten Teil aus dem sehr harten mineralischen kristallinen Material «Apatit». Chemisch gesehen steht die Zahnoberfläche in ständigem Austausch mit ihrer Umgebung: mit dem Speichel, der Plaque und allem, was in den Mund hinein gelangt. Stoffe aus der Zahnhartsubstanz werden in die umgebende Flüssigkeit abgegeben (gelöst) und Stoffe aus der Umgebung in den Zahn aufgenommen und in das Kristallgitter eingelagert. Damit die Zähne dabei intakt bleiben, darf nicht mehr Material abgegeben werden als auch wieder eingebaut wird. Das heisst, bei diesen Prozessen muss ein für die Zähne günstiges Gleichgewicht aufrechterhalten werden. Fluorid beeinflusst durch seine Eigenschaften dieses Gleichgewicht zugunsten der Zähne. Was gilt heute? Eingelagertes Fluorid macht den Zahnschmelz weniger säurelöslich und schützt damit vor Karies. Der wichtigste Schutz bietet aber das im Speichel gelöste Fluorid in der Umgebung des Schmelzes. Dieses hemmt den Verlust von Mineral (Demineralisation) und fördert zugleich den Wiedereinbau von Mineral in den Schmelz (Remineralisation). Die wichtigste Rolle der Fluoride ist also, die «Kariesbalance» zwischen Angriff und Abwehr, Verlust und Reparatur zugunsten der Intaktheit des Zahns zu verschieben (Abb. 1). Deshalb ist entscheidend, dass die Fluoridzufuhr auf dem für die Kariesprophylaxe erforderlichen Niveau permanent erfolgt. Es ist heute gut nachgewiesen, dass der Kariesrückgang in den Industrieländern während der letzten Jahrzehnte auf der Anwendung von Fluoriden beruht, hauptsächlich durch lokale Fluoridapplikation und hier primär durch Verwendung von fluoridhaltigen Zahnpasten. Zieht man in Betracht, dass die Abnahme der Karies im gleichen Zeitraum erfolgte, in dem auch lokale Fluoridierungsmassnahmen verbreitet angewendet wurden, liegt der Schluss nahe, dass regelmässige Fluoridanwendung die Karies hemmt. 1

2 Das Zahnmaterial Die Zahnhartsubstanz, der Apatit, besteht aus dem sehr gut mineralisierten Schmelz und dem deutlich mehr organisches Material enthaltenden Dentin und Zement. Hauptsächlicher aber nicht ausschliesslicher Bestandteil ist Kalziumphosphat. Enthält Zahnhartsubstanz noch Wasserstoff- plus Sauerstoffatome als sog. Hydroxylgruppen (OH - ), entsteht Hydroxylapatit (HAP). Im Zahnschmelz, vor allem aber im Dentin sind noch verschiedene andere Ionen eingebaut. Dies führt zu einem weniger stabilen, leichter löslichem Apatit, und Dentin ist noch leichter löslich. Entsprechend steigt damit die Säureanfälligkeit der Schmelz- und vor allem der Dentinkristalle. Enthält die Zahnhartsubstanz Fluorid- Ionen (F - ), entsteht Fluorapatit (FAP). Da Fluoridionen im Kristallgitter besser verankert sind als OH Ionen, kann deren teilweise Ersatz durch Fluoridionen eine gewisse Stabilisierung der Apatitstruktur bewirken. Im gesunden menschlichen Zahnschmelz sind in der äussersten Schmelzschicht durchschnittlich weniger als 5% der OH-Gruppen des HAP durch Fluorid ersetzt. Bereits in einer Tiefe von 50 μm sinkt dieser Anteil weiter ab. Die Hemmung der Demineralisation durch Fluorid Der Einbau von Fluoriden in die mineralischen Anteile des Schmelzes reduziert dessen Löslichkeit nur in geringem Ausmass. Wie erwähnt hemmen geringe Mengen von gelösten Fluoriden in der Zahnumgebung die Demineralisation viel effektiver und haben ein weitaus grösseres kariesprotektives Potenzial als ein hoher FAP-Anteil im Schmelzmineral. Das wurde an Haifischzahnschmelz gezeigt, der aus fast reinem FAP besteht. Menschlicher gesunder Zahnschmelz