Fluorids virkningsmekanisme

KØBENHAVNS UNIVERSITET Fluorids virkningsmekanisme Herunder et forsøg på at visualisere CaF 2 Bachelorprojekt 2014 Odontologi Skrevet af: Christina Cecilia Rohde Dalia Taher Saber Erle Marie Ringvold Vejleder: Kim Ekstrand Fagområde: Cariologi og endodonti, pædodonti og klinisk genetik

Resumé Formålet med denne opgave er at beskrive fluorids virkningsmekanisme på emalje og visualisere udfældningen af CaF 2 ved hjælp af elektronmikroskopiske undersøgelser. Opgaven forsøges besvaret gennem en empirisk litteraturgennemgang af tidligere forsøg og studier. Desuden udføres et mindre forsøg med applicering af 2 % NaF i 1 minut på tre forsøgspersoner med sund emaljeoverflade for at illustrere udfældningen af CaF 2. Fluorid anvendes ofte til behandling og forebyggelse af dental caries ved applicering på tanden. Det er tidligere epidemiologiske undersøgelser fra 1900-tallet, der danner grundlag for anvendelsen af fluorid i tandplejen i dag. Undersøgelserne viste, at der var en sammenhæng mellem lav cariesforekomst og et højt fluoridindhold i drikkevandet. Ved applicering af fluoridforbindelser på emaljen dannes oftest CaF 2 i mikroporøsiteter, der kan fungere som fluoridfrigivende depoter ved efterfølgende ph fald. Undersøgelsen viste, at fluorid kan interagere med emalje på flere måder. Ved lave koncentrationer af fluorid kan fluoridionerne indgå i emaljens krystalgitter ved dannelsen af fluorapatit, hvormed emaljens opløselighed falder. Ved høje koncentrationer af fluorid dannes CaF 2, der kan fungere som et beskyttende lag over den underliggende emalje og som et fluoridfrigivende depot. Desuden kan fluorid hæmme bakteriernes metabolisme ved at hæmme enzymet enolase. På baggrund af dette bliver fluorid tilsat i dentalprodukter til brug på klinikken og i hjemmet. Kilderne øger fluoridindholdet i saliva, plakvæske og den orale mucosa således, at cariestilvæksten falder. Den elektronmikroskopiske analyse viste en beskeden og lavere forekomst af sfæriske CaF 2 -lignende strukturer end forventet fra tidligere undersøgelser. Det kan forklares ved en lav appliceringstid og en sund emalje. Vi kan konkludere, at vi igennem litteraturen kender til fluorids virkningsmekanisme på caries. Lokal applicering af fluorid beskytter mod opløsning af emalje ved at danne CaF 2, som derefter er med til at danne fluorapatit. Den beskyttende effekt afhænger af koncentrationen af fluorid, appliceringstiden samt af graden af emaljedemineralisering. 1

Abstract This project investigates the mechanism of fluoride on enamel. The study is answered through an analysis of previous trials and studies. To explain the mechanism of fluoride, the structure of enamel is examined as well as de- and remineralization processes of the tooth surface. Furthermore epidemiological studies from the 1900s that are the reason for the use of fluoride in dentistry are analysed. Sources of fluoride used by professionals and for use at home are also described. Additionally, a minor experiment is made in order to visualize the formation of CaF 2, by the use of an electron microscope. In order to do this 2 % NaF was applied for 1 minute on sound enamel in vivo. The electron microscope analysis revealed the precipitation of small amounts of spherical CaF 2 -like structures. This can be explained by the short application time and the application on sound enamel without micro porosities. The results of the experiment are consistent with previous studies. 2

Indholdsfortegnelse Resumé... 1 Abstract... 2 Indledning... 4 Problemformulering... 4 Metoder... 4 Emalje... 5 Emaljeoverfladen... 6 Demineralisering... 6 Remineralisering... 7 Fluorid... 8 Epidemiologiske undersøgelser... 8 Calciumfluorid... 10 Anvendelse af fluorid... 12 Fluorid i drikkevand... 12 Fluoridholdige dentalprodukter... 13 Til hjemmebrug... 13 Til brug på klinikken... 14 Forsøg... 14 Materialer og metoder... 14 Elektronmikroskopanalyse og resultater... 15 Diskussion... 16 Konklusion... 18 Litteraturliste... 19 3

Indledning Fluorid er et grundstof med unikke kemiske egenskaber, som også kan påvirke den bakterielle vækst. Fluorid anvendes til behandling og forebyggelse af caries, da den er vist til at kunne sænke cariesforekomsten i en given tidsperiode med 40-45 %. 1 I opgaven fokuseres der på fluoridbehandling og dets virkningsmekanisme med 2 % NaF i 1 minut. Vi valgte 1 minuts applicering af 2 % NaF, fordi det er den tid, som vejledningerne på Københavns Tandlægeskole angiver som tilstrækkelig. NaF anvendes til behandling af superficielle carieslæsioner, der typisk befinder sig i emaljen. Når der appliceres NaF på emalje udfældes der CaF 2, som danner depoter i mikroporøsiteter. For at kunne klarlægge fluorids virkningsmekanisme på emalje beskrives i opgaven emaljens opbygning, struktur og overflade samt de- og remineraliseringsprocesserne. Dernæst beskrives de epidemiologiske undersøgelser, der ligger til grund for anvendelse af fluorid i dag. Ydermere beskrives, hvordan fluorid anvendes til cariesforebyggelse både til hjemmebrug og på klinikken. Der forsøges at visualisere udfældningen af fluorid på emalje ved hjælp af et elektronmikroskop efter applicering af 2 % NaF i 1 minut på en forsøgsperson med sund emalje. Til sidst diskuteres forsøgsresultaterne sammenholdt med, hvad man ville forvente ud fra teori og tidligere undersøgelser. Problemformulering Hvordan interagerer emalje og fluorid kemisk? Hvad er baggrunden for anvendelse af fluorid i cariesforebyggelse, og hvor kommer fluoren fra? Hvordan udfældes CaF 2 på emalje, og kan det visualiseres? Metoder Opgaven besvares ved hjælp af en litteraturgennemgang af tidligere forsøg og faglitterære bøger. Desuden anvendes den hypotetisk deduktive metode, hvor der udføres et mindre eksperiment i forsøg på at illustrere fluorids formodede virkningsmekanisme på emalje ved dannelse af CaF 2. Til sidst sammenlignes og diskuteres resultaterne fra eksperimentet med tidligere undersøgelser. 1 Cariologi vejledning nr. 1: Fluorid og caries 4

