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UPenn-Ingenieure entwickeln außerdem Kaugummi, der Biofilm zerstört, und andere coole Dentalinnovationen.

Hyun „Michel“ Koo wuchs in einem, wie er es nennt, „armen Viertel“ von Sao Paulo, Brasilien, auf und erlebte – und manchmal auch erlebte – was passiert, wenn Menschen keine Mundgesundheitsversorgung erhalten.

Kinder, die unter schmerzhaften Karies leiden, und Erwachsene, die sich über fehlende Zähne schämen, haben eine lebenslange Leidenschaft entfacht, zahnmedizinische Versorgung für Menschen in armen Gemeinden und Ländern zugänglicher und erschwinglicher zu machen. Als Co-Direktor eines bahnbrechenden Forschungszentrums an der University of Pennsylvania, wo er als Professor für Zahnmedizin tätig ist, glaubt er nun, dass er zusammen mit gleichgesinnten und enthusiastischen Kollegen in der Lage ist, diesem bleibenden Ziel einen Riegel vorzuschieben Sie entwickeln innovative Technologien mit dem Potenzial, die Mundgesundheit zu verändern. Sie fragen Dinge wie:

Was wäre, wenn beispielsweise kostengünstiges Kaugummi die Bildung von Plaque, Karies und Zahnfleischerkrankungen verhindern könnte? Oder Virostatika gegen das Coronavirus liefern?

Was wäre, wenn Schwärme von Mikrorobotern das Zähneputzen und die Verwendung von Zahnseide ersetzen könnten?

Was könnte intelligente Technologie und Technik sonst noch bei Problemen wie Implantatinfektionen, Gaumenspalten und anderen Zahnproblemen tun?

Als er Koo zum ersten Mal persönlich in einem großen, fensterlosen Hörsaal der Penn Dental School in Philadelphia traf, war seine Aufregung noch deutlicher als in einem früheren Zoom-Interview. Der reale Anlass, am 2. Juni, war der Beginn des ersten wissenschaftlichen Symposiums des Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD), wo er zunächst als Mitbegründer fungierte und nun zusammen mit dem als Co-Direktor fungiert ebenso energische und optimistische Ingenieurprofessorin Kathleen Stebe.

Laut Koo gilt diese Allianz der Fakultäten, die mehr als 20 Mitglieder der Fakultäten für Zahnmedizin und Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaften der UPenn umfasst, als das erste universitäre Forschungszentrum, das speziell dafür konzipiert ist, Mundgesundheitskliniker und Wissenschaftler mit Ingenieuren in einer formellen Partnerschaft zu vereinen widmet sich der schnellen und radikalen Weiterentwicklung der Mundgesundheitsbehandlung und des Wissens. Das Zentrum begann mit einer zufälligen Forschungszusammenarbeit zwischen Koo, Stebe und anderen, die wiederum zu einem Workshop im Jahr 2018 führte, der vom Vizeprobst der Universität für Forschung finanziert wurde. Die Teilnehmer bildeten bald eine Arbeitsgruppe, die sich zur Kerngruppe des neuen Zentrums entwickelte. Obwohl die Mitglieder bereits vor dem Symposium Zeitschriftenartikel zu einigen Projekten des Zentrums veröffentlicht hatten, war die Veranstaltung die erste Gelegenheit des Zentrums, der wissenschaftlichen Welt einen facettenreichen Blick auf ihre Arbeit zu präsentieren.

Zahnärzte und Ingenieure haben offensichtlich schon bei vielen Gelegenheiten bei einer Vielzahl von Behandlungen und Geräten zusammengearbeitet, wie zum Beispiel beim 3D-Druck von kieferorthopädischen Invisalign-Prothesen, bei der Verwendung von Dianodent-Lasern und Schallimpulsen, um Hohlräume früher als mit herkömmlichen Methoden zu finden, oder bei der Beschichtung von Zahnimplantaten mit antimikrobiellen Mitteln usw Sie führen minimalinvasive Roboteroperationen durch, um sie überhaupt zu implantieren.

Koo und seine Kollegen glauben jedoch, dass ihr Zentrum durch die Bereitstellung institutioneller, organisatorischer und finanzieller Unterstützung den Fortschritt vorantreiben kann, und Koo hofft, dass bald ein eigenes Gebäude entstehen wird, von dem er erwartet, dass es die Kreativität ankurbelt, indem es die Art der informellen, spontanen Interaktion fördert und erleichtert unter Kollegen unterschiedlicher Disziplinen und akademischer Stände, die Ideen und Kooperationen sprießen und wachsen lassen. Er betont auch den Fokus des Center for Innovation & Precision Dentistry auf die Suche nach Lösungen, die kosteneffektiv und anpassbar an die Bedürfnisse von Menschen in unterfinanzierten Gemeinden und Ländern sind – etwas, das bei Innovationen auf dem fast 39 Milliarden US-Dollar schweren globalen Dentalmarkt weitgehend fehlt richtet seine Bemühungen darauf, genau die Art von Zahnarztpraxen und teure Pflege auszustatten, zu denen die Armen und Ausgegrenzten der Welt keinen Zugang haben.

