REVISIÓN DE TEMA

Actividad y efectos de ureasa y arginina deiminasa en saliva y biopelícula oral humana

Évelyn Reyes Beltrán¹; Javier Martín Casielles¹; Ismael Yevenes López²; Miguel Neira Jara²; Patricia Palma Fluxá³; Valeria Gordán Veiga⁴; Gustavo Moncada Cortés¹

¹ Operatoria Dental, Facultad Odontología, Universidad de Chile
² Química, Facultad Odontología, Universidad de Chile
³ Microbiología, Facultad Odontología, Universidad de Chile
⁴ Operative Dentistry Department, College of Dentistry, University of Florida, Gainesville, FL, USA

RESUMEN

El objetivo de esta revisión es mostrar los hallazgos emergentes de las potenciales propiedades anticariogénicas de biomoléculas del metabolismo oral relacionados con la producción de amonio. El análisis de la literatura soporta una nueva dimensión preventiva en el conocimiento de la enfermedad caries dental al estudiar la evidencia in vitro publicada, en la que el amonio producido desde la urea y la arginina del ambiente oral presentan importantes factores endógenos inhibitorios del desarrollo de lesiones de caries dental. Este hecho apoyaría la hipótesis que la producción de amonio por urealisis y por el sistema de arginina deiminasa, podrían inhibir potencialmente el desarrollo de la caries dental por la neutralización de ácidos y la estabilización de la microbiota oral, favoreciendo las condiciones para el mantenimiento de la salud oral. Esta revisión presenta estudios de la actividad enzimática oral, que puede constituir un prometedor campo para establecer nuevas líneas de investigación en cariología, particularmente in vivo e in situ, destinados a establecer la efectividad y aplicación clínica de estos compuestos en la prevención de caries dental.

Palabras clave: amonio, ureasa, arginina deiminasa, saliva, biopelícula, caries dental.

INTRODUCCIÓN

De las enfermedades que afectan la cavidad bucal, la caries dental es la que presenta la mayor prevalencia en la población mundial, generando un problema epidemiológico que compromete en mayor o menor medida a todos los países afectando cerca del 100% de la población en la mayoría de ellos.¹

La caries dental representa el mayor problema de salud oral incluso en los países industrializados, afectando entre el 60 y el 90% de la población escolar y la gran mayoría de la población adulta. Además es la enfermedad bucodental prevalente en Latinoamérica y Asia, siendo menos común y severa en países africanos.² En Estados Unidos todavía constituye un importante problema de salud pública, siendo la enfermedad crónica más frecuente en la población, afectando a más del 96% de los adultos, y el 99,5% de individuos de 65 años o más han experimentado caries en este país.^{3, 4}

A pesar del desarrollo de la odontología preventiva, la caries dental aún constituye un gran problema en la salud oral, para ello los investigadores hacen constantes exploraciones de nuevas estrategias tanto en prevención y tratamiento, como en la evaluación del riesgo cariogénico en diferentes condiciones.⁵

Actualmente existe consenso al afirmar que las bacterias orales que colonizan los dientes forman una comunidad denominada biopelícula que existe en equilibrio dinámico con la defensa del organismo, y es generalmente compatible con la integridad de los tejidos dentarios.^6-8 La transición de salud oral a enfermedades orales, como la caries dental, es caracterizada por cambios composicionales y metabólicos de la biopelícula oral,^7,9 generando una acidificación que favorece la proliferación de una microbiota acidogénica y acidúrica, con presencia de Streptococcus mutans y Lactobacillus spp, entre otros, lo cual produce la rápida fermentación de hidratos de carbono, generando la baja del pH, alcanzando un punto donde se produce la significativa desmineralización del diente. La repetida acidificación de la placa promueve el establecimiento de la microbiota acidogénica. Esta microbiota ha sido asociada con el incremento de la vulnerabilidad a la caries dental.^{8, 10-14}

La prolongada acidificación de la placa dental, resultado de la actividad metabólica de la microbiota cariogénica, conduce a la desmineralización de los dientes.

