The role of L-arginine in the modulation of oral biofilms in periodontal disease

Abstract

Periodontitis is an infectious oral disease and remains one of the most prevalent chronic diseases worldwide. Although the exact microbial aetiology is unknown, oral biofilms, also known as dental plaque, seem to play an important role in the development of this disease. Studies already shown that bacterial composition of dental biofilms differs between healthy and diseased sites. To date, the occurrence of this disease is associated with three main factors: (1) the presence of pathogenic bacteria, (2) the absence of beneficial bacteria and (3) the susceptibility of the host. This research project focussed on evaluating the interaction with the outgrowth of beneficial bacteria, where selective nutritional stimulation, here referred to as prebiotics, aimed to modulate oral biofilms by stimulating the growth of beneficial bacteria and, thereby, supress the outgrowth of pathogens, shifting a complex microbiota towards a more healthy-associated composition. The effect of the amino acid L-arginine on selective stimulation of beneficial oral bacteria was tested in single-, dual- and multi-species assays. Further, it was investigated if L-arginine may prevent pathogen incorporation into established biofilms. It was demonstrated that L-arginine treatment could selectively trigger the outgrowth of beneficial bacteria throughout the experiments, leading to a shift in multi-species biofilms in vitro. Although a direct preventive effect of L-arginine could not be observed, continuous treatment showed a reduction in the pathogenic proportion in the complex microbial biofilms. Also, it was demonstrated that predictions about multi-species assays cannot be made based on the results obtained with single and dual-species assays. In conclusion, this study showed that L-arginine has a promising potential to be used as a prebiotic compound in oral health, especially to treat periodontitis, as it is able to modulate oral biofilms towards a more beneficial state. However, in vivo studies are necessary to confirm the observed in vitro prebiotic effect.

A periodontite é uma doença oral infeciosa e é uma das doenças crónicas mais prevalentes a nível mundial. Apesar da etiologia exata da doença ser desconhecida, os biofilmes orais, também conhecidos como placa bacteriana, parecem desempenhar um papel importante no seu desenvolvimento. Alguns estudos já demonstraram que a composição dos biofilmes orais de pacientes saudáveis são diferentes dos de pacientes doentes. Até hoje a ocorrência desta doença está associada com três fatores principais: (1) a presença de bactérias patogénicas, (2) a ausência de bactérias benéficas e (3) a suscetibilidade do hospedeiro. Este projeto de investigação focou-se em avaliar a interação com o crescimento de bactérias benéficas, onde uma estimulação nutricional seletiva, aqui referido como prebióticos, visou modular os biofilmes orais, estimulando o crescimento das bactérias benéficas e, desse modo, suprimindo o crescimento dos patogénicos, levando a uma mudança do microbioma oral em direção a um estado mais saudável. O efeito da estimulação seletiva das bactérias benéficas foi testado usando o aminoácido L-arginina em ensaios de mono-, dual- e multi-espécies. Foi ainda investigado se a L-arginina é capaz evitar a incorporação de bactérias patogénicas em biofilmes já estabelecidos na cavidade oral. O tratamento com L-arginina revelou que esta consegue estimular o crescimento das bactérias benéficas em detrimento dos patogénicos, levando a uma mudança nos biofilmes multiespécie in vitro. Apesar de não se ter observado um efeito preventivo direto com o uso da Larginina, o tratamento contínuo com este aminoácido demonstrou uma redução na proporção de espécies patogénicas no biofilme. Percebeu-se ainda que os resultados obtidos com ensaios mono- , dual- e multi-espécies diferem entre si, o que significa que previsões sobre o comportamento das espécies em biofilmes complexos não podem ser feitas através de ensaios onde são apenas testadas uma ou duas espécies. Concluindo, este estudo demonstrou que a L-arginina tem um enorme potencial para ser usada como um prebiótico na saúde oral, com um grande potencial para tratar a periodontite, visto que é capaz de modular os biofilmes orais. No entanto, estudos in vivo são necessários para confirmar os efeitos observados in vitro.