Zusammensetzung und Funktion eines oft unterschätzten Helfers

Wolfgang Buchalla

Der Speichel ist Bestandteil von zum Teil lebenswichtigen physiologischen Prozessen. Die normale Nahrungsaufnahme wäre ohne Speichel nicht möglich. Das Kauen wäre stark behindert und schmerzhaft und würde zu Verletzungen von Gingiva und Mundschleimhaut führen. Auch das Herunterschlucken der gekauten Nahrung wäre ohne Speichel nicht durchführbar. Neben dieser direkt nachvollziehbaren Funktion bedient der Speichel auch viele Schutzfunktionen für die Schleimhäute und die Zahnhartsubstanzen. Mit seinen Funk-tionen trägt der Speichel entscheidend zur Gesunderhaltung des Mund- und Rachenraums bei und leistet einen wichtigen Beitrag zur Gesunderhaltung des gesamten Organismus.

Die drei größten Speicheldrüsen (Parotis, Sublingualis und Submandibularis) sind paarig angelegt und sezernieren 90 Prozent des Drüsenspeichels. Die restlichen zehn Prozent entstammen den über die Mundschleimhaut verteilten kleinen Speicheldrüsen. Im Gegensatz zu dem von den Speicheldrüsen sezernierten Drüsenspeichel enthält der Gesamtspeichel noch Spuren von Parodontalflüssigkeit, Zellabschilferungen der Mucosa, Bakterien und weitere Komponenten aus der Nahrung, aus Blut oder bakteriellen Ursprungs [Bardow et al., 2008].

Der Speichel der verschiedenen Speicheldrüsen unterscheidet sich in Konsistenz, Zusammensetzung und Fließrate. Die kleinen Speicheldrüsen sezernieren den am stärksten mukösen Speichel. Der Speichel der Glandulae sublinguales und submandibulares ist ebenfalls relativ mukös und macht den Hauptbestandteil des Ruhespeichels aus.

Der Parotisspeichel dagegen wird vor allem bei Stimulation gebildet und ist stark serös. Die chemische Zusammensetzung dieser Flüssigkeit ist der Zusammensetzung des Blutplasmas ähnlich, unterscheidet sich aber in einigen Punkten deutlich. Die Syntheseleistung der Speicheldrüsen wird zentralnervös gesteuert. Afferente Nervenfasern aus dem N. trigeminus (Mastikation) und den N. Facialis und N. Glossopharyngeus (Geschmack) werden in Nuclei des unteren Hirnstamms mit efferenten Fasern (Sympaticus, Parasympathicus) verschaltet, wobei die Nuclei auch von zentralen, übergeordneten Zentren beeinflusst werden. Der Speichel wird in den Acini der Speicheldrüsen gebildet, indem die Zellen der Acinuswand aktiv Chlorid-Ionen in das Acinuslumen pumpen und gleichzeitig Kalium-Ionen nach extrazellulär außerhalb des Acinuslumens befördern. In einem passiven Diffusionsprozess strömen dann Wasser und Natrium vor allem durch extrazelluläre Kanäle in das Acinuslumen. Es entsteht so ein Primärspeichel mit einer zunächst hohen Osmolarität. Dieser Speichel wird auf seinem Weg durch die Drüsengänge, die weniger wasserdurchlässig sind als die Acinuswand, stark modifiziert. Natrium und Kalium werden reabsorbiert, während Kalium und Bicarbonat in das Lumen der Drüsengänge abgegeben werden [Bardow et al., 2008]. Insgesamt werden in Ruhe, das heißt im Wachzustand ohne speichelflussanregende Reize, bei gesunden Menschen etwa 0,3 ml/min Speichel gebildet, während bei Stimulation (stimulierter Speichelfluss) sogar 1,5 ml/min erzeugt werden (Tabelle 1). Dabei gibt es aber große interindividuelle Unterschiede. Der individuelle Speichelfluss wird von einer Vielzahl an Parametern beeinflusst. Hierzu zählen der Hydratationszustand des Körpers, Stimuli wie zum Beispiel Gerüche, die Nahrungsaufnahme, visuelle Eindrücke, aber auch Medikamente, Nikotin und Drogen (zum Beispiel Marihuana). Während des Schlafens kommt der Speichelfluss fast vollständig zum Erliegen. Auch tagsüber schwankt der Fluss des Ruhespeichels zwischen kleineren Werten morgens und spät abends und einem Maximum am frühen Abend [Dawes, 1996].