Después de incorporar azúcar, el pH de la placa dental disminuye rápidamente, alcanzando valores mínimos, que luego gradualmente vuelven a su nivel inicial.¹⁵ El desarrollo de la caries dental es un prolongado proceso que involucra ciclos de desmineralización y remineralización. Cuando la fase de desmineralización es la dominante, se desarrolla la lesión de caries.

ÁLCALIS DE LA BIOPELÍCULA

Algunos factores de riesgo para la caries han sido identificados y estudiados,^16-18 y con ello también la transición, desde un individuo libre de caries a un estado de actividad cariogénica, y este proceso podría relacionarse con el reducido potencial de generar álcali en la placa, sumado al incremento de un medio acidogénico. Aunque muchos estudios se han enfocado en la naturaleza acidogénica de la caries dental, el modo de aumentar la fase de alcalización y la homeostasis del pH, no ha sido totalmente explorado.

Entre los microorganismos menos acidúricos y que están más relacionados con salud dental se encuentran Streptococcus sanguinis (S. sanguinis), Streptococcus gordonii (S. gordonii),^19-22 los cuales contribuyen a la alcanización de la placa, a través de la generación de amonio a partir de la vía de la deiminasa arginina y ureasa. Esta producción de amonio por bacterias orales influye positivamente en el equilibrio entre la nueva mineralización y la desmineralización del diente y puede ayudar a prevenir el desarrollo de la microbiota cariogénica.^23-27

La comparación entre niveles de S. mutans observados en sujetos con caries activas fue significativamente alta en comparación con sujetos sin caries. Además bajos niveles de Streptococcus sanguinis, Streptococcus gordonii, Actinomyces naeslundii, y Streptococcus salivarius, fueron observados en los sujetos con caries activas comparados con sujetos libres de caries, aunque esta diferencia no fue estadísticamente significativa.⁵

ACTIVIDAD ENZIMÁTICA UREASA Y LESIONES DE CARIES

En el estudio, se observó la positiva relación entre el número de Streptococcus salivarius y niveles de actividad de ureasa, y la negativa relación entre el número de Streptococcus mutans y niveles de arginina deiminasa.²⁸

En esta misma línea, resultados de un estudio in vitro, en el que se modificó una cepa de Streptococcus mutans para que produjera ureasa, generó aumentos en la actividad de esta, disminuyendo considerablemente la acidificación ambiental.²⁹

Dos fuentes significativas de álcali en la placa son la arginina y la urea. La urea es hidrolizada por la enzima ureasa que está presente en algunas bacterias orales. Llama la atención que el amonio generado desde la urealisis puede llegar a conducir al aumento considerable del pH en la placa a pesar de una dieta rica en carbohidratos.^{25, 30-32} El amonio puede también ser producido desde la arginina por la enzima arginina deiminasa. Existe bastante evidencia in vitro que apoya la hipótesis que el amonio producido desde la urea y la arginina, por medio de la producción de amonio vía urealisis, y por el sistema arginina deiminasa podría ser importante factor endógeno inhibitorio de la aparición de microbiota cariogénica y el desarrollo de la caries dental, a través de la neutralización de ácidos y estabilización de la microbiota oral que es afín con salud oral.^{5, 16, 23, 33} Se ha concluido que pequeñas diferencias en la concentración de urea y en la cantidad de enzima ureasa pueden inhibir significativamente la progresión de la caries dental.³⁴

La hidrólisis generada por la enzima bacteriana ureasa, genera amonio y CO2 y es uno de los mejores caminos para la producción de álcali en la cavidad oral.³⁵ La urea llega a la cavidad oral a través de la secreción salival y del fluido crevicular, y su concentración oscila entre 1 y 10 mM en individuos sanos.^36-38

Existen diversos estudios que apuntan en esta dirección, tanto en estudios in vitro^{15, 24, 29, 31, 33, 39-44} en animales,²⁹ como por algunas observaciones indirectas clínicas.^{18, 23, 40, 45, 46} A la vez la literatura también apoya, pero de forma indirecta, al hecho que el riesgo de caries está directamente asociado con pérdida del potencial generador de álcali.^{18, 25, 31} Por lo que el potencial alcalinogénico de una biopelícula podría establecerse como una estrategia prometedora en el control de la enfermedad caries dental.