Dank der Arbeit des Zentrums lernen Mundgesundheitsexperten bereits die vielen Werkzeuge und Ressourcen kennen, die Ingenieure zur Analyse und Lösung von Problemen einsetzen können, und Ingenieure lernen die drängenden und prominenten Mundgesundheitsprobleme kennen, sagt Kathleen Stebe. Sie und Koo beabsichtigen, die gegenseitige Befruchtung zwischen den Feldern auch auf andere Weise auszuweiten.

Letztes Jahr, kurz nach der Gründung des Center for Innovation & Precision Dentistry, erkannte das National Institute of Dental and Craniofazial Research, eines der National Institutes of Health, ihr Potenzial und gewährte ihnen zur Vorbereitung ein fünfjähriges Ausbildungsstipendium in Höhe von 2,5 Millionen US-Dollar ein Kader von Postdoktoranden aus den Bereichen Zahnmedizin und Mundgesundheit, verschiedenen Ingenieurwissenschaften und anderen Grundlagenwissenschaften, einschließlich Datenwissenschaft und Informatik, die sich alle der Arbeit an der Schnittstelle von Mundgesundheit und Hochtechnologie widmen. Koo und Stebe glauben, dass sowohl Universitäten als auch die Industrie die breiten Perspektiven und das Fachwissen dieser Forscher begrüßen werden.

An diesem besonderen Tag voller Vorträge und einer überfüllten Postersitzung stachen fünf solcher Innovationen an der Schnittstelle von Zahngesundheit und Technologie hervor. Die erste davon verdeutlicht ein Prinzip nützlicher Innovation: „da zu handeln, wo der Schuh drückt – das Problem lösen, das gelöst werden muss“, sagte Eugene Ko, Zahnprofessor an der Penn University. Er erklärte weiter, wie er ein solches Bedürfnis entdeckte, als enge Freunde ihm beim Abendessen erzählten, wie schwer es für sie sei, ihr neues Baby zu ernähren, das mit einer Gaumenspalte zur Welt gekommen sei. Zu den häufigsten Geburtsfehlern, von denen etwa eines von 1.700 Neugeborenen betroffen ist, gehören offene Räume im Gaumen und/oder in der Oberlippe, sogenannte Mundspalten, die entstehen, wenn Gewebe während der pränatalen Entwicklung nicht richtig zusammengefügt werden. Die Lücken verhindern, dass der Mund des Babys den nötigen Sog erzeugt, um Nahrung aus der Brust oder normalen Flaschen zu saugen. Derzeit erhältliche Spezialflaschen für Säuglinge mit Gaumenspalten sind teuer, schwer zu finden und schwer zu verwenden. Ko erkannte sofort ein Problem, von dem er glaubte, es lösen zu können.

Gemeinsam mit Shu Yang, dem Leiter der Abteilung für Materialwissenschaften und -technik, untersuchten sie verschiedene Ansätze und entwickelten schließlich ein Einwegventil, das die Milch in der Kammer einer speziellen Brustwarze einfängt, sodass das Baby sie durch Beißen statt Saugen entnehmen kann . Ein speziell entwickelter Schraubkragen befestigt den modifizierten Sauger an normalen Milchflaschen. Ko arbeitet derzeit daran, das Produkt zu testen und zu kommerzialisieren.

Ein zweites Projekt kam von Geelsu Hwang, einem Fakultätsmitglied der Zahnmedizinschule und Kernmitglied des Center for Innovation & Precision Dentistry. Hwang erklärte, wie eine Kombination aus Lasertechnologie und Biochemie ein großes Problem lösen könnte, das einen der größten Fortschritte in der Mundgesundheit der letzten Jahrzehnte beeinträchtigt: die Tendenz von Zahnimplantaten, aufgrund von Infektionen oder Zahnfleischerkrankungen zu versagen. Allein in den Vereinigten Staaten werden heute mehr als 3 Millionen Menschen mit Implantaten versorgt, die fehlende Zähne wesentlich sicherer, komfortabler und dauerhafter ersetzen als herkömmliche Prothesen oder Brücken. Sie erfordern jedoch einen invasiven, teuren Prozess mit mehreren oralen Operationen über mehrere Monate hinweg. In viel zu vielen Fällen müssen Implantate weit vor ihrer erwarteten jahrzehntelangen Nutzungsdauer entfernt werden, was invasivere und teurere Verfahren erfordert. Zwei wichtige Hindernisse für den Erfolg bestehen darin, dass derzeit verfügbare Implantate inaktiv sind und dass die Benutzer nicht unbedingt die richtige Hygiene anwenden.