Der Speichel erfüllt eine Vielzahl von Funktionen, auf die im Folgenden näher eingegangen werden soll.

Hohe Konzentrationen an sauren und kariogenen Nahrungsbestandteilen können die Zahnhartsubstanz und die orale Schleimhaut schädigen. Der Körper hat daher ein Interesse daran, derartige Bestandteile zu verdünnen und aus der Mundhöhle zu entfernen. Das Grundprinzip hierzu wurde in einem Modell vorgestellt [Dawes et al., 1989], das die Spülfunktion des Speichels mit dem stimulierten Speichelfluss und dem Schluckakt in Zusammenhang bringt (Abbildung unten). Je nach bestehender Konzentration von zum Beispiel Säure oder Zucker füllt und leert sich das Gefäß in Folge, bis die Konzentration des „Schadstoffs“ unter eine bestimmte Schwelle sinkt. Neben dieser im Großen betrachteten Spülfunktion spielt aber auch die Fließgeschwindigkeit des sich über die Zahnoberfläche bewegenden Speichelfilms eine Rolle [Collins und Dawes, 1987]. So wurde im Unterkiefer für die Lingualflächen der Schneidezähne eine Filmgeschwindigkeit von 8 mm/min angegeben, für die Bukkalflächen der Molaren hingegen eine von nur 1 mm/min [Dawes et al., 1989].

Dies könnte das häufigere Auftreten von Zahnhalskaries an den Bukkalflächen erklären. Eine höhere Filmgeschwindigkeit begünstigt nicht nur die Spülfunktion an sauberen Zahnoberflächen, sondern auch bei vorhandenem Biofilm (Plaque), da die in der Plaque vorhandenen Substanzen über Diffusion nach außen gelangen. Ist durch eine erhöhte Filmgeschwindigkeit des Speichels der Diffusionsgradient erhöht, bedeutet dies, dass zum Beispiel in der Plaque vorhandene Säuren schneller aus der Plaque entfernt werden.

Der Speichel verfügt über mehrere Mechanismen, den pH-Wert bei Säurezufuhr ab-zupuffern. Der stärkste Puffer im Speichel geht vom vorhandenen Bicarbonat aus. Dieser Puffer ist in dem für den Speichel relevanten Bereich von pH 5,1 bis 7,1 wirksam [Bardow et al., 2008]. Die Konzentration an Bicarbonat bei geringer Speichel-Fließrate ist jedoch relativ gering, nimmt aber mit der Fließrate des Speichels überproportional zu. Insbesondere bei hohen Speichel-Fließraten besteht daher eine durchaus wirksame Bicarbonat-Konzentration. Die gesteigerte Speichel-Fließrate bei Zufuhr von sauren Nahrungsmitteln hat also nicht nur einen Spüleffekt, sondern trägt auch über eine gesteigerte Pufferwirkung zur Neutralisation von Säure bei.

Der Phosphatpuffer im Speichel (Wirkungsbereich pH 6,1 bis 8,1) ist der Hauptpuffer im Ruhespeichel. Allerdings ist seine Wirksamkeit aufgrund des hohen pH-Optimums und der für eine relevante Pufferwirkung zu kleinen Phosphatkonzentration nur gering. Der Proteinpuffer (nutzbarer Bereich pH 3,3 bis 7,2) bestehend aus einer Vielzahl an Proteinen. Aufgrund der geringen Proteinkonzentration weist auch der Proteinpuffer eine eher geringe Pufferwirkung auf.

