I batteri che vivono nella placca dentale e contribuiscono alla carie spesso resistono ai tradizionali trattamenti antimicrobici, in quanto possono "nascondersi" all'interno di una matrice di biofilm appiccicoso, un'impalcatura polimerica simile a colla.

Una nuova strategia ideata dai ricercatori dell'Università della Pennsylvania ha adottato un approccio più sofisticato. Invece di applicare semplicemente un antibiotico sui denti, hanno sfruttato le proprietà sensibili al pH e simili agli enzimi delle nanoparticelle contenenti ferro per catalizzare l'attività del perossido di idrogeno, un antisettico naturale comunemente usato. Il perossido di idrogeno attivato ha prodotto radicali liberi che sono stati in grado di degradare contemporaneamente la matrice del biofilm e uccidere i batteri all'interno, riducendo significativamente la placca e prevenendo la carie, o cavità, in un modello animale.

"Anche usando una concentrazione molto bassa di perossido di idrogeno, il processo è stato incredibilmente efficace nel distruggere il biofilm, " ha detto Hyun (Michel) Koo, un professore del Dipartimento di Ortodonzia e delle divisioni di Odontoiatria Pediatrica e Salute Orale della Penn School of Dental Medicine e autore senior dello studio, che è stato pubblicato sulla rivista Biomateriali . "L'aggiunta di nanoparticelle ha aumentato l'efficienza dell'uccisione batterica di oltre 5, 000 volte."

L'autore principale del documento era Lizeng Gao, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Koo. Coautori erano Yuan Liu, Dongyeop Kim, Yong Li e Geelsu Hwang, tutto il laboratorio di Koo, così come David Cormode, un assistente professore di radiologia e bioingegneria con incarichi presso la Perelman School of Medicine e la School of Engineering and Applied Science di Penn, e Pratap C. Naha, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Cormode.

Il lavoro si è basato su una scoperta seminale di Gao e colleghi, pubblicato nel 2007 in Nanotecnologia della natura , mostrando che le nanoparticelle, a lungo ritenuto biologicamente e chimicamente inerte, potrebbe infatti possedere proprietà enzimatiche. In quello studio, Gao ha mostrato che una nanoparticella di ossido di ferro si comportava in modo simile a una perossidasi, un enzima presente in natura che catalizza le reazioni ossidative, spesso usando perossido di idrogeno.

Quando Gao si è unito al laboratorio di Koo nel 2013, ha proposto di utilizzare queste nanoparticelle in un ambiente orale, poiché l'ossidazione del perossido di idrogeno produce radicali liberi che possono uccidere i batteri.

"Quando me l'ha presentato per la prima volta, ero molto scettico, "Ko ha detto, "perché questi radicali liberi possono anche danneggiare i tessuti sani. Ma poi ha confutato e mi ha detto che è diverso perché l'attività delle nanoparticelle dipende dal pH".

Gao aveva scoperto che le nanoparticelle non avevano attività catalitica a pH neutro o quasi neutro di 6,5 o 7, valori fisiologici tipici del sangue o di una bocca sana. Ma quando il pH era acido, più vicino a 5, diventano altamente attivi e possono produrre rapidamente radicali liberi.

Lo scenario era ideale per prendere di mira la placca, che può produrre un microambiente acido se esposto agli zuccheri.

Gao e Koo hanno contattato Cormode, che aveva esperienza di lavoro con nanoparticelle di ossido di ferro in un contesto di imaging radiologico, per aiutarli a sintetizzare, caratterizzare e testare l'efficacia delle nanoparticelle, diverse forme delle quali sono già state approvate dalla FDA per l'imaging nell'uomo.

A partire da studi in vitro, che ha comportato la crescita di un biofilm contenente i batteri che causano la cavità Streptococcus mutans su una superficie simile allo smalto dei denti e quindi l'esposizione allo zucchero, i ricercatori hanno confermato che le nanoparticelle hanno aderito al biofilm, sono stati mantenuti anche dopo l'interruzione del trattamento e potrebbero catalizzare efficacemente il perossido di idrogeno in condizioni acide.

Hanno anche dimostrato che la reazione delle nanoparticelle con una soluzione di perossido di idrogeno all'1% o meno era notevolmente efficace nell'uccidere i batteri, spazzando via più del 99,9 percento di S. mutans nel biofilm entro cinque minuti, un'efficacia superiore a 5, 000 volte maggiore rispetto all'utilizzo del solo perossido di idrogeno. Ancora più promettente, hanno dimostrato che il regime di trattamento, che prevede un trattamento topico di 30 secondi delle nanoparticelle seguito da un trattamento di 30 secondi con perossido di idrogeno, potrebbe abbattere i componenti della matrice del biofilm, essenzialmente rimuovendo l'impalcatura protettiva appiccicosa.

Passando a un modello animale, hanno applicato le nanoparticelle e il perossido di idrogeno localmente ai denti dei ratti, che possono sviluppare la carie quando infettati da S. mutans proprio come fanno gli umani. Due volte al giorno, trattamenti di un minuto per tre settimane hanno ridotto significativamente l'insorgenza e la gravità delle lesioni cariose, il termine clinico per la carie, rispetto al controllo o al trattamento con solo acqua ossigenata. I ricercatori non hanno osservato effetti negativi sulla gengiva o sui tessuti molli orali dal trattamento.

"È molto promettente, " ha detto Koo. "L'efficacia e la tossicità devono essere convalidate in studi clinici, ma penso che il potenziale ci sia".

Tra le caratteristiche interessanti della piattaforma c'è il fatto che i componenti sono relativamente economici.

"Se guardi la quantità di cui avresti bisogno per una dose, stai guardando qualcosa come 5 milligrammi, " disse Cormode. "È una piccola quantità di materiale, e le nanoparticelle sono abbastanza facilmente sintetizzabili, quindi stiamo parlando di un costo di centesimi per dose."

Inoltre, la piattaforma utilizza una concentrazione di perossido di idrogeno, 1 per cento, che è inferiore a molti sistemi di sbiancamento dentale attualmente disponibili che utilizzano concentrazioni dal 3 al 10 percento, riducendo al minimo la possibilità di effetti collaterali negativi.

Guardando avanti, Gao, Koo, Cormode e colleghi sperano di continuare a perfezionare e migliorare l'efficacia della piattaforma di nanoparticelle per combattere i biofilm.

"Stiamo studiando il ruolo dei rivestimenti di nanoparticelle, composizione, dimensioni e così via in modo da poter progettare le particelle per prestazioni ancora migliori, " disse Cormode.