Speziell entwickelter Kaugummi kann Arzneimittel in den Mund transportieren, darunter auch Enzyme, die den Biofilm zerstören.

Hwang und Kollegen haben zwei fortschrittliche Technologien in einem „intelligenten“ Implantat vereint, von dem sie glauben, dass es diese Hindernisse überwinden und gesunde, langanhaltende Ergebnisse liefern kann. Hwang ist ausgebildeter Chemie- und Biomolekularingenieur und hat einen Großteil seiner Forschung auf Biofilme konzentriert, die klebrige, mit Bakterien beladene Substanz, die an den Zähnen haftet und Munderkrankungen begünstigt. Das neue Implantat nutzt zwei dynamische Technologien, um dem Implantat die Selbstverteidigung zu ermöglichen.

Erstens handelt es sich um die Photomodulationstherapie, bei der Laserlicht verwendet wird, um Gewebe, einschließlich des Zahnfleischgewebes, das ein Implantat umgibt, „wesentlich resistenter gegen das Eindringen von Bakterien“ zu machen, erklärte Hwang. Die zweite ist die Piezoelektrizität, ein Prozess, bei dem bestimmte Materialien eine elektrische Ladung erzeugen, wenn sie mechanischer Belastung ausgesetzt werden. Die Krone des intelligenten Implantats enthält speziell entwickelte LED-Leuchten, die dem umliegenden Gewebe eine infektionsbekämpfende Phototherapie bieten, wobei die richtige Lichtmenge im Gerät programmiert ist. „Eine tägliche Belichtung von neun Minuten ist am besten“, sagt Hwang. Kauen und andere natürliche Mundbewegungen sorgen für die mechanische Belastung, die erforderlich ist, um den Strom zu erzeugen, der das Licht antreibt. Da eine Patentanmeldung im Gange sei, fügte er hinzu, sei die Suche nach einer Finanzierung im Gange, um einem Startup-Unternehmen die Durchführung von Tests und klinischen Studien zu ermöglichen, die das Gerät auf den Markt bringen könnten.

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Smruti Nair, die ihren DScD-Abschluss macht, erzählte mir von der „revolutionären“ Arbeit im Labor ihres Mentors, des Biochemikers Henry Daniell, einem weiteren Kernmitglied des Center for Innovation & Precision Dentistry. Das Ziel des Labors, erklärte sie, sei seit langem die Herstellung erschwinglicher Medikamente zur Beseitigung globaler gesundheitlicher Ungleichheiten und eine kostengünstige und wirksame Möglichkeit, diese zu verabreichen.

Daniell arbeitet zusammen mit dem Biomolekularingenieur Daeyeon Lee und anderen Kollegen daran, dies mit speziell entwickelten Kaugummis zu erreichen, die eine Vielzahl kostengünstig hergestellter Arzneimittel in den Mund transportieren können, darunter auch Enzyme, die Biofilm zerstören. Die Entfernung dieser mit Mikroben beladenen Substanz ist für die Mundgesundheit eine offensichtliche Notwendigkeit, aber auch ein herausforderndes Problem, da Biofilme eine Matrix aus biologischen Polymeren enthalten, die die Mikroben schützt und einer Entfernung widersteht. Eine gewöhnliche Zahnbürste, das mit Borsten versehene Gerät, das wir normalerweise für diese Aufgabe verwenden, ist eine alte Technologie, die „auf die Ägypter zurückgeht … seit Jahrtausenden unverändert“, sagt Koo. Darüber hinaus behauptet er, es sei nicht besonders effektiv – ebenso wenig wie das regelmäßige mechanische Schaben, das wir in der Zahnarztpraxis bekommen. Und ebenso wichtig ist, dass ein Pinsel für Menschen mit Behinderungen, die sie daran hindern, damit umzugehen, nutzlos ist.

Daniell produziert neben zahlreichen anderen potenziell nützlichen Proteinen Enzyme zur Biofilmbekämpfung mit einem patentierten, neuartigen Verfahren, bei dem sie in Pflanzen gezüchtet werden. Durch den Beschuss mit der DNA des gewünschten Proteins nehmen die Chloroplasten, die interzelluläre Elemente aller grünen Pflanzen sind, das genetische Material auf und produzieren die gewünschten Moleküle in ihren Blättern. Sobald die Pflanzen gewachsen sind, werden die gewünschten Moleküle extrahiert, gefriergetrocknet und gemahlen, wodurch ein Pulver entsteht, das in eine Pille verpackt oder einem Kaugummi hinzugefügt werden kann.