enthält im Vergleich dazu deutlich weniger F -, das sich vorwiegend in der äussersten Schicht befindet. Beim Haifischzahnschmelz sind bei einem Fluoridgehalt von ppm etwa 99% der OH - Stellen im Kristallgitter des Schmelzes durch F - ersetzt, beim humanen Schmelz hingegen weniger als 5%. In Versuchen entstanden sowohl im Schmelz des Haies als auch im menschlichen Schmelz kariöse Läsionen, die Läsionstiefe im Haifischzahnschmelz war aber etwas kleiner. Es zeigte sich auch, dass der Mineralverlust im menschlichen Schmelz sogar geringer war als im Haifischschmelz, wenn die Schmelzproben täglich mit einer 0,2%igen Natriumfluorid-Lösung gespült wurden. Damit wurde belegt, dass die frei verfügbaren Fluoridionen in der den Zahn umgebenden Lösung eine weitaus wichtigere Rolle in der Kariesprävention spielen als die im Schmelzkristall eingebauten Fluoride. Dabei stehen die Fluoridionen im dynamischen Gleichgewicht mit den gelösten Fluoriden in der unmittelbaren Schmelzumgebung. Dies führt dann in der Umgebungsflüssigkeit zu einem Gleichgewicht oder einer Übersättigung bezüglich Fluorid(hydroxyl)apatit und dadurch zum Niederschlag von Mineral auf die Zahnoberfläche. Dieser Adsorption der Fluoride auf dem Kristall wird auch ein direkter Schutz vor Demineralisation zugeschrieben. In den unbedeckten Bereichen dagegen kann der Schmelzkristall beim Säureangriff lokal aufgelöst werden. Diese geringen Fluoridkonzentrationen werden auch nach Verzehr von mit fluoridiertem Kochsalz zubereiteten Speisen erreicht, erhöht sich doch der F - -Gehalt im Speichel signifikant während etwa 30 Minuten. Es ist nahe liegend, dass auch die Trinkwasserfluoridierung und die Salzfluoridierung über diesen Mechanismus wirken. Die Förderung der Remineralisation durch Fluorid 2

3 Bei einem neutralen ph-wert von 7 reichen relativ geringe Konzentrationen von Kalziumionen und Phosphationen in der Zahnumgebung aus, um die Zahnhartsubstanz stabil zu halten. Erniedrigt sich der ph-wert aufgrund der Säureproduktion der Plaque, sind höhere Konzentrationen erforderlich, um die Auflösung zu verhindern. Beim ph-wert von ungefähr 5,5 beginnt eine Untersättigung des Schmelzes, d.h., die Kalziumionen- und Phosphationenkonzentration in der Plaqueflüssigkeit reichen nicht aus, um Schmelz in einem stabilen Gleichgewichtszustand zu halten, woraus die Auflösung von Schmelz resultiert (Abb. 2, gelber und roter Bereich). Fluoridhydroxylapatit (FHAP) und Fluoridapatit (FAP) dagegen bleiben auch noch bei niedrigeren ph-werten stabil; hier beginnt die Untersättigung und die daraus folgende Auflösung bei einem ph von ungefähr 4,7. Bei Erhöhung des ph-wertes wird sich zuerst wieder bezüglich FHAP Übersättigung einstellen, was bedeutet, dass FHAP und FAP bei der Remineralisation wieder gebildet wird, sofern sich im Speichel gelöstes Fluorid in der Mundhöhle befindet. Folglich wird bei der Remineralisation nach einem Säureangriff der Anteil an stabilem und karbonatarmem FHAP im Schmelz auf Kosten des karbonatreichen HAP erhöht. Ein demineralisierter und anschliessend remineralisierter Zahnschmelz ist dadurch etwas säureresistenter als unversehrter Zahnschmelz. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass Fluoridhydroxylapatit aufgrund seiner niedrigen Löslichkeit auch im leicht sauren ph-bereich schneller wieder gebildet wird als die anderen Kalziumphosphat-Phasen des Schmelzes, was bedeutet, dass Fluorid die Remineralisation beschleunigt und fördert. Der Fluoridgehalt im gesunden Schmelz ist geringer als in einer Initialläsion (Kreidfleck), da dieser bereits viele De- und Remineralisationsphasen durchlaufen hat. Abbildung 3 zeigt die unterschiedlichen Bereiche des Kreidefleckes. Die erhöhte Fluoridkonzentration im oberflächlichen Bereich des Kreidefleckes beruht zum einen auf der Förderung der Remineralisation durch Fluorid, d.h. auf der Bildung des fluoridreichen Apatits, und zum anderen auch auf einer erhöhten F - Aufnahme aufgrund der porösen Oberfläche des Kreidefleckes. Demineralisierte Kristalle dienen bei vorhandenem Fluorid als Kern für die Anlagerung von neuem Mineral. Fluorid beschleunigt wie schon dargelegt diesen Vorgang, weil schon bei einem tieferen ph- Wert Remineralisation möglich ist. Eine fluoridreiche, karbonatarme und säureresistente oberflächliche Mineralschicht ist die Folge (Abb. 4). Aus diesen Gründen sollen Initialläsionen nicht verletzt bzw. aufgebohrt werden. Antimikrobielle Wirkung der Fluoride Aufgrund der bisherigen Forschungsresultate lässt sich eine kariespräventive Wirkung von Fluoriden hinsichtlich der Vorgänge im oralen Biofilm (Plaque) wenn überhaupt nur sehr begrenzt annehmen. Kariesreduzierende Wirksamkeit und praktische Fluoridempfehlungen Weil Fluoride nicht systemisch, d.h. über die Blutbahn, sondern, wie nun klar gezeigt wurde, in erster Linie lokal direkt am Zahn wirken, ist die Verordnung von Fluoridtabletten nahezu in allen Ländern in den Hintergrund geraten oder wird nicht mehr vorgenommen. Bei der Speisesalzfluoridierung kann man davon ausgehen, dass sie eine wirksame kariespräventive Massnahme ist, wobei in Ländern mit bereits bestehendem hohen Niveau der Kariesprävention der zusätzliche Nutzen der Verwendung des Fluoridsalzes quantitativ wegen des kumulativen Effekts nur noch schwer nachweisbar ist. 3

4 Die tägliche Verwendung fluoridhaltiger Zahnpasta ist die Basis der Kariesprävention mit Fluoriden, da sie leicht verfügbar ist und bei regelmässiger Verwendung kontinuierlich Fluoridionen für die kariesprotektiven Vorgänge an der Zahnoberfläche zur Verfügung stehen. Dieser kariespräventive Effekt ist in allen Altersgruppen nachzuweisen und steigt mit zunehmender Fluoridkonzentration an. Aber auch bereits für Kinderzahnpasten mit einem Fluoridgehalt von 500 ppm wurde in mehreren Untersuchungen nachgewiesen, dass sie kariesprophylaktisch wirksam sind. Insbesondere in den Ländern, in denen auch andere Fluoridierungsmassnahmen (z. B. Kochsalz, Trinkwasser) durchgeführt werden, sollte man daher bei Kindern bis zum 6. Lebensjahr eine Kinderzahnpasta verwenden, um einer Fluorose durch übermässige Fluoridaufnahme vorzubeugen. Es ist zudem bekannt, dass die Wirkung einer fluoridhaltigen Zahnpasta mit erhöhter Zahnputzfrequenz zunimmt. Auch der Einsatz professionell applizierter Fluoridpräparate, wie Lacke oder Gele, ist insbesondere bei erhöhtem Kariesrisiko zu empfehlen. Dabei zeigt sich, dass die mehrmalige Applikation pro Jahr zu einer verbesserten kariespräventiven Wirkung beiträgt. Fluoridgelées können auch individuell wöchentlich eingebürstet werden. Damit ist eine ähnliche kariesreduzierende Wirkung zu erreichen wie bei viermaliger Applikation in der Zahnarztpraxis. Fluoridhaltige Mundspüllösungen sollten erst ab dem Schulalter eingesetzt werden und auch nur dann, wenn ein erhöhtes Kariesrisiko vorliegt. Allerdings ist der Einsatz fluoridhaltiger Spüllösungen, insbesondere bei Patienten mit festsitzenden kieferorthopädischen Apparaturen, zu empfehlen. Ausgiebiges Spülen