Matrix metalloproteinases (MMPs) are a family of enzymes which, in concert, are capable of degrading collagen. We investigated whether human MMPs could participate in the degradation of dentin organic matrix after demineralization. We performed Western blot analyses using MMP-specific antibodies to identify MMPs in human dental caries lesions. Enzymography and functional activity assays, with 125 I-labeled gelatin as substrate or quantitating the degradation of type I collagen, were used to determine the activity of purified and salivary gelatinolytic (MMP-2 and MMP-9) and collagenolytic (MMP-8) enzymes with and without acid-activation in pHs relevant to caries. Respective analyses were done with caries-related bacteria. We performed electron microscope analyses to assess the degradative activity of sterilized salivary host MMPs on demineralized human dentin. Human MMP-2, MMP-8, and MMP-9 were identified in demineralized dentinal lesions. The latent purified forms of these enzymes were activated at low pH (4.5), followed by neutralization, mimicking the conditions during caries progression. Incubation of human saliva at low pH followed by neutralization resulted in a four-fold increase in the gelatinolytic activity. No gelatinolytic or collagenolytic activity was observed in bacterial samples. The activated enzymes in saliva degraded demineralized dentin organic matrix in vitro. These results demonstrate the pH-dependent activation mechanism of MMPs, which may have a distinct role in different physiological and pathological conditions. They further demonstrate that host MMPs, activated by bacterial acids, have a crucial role in the destruction of dentin by caries.

The recent paradigm that endogenous collagenolytic and gelatinolytic activities derived from acid-etched dentin result in degradation of hybrid layers requires in vivo validation. This study tested the null hypothesis that there is no difference between the degradation of dentin bonded with an etch-and-rinse adhesive and that in conjunction with chlorhexidine, an MMP inhibitor, applied after phosphoric-acid-etching. Contralateral pairs of bonded Class I restorations in primary molars of clinical subjects were retrieved after a six-month period of intra-oral functioning and processed for transmission electron microscopy. Hybrid layers from the chlorhexidine-treated teeth exhibited normal structural integrity of the collagen network. Conversely, abnormal hybrid layers were seen in the control teeth, with progressive disintegration of the fibrillar network, to the extent that it was beyond detection by collagen staining. Self-destruction of collagen matrices occurs rapidly in resin-infiltrated dentin in vivo and may be arrested with the use of chlorhexidine as an MMP inhibitor.

Host-derived proteases have been reported to degrade the collagen matrix of incompletely-resin-infiltrated dentin. This study tested the hypothesis that interfacial degradation of resin-dentin bonds may be prevented or delayed by the application of chlorhexidine (CHX), a matrix metalloproteinase inhibitor, to dentin after phosphoric acid-etching. Contralateral pairs of resin-bonded Class I restorations in non-carious third molars were kept under intra-oral function for 14 months. Preservation of resin-dentin bonds was assessed by microtensile bond strength tests and TEM examination. In vivo bond strength remained stable in the CHX-treated specimens, while bond strength decreased significantly in control teeth. Resin-infiltrated dentin in CHX-treated specimens exhibited normal structural integrity of the collagen network. Conversely, progressive disintegration of the fibrillar network was identified in control specimens. Auto-degradation of collagen matrices can occur in resin-infiltrated dentin, but may be prevented by the application of a synthetic protease inhibitor, such as chlorhexidine.

Auto-degradation of collagen matrices occurs in resin-infiltrated dentine by the slow action of host-derived matrix metalloproteinases. As phosphoric acid-etching inactivates these endogenous enzymes, it is puzzling how hybrid layers created by simplified etch-and-rinse adhesives can degrade in vivo. This study tested the null hypothesis that there are no differences in the relative proteolytic activities of mineralised dentine, acid-etched dentine, and etch-and-rinse adhesive-treated acid-etched dentine. Powdered dentine prepared from extracted human teeth was treated with 17% EDTA, 10% phosphoric acid, or with five simplified etch-and-rinse adhesives that were applied to 10% phosphoric acid-etched dentine. The gelatinolytic activity of the dentine powder was assayed using fluorescein-labelled gelatine. TEM examination of the air-dried, treated dentine powder was performed to confirm the presence of remnant mineralised dentine after acid-etching. 17% EDTA significantly reduced the relative proteolytic activity (73.2%) of the untreated mineralised dentine powder (control), while 10% phosphoric acid-etched dentine exhibited the highest reduction (98.1%). Treating the acid-etched dentine powder with any of the five simplified etch-and-rinse adhesives resulted in the reactivation of the proteolytic activity, with a significant negative linear correlation (P<0.05) between the increases in fluorescence and the corresponding pH values of the adhesives. It is concluded that simplified etch-and-rinse adhesives can reactivate endogenous enzymatic activities in dentine that are previously inactivated by phosphoric acid-etching. The amount of enzyme reactivated may even exceed the original quantity present in untreated mineralised dentine. This provides an explanation for the degradation of hybrid layers after acid-etched dentine matrices are infiltrated with these adhesives.

Loss of hybrid layer integrity compromises resin-dentin bond stability. Matrix metalloproteinases (MMPs) may be partially responsible for hybrid layer degradation. Since chlorhexidine inhibits MMPs, we hypothesized that chlorhexidine would decelerate the loss of resin-dentin bonds. Class I preparations in extracted third molars were sectioned into two halves. One half was customarily restored (etch-and-rinse adhesive/resin composite), and the other was treated with 2% chlorhexidine after being acid-etched before restoration. Specimens were stored in artificial saliva with/without protease inhibitors. Microtensile bond strengths and failure mode distribution under SEM were analyzed immediately after specimens’ preparation and 6 months later. With chlorhexidine, significantly better preservation of bond strength was observed after 6 months; protease inhibitors in the storage medium had no effect. Failure analysis showed significantly less failure in the hybrid layer with chlorhexidine, compared with controls after 6 months. In conclusion, this in vitro study suggests that chlorhexidine might be useful for the preservation of dentin bond strength.

