Associations among Emdogain®, human oral carcinoma cells and oral proteolytic enzymes

Abstract

The Enamel matrix derivative Emdogain® (EMD) is a commercially available tissue extract preparation of porcine enamel origin. Studies have shown EMD to be clinically useful in promoting periodontal regeneration. EMD has been widely used in periodontal therapy for over ten years, but the mechanism of its action and the exact composition are not completely clear. EMD is predominantly amelogenin (>90%). However, unlike amelogenin, EMD has a number of growth factor-like effects and it has been shown to enhance the proliferation, migration and other cellular functions of periodontal ligament fibroblasts and osteoblasts. In contrast, the effects of EMD on epithelial cell lines and in particular on oral malignant cells have not been adequately studied. In addition, EMD has effects on the production of cytokines by several oral cell lines and the product is in constant interaction with different oral enzymes. Regardless of the various unknown properties of EMD, it is said to be clinically safe in regenerative procedures, also in medically compromised patients.

The aim of the study was to examine whether gingival crevicular fluid (GCF), which contains several different proteolysis enzymes, could degrade EMD and alter its biological functions. In addition, the objective was to study the effects of EMD on carcinogenesis-related factors, in particular MMPs, using in vitro and in vivo models. This study also aimed to contribute to the understanding of the composition of EMD.

GCF was capable of degrading EMD, depending on the periodontal status, with markedly more degradation in all states of periodontal disease compared to healthy controls. EMD was observed to stimulate the migration of periodontal ligament fibroblasts (PLF), whereas EMD together with GCF could not stimulate this proliferation. In addition, recombinant amelogenin, the main component of EMD, decreased the migration of PLFs. A comparison of changes induced by EMD and TGF-β1 in the gene profiles of carcinoma cells showed TGF-β1 to regulate a greater number of genes than EMD. However, both of the study reagents enhanced the expression of MMP-10 and MMP-9. Furthermore, EMD was found to induce several factors closely related to carcinogenesis on gene, protein, cell and in vivo levels. EMD enhanced the production of MMP-2, MMP-9 and MMP-10 proteins by cultured carcinoma cells. In addition, EMD stimulated the migration and in vitro wound closure of carcinoma cells. EMD was also capable of promoting metastasis formation in mice.

In conclusion, the diseased GCF, containing various proteases, causes degradation of EMD and decreased proliferation of PLFs. Thus, this in vitro study suggests that the regenerative effect of EMD may decrease due to proteases present in periodontal tissues during the inflammation and healing of the tissues in vivo. Furthermore, EMD was observed to enhance several carcinoma-related factors and in particular the production of MMPs by benign and malignant cell lines. These findings suggest that the clinical safety of EMD with regard to dysplastic mucosal lesions should be further investigated.

Emdogain® on sian hampaasta eristetty kaupallinen valmiste, jota käytetään parodontiitin hoitoon. Emdogain-geeli aplikoidaan ientaskuun kirurgisesti ja sen on osoitettu lisäävän kiinnityskudosta eli luuta, parodontaaliligamenttia sekä juurisementtiä hampaan ympärillä. Vaikka tuote on laajalti käytetty, sen vaikutusmekanismit sekä koostumus ovat suurelta osin tuntemattomia. Emdogain on pääosin kiilleproteiini amelogeniinia (>90%), mutta toisin kuin puhdas amelogeniini, Emdogain kykenee kiihdyttämään erityyppisten solujen toimintaa. Aineen onkin ehdotettu sisältävän useita kasvutekijöitä, kuten transforming growth factor-β (TGF-β). Solujen kasvua kiihdyttävistä vaikutuksista huolimatta aineen vaikutuksia pahanlaatuisiin suun soluihin ei ole tutkittu. Lisäksi tulehduksen välittäjäaineet sekä proteolyyttiset entsyymit ikenessä voivat muuttaa aineen vaikutuksia, mutta näiden tekijöiden vaikutukset Emdogainin aktiivisuuteen ovat epäselviä.

Tämä tutkimus pyrki selvittämään kykeneekö runsaasti proteolyyttisiä entsyymejä sisältävä ientaskuneste hajottamaan Emdogainia ja muuttamaan sen vaikutuksia solutasolla. Lisäksi tutkimuksen tarkoitus oli selvittää Emdogainin vaikutuksia suun syöpäsoluihin ja syövän kasvuun liittyviin entsyymeihin solu- ja eläinkokeissa.

Ientaskunesteen havaittiin pilkkovan Emdogainia riippuen parodontaalikudoksen tulehduksen asteesta, kroonista parodontiittia sairastavien ientaskunesteen aiheuttaessa eniten aineen pilkkoutumista. Solukokeissa Emdogain lisäsi parodontaaliligamentin (PDL) solujen jakautumista, kun taas Emdogain yhdessä ientaskunesteen kanssa ei pystynyt kiihdyttämään PDL-solujen jakautumista. Emdogainin pääkomponentin amelogeniinin todettiin estävän PDL-solujen jakautumista. Tutkimuksessa verrattiin myös Emdogainin ja TGF-β1:n vaikutuksia suun syöpäsolujen geeniekspressioon. Molemmat koeaineet lisäsivät läheisesti syöpään liittyvien kudostuhoentsyymien, matriksin metalloproteinaasien (MMP-9 ja MMP-10), ekspressiota. Soluviljelmissä Emdogainin havaittiin lisäävän MMP-2, MMP-9 ja MMP-10 tuotantoa myös proteiinitasolla sekä kiihdyttävän syöpäsolujen liikkumista. Eläinkokeissa Emdogainin todettiin edistävän syöpäkasvainten metastasointia.

Tutkimus osoitti, että tulehtuneen ikenen entsyymit voivat pilkkoa Emdogainia ja estää parodontaaliligamentin solujen jakautumista. Parhaan hoitotuloksen saamiseksi tulehdustila ikenessä tulisikin olla mahdollisimman hyvin kontrollissa ennen Emdogain-hoitoa. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin Emdogainin kiihdyttävän syöpäsolujen toimintaa ja erityisesti MMP-tuotantoa tavalla, joka voi lisätä syövän leviämistä tai aggressiivisuutta. Lisätutkimukset aineen koostumuksesta sekä vaikutuksista erilaisiin suun soluihin ovat tarpeen ennen kuin aineen turvallisuudesta suu- ja limakalvosairauksista kärsivillä potilailla voidaan olla varmoja.