Speichel – eine mit Kalzium und Phosphat übersättigte Lösung:

Dass der Mensch seine Zähne bis ins hohe Alter behalten kann, ohne dass diese sich vorzeitig auflösen, ist kein Zufall. Der Grund liegt darin, dass Zähne in einem Speichel „baden“, der bezogen auf die Mineralsalze der Zahnhartsubstanz mit Kalzium und Phosphat übersättigt ist. Es kommt in diesem Gleichgewichtszustand daher nicht zu einer Auflösung der Mineralsalze (modifiziertes Hydroxylapatit und Fluorhydroxylapatit) in Schmelz und Dentin. Würde der Speichel nur aus Wasser bestehen, käme es im Lauf der Zeit zur vollständigen Auflösung der Zahnhartsubstanz. Nur in bestimmten, aber oft wiederkehrenden Fällen, zum Beispiel bei Zufuhr saurer Getränke oder aber an der Zahnoberfläche unter einer Plaqueschicht nach Nahrungsaufnahme, verschiebt sich das Lösungsgleichgewicht durch einen starken Anstieg an Wasserstoff-Ionen. Hierdurch kommt es zur Auflösung der Zahnhartsubstanz. In gewissem Umfang ist die Demineralisation von Schmelz, Dentin und Zement reversibel (Abbildung linke Seite links). Solange die entsprechende Zahnhartsubstanz strukturell ausreichend organisiert bleibt, können bei Anstieg des pH-Wertes Kalzium und Phosphat, insbesondere unter Mitwirkung von Fluorid, in vorhandene Porositäten wieder eingebaut werden.

Warum fällt Kalziumphosphat im Speichel nicht aus? Wenn der Speichel – bezogen auf zum Beispiel Hydroxylapatit und andere Mineralien der Zahnhartsubstanzen – eine an Kalzium und Phosphat übersättigte Lösung ist, muss die Frage gestellt werden, warum diese Mineralsalze nicht spontan ausfallen. Der Grund hierfür sind bestimmte Proteine im Speichel, die dies verhindern. Der Speichel hat daher die doppelte Auf- gabe, genügend Kalzium und Phosphat bereitzustellen, deren vorzeitige Präzipitation aber, insbesondere auch in den Speicheldrüsen, zu verhindern [ten Cate, 1996].

Statherine sind Proteine, die die spontane Präzipitation von Kalziumphosphaten im Speichel verhindern und bei Vorliegen von Kalzium-Phosphat-Kristallen im Speichel ein Kristallwachstum inhibieren [Hay et al., 1982].

Damit es aber auch an der Zahnoberfläche nicht zu einer überschießenden Präzipitation von Kalziumphosphaten kommt (Ausnahme Zahnstein, siehe weiter unten), gibt es Proteine aus der Gruppe der prolinreichen Proteine (PRP), die eine gute Adsorption auf der Zahnoberfläche aufweisen und die Präzipitation von Kalziumphosphaten an der Oberfläche verhindern. Die prolinreichen Proteine sind daher auch Bestandteil des erworbenen Zahnoberhäutchens (Pellikel).

Warum können Kalziumphosphate in einer kariösen Läsion präzipitieren, wenn dies im Speichel unterdrückt wird?

Obwohl die Präzipitation von Kalziumphosphaten im Speichel und an der Zahnoberfläche mithilfe von Statherinen und prolinreichen Proteinen unterdrückt wird, kann eine initialkariöse Läsion remineralisieren. Dies liegt an der Größe der für die Inhibition verantwortlichen Proteine. Aufgrund ihrer Größe sind diese Proteine nicht in der Lage, in die relativ kleinen Porositäten der intakten Oberflächenschicht einer initialkariösen Läsion einzudringen. Die kleinen Kalzium- und Phosphat-Ionen hingegen können durch die Porositäten an der Oberfläche einer Initialkaries diffundieren. Dies bedeutet, dass der präzipitationshemmende Effekt der beteiligten Proteine sich nicht auf die initialkariöse Zahnhartsubstanz auswirkt, solange die Poren an der Oberfläche klein genug sind [Hannig et al., 2007].