Mild acids are known to activate dentin matrix metalloproteinase (MMPs). All self‐etching dental adhesives are acidic (pH 1.5–2.7) and may activate dentin MMPs. The purpose of this study was to compare the ability of several all‐in‐one adhesives to activate gelatinolytic and collagenolytic activities in powdered mineralized dentin. Powdered dentin made from human teeth was mixed with all‐in‐one adhesives (Clearfil Tri‐S Bond, G‐Bond, Adper Prompt L‐Pop) or a self‐etching primer (Clearfil SE Bond primer) for varying times and then the reaction was stopped by extracting the adhesives using acetone. Fresh untreated mineralized dentin powder had a gelatinolytic activity of 3.31 ± 0.39 relative fluorescent units (RFU) per mg dry weight (24 h) that increased, over storage time, to 87.5 RFU mg −1 (24 h) after 6–8 wk. When fresh powder was treated with acidic Tri‐S Bond, the gelatinolytic activity increased from 3.24 ± 0.70 RFU mg −1 to > 112.5 RFU mg −1 (24 h) after 20 min and then remained unchanged. Monomers with lower pH values produced less activity. There was a significant, direct correlation between gelatinolytic activity and pH, with Tri‐S giving the highest activity. Coating dentin powder with Tri‐S resin prevented fluorescent substrates from gaining access to the enzyme, even though it activated the enzyme. In conclusion, self‐etch adhesives may activate latent MMP and increase the activity to near‐maximum levels and contribute to the degradation of resin–dentin bonds over time.

This study evaluated the role of endogenous dentin MMPs in auto-degradation of collagen fibrils within adhesive-bonded interfaces. The null hypotheses tested were that adhesive blends or chlorhexidine digluconate (CHX) application does not modify dentin MMPs activity and that CHX used as therapeutic primer does not improve the stability of adhesive interfaces over time. Zymograms of protein extracts from human dentin powder incubated with Adper Scotchbond 1XT (SB1XT) on untreated or 0.2–2% CHX-treated dentin were obtained to assay dentin MMPs activity. Microtensile bond strength and interfacial nanoleakage expression of SB1XT bonded interfaces (with or without CHX pre-treatment for 30 s on the etched surface) were analyzed immediately and after 2 years of storage in artificial saliva at 37 °C. Zymograms showed that application of SB1XT to human dentin powder increases MMP-2 activity, while CHX pre-treatment inhibited all dentin gelatinolytic activity, irrespective from the tested concentration. CHX significantly lowered the loss of bond strength and nanoleakage seen in acid-etched resin-bonded dentin artificially aged for 2 years. The study demonstrates the active role of SB1XT in dentin MMP-2 activation and the efficacy of CHX inhibition of MMPs even if used at low concentration (0.2%).

Previously an unidentified collagenolytic metalloprotease together with gelatinase (matrix metalloproteinase-2, MMP-2), and enamelysin (MMP-20) have been detected in human dentin. The aim of the study was to characterize dentinal collagenolytic enzymes. Furthermore, we hypothesized that the dentinal MMPs are protected by the mineral phase, and studied the stability of dentinal MMPs.To characterize dentinal collagenolytic enzymes, we used Western blotting with specific antibodies against MMP collagenases (MMP-1, -8, and -13) and cathepsin K. MMP-8 immunofluorometric assay (IFMA) was also used for MMP-8 detection, and functional collagenase activity was examined with type I collagen degradation assay. The stability of dentinal MMPs was examined by autoclaving dentin blocks before protein extraction and subsequent examination of protein levels and the activities of dentin collagenase and gelatinases.MMP-8 (collagenase-2) was detected in dentin both with Western blot and IFMA, and dentinal samples also cleaved the intact type I collagen into characteristic 3/4(alphaA)-cleavage products in vitro. No other collagenases or cathepsin K were detected. In autoclaved samples no MMP-8 was found, but gelatinase activity was observed in protein fractions of mineralized dentin.MMP-8 represents the major collagenase in human dentin. Unlike MMP-8, dentinal gelatinases can be detected after autoclave treatment of dentin, indicating their high resistance to external sample treatment procedures.

The co-expression of MMPs and cysteine cathepsins in the human dentin-pulp complex indicates that both classes of enzymes can contribute to the endogenous proteolytic activity of dentin. Chlorhexidine (CHX) is an efficient inhibitor of MMP activity. This study investigated whether CHX could also inhibit cysteine cathepsins present in dentin. The inhibitory profile of CHX on the activity of dentin-extracted and recombinant cysteine cathepsins (B, K, and L) was monitored in fluorogenic substrates. The rate of substrate hydrolysis was spectrofluorimetrically measured, and inhibitory constants were calculated. Molecular docking was performed to predict the binding affinity between CHX and cysteine cathepsins. The results showed that CHX inhibited the proteolytic activity of dentin-extracted cysteine cathepsins in a dose-dependent manner. The proteolytic activity of human recombinant cathepsins was also inhibited by CHX. Molecular docking analysis suggested that CHX strongly interacts with the subsites S2 to S2′ of cysteine cathepsins B, K, and L in a very similar manner. Taken together, these results clearly showed that CHX is a potent inhibitor of the cysteine cathepsins-proteolytic enzymes present in the dentin-pulp complex.