nach dem Zähneputzen sollte vermieden werden, um nicht alles Fluorid gleich wieder aus der Mundhöhle zu entfernen. Empfohlen wird aufgrund der bisher vorliegenden Studien, mit nur wenig Wasser zu spülen. Damit erreicht man einerseits einen kariesreduzierenden Effekt und andererseits wird der grösste Teil der Zahnpaste mit ihren zahlreichen Zusatzstoffen ausgespuckt. Die Empfehlungen zur Fluoridanwendung (Abb. 5 )sind auch die Grundlage der deutschen und schweizerischen Fluoridierungsleitlinie. Bei kariesaktiven Kindern kann schon früher als in der Leitlinie dargestellt die Kinderzahnpasta zweimal pro Tag verwendet werden. Die European Food Safety Authority (EFSA) hat in diesem Zusammenhang im Jahre 2005 bereits festgestellt, dass Fluorid kein essenzielles Spurenelement für das Wachstum und die Entwicklung des Menschen ist. Auch das Scientific Committee on Health and Environmental Risks (SCHER) der European Commission schreibt in einer Stellungnahme zur Trinkwasserfluoridierung, dass die wissenschaftliche Evidenz für den protektiven Effekt einer lokalen Applikation von Fluorid stark ist, während die entsprechenden Daten für eine systemische Applikation (Tabletten) weniger überzeugend sind. In der Leitlinie der American Academy of Pediatrics (AAP) wird daher das überwachte Zähneputzen mit fluoridhaltiger Zahnpasta für alle Kinder empfohlen, bei denen Zähne in der Mundhöhle sind. Es muss jedoch auch erwähnt werden, dass nur ein Teil des in der Schweiz beobachteten Kariesrückgangs bei Schülern mit Fluoridierungsmassnahmen erklärt werden kann. Natürlich ist Fluorid kein Wundermittel und Karies auch keine Fluoridmangelerkrankung. Daher nimmt die Wirksamkeit fluoridhaltiger Präparate auch mit zunehmender Kariesaktivität ab. Bei Kindern und Erwachsenen mit hohem Kariesrisiko müssen deshalb auch weitere Massnahmen, wie die Verbesserung der Mundhygiene, Ernährungsberatung und -lenkung und regelmässige zahnärztliche Kontrollbesuche, durchgeführt werden. Wie bei zahlreichen anderen Erkrankungen gibt es auch bei der Kariesentstehung eine soziale Komponente. Hier liegt es allerdings in der Hand der Politik entsprechende Voraussetzungen zu schaffen und für eine gute Bildung und eine adäquate soziale Situation, insbesondere von Kindern, Sorge zu tragen in der Schweiz vor allem durch den Einsatz von Schulzahnpflege-Instruktorinnen. 4

5 Der Säureangriff die Demineralisation Karies Gibt es in der Flüssigkeit der unmittelbaren Umgebung der Schmelzkristalle genügend Kalzium-, Phosphat-, Hydroxyl-, und Fluoridionen, so dass sich die Schmelzkristalle im Gleichgewicht mit der Umgebung befinden, herrscht ein stabiler Zustand. Die (aktiven) Konzentrationen dieser Ionen bestimmen den Sättigungsgrad dieser Lösung. Bei «Untersättigung» löst sich HAP auf, bei «Übersättigung» lagern sich Minerale aus der Umgebung in den Schmelz ein. Während des kariogenen Säureangriffes werden von Plaquebakterien aus Kohlehydraten organische Säuren gebildet. Dabei werden Wasserstoff-Ionen (H + ) freigesetzt. Dies erhöht die H + -Konzentration in der den Zahn umgebenden Plaqueflüssigkeit; sie wird sauer (= niedriger ph-wert). Zugleich wird dadurch die OH - -Konzentration erniedrigt. Um das chemische Gleichgewicht an der Zahnoberfläche zu erhalten, muss die Anzahl Hydroxylionen (OH - ) zum Ausgleich also wieder erhöht werden. Die dazu benötigten Hydroxylionen werden aus dem Kristallgitter des Schmelzes «gespendet». Damit zerfällt dieses. Da durch diesen Prozess auch das Kalziumphosphat