Entstehung von Zahnstein:

Obwohl die spontane Präzipitation von Kalziumphosphaten im Speichel durch die beschriebenen Proteine wirksam verhindert wird, kommt es bei fast allen Patienten zur Bildung von Zahnstein. Bei genauerem Hinsehen fällt aber auf, dass sich Zahnstein in der Nähe von Speichelausführungsgängen bildet. Entscheidend aber ist, dass sich der Zahnstein auch dort nur bildet, wenn Plaque vorhanden ist. Dies ist deshalb möglich, weil die präzipitationshemmenden Proteine kaum in die Plaque eindringen und in der Plaque von bakteriellen Proteasen zerstört werden können, während Kalzium und Phosphat in so hoher Konzentration in die Plaque diffundieren, dass es dort – unter geeigneten Bedingungen – zur Präzipitation verschiedener Kalziumphosphate kommen kann [ten Cate, 1996]. Dies erklärt auch, warum Zahnstein in der Regel von einer Schicht Plaque bedeckt ist.

Die Proteine des Speichels liegen zwar nur in einer Konzentration von 1 bis 2 g/l im Speichel vor, aber sie haben einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften des Speichels [Bardow et al., 2008]. Zwar enthält der Speichel vereinzelt auch Proteine, die im Blutserum vorkommen, der über-wiegende Anteil besteht aber aus Proteinen, die in den Speicheldrüsen abgesondert werden, wobei der Parotisspeichel verglichen mit dem Sekret der übrigen Speicheldrüsen den geringsten Proteinanteil hat. Insgesamt enthält der Speichel über 2 000 Proteine mit einem Molekulargewicht im Bereich von  40 bis  1 000 kDa, bei denen es sich fast ausschließlich um Glycoproteine, also um Aminosäure-Ketten mit Kohlenhydrat-Seitenketten handelt. Obwohl es inzwischen zahlreiche Forschungsaktivitäten im Bereich der Speichelproteine gibt, ist die Funktion vieler Proteine unbekannt. Die bisher gefundenen Erkenntnisse lassen aber den Schluss zu, dass die Speichelproteine verschiedene wichtige Aufgaben innehaben [Ruhl, 2012] (Tabelle 2).

Proteine begünstigen die Verdauung: Die im Speichel vorliegenden mukösen Glycoproteine, insbesondere Mucin und prolinreiche Glycoproteine, befeuchten und schützen die Schleimhäute (und auch die Zahnhartsubstanz) vor mechanischen Verletzungen während des Kauens. Diese Proteine üben also eine Art Schmierfunktion aus und ermöglichen die Bildung eines Speise-Bolus. Die Funktion der Proteine wird unterstützt durch einen erhöhten Speichelfluss während des Kauvorgangs.

Im Speichel finden sich zahlreiche Enzyme. Neben Proteasen, Lipasen und einigen bakteriell erzeugten Enzymen stellt die Alpha-Amylase den größten Anteil der Enzyme im Speichel [Hay und Bowen, 1996]. Aufgrund der nur kurzen Einwirkzeit ist die Vorverdauung durch Speichelenzyme aber relativ stark limitiert. Gleichwohl wird diskutiert, ob die Alpha-Amylase die Funktion einer „chemischen Zahnbürste“ hat und zur Reinigung der Zahnoberflächen nach der Einnahme stärkereicher Kost beiträgt. Der moderne Mensch ist aufgrund einer Genverdoppelung in der Lage, mehr an Amylase zu produzieren, als unsere Vorfahren es konnten [Perry et al., 2007]. Diese Um- stellung hat im Laufe der sogenannten „neolithischen Revolution“ stattgefunden, also in der Zeitepoche in der die Menschheit ihre Ernährung auf Ackerbau umgestellt hat (circa 10 000 bis 3 000 vor Christus).

