Zytotoxizität und Genotoxizität von Fluoriden in humaner Mukosa und Lymphozyten

Zusammenfassung

Hintergrund: Fluoride werden aufgrund ihrer kariesprotektiven Wirkung u. a. Trinkwasser und Zahnpflegemitteln zugesetzt. Die hier zu beobachtende Reizung der Gingiva und Mundschleimhaut kann z. T. auf die bekannte zytotoxische Wirkung von Fluoriden zurückgeführt werden. Ob Fluoride darüber hinaus auch einen genotoxischen Effekt haben, somit womöglich an einer Tumorinitiation beteiligt sein könnten, wird aufgrund von Tierversuchen widersprüchlich diskutiert. Die vorliegende Untersuchung geht daher diesen Effekten an Proben humaner Mukosa und Lymphozyten nach. Methode: Humane oropharyngeale Epithelzellen und periphere Lymphozyten wurden nach Präparation von Einzelzellen mit 2 ppm, 21 ppm, 35 ppm, 71 ppm und 213 ppm des Aminfluorids Olaflur inkubiert. Danach wurde das Ausmaß der Zytotoxizität durch Vitalitätsmessungen im Trypanblau-Ausschlusstest bestimmt und es erfolgte die elektrophoretische Auftrennung der DNA mit anschließender Fluoreszenzfärbung und digitaler Bildanalyse (Comet Assay). Das Ausmaß der DNA-Schädigung wurde mit Hilfe des Olive Tail Moments (OTM) beschrieben. Ergebnisse: Bei Fluoridkonzentrationen von 2 ppm bis 35 ppm konnte Zytotoxizität unter 10 % nachgewiesen werden. Nach Inkubation mit 71 ppm und 213 ppm Olaflur betrug der Anteil zytotoxisch geschädigter Zellen 15 bzw. 43 %. Genotoxische Effekte konnten sowohl an Schleimhautzellen als auch an Lymphozyten schon bei Konzentrationen ab 2 ppm festgestellt werden. Mit steigender Fluoridkonzentration nahm auch die Genotoxizität bis zu maximalen OTM-Werten von 23 zu. Schlussfolgerungen: Neben einer zytotoxischen Wirkung durch Fluoride konnte auch ein genotoxischer Effekt auf menschliche Mukosa und Lymphozyten gezeigt werden. Weitere Untersuchungen müssen klären, ob Fluoride in höheren Konzentrationen ein mögliches tumorinitiierendes Potenzial für Schleimhautzellen des oberen Aerodigestivtrakts darstellen. Dazu wird ein Modell strukturell intakter humaner Mukosa zur mehrfachen oder chronischen Exposition eingesetzt werden. Hiermit kann zwischen solchen DNA-Schäden unterschieden werden, die erfolgreich repariert werden, und anderen, die einen additiven Charakter aufweisen.

Assessment of Cytotoxicity and Genotoxicity of Fluorides in Human Mucosa and Lymphocytes

Background: Fluorides are widely used in dental health products and drinking water, due to their beneficial effects in caries-prophylaxis and -treatment. Nevertheless, irritation of the gingiva and oropharyngeal mucosa as well as in gastric mucosa is observed since neither local nor systemic application is restricted to the teeth. These effects may partly be attributed to a known cytotoxicity of fluorides. Whether fluorides also have genotoxic effects on human mucosa or lymphocytes as a possible factor in tumor initiation was investigated in this study. Material and Methods: Human oropharyngeal epithelial cells and peripheral lymphocytes were incubated after single cell preparation with the aminefluoride Olaflur at concentrations of 2 ppm, 21 ppm, 35 ppm, 71 ppm and 213 ppm. The extent of cytotoxicity was investigated using the trypan blue exclusion test. Following incubation, electrophoresis for migration of DNA fragments, fluorescence staining and digital image analysis according to a standard protocol of the single cell microgel electrophoresis assay (Comet assay) followed. DNA damage was characterized using the Olive Tail Moment (OTM). Results: For fluoride concentrations of 2 ppm to 35 ppm, non vital cells of less than 10 % could be shown. After incubation with 71 ppm and 213 ppm Olaflur, there were 15 % and 43 % of damaged cells, respectively. Weak genotoxic effects on mucosal cells as well as on lymphocytes could be demonstrated at all concentrations tested. In fluoride concentrations of 213 ppm genotoxicity increased to max. OTM-levels of 23. Conclusions: Beside the cytotoxic effect of fluorides, also a minor genotoxic impact on human mucosa and on peripheral lymphocytes could be demonstrated using the Comet assay. Further investigations are warranted to examine fluorides in a model allowing for repeated or long term incubations on structurally intact human mucosa in vitro. Such a model will help to distinguish between DNA damage that may be repaired successfully and other impairments that may show an additive character in repetitive or chronic exposure in vivo.