Se ha demostrado que existe una placa más alcalina en sujetos con caries resistentes, comparados con sujetos con caries susceptibles.⁴¹

Adicionalmente se ha estudiado que la producción de álcali en placa y saliva de individuos con diverso estado cariogénico, en los que los sujetos libres de caries presentaron altos niveles de actividad de arginina deiminasa comparados con sujetos con caries activas, en saliva y placa. A la vez sujetos libres de caries presentaron tres veces más altos niveles de ureasa que los sujetos con caries activas en muestras de placa.²⁸

Se ha determinado positiva relación entre altos niveles de producción de álcali y resistencia a caries, como niveles considerablemente altos de actividad de ureasa y arginina deiminasa, fueron observadas en individuos sin experiencia de caries, comparados con individuos en actividad de caries.⁵ Datos existentes apoyan indirectamente la idea que la producción de álcali tiene efecto en el pH de la placa y su homeostasis. Parte de este hallazgo, según se informa, está relacionado con la concentración mayor de amonio generado en la placa de estos sujetos resistentes a caries.⁴⁰

Otra observación interesante es la encontrada en pacientes nefrópatas, cuyos estudios clínicos han mostrado alta concentración de urea salival en pacientes con insuficiencia renal crónica,^{47, 48} quienes, mostraron notable baja incidencia en los niveles de caries dental^{36, 49, 50} a pesar de consumir dieta predominantemente con base en hidratos de carbono.⁴⁵

La razón de la baja actividad en la producción de álcali en individuos con caries activas puede estar relacionada con falta de urea como sustrato, generando menor número de organismos productores de ureasa y menor actividad de esta enzima. La urea por lo general no es encontrada en altas cantidades en la placa dental, esta es rápidamente hidrolizada por los relativamente altos niveles de ureasa que presentan la placa dental y saliva.⁵¹ Sin embargo, se ha observado que individuos que producen bajo nivel de ureasa tienen reducida capacidad para compensar la acidificación glicolítica, aun cuando estén provistos de gran cantidad de urea.⁵¹

Podría ocurrir, que los individuos que presentan bajos niveles de actividad de ureasa, en realidad poseen reducida presencia de bacterias productoras de ureasa. Validando este pensamiento, un reciente estudio mostró una considerable asociación positiva entre número de Streptococcus salivarius y los niveles de ureasa.

El Streptococcus salivarius usa la urea como fuente de nitrógeno para su crecimiento, por un camino dependiente de ureasa.³⁴ Se ha confirmado la capacidad de la biopelícula oral y del Streptococcus salivarius para regular la expresión de ureasa en respuesta al aumento del pH, generando un impacto significativo sobre la biopelícula oral, pH, homeostasis y ecología microbiana.⁵²

Para destacar la importancia de esta actividad enzimática, se ha llegado a sugerir que la urealisis en la placa puede ser casi completamente explicada por el porcentaje de bacterias urealíticas presentes en la microbiota de la placa.⁴³

En esta misma línea de análisis, resultados de un estudio in vitro demostraron que niveles de actividad de ureasa producida por un mutante de Streptococcus mutans modificado o también llamado recombinante, podría estar relacionado con pequeños aumentos en la actividad de la ureasa, disminuyendo considerablemente la acidificación ambiental.²⁹