Das Pellikel:

Unmittelbar nach gründlicher Reinigung einer Zahnoberfläche beginnen sich im Mund Speichelproteine an die Zahnoberfläche anzulagern. So bildet sich innerhalb der ersten Stunde ein Film aus adsorbierten Speichelproteinen, das Pellikel mit einer Dicke in der Größenordnung von 10 µm aus (Abbildung oben). Das Pellikel besteht vor allem aus Glycoproteinen, insbesondere Mucinen, Enzymen (Alpha-Amylase, Glycosyltransferase, Peroxidase) und Immunglobulinen (sIgA und IgG). Das Pellikel ist keine statische Schicht, sondern befindet sich in einem steten Zustand von Adsorption und Desorption. Eine vollständige Entfernung des Pellikels ist zum Beispiel durch eine zahnärztliche Zahnreinigung und Politur oder durch eine Säureätzung möglich.

Beim „normalen“ Zähneputzen kommt es, abhängig von der verwendeten Zahnpasta und Putztechnik, in der Regel nur zu einer teilweisen Entfernung [Bardow et al., 2008].

Das Pellikel besitzt einige für die Zahn- gesundheit wichtige Eigenschaften [Collins und Dawes, 1987]. So bildet der dünne Proteinfilm auf der Zahnoberfläche einen mechanischen Schutz vor Verschleiß durch Abrasion und Attrition (Zahn-zu-Zahn-Kontakt) [Joiner et al., 2008]. Natürlich ist dies kein vollständiger Schutz. Bei Kauversuchen in einer Kaumaschine, die gewöhnlich ohne Pellikel durchgeführt werden, zeigen sich aber regelmäßig deutlich höhere Verschleißraten, als dies klinisch zu beobachten ist. Das Gleiche gilt auch für die direkte Säureeinwirkung, die, ist ein Pellikel vorhanden, eine deutlich geringere erosive Wirkung zeigt [Hannig et al., 2007]. Neben dieser mechanischen und chemischen Schutzfunktion moduliert es aber auch die Adhäsion von Mikroorganismen. Bakterien binden in der Regel zunächst reversibel über elektrostatische Kräfte an die Zahnoberfläche. Bei Vorliegen eines geeigneten Rezeptors im Pellikel können einige Bakterien (zum Beispiel S. oralis) über sogenannte Adhäsine an ihrer Zelloberfläche mit diesen Rezeptoren eine irreversible Bindung eingehen. Bestandteile des Pellikels mit solchen Rezeptoren sind zum Beispiel Statherin, prolinreiche Proteine, oder Alpha-Amylase. Es wird vermutet, dass die Speichelproteine im Pellikel vermehrt Rezeptoren für Bakterien vor- halten, die weniger schädlich sind und in Konkurrenz zu parodontopathogenen oder stark azidogenen Keimen stehen.

Antibakterielle Eigenschaften einiger Speichelproteine:

Nicht nur das Pellikel beeinflusst die Anbindung von Mikroorganismen an der Zahnoberfläche. Auch der Speichel selbst hat zahlreiche Mechanismen, bakterielles Wachstum zu kontrollieren, wobei den Speichelproteinen eine besondere Rolle zukommt.

Aus In-vitro-Untersuchungen ist bekannt, dass Speichelproteine und -peptide inhibierend auf den Stoffwechsel von Bakterien einwirken können, dass sie die Adhäsion von Bakterien an Oberflächen (Zahn und Mukosa) inhibieren können, und dass sie in der Lage sind, im Speichel befindliche (planktonische) Bakterien zu agglutinieren (verklumpen) und somit unschädlich zu machen. Speichel-Mucin ist, neben seiner Eigenschaft, an der Zahnoberfläche anhaften zu können und eine gute Schmierfunktion auszuüben, auch antibakteriell wirksam. Als Bestandteil des Pellikels können Mucine die Adhäsion von Bakterien an der Zahnoberfläche beeinflussen. Darüber hinaus können Mucine im nicht-adsorbierten Zustand Bakterien agglutinieren [van Nieuw Amerongen et al., 2004].