Emalje Emalje er det hårdeste væv, der findes i kroppen. Det udgør det yderste lag af tænderne og dækker tandkronen. Emaljens hårdhed opnås af dens høje mineralisering, hvilket øger dens styrke således, at tanden kan modstå fraktur under tygning. Tykkelsen af emaljen varierer, og er tykkest i belastede områder, hvor den kan være helt op til 2,5 mm. 2 Emaljen består af en uorganisk del og en organisk del. Elektronmikroskopiske undersøgelser viser, at den største del af emaljen består af uorganiske krystaller, som vægtmæssigt udgør 96 % af volumen. 3 De lange og tynde krystaller er ca. 50 nm brede i tværsnit og mere end 100 µm lange. Nogle mener, at krystallerne kan blive så store, at de kan strække sig gennem hele emaljen. 4 Krystallerne er organiseret i cylindriske strukturer kaldet prismer/emaljestave. Mellem de enkelte prismer findes en lille spalte, rod sheath, indeholdende organisk væv, vand og luft, der tilsammen udgør den organiske del af emaljen. Hver emaljestav er opbygget af talrige krystaller, som er orienteret i en bestemt retning. Emaljestavene er adskilt af krystaller i interprismatisk substans, der er lejret i et anderledes mønster end emaljestavene. Emaljestave dannes af ameloblaster, og strækker sig fra emaljens overflade til emalje-dentingrænsen således, at de er lejret vinkelret på tandoverfladen. Ved dannelsen af emaljen, dannes først en aprismatisk emalje ved emalje-dentingrænsen. Ameloblasterne udvikler herefter en struktur kaldet Tomes proces, der er specielt velegnet til exocytose. Herfra secerneres emaljekrystallerne, svarende til emaljestavene og den interprismatiske substans, der indbyrdes har forskellige retninger. Når det yderste lag af emaljen dannes, har ameloblasterne mistet Tomes proces, og derfor bliver emaljen aprismatisk igen. 5 Det strukturelle og parallelle krystalmønster er med til at øge hårdheden 6 og densiteten af emaljen. 7 8 Emaljekrystallerne ligner hydroxyapatitkrystaller, Ca 10 (PO 4 ) 6 OH 2, på måden calcium-, phosphatog hydroxylioner er arrangeret i et gentagende iongitter. 9 Andre ioner som fluor, magnesium, strontium og bly kan dog også indgå i krystallen, hvis de er til stede under emaljedannelsen. Emaljen kan derfor også indeholde krystaller som carboneret hydroxylapatit og fluorapatit. Den organiske del af emaljen udgør ca. 1 % af volumen, og består af enzymer og emaljeproteiner. Emaljeproteinerne udgøres til største del af amelogeniner som enamelin, tuftelin og amelin og nonamelogeniner. I færdigdannet emalje har proteinerne ingen funktion, men de er under krystal- 2 Nanci, A., 2008, s. 141 3 Cole, A.S. m.fl., 1988, s. 460-461 4 Avery, J.K., 2002, s. 157. Nanci, A., 2008, s. 143-157 5 Nanci, A., 2008, s. 166 6 Hydroxyapatit har en hårdhed på 430 KHN. 7 Densitet af emalje 2,95 g/cm 3. 8 Boyde, A., 1997, s. 24 9 Brès, E.F. m.fl., 1985, s. 261 5

dannelsen med til at bestemme krystallernes retning. De sidste 3 % af emaljen består af vand. Da der ingen celler findes i emaljen, betyder det, at emalje ikke kan fornyes. På trods af dette, sker der over tid stadig forandringer i den, fordi den er gennemtrængelig for mindre ioner. I forbindelse med ændringer i det orale miljø, ved blandt andet plakdannelse, kan der i emaljen ske en de- og remineralisering med tilstedeværende ioner. Emaljeoverfladen Emaljeoverfladen består af glatte og ujævne områder, hvor der ses porer (Tomes Proces Pits) og furer. Furerne kaldes perikymatier og er mindre mineraliserede end andre områder af emaljen. 10 Furerne stammer fra retziuslinier, som er vækstlinier, der forekommer med 20-80 µm mellemrum. I furerne og porerne ses matrixproteiner og vand. Nogle steder ses der porer svarende til der, hvor Tomes proces har været. Porer og uregelmæssigheder på tandoverfladen har en betydning for dannelsen af caries, da de kan fungere som bakterieakkumulations områder og diffusionsveje. Emaljeoverfladen er generelt mere mineraliseret end underliggende emalje, da der kan forekomme mineralisering i porerne. Den er derfor mindre permeabel end den underliggende emalje. Det lave indhold af organisk materiale gør emaljen mere modstandsdygtig overfor syrepåvirkninger. Demineralisering Demineralisering af emaljen sker ved en opløsning af emaljens hydroxyapatitkrystaller. Demineralisering er et resultat af en forstyrrelse i den kemiske ligevægt, der normalt opretholdes mellem det orale væskemiljø og emaljen. Ligevægten bestemmes ved, at ionerne i det orale væskemiljø er til stede således, at ionproduktet netop svarer til opløselighedsproduktet. 11 Ionproduktet er den samlede koncentration af alle ioner i hydroxyapatit, og beregnes ved at multiplicere koncentrationerne opløftet i antallet af ioner. For hydroxyapatit udregnes ionproduktet: IAP 2+ 10 3-6 - 2 HA = (Ca ) (PO 4 ) (OH ) Krystallernes opløselighed beregnes ud fra deres opløselighedsprodukt (KSP HA ), som er givet ved en bestemt værdi. Opløselighedsproduktet for hydroxyapatit er: KSP HA = (Ca 2+ ) 10 (PO 3-4 6 (OH Når ionproduktet overstiger opløselighedsproduktet, er opløsningen overmættet, og der ses en udfældning af krystal. Når ionproduktet er mindre end opløselighedsproduktet, er opløsningen under- ) - ) 2 =10-118 M 18 10 Rölla, G. m.fl., 1994, s. 196 11 Bruun, C. og Thylstrup, A., 1989, s. 8 6