Clínicamente, se ha comprobado que la actividad de la ureasa en la placa se asocia con sujetos libres de caries, presentando altos niveles de actividad enzimática en estos individuos.46 Esto concuerda con estudios anteriores en que la cantidad media de urealisis en la placa dental fue 2,5 veces más alto que en saliva. En aquel estudio la cantidad de urealisis en la placa era casi completamente explicado por el porcentaje total de bacterias urealíticas en la microbiota de la placa.⁴³

Otra variable importante que influye en la actividad de la ureasa es el entorno oral. El pH del medio afecta la capacidad del Streptococcus salivarius y el metabolismo de la ureasa, niveles de pH bajo 4 pueden inactivar la ureasa de los Streptococcus salivarius.^{53, 54}

En relación con la actividad de arginina deiminasa, se ha podido asociar un elevado nivel de arginina salival con resistencia a caries,¹⁸ y se ha empezado a estudiar clínicamente la capacidad de la biopelícula oral para producir álcali desde arginina y su relación con la caries.

El resultado de un reciente estudio muestra diferencia significativa entre los niveles de actividad de arginina deiminasa, entre individuos con diferentes estados de caries. Confirmando que los niveles de actividad de la arginina deiminasa, en saliva no estimulada, eran altos en sujetos libres de caries.⁵

Adicionalmente el estudio mostró una considerable relación positiva, entre el número de Streptococcus sanguinis y los niveles de actividad de arginina deiminasa.

Es importante considerar que la actividad metabólica, de arginina deiminasa y ureasa, es de alta sensibilidad y los resultados del ensayo pueden variar dentro de las mismas especies de bacterias o entre diferentes cepas bacterianas de la misma especie. Otro aspecto importante de destacar es que las bacterias son sumamente dependientes de su entorno, tanto para la producción de ácido como de álcali.⁵

Nuevos estudios apuntan a identificar cepas bacterianas y asociaciones microbianas, capaces de contribuir para la total arginolisis y urealisis en la cavidad oral. De igual forma, se pretende establecer la naturaleza y función de los factores que controlan la actividad que genera álcali en la microbiología oral.⁵

Sin embargo, mayores avances son necesarios en esta línea de investigación, para la total comprensión del rol que representan en la intimidad bioquímica de cada una de las partes involucradas en este proceso, y es de vital importancia establecer protocolos de investigación en la medición de esta actividad alcalinogénica, protocolo que permita ser reproducible a largo plazo, estableciendo una línea de acción, para la medición de esta actividad, y con ello establecer la base que permita a la cariología seguir los estudios, hacia la mayor comprensión de la microbiología, la bioquímica, y el impacto en la salud y en la enfermedad de la producción de álcalis en saliva y biopelícula oral humana.

El conocimiento de la actividad de estas enzimas podría proporcionar información valiosa para explicar por ejemplo los posibles efectos y mecanismos bioquímicos de acción de elementos terapéuticos que en su contenido presentan formulaciones que contengan urea como son los blanqueadores dentales o como pastas dentales que contienen arginina utilizadas para la disminución de la sensibilidad dentinaria, sobre las cuales también se ha reportado notable efecto inhibitorio en la aparición de nuevas lesiones cariosas y en su tasa de progresión, observándose que presentan resultados superiores a la sola utilización de fluoruros, constituyendo una simple y económica herramienta para reducir sustancialmente una de las enfermedades prevalentes en los niños.^{55, 56}

CONCLUSIÓN

La alcalinización del medio oral, autogenerada a través de una microbiota específica y sustratos determinados puede ser una gran contribución a la prevención de la caries dental. La evidencia actual indicaría que la producción de amonio por urealisis y por el sistema de arginina deiminasa, podrían inhibir potencialmente el desarrollo de la caries dental, a través de la neutralización de ácidos y estabilización de la microbiota oral, dando origen a condiciones afines con salud oral. Adicionalmente, se ha estudiado el rol que cumplen ciertas especies bacterianas en este proceso, encontrándose positiva relación entre esta actividad enzimática y especies como Streptococcus sanguinis y Streptococcus salivarius.

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