Light responsive and multifunctional dental implant systems: a molecular simulation study

Abstract

The rising demand of dental implants as a treatment for tooth loss has lead to an increase in the incidence of peri-implant diseases, namely peri-implant mucositis and peri-implantitis. These diseases are usually a result of bacterial plaque buildup in the bases of the implants, which cause inflammation and, in some cases, bone deterioration. In an effort to reduce the occurence of these diseases, a new implant material coated with black phosphorus and with the antimicrobial peptide LL37 is being studied. Potentially, it would allow the treatment of inflammation through photothermal therapy.This study used Molecular Dynamics simulations considering a bacterial membrane model and the LL37 peptide conjugated with polyethylene glycol. These were performed considering different peptide concentrations at both 37 ◦ C and 45 ◦ C to emulate the increase of temperature during photothermal therapy. The effect of temperature and concentration on each membrane property was evaluated through the fitting of a multiple linear regression model and subsequent statistical analysis.When in contact with the membrane, the LL37 peptide was shown to arrange itself in an α-helix structure, specifically in the sections of the residues 1-14 and 16-31. The hydrophobic residues were oriented towards the inside of the membrane, interacting with the phospholipid tails. On the other hand, the hydrophilic residues formed hydrogen bonds with the phosphate groups of the phospholipids. The presence of peptide also led to the displacement of potassium ions from the membrane surface.An increase of temperature led to increases in the membrane fluidity and permeability, which allowed the peptide to insert itself in the membrane more easily. The membrane became thinner and the phospholipids were more easily displaced by the peptide. Overall, the increased temperature seemed to have a synergistic effect with the peptide, implying that the combination of photothermal therapy with antimicrobial peptide-coated materials may be a viable strategy for the prevention of peri-implant diseases.

A crescente procura de implantes dentários para o tratamento de edentulismo tem levado ao aumento da incidência de doenças peri-implantares, nomeadamente a mucosite peri-implantar e a peri-implantite. Estas resultam de um acumular de placa bacteriana na base dos implantes, que por sua vez leva a inflamação dos tecidos moles, podendo levar, em alguns casos, à perda progressiva do osso de suporte. Numa tentativa de reduzir a ocorrência destas doenças, está a ser desenvolvido um novo material para uso em implantes dentários, revestido com fósforo preto e com o péptido antimicrobiano LL37. Este implante permitiria o tratamento da inflamação através da terapia fototérmica.Este estudo utiliza uma metodologia de simulações de dinâmica molecular. O péptido LL37 conjugado com polietilenoglicol é simulado em conjunção com um modelo aproximado de uma membrana celular bacteriana, às temperaturas de 37◦ C e 45◦ C, simulando o efeito da terapia fototérmica. O efeito da temperatura e concentração de péptido na membrana foi estudado através de modelos de regressão linear ajustados a cada propriedade da membrana.O péptido LL37, quando em contacto com a membrana, dispôs-se numa estrutura de alfa-hélice, principalmente nas secções dos aminoácidos 1-14 e 16-31. Os aminoácidos de cadeia lateral hidrofóbica inseriram-se dentro da membrana, e os aminoácidos hidrofílicos contribuíram para a fixação do péptido através da formação de ligações de hidrogénio com os grupos fosfato da membrana. O péptido também causou o deslocamento dos iões potássio para fora da superfície da membrana.O aumento de temperatura levou ao aumento da permeabilidade da membrana, o que contribuiu para a mais fácil inserção do péptido. A membrana diminuiu de espessura e os fosfolípidos passaram a ter mais mobilidade. De forma geral, o aumento da temperatura pareceu potenciar a interação do péptido com a membrana celular. Isto significa que o uso de materiais revestidos com péptidos antimicrobianos juntamente com o uso da terapia fototérmica pode ser uma estratégia válida para a prevenção e tratamento de doenças peri-implantares.