mættet, hvilket vil føre til opløsning af krystal. Under normale forhold er det orale væskemiljø overmættet med hensyn til hydroxyapatit. Der sker dog ikke en udfældning af hydroxyapatit på tænderne, idet der i saliva secerneres nogle krystalvækstinhiberende proteiner. Proteinerne hindrer udfældning af hydroxyapatit på tænderne samtidig med, at overmætningen i forhold til hydroxyapatit opretholdes. Ved fald i ph ses en opløsning af krystal, idet de positive H + fra syren kan reagere med den tertiære phosphation, PO 3-4, og hydroxylionen, OH -, i hydroxyapatitkrystallerne: Ca 10 (PO 4 ) 6 OH 2 10Ca 2+ + 6 PO Dette vil føre til, at opløsningen efterhånden vil blive undermættet med hensyn til hydroxyapatit. Faldet af ph vil først medføre, at de iondepoter, der findes i det overmættede væskemiljø, bliver opbrugt. Dette sker normalt omkring ph 5,2-5,5, som kaldes den kritiske ph 12. Ved denne phværdi begynder hydroxyapatitkrystallerne i emaljen at gå i opløsning og demineralisere. 13 Den drivende kraft for demineralisering er derfor opløsningens grad af mætning. H H H HPO 2 + PO + 3-4 2-4 2-4 + 2OH H H 2 + - O Remineralisering Nogle af de ioner, der opløses fra emaljens hydroxyapatit ved en demineralisering, forbliver i det lokale væskemiljø i plakken. Disse ioner vil, når syreproduktionen standser og ph stiger, indgå i en ny situation, hvor ligevægten igen forskydes mod en overmættet tilstand. Dette giver anledning til en remineralisering af apatitkrystallerne. Ved ph over 7, øges koncentrationen af phosphationer og hydroxylioner, hvorfor ionproduktet vil overstige opløselighedsproduktet, og opløsningen bliver overmættet. Inkorporering af andre uorganiske ioner i emaljen kan påvirke de fysiske og kemiske egenskaber af krystallerne. Fluorid kan sænke opløselighedsproduktet af emaljen ved dannelse af fluorapatit, Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2, og dermed hæmme demineraliseringen. Omvendt kan carbon inkorporeret i emaljen 12 Ten Cate, J.M. og Larsen, M.J., 2008, s. 211-212 13 Bruun, C. og Thylstrup, A., 1989, s. 9-10 7

øge den kritiske ph og opløselighedsproduktet. Fluorid kan også øge remineraliseringen ved at øge hydroxyapatitdannelsen. Fluorid Fluorid, F -, er et grundstof, som kan optræde i forskellige forbindelser. Fluorid har en lille atomradius, og er det mest elektronegative stof af alle grundstoffer. 14 Dette giver den unikke egenskaber i mange kemiske forbindelser. 15 Fluoridioner kan interagere med emaljen og bakterier på forskellige måder. 1) Fluoridioner og hydroxylioner har næsten den samme masse, men da fluorid er mere elektronegativt, er den elektrostatiske attraktion mellem calciumionerne og fluoridionerne større, end den mellem calciumionerne og hydroxylionerne. Fluorid inkorporeret i emalje øger derfor krystallernes stabilitet uden at ændre den overordnede krystalstruktur, hvilket gør dem mindre opløselige i syre. 16 Demineralisering af fluorholdig emalje, fluorapatit, indtræder først ved en kritisk ph svarende til 4,5. 17 2) Tilstedeværelsen af fluoridioner øger også krystalvækst ratioen, hvilket resulterer i større krystaller. Grunden til den øgede vækst er uklar, men små mængder af fluorapatit dannes og de initierer yderligere apatitvækst. 3) Fluoridioner i det orale væskemiljø inhiberer desuden bakteriernes syreproduktion. Enzymet enolase, som omdanner 2-phosphoglycerat til p- enolpyruvat i glycolysen, hæmmes ved, at fluorid binder til magnesium, som enolasen er afhængig af for at fungere. 18 Fluor har dermed flere måder at hæmme demineraliseringen på. Ved et for højt indtag kan fluorid virke toksisk, og dermed give systemiske forstyrrelser, som kan være letale. 19 Ved indtag af relativt små mængder fluorid under emaljedannelsen påvirkes ameloblasternes mineraldannelse, hvilket fører til dental fluorose. Det ses klinisk som permanente hvidlige/brunlige misfarvninger på tænderne. 20 Epidemiologiske undersøgelser Allerede i 1800-tallet begyndte man at undersøge effekten af fluorid på tænder. Det var dog først i 1900-tallet da tandlægen Frederick McKay opdagede brune misfarvninger på hans patienter i Colorado Springs, USA, at epidemiologiske undersøgelser blev indledt. Han bemærkede, at misfarvningerne var mere resistente mod demineralisering end den resterende emalje. McKay 14 Møller, I.J., 1965, s. 14 15 Buzalaf, M.A.R. m.fl., 2011, s. 97 16 Robinson, C. m.fl., 1996, s.71-72 17 McCann, H.G., 1968, s. 997 18 Hamilton, I.R. m.fl., 1996, s. 236 19 Whitford, G.M., 1996, s. 167 20 Fejerskov, O. m.fl., 1988, s. 12-13 8

