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Introduction 
 
Periodontal Diseases 
 
Plaque-induced  periodontal  diseases  have  traditionally  been  divided  into  two  general 
categories  based  on  whether  attachment  loss  has  occurred:  gingivitis  and  periodontitis. 
Gingivitis  is  the  presence  of  gingival  inflammation  without  loss  of  connective  tissue 
attachment whereas in periodontitis there is or has been pathological detachment of collagen 
fibres  from  cementum  and  apical  migration  of  the  junctional  epithelium  (Anon,  2003). 
Gingival  and  periodontal  inflammation  represents  the  host  response  to  bacterial  plaque, 
mediated  by  the  environment  in  which  the  response  occurs  (Genco,  1990).  The  supporting 
tissues  of  the  teeth,  including  the  periodontal  ligament  and  alveolar  bone,  are  destroyed  in 
periodontitis  and  the  end  point  is  invariably  the  same,  tooth  loss.  In  the  local  lesion  of 
periodontitis,  as  tissue  damage  progresses,  gaps  are  formed  between  the  gum  and  the  root 
surfaces  of  the  teeth  referred  to  as  periodontal  pockets.  In  severe  disease  these  periodontal 
pockets  are  several  mm  deep  and  are  lined  by  ulcerated  epithelium  covering  inflamed 
connective  tissue.  In  periodontitis  gingival  crevicular  fluid  (GCF)  flows  from  the  gingival 
microcirculation  into  the  periodontal  pockets  and  the  volume  increases  in  proportion  to  the 
severity of the local inflammatory process.Factors controlling the progression of gingivitis to 
periodontitis  remain  to  be  fully  elucidated  and  as  a  result  key  questions  about  the 
pathogenesis of the disease remain unanswered. Identification of a biomarker to characterise 
the transition between gingivitis and periodontitis would be a major discovery in terms of (1) 
identifying gingivitis cases at risk of progressing to periodontitis, (2) monitoring periodontal 
disease progression and (3) supporting appropriate therapeutic intervention. 
 
 
Biomarkers 
 
Biomarkers of disease should be objective measurements that act as indicators of normal 
biological  processes,  pathogenic  processes  or  pharmacological  responses  to  therapeutic 
intervention.  There  are  at  least  three  important  technical  attributes  of  a  good biomarker:  (1) 
presence  in  a  peripheral  body  fluid  (e.g.,  blood,  saliva,  GCF);  (2)  ease  of  detection  or 

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Biomarkers of Periodontal Disease: Past, Present and Future Challenges 
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quantification in robust and affordable assays; and (3) associated specifically with damage of 
a  particular  tissue,  preferably  in  a  quantifiable  manner.  Properties  of  the  diagnostic  test  in 
which biomarkers are employed such as specificity and sensitivity are helpful in evaluating its 
usefulness in clinical practice. Very simply the relationship between the result of the test and 
the clinical diagnosis can be presented in a two by two table (Figure 1). The ideal test should 
have a sensitivity and specificity of 1, however no such test is currently available in medicine 
or dentistry. The positive predictive value is also important as it reflects the probability that a 
positive test reflects the underlying condition, however its value depends on the prevalence of 
the disease which may vary. The negative predictive value on the other hand is the portion of 
patients with negative test results who are correctly diagnosed. 
 
 
Improving on Current Diagnostic Markers 
 
Novel  biomarkers  of  disease  are  generally  measured  against  a  ‗gold  standard‘.  No  such 
gold  standard  exists  for  periodontal  diseases  as  traditional  biomarkers  like  bleeding  on 
probing  (BOP)  are  associated  with  many  false  positives  and  are  not  readily  quantifiable. 
However,  the  absence  of  BOP  is  generally  considered  as  an  accurate  negative  predictor  of 
disease  (Lang  et  al.,  1990).  In  the  search  for  novel  biomarkers  comparisons  must  be  made 
with  current  measures  of  disease.  Conventional  periodontal  probes  are  used  routinely  to 
obtain both probing depth (PD; distance from the gingival margin to the base of the probable 
crevice) and clinical attachment loss (CAL; distance from the cementoenamel junction to the 
base of the probable crevice). PDs can be recorded rapidly and provide an overall assessment 
of the depth of periodontal pockets whereas CAL assessments are more difficult to measure 
accurately,  but  give  a  better  overall  estimate  of  the  amount  of  damage  to  the  periodontium. 
The  crudeness  of  measurements  to  the  nearest  mm  to  assess  attachment  loss  means  that  the 
extent  of  disease  is  not  determined  by  a  reliable  measure  and  thus  disease  progression  may 
occur,  but  not  to  a  large  enough  extent  to  be  measurable  routinely.  Electronic  probeshave 
better resolution but are not in routine clinical use (Jeffcoat et al., 1986). 
 