Um jedoch gegen Biofilm wirksam zu sein, müssen die Enzyme auf ihrem Weg an der Speichelabwehr des Mundes, die sie normalerweise abbauen kann, geschützt werden. Hier kommt der spezielle Gummi ins Spiel, der mit Eigenschaften ausgestattet ist, die die Enzyme intakt halten.

Schwärme von Mikrorobotern könnten eingesetzt werden, um Biofilm schnell, sicher und bequem zu entfernen.

Bei einer weiteren vielversprechenden Anwendung erweist sich die Abgabe eines anderen Enzyms, ACE2, über das Zahnfleisch als vielversprechend, um die Übertragung zu reduzieren und eine Infektion durch das Sars-CoV-2-Coronavirus zu verhindern, bemerkte Nair. Die FDA hat ihm kürzlich grünes Licht für klinische Studien gegeben.

Koo hatte Jahre damit verbracht, Biofilme zu erforschen und suchte nach einer neuen Möglichkeit, sie von den Zähnen zu entfernen. Er suchte nach einer Methode, die seinen Kriterien gerecht wurde: Sie musste praktisch, skalierbar und kostengünstig sein. Er und Kollegen hatten mit Nanopartikeln experimentiert, die Eisenoxid enthalten, das durch katalytische Wirkung dazu führen kann, dass Wasserstoffperoxid freie Radikale freisetzt, die Biofilme aufbrechen können. Durch einen Freund erfuhr er von der Arbeit an der Ingenieurschule mit einer sehr ähnlichen Art von eisenoxidhaltigen Nanopartikeln. Die Ingenieure verwandelten sie jedoch in Mikroroboter, indem sie Magnetfelder nutzten, um sie in bestimmte Bewegungen zu führen. Wie wäre es, sie über, um und zwischen den Zähnen zu führen? Koo, Steager, Stebe und andere bündelten ihre Kräfte über Disziplinen hinweg und stellten sich vor, wie Schwärme von Mikrorobotern eingesetzt werden könnten, um Biofilm schnell, sicher und bequem zu beseitigen.

Gemeinsam entwickelten die Gruppen zwei verschiedene Systeme für sogenannte katalytische antimikrobielle Roboter zum Abbau und zur Entfernung von Biofilmen. Der erste Ansatz suspendiert Nanopartikel in einer Lösung und der zweite bettet sie in Gele ein, die in verschiedene dreidimensionale Formen geformt werden. Die Nanopartikel entfernen Biofilme von Oberflächen wie der Vorderseite Ihrer Zähne, ähnlich wie ein Schneepflug Schnee räumt, und auch von geschlossenen Räumen und engen Passagen, wie z. B. engen Zwischenräumen zwischen den Zähnen.

Tests mit flachen Glasscheiben und Glasröhren zeigten, dass beide Ansätze die bakteriellen Biofilme und die Matrix präzise angreifen und zerstören und die Trümmer so vollständig entfernen können, dass die Biofilme kaum eine Chance haben, nachzuwachsen.

Und als Bonus, sagt Koo, können die von der FDA zugelassenen Nanopartikel, die „ein paar Cent pro Gramm kosten“, auch zur Behandlung von Eisenmangelanämie eingesetzt werden, einem weiteren Gesundheitsproblem, das häufig arme und unterernährte Bevölkerungsgruppen betrifft. Somit könne eine Lösung zwei große Probleme lösen, sagt er.

Bei all den Ideen und Projekten, die auf dem Symposium erörtert wurden, sind Penn-Forscher kaum die Einzigen, die an der Grenze der Innovation in Wissenschaft und Technik der Mundgesundheit arbeiten. Um nur zwei Beispiele zu nennen: Das Science & Research Institute der American Dental Association in Gaithersburg, MD, arbeitet an der Entwicklung und Kommerzialisierung innovativer Lösungen für Mundgesundheitsprobleme und der Harvard-Bioingenieur David Mooney arbeitet an der Entwicklung von Biomaterialien zur Unterstützung bei Operationen und Zellregeneration. Aber das Zentrum scheint mit seiner Führung, Integration und seinem Sendungsbewusstsein gut positioniert zu sein, um ein wichtiger Akteur zu sein.

Anmerkung des Herausgebers: Diese Geschichte wurde am 19. August 2022 aktualisiert, um zu verdeutlichen, dass Koo der Mitbegründer des CiPD-Zentrums ist, und um seine Aussage im vorletzten Absatz klarzustellen.

Von Beryl Lieff Benderly am 11. August 2022

Beryl ist eine preisgekrönte Wissenschaftsautorin und Mitglied der American Association for the Advancement of Science.