bemærkede også misfarvninger i andre dele af landet, og dette gjorde, at han mistænkte drikkevandet, for at være årsag til misfarvningerne. 21 McKay beskriver dette i The relation of mottled enamel to caries : Mottling of the enamel is produced by some substance at present not determined, but, from overwhelming evidence, believed to be contained in the water used during enamel-growing years. This substance acts invariably on all forming enamel, and the damage it produces is identical as between individuals and between geographic districts wherever situated 22 I 1930 analyserede kemikeren H.V. Churchill koncentrationer af fluorid i drikkevandet. I hans undersøgelse Occurence of fluorides in some waters of the United States fandt han, at fluorid var en gennemgående fællesnævner for områder med forekomst af misfarvninger. Han noterede dog, at der ikke var nogen præcis sammenhæng mellem fluoridindholdet og misfarvningerne. 23 Efter denne opdagelse blev tandlægen H.T. Dean hyret af USA s public health service til at undersøge sammenhængen mellem fluoridindholdet i drikkevandet og dental fluorose samt cariesprævalensen. Hans undersøgelser viste en invers sammenhæng, det vil sige, at jo højere fluoridkoncentration, jo hyppigere forekomst af misfarvninger og jo lavere cariesprævalens. I Endemic fluorosis and its relation to dental caries fra 1938 skriver han: [ ] severity of dental caries is, in general, lower in mottled enamel areas as compared with normal areas in the same state. 24 Dean fandt yderligere, at fluoridkoncentrationer op til 1,0 ppm i drikkevandet gav en mild forekomst af dental fluorose, og et betydeligt fald i DMFT 25 med en reduktion i cariesforekomsten med 50 %. 26 Fluoridkoncentrationer over 1 ppm, gav ifølge undersøgelserne ikke anledning til en betydelig DMFT reduktion. Deans undersøgelser er baggrunden for, at der i dag tilsættes fluorid til drikkevandet i områder med lavt fluoridindhold. 21 Giuseppe P., 2007, s. 190 22 McKay F.S., 1928, s. 1436 23 Churchill, H.V., 1931, s. 997 24 Dean, H.T., 1938, s. 495 25 DMFT (Decayed Missing Filled Teeth): beskriver prævalensen af dental caries i tænder hos et individ 26 Murray, J.J. m.fl., 2003, s. 38-43 9

I Danmark er der blevet lavet undersøgelser, der viser, at fluoridkoncentrationer på over 0,3 ppm ikke giver et væsentligt fald i DMF-S.27 28 På baggrund af disse ovenstående fund er der siden blevet lavet utallige undersøgelser om fluorids virkningsmekanisme med hensyn til remineralisering, demineralisering og på bakterieniveau. I 1937 demonstrerede Stone og Werkman sensitiviteten af fluorid på enolase, og i 1942 fandt Warburg og Christian frem til, at enolase var et metalloenzym, som krævede en kation som Mg2+ for at fungere. 29 John L. Meyer og George H. Nancollas fandt, at fluorid øger hydroxyapatit krystaldannelsen ved høje koncentrationer. I 1968 beskrev McCann fluorapatits virkning på demineraliseringen.30 Calciumfluorid Saltet calciumfluorid, CaF2, er det første reaktionsprodukt på emaljen efter lokal fluorbehandling. 31 CaF2 siges at kunne ses som små sfæriske globulus-lignende strukturer, der består af mikrokrystaller. Rene CaF2-krystaller har en kubisk form, men fordi der er phosphat og/eller protein til stede på tandoverfladen in vivo, inkorporeres dette også i krystallen. Derfor får de en mere sfærisk form. 32 Mængden og størrelsen af de globulus-lignende strukturer afhænger af ph, koncentrationen af fluoridopløsningen og tiden, hvormed tandoverfladen er eksponeret for fluorid. 33 De globulus-lignende strukturer udfældes oftest i porerne og langs perikymatierne på emaljeoverfladen, idet perikymatierne er mere opløselige end andre 27 DMF-S (Decayed Missing Filled Surfaces): beskriver prævalensen af dental caries på tændernes flader hos et individ Ekstrand, K., 2007, s. 24 29 Hamilton, I.R. m.fl., 1996, s. 236 30 McCann, H.G., 1968, s. 989-1001 31 White, D.J. og Nancollas G.H., 1989, s. 587 32 Bruun, C og Givskov, H., 1991, s. 98 33 Øgaard, B., 1990, s. 813 28 10