 
Figure 1. Decision matrix for diagnostic and prognostic tests. 
The threshold for attachment loss must therefore be considered carefully if it is to be used 
as  a  gold  standard  for  biomarker  validation.  Studies  measuring  1  mm,  2  mm  or  3  mm 
attachment  losses  over  a  defined  period  of  time  have  been  reported  and  those  studies  with 
large  thresholds  have  a  lower  likelihood  of  false  positives  (and  a  higher  likelihood  of  false 

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Fionnuala T. Lundy 
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negatives).  Disagreement  between  the  attachment  loss  measured  and  the  biomarker  may 
therefore be a true reflection of better positive prediction by the latter. The majority of studies 
choose a CAL of 2 mm, with radiographic bone loss employed as a complementary method to 
diagnose  disease  progression.  Despite  inherent  difficulties  in  defining  the  effectiveness  of  a 
novel  biomarker  against  crude  clinical  measurements  of  disease  there  are  currently  few 
alternatives. 
 
 
Biomarkers in GCF or Saliva?  
 
The  study  of  GCF  samples,  from  defined  sites  of  chronic  periodontal  inflammation, 
allows  non-invasive  access  to  an  inflammatory  exudate  that  can  be  used  to  improve  our 
understanding  of  the  inflammatory  process.  The  protein  concentration  of  GCF  at 
periodontally healthy sites (22 mg/ml) is similar to that of physiological extravascular fluids 
(Curtis et al., 1988). By contrast, GCF from inflamed sites has a protein concentration in the 
region  of  70  mg/ml  and  is  considered  to  be  a  classical  inflammatory  exudate  (Bickel  et  al., 
1985).  The  cellular  components  of  GCF  are  70-80%  granulocytes,  10-20%  monocytes/ 
macrophages,  5%  mast  cells  and  5%  T  lymphocytes.  The  fluid  exudate  contains  proteins 
synthesised  and  secreted  in  the  inflamed  gingiva  and  carried  by  the  GCF  to  the  gingival 
crevice/pocket (Lamster, 1997). Here, they are augmented by proteins released from bacteria 
and host cells, particularly polymorphonuclear leukocytes (PMNs), present in the periodontal 
pocket.  The  constituents  of  GCF  are  therefore  derived  from  a  number  of  sources  including 
microbial plaque, host inflammatory cells, serum and tissue breakdown (Curtis et al., 1989). 
The rationale behind the analysis of crevicular fluid is that inflammatory mediators present in 
GCF  will  reflect  events  taking  place  both  within  the  connective  tissue  and  in  the  gingival 
crevice/pocket.  Despite  the  minute  quantities  of  fluid  that  can  be  recovered  from  single 
gingival crevices or periodontal pockets  (Linden et al., 1997), the majority of investigations 
on biomarkers of periodontitishave focused on GCF.  
In  periodontal  disease  individual  sites  undergo  periods  of  active  tissue  destruction 
followed by periods of quiescence or repair. The site specific nature of the disease therefore 
points  to  the  use  of  individual  GCF  samples  for  analysis  since  it  is  only  by  sampling  at 
individual  sites  that  a  site  specific  prognosis  can  be  evaluated.  Specific  markers  of  disease 
activity are more likely to be present at higher concentration in the micro-environment of the 
gingival crevice. However the collection of GCF, although non-invasive, requires training and 
expertise,  and  the  technique  should  be  perfected  so  as  not  to  allow  GCF  sample 
contamination  with  saliva  or  blood.  As  a  result  of  some  of  the  inherent  difficulties  with 
sampling  and  analysis  of  minute  quantities  of  GCF,  researchers  have  looked  to  saliva  as  an 
alternative  oral  fluid  for  biomarker  discovery.  In  some  ways  this  can  be  regarded  as  an 
advantage as salivary analytes may offer a way of assessing subject-level (as opposed to site-
level) risk or status. Furthermore, collection of whole saliva is easy, non-invasive and rapid, 
requiring  no  special  equipment  or  expertise.There  are,  however,  additional  challenges  in 
using  saliva  for  diagnostic  purposes.  Whole  or  mixed  saliva  is  a  complex  fluid  mixture 
derived  from  the  major  and  minor  salivary  glands,  containing  contributions  from  GCF,  oral 
bacteria, cells and other sources that make identification of the exact site of disease activity 
difficult.A  specific  biomarker  of  periodontal  disease  is  perhaps  more  likely  to  be  present  in 
higher levels in GCF and may not be measurable robustly in saliva. Furthermore, heightened 

