$-Amyloid

Aspartate Aminotransferase 
Aspartate  aminotransferase  (AST)  belongs  to  a  family  of  intracellular  enzymes  that  are 
released  from  damaged  cells  of  periodontal  tissues  into  GCF  and  saliva.  However,  the  high 
prevalence  of  AST-positive  sites  detected  during  gingival  inflammation  diminishes  this 
biomarker‘s  ability  to  discriminate  between  progressive  and  stable,  but  inflamed,  sites 
(Oringer et al., 2001). 
 
ECM Molecules and Metabolites 
Proteoglycans are integral components of the noncollagenous ECM with diverse roles in 
regulating activity of growth factors and proteases, collagen formation, ECM assembly, cell 
adhesion and growth.  
Decorin  is  one  of  the  major  proteoglycans  secreted  by  human  periodontal  fibroblasts
in 
vitro
 (Larjava et al., 1992), and is expressed abundantly in the periodontal connective tissues 
in vivo. 
Breakdown of collagen-rich connective tissue matrix in periodontal disease parallels a 
decrease  in  the  level  of  decorin  in  the  inflamed  connective  tissue  (Oksala  et  al.,  1997). 
Decreased  decorin  levels  may  arise  as  a  result  of  increased  decorin  degradation  caused  by 

---

Biomarkers of Periodontal Disease: Past, Present and Future Challenges 
101 
inflammation  (Waddington  et  al.,  1998)  or  by  down-regulated  decorin  expression  by 
fibroblasts. Degradation products originating from the active destruction of the alveolar bone 
could prove to be effective biomarkers for active destruction of alveolar bone if robust assays 
could be developed for their determination. 
Further work on ECM degradation products has been possible as a result of increasingly 
sophisticated ‗omic‘ technologies. Metabolomics, the systematic study of the unique chemical 
fingerprints  that  specific  cellular  processes  leave  behind,  is  a  powerful  tool  for  biomarker 
discovery in bodily fluids including GCF. It represents an unbiased approach to studying the 
cellular  metabolites  of  the  host  pathogen  interaction  in  periodontal  disease.  Metabolomic 
profiling  of  GCF  has  yielded  over  200  metabolites  with  altered  levels  associated  with 
periodontal  disease  status  (Barnes  et  al.,  2009).  Some  of  these  metabolites,  including 
representatives  of  the  purine  degradation  pathway  (a  major  biochemical  source  for  reactive 
oxygen species production), were significantly accelerated at disease sites and responded to a 
triclosan-containing  dentifrice  in  a  6-week  clinical  study  (Barnes  et  al.,  2010).  Four  of  the 
markers,  inosine,  lysine,  putrescine,  and  xanthine,  could  be  very  sensitive  indicators  for 
periodontal status and should be investigated further as putative biomarkers. 
 
 
Biomarkers of Bone Turnover 
 
Alveolar  bone  loss  is  a  key  discriminator  between  gingivitis  and  periodontitis  and 
remains an important area for biomarker discovery.  
 
Alkaline Phosphatise (ALP)  
ALP is released from PMNs during the inflammatory response (McCulloch, 1994), from 
osteoblasts  during  bone  formation  (Christenson,  1997)  and  from  periodontal  ligament 
fibroblastsduring  periodontal  regeneration  (Groenveld  et  al.,  1997).  ALP  activity  in  GCF  is 
thought  to  reflect  periodontal  recurrent  inflammation  or  healing  phases  in  chronic 
periodontitis patients (Chapple et al., 1999). GCF ALP activity has been proposed as a marker 
of  successful treatment  in chronic periodontitis  since this  activity was  shown  to  decrease as 
early as 15 days following scaling and root planning and (Perinetti et al., 2008). 
 
Osteocalcin 
Osteocalcin  is  a  small,  noncollagenous,  highly  conserved,  secreted  protein  that  is 
associated  with  the  mineralized  matrix  of  bone.  Elevated  serum  levels  of  osteocalcin  have 
been found during periods of rapid bone turnover, such as during fracture repair. Studies have 
shown  that  GCF  osteocalcin  levels  alone  are  unable  to  discriminate  between  active  and 
inactive sites (Nakashima et al., 1996).  
 
Osteopontin 
Osteopontin  is  a  single-chain  polypeptide  with  a  molecular  weight  of  approximately 
32,600 daltons. It is produced by both osteoblasts and osteoclasts, and as a result has a role in 
both bone maturation/mineralization as well as bone resorption. Osteopontin has been shown 
to correlate with clinical measures of disease (Kido et al., 2001). Further research should be 
directed to determining osteopontin‘s potential as a biomarker of disease progression. 
 

---

Fionnuala T. Lundy 
102 
Osteonectin  
Osteonectin  is  a  32,000  dalton  bone-specific  protein  that  binds  selectively  to  both 
hydroxyapatite  and  collagen,  and  has  been  implicated  in  the  early  phases  of  tissue 
mineralization. In a cross-sectional study of osteonectin in GCF, osteonectin levels appeared 
to be a sensitive marker for detection of periodontal disease status (Bowers et al., 1989).  
 
Pyridinoline Cross-Linked Carboxyterminal Telopeptide of Type I Collagen 
(ICTP) 
Following  the  synthesis  of  procollagen  and  its  release  into  the  ECM,  collagen  fibrils 
undergo  a  series  of  posttranslational  modifications  some  of  which  result  in  cross-link 
formation  between  the  telopeptide  regions  of  type  I  collagen.  Pyridinoline  cross-linked 
carboxyterminal  telopeptide  of  type  I  collagen  (ICTP)  is  derived  from  the  carboxyterminal 
telopeptide  regions  of  type  I  collagen  cross-linked  via  pyridinoline  or  deoxypyridinoline 
(Risteli et al., 1993). These ICTP cross links are essential for providing mechanical stability 
to the ECM and more importantly are specific to bone and cartilage. ICTP levels in GCF have 
been  shown  to  be  significantly  elevated  in  periodontitiscompared  to  gingivitis  or 
periodontally  healthy  subjects  (Palys  et  al.,  1998).  ICTP  levels  correlated  with  clinical 
parameters  and  putative  periodontal  pathogens,  demonstrating  significant  reductions  after 
periodontal therapy (Palys et al., 1998). Given the specificity of ICTP measurement for bone 
resorptionfurther  work  should  be  undertaken  to  develop  ICTP  measurements  as  putative 
biomarkers for periodontal disease. 
 
 
Combinations of Biomarkers  
 
The  use  of  multiple  biomarkers  has  been  employed  for  many  years  to  improve  the 
diagnostic  or  prognostic  potential  of  individual  markers.  Combination  of  osteocalcin, 
collagenase,  PGE
2
,  alpha-2  macroglobulin,  elastase  and  alkaline  phosphatase  was  shown  to 
increase  diagnostic  sensitivity  and  specificity  values  to  80  and  91%,  respectively 
(Offenbacher  et  al.,  1986).  With  advancements  in  novel  technologies  the  ease  of  multiple 
biomarker  measurements  has  improved.  Multiple  combinations  of  salivary  biomarkers 
(MMP-8,  MMP-9  and  osteoprotegerin)  combined  with  red-complex  anaerobic  periodontal 
pathogens  (such  as 
Porphyromonas  gingivalis
  or 
Treponema  denticola
)  provided  highly 
accurate predictions of periodontal disease category (Ramseier et al., 2009).