områder af emaljen.34 CaF2 udfældes i områder på emaljen, hvor fluoridionkoncentrationen er høj. Det ses især i mikroporøsiteter. For, at der kan udfældes CaF2, kræves det, at fluoridkoncentrationen er over 100 ppm. 35 2- Ca 10 (PO 4 ) 6 OH 2 + 20 F - + 8 H + 10 CaF2 + 6 HPO 4 + 2 H 2 O Studier har vist, at CaF2 opløses langsomt i saliva og plakvæske.36 Grunden til den langsomme opløsning er, at CaF2 krystallerne ved neutralt ph bliver coated af pellikelproteiner og sekundære phosphationer, HPO42-.37 Ved lavt ph, mister CaF2 sin coating, og der ses en øget opløsning af CaF2. De fluoridioner, der bliver frigivet, kan absorberes på emaljeoverfladen og ophobe sig inde i mikroporer i carieslæsioner og i emaljen. CaF2 fungerer derfor som langsomt fluoridfrigivende depoter i lange perioder. Ved lavere ph sker der en hurtigere opløsning af CaF2.38 39 Figur 3. Dannelse af CaF2 i mundhulen. CaF2 hindrer også opløsningen ved, at de frigivne fluoridioner danner det tungtopløselige fluorapatit. 40 Fluorapatit dannes, hvis fluoridkoncentrationen er lav, omkring 50 ppm, i et surt miljø.41 34 Rölla, G. m.fl., 1994, s. 196 Bruun, C og Givskov, H., 1991, s. 99 36 Ten Cate, J.M. og Larsen, M.J., 2008, s. 211 37 Rölla, G og Saxegaard, E., 1990, s. 780 38 Rölla, G. og Ekstrand J., 1996, s. 223-224 39 Rölla, G. og Ekstrand J., 1996, s. 223 40 Rölla, G. m.fl., 1994, s. 190 41 Ten Cate, J.M. og Larsen, M.J., 2008, s. 225 35 11

Efter fald i ph kan de CaF 2 globulus-lignende strukturer stabiliseres igen ved absorption af proteiner og sekundære phosphationer. Inkorporeringen af phosphationer i CaF 2 -krystallerne, gør dem mere opløselige og derfor mere tilbøjelige til at frigive fluoridioner. 42 Anvendelse af fluorid Fluorid findes i drikkevandet og i fluoridholdige dentalprodukter, og reducerer cariesdannelsen ved at inhibere demineralisering, øge sandsynligheden for remineralisering og enzymatisk inhibere bakteriernes syreproduktion. Fluoridkilderne giver anledning til ophobning af lave koncentrationer af fluorid i saliva og plakvæske, der kan udfældes, som CaF 2, på emalje eller i carieslæsioner. Dannelsen af dette produkt afhænger af fluoridkoncentrationen. Der findes forskellige fluorforbindelser i kilderne som for eksempel natriumfluorid (NaF), tinfluorid (SnF 2 ) og APF. 43 Fluorid kan blive tilgængeligt ved opløsning af disse fluorforbindelser. Fluorid i drikkevand Fluorid i drikkevand kan forekomme naturligt eller blive tilsat. Fluoridioner tilsættes i specifikke mængder således, at et optimalt niveau opretholdes med hensyn til forebyggelsen af caries og som ikke fører til dental fluorose. Dette optimale niveau er normalt omkring 0,7 til 1,0 ppm, afhængig af klima og miljø. 44 Indholdet af fluorid i drikkevand kan give anledning til inkorporering af fluorid i emalje under emaljedannelsen. Dette har dog ikke en signifikant carieshæmmende effekt. Derimod har undersøgelser vist, at en hyppig eksponering for lave koncentrationer af fluorid har den bedste carieshæmmende effekt. Effekten af fluorid i drikkevandet kommer ved, at fluoridionerne optages i saliva og plakvæske. 45 Tilstedeværelsen af fluorid i saliva og plakvæske reducerer demineralisering af emalje og forstærker remineraliseringen. Den carieshæmmende effekt af fluorid i drikkevandet er dermed hovedsageligt posteruptiv. Nyere undersøgelser viser, at fluorid i drikkevandet kun giver en reduktion på 15 %. 46 42 Rölla, G. m.fl., 1994, s. 196 43 Acidulated phosphate-fluoride 44 Burt, B.A., 1982, s.391 45 Featherstone, J.D.B., 1999, s. 36 46 Giuseppe P. m.fl., 2007, s. 191 12