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Biomarkers of Periodontal Disease: Past, Present and Future Challenges 
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periodontal disease activity in a limited number of sites could be underestimated by a dilution 
effect  in  saliva.  In  addition,  salivary  flow  rate  varies  between  individuals  or  as  a  result  of 
medications and could affect biomarker concentration in saliva. 
 
 
Biomarkers Associated with Periodontal Disease Pathogenesis 
 
Periodontal diseases reflect a spectrum of disease activity from mild gingivitis through to 
chronic  destructive  periodontitis.Gingivitis  is  a  reversible  inflammatory  condition  and  does 
not  result  in  the  permanent  destruction  of  the  periodontal  ligament  or  alveolar 
bone.Inflammatory markers associated with gingivitis would therefore not predict reliably the 
likelihood of a patient developing periodontal disease. Of the numerous constituents in GCF, 
however,  the  vast  majority  constitute  soft  tissue  inflammatory  events,  while  only  a  few  are 
regarded  as  specific  biomarkers  of  alveolar  bone  destruction.  At  present  under-diagnosis  of 
periodontal disease results in low rates of appropriate therapy and a reliable biomarker would 
help redress this balance in favour of improved prognosis. Novel biomarkers should correctly 
identify current disease activity, predict sites vulnerable for future breakdown, and assess the 
response to periodontal interventions, ultimately leading to improved clinical management of 
periodontal patients. Since periodontitis is a multifactorial disease,  measurement of multiple 
biomarkers may be advantageous. 
It  has  long  been  recognised  that  PMNs  are  the  major  cells  of  the  acute  inflammatory 
response in mammalian tissue and the oral cavity is no exception (Wilton et al., 1976). Many 
of  the  potential  biomarkers  studied  in  GCF  are  derived  from  PMNs  and  as  such  are  early 
markers of inflammation but may not be useful discriminators between gingival inflammation 
and  periodontal  disease.  Several  biomarkers  of  disease  are  now  discussed  in  more  detail,  in 
order  of  the  phase  of  the  disease  process  in  which  they  have  a  major  role;  initial 
inflammation,  extracellular  matrix  (ECM)  breakdown  and  boneturnover/destruction  (Figure 
2). It must be pointed out that many of the putative biomarkers describedbelow are functional 
in more than one phase of disease.  
 
 
Figure 2. Simplified model of the progression of periodontal disease. 
 
Biomarkers of Inflammation 
 
During  the  initiation  of  an  inflammatory  response  in  the  gingival  and  periodontal 
connective  tissue  numerous  inflammatory  mediators,  such  as  prostaglandin  E2  (PGE
2
), 
interleukin  (IL)-1β,  IL-6,  or  tumour  necrosis  factor  (TNF)-αare  released  from  cells  of  the 
junctional  epithelia,  connective  tissue  fibroblasts,  macrophages,  and  PMNs.  Neuropeptides 
are  also  released  from  nerve  fibres  innervating  the  gingival  and  periodontal  tissues  and 

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represent  an  important  component  of  the  neurogenic  inflammatory  response  (Lundy  and 
Linden, 2004). Subsequent to the initial inflammatory  response T and B cells emerge at the 
infection sites and secrete immunoglobulins (Kornman et al., 1997).