Assessment of acute cyto- and genotoxicity of corrosion eluates obtained from orthodontic materials using monolayer cultures of immortalized human gingival keratinocytes

Abstract

Whilst a patient is undergoing orthodontic treatment, dental appliances based on non-precious metals or titanium remain in the oral cavity for up to several years. Throughout this period the appliance is in either direct or indirect contact with the oral mucosa.

To investigate the possibility of cell damage occurring as a result of appliance corrosion, monolayer cultures of immortalized human gingival keratinocytes were assessed for acute cyto- and genotoxicity using the hexosaminidase assay and the Comet assay respectively. The materials tested included 1. a nickel-free wire, 2. a UK-1 bond, 3. nickel-free as well as nickel-containing brackets with and without color signature and 4. a titanium expansion screw. Each of the test materials was corroded in a solution consisting of equal amounts of lactic acid and sodium chloride (0.1 M) for 1, 3, 7 and 14 days. The cell cultures were then exposed to eluates exhibiting the highest ion concentrations.

None of the eluates was found to exhibit acute cytotoxicity, regardless of the type of test system used. Qualitative assessment using neutral red dye for live cells and either trypan blue or propidium iodide to disclose dead cells failed to reveal any significant increase in cell damage when exposed cells were compared to control cultures. Unrestricted cell vitality was confirmed by quantifying viable cells through measurement of hexosaminidase enzyme activity. Furthermore, assessment of genotoxicity revealed no apparent DNA damage to immortalized gingival keratinocytes following exposure to the test eluates.

Because the materials tested in this study were corroded using the exacting methods normally applied to precious metals or gold-containing alloys, the lack of either acute cyto- or genotoxic effects following exposure to the test eluates indicates that the materials tested exert no adverse effects on cells similar to those of the target tissue exposed to the materials in situ.

Zusammenfassung

Die während der kieferorthopädischen Behandlung eingesetzten Apparaturen, die aus Nichtedelmetallegierungen oder Titan bestehen, verbleiben häufig über Jahre in der Mundhöhle. Während des gesamten Zeitraums steht die Apparatur in direktem oder indirektem Kontakt mit der Oralmukosa.

Um zu untersuchen, ob eine mögliche Zellschädigung durch Korrosion der Apparatur hervorgerufen wird, wurden Monolayerkulturen von immortalisierten humanen Gingivakeratinozyten mit dem Hexosaminidasetest und dem Comet-Assay (Einzelzellgelelektrophorese) auf akute Zyto- und Gentoxizität hin untersucht. Untersucht wurden 1. ein nickelfreier Draht, 2. ein UK-1-Band, 3. nickelfreie und nickelhaltige Brackets mit und ohne Farbmarkierung und 4. eine Dehnschraube aus Titan. Jedes der Untersuchungsmaterialien wurde für einen, drei, sieben und 14 Tage in einer Lösung, die zu gleichen Teilen aus Milchsäure und Natriumchlorid (0,1 M) bestand, korrodiert. Danach wurden die Zellkulturen mit den Eluaten, die die höchsten lonenkonzentrationen aufwiesen, inkubiert.

Unabhängig vom Testsystem zeigte keines der Eluate eine akute Zytotoxizität. Die qualitative Untersuchung mit dem Farbstoff Neutralrot, der lebende Zellen färbt, und Trypanblau oder Propidiumjodid, die tote Zellen anfärben, ergab keinerlei Zunahme der Zellschädigung im Vergleich von exponierten zu nichtexponierten Kontrollkulturen. Die uneingeschränkte Zellvitalität wurde durch die Quantifizierung lebender Zellen mittels Messung der Aktivität des Enzyms Hexosaminidase bestätigt. Darüber hinaus ließ die Untersuchung der Gentoxizität nach Eluatexposition keine sichtbare DNA-Schädigung an immortalisierten Gingivakeratinozyten erkennen.

Die in dieser Studie untersuchten Materialien wurden unter Bedingungen korrodiert, die normalerweise auf Edelmetalle oder goldhaltige Legierungen angewendet werden. Das Ausbleiben zyto- oder gentoxischer Effekte nach Eluatexposition zeigt, daß die getesteten Materialien keine schädigenden Effekte auf Zellen ausüben, die große Ähnlichkeit zu denen des Zielgewebes aufweisen, das den Materialien in situ ausgesetzt ist.