Fluoridholdige dentalprodukter Fluoridholdige dentalprodukter til hjemmebrug og på klinikken giver anledning til en større cariesreduktion end fluorid i drikkevandet. Når disse produkter bliver brugt, kan fluorid ophobes i saliva, plakvæske og i den orale mucosa i koncentrationer med en signifikant effekt på de- og remineralisering, idet ionerne ophobes som et depot. 47 Fluoridindholdet i produkterne, varierer fra 225 ppm til cirka 20.000 ppm. 48 Fluorid i tandpasta og mundskyl er blevet vist at kunne reducere cariesprævalensen med omkring 25 %. 49 Til hjemmebrug Fluorid findes blandt andet i produkter som tandpasta, geler, mundskyl og tyggegummi. Tandpasta indeholder normalt imellem 500-1500 ppm F -. De mest anvendte fluorforbindelser i tandpasta er natriumfluorid (NaF), natrium monofluorphosphat (Na 2 PO 3 F), tinfluorid (SnF 2 ) og aminfluorid. De fleste fluoridtandpastaer indeholder natrium monofluorphosphat som den aktive ingrediens. 50 I denne form er fluorid bundet i den komplekse PO 3 F 2- -ion, og kræver derfor enzymatisk hydrolyse for at blive frigivet. Når monofluorphosphaten møder bakterielle phosphataser, hydrolyseres disse og fluorid frigives og diffunderer ind i plakken. Dette sker hurtigt i forbindelse med tandbørstning. 2-2- - 3F + H 2O H 2PO 4 + F PO I aminfluorid er fluoridionerne tiltrukket af aminradikaler i organiske carbonforbindelser. Aminfluorid er kendetegnet ved at være i kontakt med tandoverfladen i længere tid og reducere emaljens opløsning bedre end de uorganiske fluorforbindelser. Undersøgelser har vist, at aminfluorid ikke har en bedre carieshæmmende effekt end de uorganiske fluorforbindelser, på trods af, at den hæfter bedre til tanden og har en bedre antibakteriel effekt. Fluorgeler indeholder høje koncentrationer af fluorid. Fluoridionerne i gelerne kan være bundet både til NaF og til APF. APF opløses ved lavt ph. 51 Anvendelse af fluoridgeler reducerer cariesprævalensen med omkring 27 %, 52 og kan give en cariesbeskyttende effekt i op til 23 måneder. Mundskyl med fluorid indeholder 0,2 % NaF. Ved skylning med opløsningen afsættes lave fluoridkoncentrationer i det orale væskemiljø. 53 Mundskylning med fluor reducerer cariesprævalensen med omkring 46 %. 54 47 Rölla, G. og Ekstrand, J., 1996 s. 215-226 48 Horowitz, H.S. og Ismail A.I., 1996, s. 311-312 49 Giuseppe P. m.fl., 2007, s. 191 50 Ellwood, R. m.fl., 2008, s. 311-316 51 Horowitz, H.S. og Ismail A.I., 1996, s. 313-314 52 Giuseppe P. m.fl., 2007, s. 191 53 Horowitz, H.S. og Ismail A.I., 1996, s. 319-320 13

Til brug på klinikken Til lokalapplikation af fluorid er de mest anvendte på Københavns Tandlægeskole 2 % NaFopløsning og 2,26 % NaF-holdig Duraphat-lak. Ved applicering af NaF på tandoverfladen udfældes og inkorporeres CaF 2 i plak og i mikrolæsioner, og virker som et reservoir af fluoridioner, der bidrager til at begrænse mineraltab. 55 2 % NaF-opløsning svarer til 10.000 ppm 56. Undersøgelser viser, at 1 minuts applicering af NaF giver den samme mængde CaF 2, som 5 minutters applicering gør. Derfor appliceres det på klinikken i 1 minut. Duraphat-lak indeholder 5 % F -, svarende til 22.600 ppm. Ved applicering af lakken, er det kun en lille del af NaF, der bliver ioniseret med det samme og dermed har en hurtig effekt. Lakken skal opløses før, det kan interagere med emaljens krystaller. Dette sker ved en reaktion med saliva, hvorved fluoridionerne udskilles. 57 Undersøgelser har vist, at 1 minuts applicering af 2 % NaF-opløsning giver den samme mængde CaF 2 som 6 timers Duraphat-lak, selvom Duraphat har en højere fluoridkoncentration. 58 Årsagen til dette er, at Duraphat forekommer på lakform, og derfor er sværere at opløse. 59 Forsøg Forsøget har til formål at visualisere udfældningen af CaF 2 på sund emalje in vivo efter applicering af 2 % NaF, ved hjælp af et elektronmikroskop. Materialer og metoder Der blev udvalgt to intakte og cariesfri centrale incisiver i over- og underkæbe på tre forsøgspersoner. Facialfladerne på 21+12 og 21-12 blev afpudset med tandpasta for at fjerne bakterier og pelliklen. Herefter blev tandoverfladerne skyllet grundigt med vand og aftørret. Da overfladen var helt ren og tør appliceredes, i 1 minut, 2 % NaF med en vatpellet på emaljen af 1+ og 1-. +1 og -1 forblev ubehandlet og fungerede som kontroltænder. Efter indtørring af NaF på tandoverfladen, blev der taget aftryk af tænderne svarende til 3+3 og 3-3 med Take 1 Advanced, hvilket er et silikone materiale. Aftrykkene blev støbt ud i 15 ml Epofix resin blandet op med 2 ml Epofix hardener. Efter 24 timer fjernedes det størknede resinaftryk fra silikonen. Resinaftrykkene tilpassedes således, at 1+1 og 21-12 kunne blive belagt med guldpalladium i en vakuummaskine. De guld- 54 Giuseppe P. m.fl., 2007, s. 191 55 Rölla, G. og Ekstrand, J., 1996 s. 222-224 56 Cariologi vejledning nr. 1: Fluorid og caries 57 Bruun, C og Givskov, H., 1991, s. 98-99 58 Øgaard, B. m.fl., 1984, s. 193-195 59 Rölla, G. m.fl., 1994, s. 197 14

belagte aftryk, undersøgtes herefter med et elektronmikroskop, der var koblet til en computer som eventuelt kunne synliggøre udfældningen. Elektronmikroskopanalyse og resultater I elektronmikroskopet sås på de NaF-behandlede tænder flere sfæriske strukturer i varierende størrelser end på kontroltænderne. De sfæriske strukturer danner klynger, som stedvis dækker overfladen. Fig. 4 viser den NaF- behandlede 1+ sammenlignet med den ubehandlede +1. På 1+ genkendes få sfæriske strukturer, der morfologisk svarer til en udfældning CaF2. På den ubehandlede +1 ses ingen sfæriske strukturer, hvilket må indikere, at strukturerne på den behandlede 1+ må være CaF2. På fig. 5 ses, at de sfæriske strukturer er mindre end 1 µm i diameter. 15