zerfällt, löst sich Kalzium aus der Zahnhartsubstanz; als Resultat des ganzen Prozesses löst sich der Zahn auf. Die Dynamik dieses Auflösungsprozesses hängt einerseits von der Zusammensetzung der Schmelz-, Dentin- und Zementkristalle ab, andererseits spielt die bakterielle Zusammensetzung der Plaque eine wichtige Rolle. Dies erklärt die verschiedenen kritischen ph-werte, ab denen der Auflösungsprozess beginnt (Schmelz ca. 5,5, Dentin ca. 6,3). Es erklärt auch zum Teil die Variationen in der Kariesaktivität zwischen Menschen, denn der Kalzium-, Phosphat- oder Fluoridgehalt im Speichel und in der Plaque kann von Mensch zu Mensch verschieden sein. Die Frequenz der Zuckereinnahme und fehlende Mundhygiene beeinflussen allerdings diese Faktoren und spielen eine noch wichtigere Rolle. Erosionen Erosionen entstehen, wenn plaquefreie Zähne der chronischen Einwirkung von Säuren ausgesetzt sind (endogen von innen etwa durch Erbrechen oder exogen von aussen durch saure Speisen und Getränke). Bei Erosionen ist nicht allein der ph-wert, sondern auch der Kalzium-, Phosphat- und Fluoridgehalt der z.b. mit dem Zahn in Kontakt stehenden erosiven Substanz wichtig. Aus diesem Grunde kann der «kritische» ph-wert, ab dem der Schmelz durch Erosion geschädigt wird, relativ tief liegen. Das gilt, für Getränke oder Nahrungsmittel, die mit Kalzium versetzt sind (z.b. Joghurt). Wichtige Rolle von Kalziumfluorid (CaF 2 ) Bei der Anwendung F haltiger Präparate bildet sich auf der Zahnoberfläche ein kalziumfluoridhaltiger Niederschlag. Diese Deckschicht auf dem Schmelz, aus der in Abhängigkeit vom ph-wert Fluorid freigesetzt wird, spielt eine besonders wichtige Rolle bei der kariesprophylaktischen Wirkung der Fluoride. Das Kalzium stammt entweder aus dem Speichel oder nach der Verwendung leicht saurer 5

6 Fluoridierungsmittel zum Teil auch aus dem Zahn selbst. Innerhalb einer Reihe von chemischen Prozessen werden beim kariösen Angriff aus diesem CaF 2 -Depot der Deckschicht bei sauren ph-werten F - -Ionen freigesetzt. Das CaF 2 fungiert demzufolge als phgesteuertes F - -Reservoir, welches beim Säureangriff bzw. bei niedrigem ph-wert F - freisetzt. Aufgrund dieser Mechanismen gilt CaF 2 als Hauptlieferant für freie F - -Ionen während eines Säureangriffes. Die freigesetzten F - -Ionen hemmen einerseits die Demineralisation und wirken andererseits fördernd auf die Remineralisation. Sie sind während des kariösen Angriffes von weitaus grösserer Bedeutung als ein hoher F - Gehalt im Schmelzkristall. So zeigt sich auch hier, dass zur Aufrechthaltung einer positiven Kariesbalance immer wieder Fluorid zugeführt werden muss. Weiterführende Informationen: > Prophylaxe > Fluoride > Broschüren > "Kariesprophylaxe mit Fluoriden" Ratgeber für den Praxisalltag (Praxisratgeber, PDF-Datei, kb) Den wissenschaftlichen Originalartikel können Sie herunterladen unter: / smfz nr. 11/2012 oder direkt unter: AUTOLINK&& Abbildungen Abb. 1 Die Karieswaage. Pathologische und protektive Faktoren, die die Kariesbalance zwischen De- und Reminerlisation beeinflussen (modifiziert nach Featherstone 2000). 6

7 Abb. 2 Löslichkeitskurven für Schmelz und Fluoridhydroxylapatit (modifiziert nach Lussi 2010). Abb. 3 Fluoridgehalt von gesundem Schmelz und verschiedener Areale eines Kreidefleckes (Initialläsion) (modifiziert nach Weatherell et al. 1977) Abb. 4 De- und Remineralisationsvorgänge im Überblick (modifiziert nach Featherstone 2000). 7

8 Abb. 5 Empfehlungen für den Gebrauch von Fluoriden. 8