Schlüsselwörter:

Fluorid - Genotoxizität - Zytotoxizität - Humane Mukosa - Lymphozyten - Comet Assay

Key words:

Fluoride - Cytotoxicity - Genotoxicity - Human mucosa - Lymphocytes - Comet assay

Literatur

• 1 Naujoks R. Kariesprophylaxe. In: Ketterl W (Hrsg) Praxis der Zahnheilkunde 2, Zahnerhaltung 1. München, Wien, Baltimore; Urban & Schwarzenberg 1987
• 2 Zeiger E, Shelby M D, Witt K L. Genetic toxicity of fluoride.  Environ Mol Mutagen. 1993;  21 309-318
• 3 Tsutsui T, Suzuki N, Ohmori M. Sodium fluoride-induced morphological and neoplastic transformation, chromosome aberrations, sister chromatid exchanges, and unsheduled DNA synthesis in cultured syrian hamster embryo cells.  Cancer Res. 1984;  44 938-941
• 4 Matsushima Y, Tsuda M, Naito K, Saitoh M, Isama K, Ikarashi Y, Kawasaki Y, Momma J, Kitajima S, Kaniwa M. Twenty-eight days repeated dose toxicity test of N-(fluorodichloromethylthio)phthalimide in rats.  Eisei Shikenjo Hokuku. 1995;  113 19-30
• 5 Dietze G R, Dietz K. Kein statistischer Zusammenhang zwischen Trinkwasserfluoridierung und Krebsmortalität.  Oralprophylaxe. 1985;  7 35
• 6 Smith G E. Is fluoride a mutagen?.  Sci Total Environ. 1988;  68 79-96
• 7 Li Y M, Dunipace A J, Stookey G K. Genotoxic effects of fluoride: a controversial issue.  Mutat Res. 1988;  195 127-136
• 8 Phillips H J. Dye exclusion tests for all viability. In: Kruse PF et al. (Hrsg) Tissue Culture. New York; Academic Press 1973: 407-408
• 9 Harréus U, Schmezer P, Kuchenmeister F, Maier H. Genotoxische Wirkung auf menschliche Schleimhautbiopsien des oberen Aerodigestivtraktes.  Laryngo-Rhino-Otol. 1999;  78 176-181
• 10 Kleinsasser N H, Harréus U A, Wallner B C, Kastenbauer E R. Mutagensensitivität von Patienten mit Larynx- bzw. Oropharynxkarzinomen.  Laryngo-Rhino-Otol. 1999;  78 379-384
• 11 Kleinsasser N H, Kastenbauer E R, Weissacher H, Münzenrieder R K, Harréus U A. Phthalates demonstrate genotoxicity on human mucosa of the upper aerodigestive tract.  Environ Mol Mutagen. 2000;  35 9-12
• 12 Olive P L, Durand R E, Le Riche J, Olivotto I A, Jackson S M. Gel electrophoresis of individual cells to quantify hypoxic fraction in human breast cancer.  Cancer Res. 1993;  53 733-736
• 13 Henderson L, Wolfreys A, Fedyk J, Bourner C, Windebank S. The ability of the Comet assay to discriminate between genotoxins and cytotoxins.  Mutagenesis. 1998;  13 89-94
• 14 Jackson R D, Kelly S A, Noblitt T W, Zhang W, Wilson M E, Dunipace A J, Li Y, Katz B P, Brizendine E J, Stookey G K. Lack of effect of long-term fluoride ingestion on blood chemistry and frequency of sister chromatid exchange in human lymphocytes.  Environ Mol Mutagen. 1997;  29 265-271
• 15 Das T K, Susheela A K, Gupta I P, Dasarathy S, Tandon R K. Toxic effects of chronic fluoride ingestion on the upper gastrointestinal tract.  J Clin Gastroenterol. 1994;  18 194-199
• 16 Spak C J, Sjostedt S, Eleborg L, Veress B, Perbeck L, Ekstrand J. Studies of human gastric mucosa after application of 0.42 % fluoride gel.  J Dent Res. 1990;  69 426-429
• 17 Maiwald H J. Kinderzahnheilkunde: Grundlagen, erfolgreiche Konzepte und neue Methoden der Kinderbehandlung in der Zahnarztpraxis. Balingen; Spitta-Verlag 1998