Fig. 6 viser den NaF- behandlede 1- sammenlignet med den ubehandlede -1. Ligeledes genkendes sfæriske strukturer på 1- svarende til en udfældning af CaF2. Det skal understreges, at på én af forsøgspersonerne, kunne der ikke ses forskel på test- og kontroltand. Diskussion Fluorids virkningsmekanismer på caries er velbeskrevet 60 61, hvilket er gennemgået i opgaven. Lave koncentrationer af fluorid i plakvæsken fremmer remineralisering. Lokal applikation af 2 % NaF fører til dannelsen af CaF2, der fungerer som et fluoridfrigivende depot. Depotet sørger for, at fluoridkoncentrationen i plakvæsken er høj nok til, at der kan forekomme en remineralisering af emalje. 62 I vores eksperiment har vi koncentreret os om at forsøge at visualisere den kendte dannelse af CaF2, når der appliceres fluorid i koncentrationer > 100 ppm63 F- på tandoverflader. I litteraturen fandt vi anvisninger på, hvordan dette tidligere var undersøgt. Udfældning af CaF2 på tandoverfladen er tidligere blevet undersøgt elektronmikroskopisk af Rölla og medarbejdere m.fl., 64 hvor de blandt andet viste, at CaF2-dannelsen er større, når tænderne er blevet behandlet med NaF i 24 timer i forhold til 5 minutter. Ved 5 minutters applicering af 2 % NaF er de dannede CaF2strukturer også mindre i størrelse end efter 24 timer. 60 White, D.J. og Nancollas G.H., 1989 Rölla, G., 1988 62 Rölla, G. og Ekstrand J., 1996, s. 223-224 63 1 ppm = 1 mg/kg 64 Rölla, G., Saxegaard, E., Valderhaug, J., 1987 61 16

65 Tilsvarende resultater viste Bruun og Givskovs undersøgelse.66 Deres undersøgelse viste, at der på sund emalje udfældes mindre mængder CaF2 i forhold til i emaljelæsioner. Desuden viste undersøgelsen, at jo længere tid NaF appliceres, jo større udfældning er der. Samlet set viser Rölla og Bruuns resultater, at udfældningen af CaF2 på en tand behandlet med NaF afhænger af applikationstid og graden af demineralisering. Opgavens forfattere var selv forsøgspersoner, hvor én tand (testtand) blev fluorbehandlet i 1 minut imod ingen fluoridbehandling af kontroltanden. Vi valgte 1 minut applicering af 2 % NaF, fordi det er den tid, som vejledningerne på Københavns Tandlægeskole angiver som tilstrækkelig. I litteraturen har applikationstiden været væsentlig længere (5 min-24 timer). Vi anvendte ellers den samme metodologi, som angivet i litteraturen. Billedanalysen viste, at der på 2 ud af 3 test tænder, var udfældninger i form af sfæriske strukturer på testtanden, men ingen på kontroltanden. Disse strukturer er højst sandsynligt CaF2. Årsager til den beskedne mængde udfældet CaF2 kan dels skyldes, at tænderne ikke er demineraliseret, hvorved calciumtilgængeligheden er lav og dels den i forhold til litteraturen angivne lave applikationstid. 65 66 Rölla, G., Saxegaard, E., Valderhaug, J., 1987 Bruun, C. og Givskov, H., 1991 17

Konklusion Emalje er hovedsageligt opbygget af krystaller bestående af hydroxyapatit, Ca 10 (PO 4 ) 6 OH 2, lejret i et gitter. Fluorid og emalje kan kemisk interagere på flere måder. Fluorid kan erstatte hydroxylioner i krystalgitteret, når disse opløses ved fald af ph til under 5,5. Herved dannes det tungtopløselige fluorapatit, Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2, som først opløses ved ph 4,5 og dermed sænker emaljens opløselighed. Ved lokal applicering af fluorid dannes saltet, CaF 2, der udfældes som sfæriske strukturer på emaljen. Disse strukturers størrelse og mængde afhænger af applikationstid og tilgængeligheden af calciumioner. Der udfældes derfor mere CaF 2 i mikroporøsiteter opstået på grund af demineralisering, hvor calciumionkoncentrationen er højere. CaF 2 kan fungere som et fluoridfrigivende depot ved ph fald. Desuden danner det et beskyttende lag på den underliggende emalje. Epidemiologiske undersøgelser fra starten af 1900-tallet ligger til grund for anvendelsen af fluorid i cariessammenhæng. Tandlægerne McKay og Deans undersøgelser har vist en sammenhæng mellem cariesforekomsten og fluorid i drikkevandet. Dean har vist, at fluoridkoncentrationer på 1 ppm giver en reduktion af DMFT med 50 %. I Danmark er der blevet lavet undersøgelser, der viser, at fluorkoncentrationer på over 0,3 ppm ikke giver et væsentligt fald i DMF-S. Fluorid kan forekomme i drikkevandet og tilsættes desuden til dentalprodukter, der kan bruges på klinikken og til hjemmebrug. I Fluoridkilderne findes der forskellige fluorforbindelser, som kan blive tilgængelige ved opløsning. Disse giver anledning til ophobning af forøgede koncentrationer af fluorid i saliva, plakvæske og den orale mucosa. Hvis kilderne har et fluoridindhold på mere end 100 ppm, kan der udfældes, CaF 2, på emalje eller i læsioner. De elektronmikroskopiske billeder fra vores forsøg har vist en udfældning af sfæriske strukturer svarende til CaF 2. Fluorbehandling i 1 minut med 2 % NaF gav dog en beskeden udfældning af CaF 2 på intakte tænder in vivo, som kan forklares ved, at emaljen på forsøgspersonerne var sund og, at appliceringstiden var kort. Vores forsøg stemmer overens med den gennemgåede teori, og bekræfter fund fra tidligere undersøgelser om, at der dannes CaF 2 ved fluorbehandling af emalje med højfluoridholdige produkter. 18