Weitere Proteine im Speichel mit antibakteriellen und zum Teil anitiviralen und fungiziden Eigenschaften sind das Lactoferrin, Lysozym, Sialoperoxidase und die Histatine, die auch die Wundheilung begünstigen. Obwohl antibakterielle Eigenschaften dieser Proteine beschrieben worden sind, ist zu vermuten, dass deren Einfluss auf die Vorgänge in der Plaque eher gering ist. So konnte bis heute noch kein direkter Nachweis erbracht werden, dass (und wie weit) antibakterielle Speichelproteine zu einer Reduktion der Entstehung von Karies beitragen.

Der Speichel spielt auch heute schon eine Rolle für diagnostische Fragestellungen. Bekannt sind Bakterientests, insbesondere zur Bestimmung der im Speichel vorhandenen Menge an S. mutans und Lactobacillen. Darüber hinaus werden Test-Kits zur Bestimmung der Speichelpufferkapazität angeboten. Allerdings erfüllen die genannten Tests nicht die in sie gelegte Hoffnung, das individuelle Kariesrisiko eines Patienten zuverlässig bestimmen zu können. Heute noch nicht möglich, aber gut vorstellbar ist, dass Speichel in Zukunft eine ähnliche diagnostische Bedeutung auch für allgemeinmedizinische Fragestellungen bekommen könnte, wie dies bei Blut heute schon der Fall ist.

Einerseits enthält Speichel einige Bestandteile aus dem Blutplasma. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass insbesondere in den über 2 000 im Speichel vorkommenden Proteinen Informationen von allgemein- medizinischer Relevanz, aber auch von Bedeutung für die Zahnheilkunde enthalten sind [Slavkin et al., 2011].

Die vielen Aufgaben des Speichels ermöglichen nicht nur die Nahrungsaufnahme, sondern decken auch ein ganzes Spektrum von Schutzmechanismen ab. Die Mundschleimhaut wird durch den Speichel feucht gehalten und mit einem Proteinfilm beschichtet, der sie vor mechanischen und chemischen Einflüssen, vor Mikroorganismen und Toxinen schützt. Die Zahnhartsubstanzen werden durch den Speichel in der Regel vor Demineralisation geschützt und können durch Speichelbestandteile bei bereits erfolgter Demineralisation wieder bis zu einem gewissen Grad remineralisiert werden. Aus dem Speichel stammende Proteine sind in der Lage, die Zahnoberfläche durch Bildung des sogenannten Pellikels zu beschichten und so die Folgen einer Säureeinwirkung oder eine mechanische Abnutzung zu reduzieren. Das Pellikel beeinflusst weiterhin die Anhaftung von Bak-terien an der Zahnoberfläche. Eine Vielzahl der im Speichel vorhandenen Proteine haben antibakterielle, fungizide und antivirale Eigenschaften.

Der Speichel begünstigt die Mundgesundheit mit einer Vielzahl an Mechanismen und trägt in wesentlichen Punkten zur Gesunderhaltung des Körpers bei.

Prof. Dr. Wolfgang BuchallaUniversität ZürichZentrum für ZahnmedizinKlinik für Präventivzahnmedizin, Parodontologie und KariologiePlattenstr. 11CH-8032 Zürichwolfgang.buchalla@zzm.uzh.ch

Dieser Artikel beruht auf einem Vortrag, der im Rahmen des von Wrigley Oral Healthcare Program (WOHP) ausgerichteten Symposiums „Multitalent Speichel“ auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Zahnerhaltung (DGZ) in Dresden gehalten wurde.