Litteraturliste Avery, J.K.: Oral development and histology. 3. Udgave. Thieme medical publiahers. New York. 2002 Boyde, A.: Microstructure of enamel, i: Chadwick, D.J. m.fl: Dental enamel. CIBA Foundation, John Wiley & Sons. 1997 Brès, E.F. m.fl.: High-resolution electron microscope and computed images of human tooth enamel crystals. Academic press, inc. 1985 Bruun, C. og Givskov, H.: Formation of CaF 2 on sound enamel and in caries-like enamel lesions after different forms of fluoride application in vitro. Karger. 1991 Bruun, C. og Thylstrup, A.: Nye synspunkter på fluoranvendelse - baggrund og konsekvenser, i: Odontologi 89. Munksgaard. 1989 Burt, B.A.: The epidemiological basis for water fluoridation in the prevention of dental caries. Journal of public health policy vol. 3 nr. 4. 1982 Buzalaf, M.A.R. m.fl.: Mechanisms of action of fluoride for caries control, i: Buzalaf, M.A.R.: Fluoride and the oral environment. Karger. 2011 Cariologi vejledning nr. 1: Fluorid og caries. Københavns tandlægeskole. September 2013 Churchill, H.V.: Occurence of fluorides in some waters of the United States. Industrial and engineering chemistry vol. 23 nr. 9. New Kensington, PA, USA. 1931 Cole AS. og Eastoe J.E. m.fl.: Biochemistry and oral biology. 2. Udgave. Wright. 1988 Dean, H.T.: Endemic fluorosis and its relation to dental caries. Public health reports vol. 53 nr. 33 19. august 1938, i: Nutrition vol. 6 nr. 6. 1990 Ekstrand, K.: Cariologi artikel 2 ud af 4, i: Tandplejeren. 2007 Ellwood, R. m.fl.: Fluoride in caries control, i: Fejerskov, O. og Kidd, E. (red): Dental caries the disease and its clinical management. 2. Udgave. Munksgaard. 2008 Featherstone, J.D.B.: Prevention and reversal of dental caries: role of low level fluoride. Munksgaard. 1999 Fejerskov, O. m.fl.: Dental fluorosis - a handbook for healthworkers. 1. udgave. Munksgaard. København. 1988 Giuseppe P. m.fl.: Community water fluoridation and caries prevention: a critical review. Springer- Verlag. Italien. 2007 Hamilton, I.R. m.fl.: Fluoride effects on oral bacteria, i: Fejerskov, O., Ekstrand, J. m.fl.: Fluoride in dentistry. 2. Udgave. Munksgaard. 1996 19

Horowitz, H.S. og Ismail A.I.: Topical fluorides in caries prevention, i: Fejerskov, O., Ekstrand, J. m.fl.: Fluoride in dentistry. 2. Udgave. Munksgaard. 1996 McCann, H.G.: The solubility of fluorapatite and its relationship to that of calcium fluoride, i: Archs Oral biology vol. 13. Boston, Mass, USA. 1968 McKay, F.S.: The relation of mottled enamel to caries, i: The journal of the American dental association vol. 15 nr. 8. New York August, 1928 Murray, J.J.: Prevention of Oral disease. 4. udgave. Oxford. 2003 Møller, I.J.: Dental fluorose og caries. Rhodos. København. 1965 Nanci Antonio (red): Ten Cate s: Oral histology. Development, structure, and function. 7. Udgave. Mosby Elsevier. 2008 Robinson, C. m.fl.: Fluoride in teeth and bone, i: Fejerskov, O., Ekstrand, J. m.fl.: Fluoride in dentistry. 2. Udgave. Munksgaard. 1996 Rölla, G.: On the role of calcium fluoride in the cariostatic mechanism of fluoride. Acta Odontol Scand 46: 341-345. 1988 Rölla, G. og Ekstrand, J.: Fluoride in oral fluids and dental plaque, i: Fejerskov, O., Ekstrand, J. m.fl.: Fluoride in dentistry. 2. Udgave. Munksgaard. 1996 Rölla, G. og Saxegaard E.: Critical evaluation of the composition and use of topical fluorides, with emphasis on the role of Calcium Fluoride in caries inhibition. Oslo. 1990 Rölla, G., Saxegaard, E., Valderhaug, J.: Deposition of fluoride on dentin and cementum after topical application of 2 % NaF, i: Thylstrup, A., Leach, S.A., Qvist, V.: Dentine and dentine reactions in the oral cavity. Oslo. 1987 Rölla, G., Øgaard, B. m.fl.: Professional topical fluoride applications clinical efficacy and mechanism of action. 1994 Ten Cate, J.M. og Larsen, M.J.: Chemical interactions between the tooth and oral fluids, i: Fejerskov, O. og Kidd, E. (red): Dental caries the disease and its clinical management. 2. Udgave. Munksgaard. 2008 White, D.J. og Nancollas G.H.: Physical and chemical considerations of the role of firmly and loosely bound fluoride in caries prevention. New York. 1989 Whitford, G.M.: Fluoride toxicology and health effects, i: Fejerskov, O. og Ekstrand, J. m.fl.: Fluoride in dentistry. 2. Udgave. Munksgaard. 1996 Øgaard, B.: Effects of fluoride on caries development and progression in vivo. 1990 Øgaard, B. m.fl.: Fluoride retention in sound and demineralized enamel in vivo after treatment with a fluoride varnish (duraphat). 1984 20