03 paź
Płytka nazębna jest przykładem biofilmu, bardzo powszechnego sposobu występowania mikroorganizmów w wielu środowiskach. Biofilm bakteryjny definiowany jest jako złożona agregacja mikroorganizmów połączonych między sobą oraz przyłączonych do różnych powierzchni, otoczonych produkowanym przez nie zewnątrzkomórkowym polimerem (ang. extracellular polimeric substance, EPS) (1-4). Struktura biofilmu jest obmywana przez przepływające płyny – w przypadku płytki nazębnej jest to ślina. Należy podkreślić, iż płytka nazębna nie jest niczym szczególnym jako sposób występowania mikroorganizmów, gdyż występowanie mikroorganizmów w postaci biofilmów ma miejsce w prawie każdym wilgotnym środowisku. Biofilmy spotykamy na powierzchni kamieni w strumieniach, w przemysłowych bioreaktorach oraz na powierzchni różnych naturalnych przewodów u zwierząt, w tym oczywiście również u człowieka. Należy tu wymienić m.in. drogi oddechowe, przewód pokarmowy czy pochwę (5).
Dojrzały biofilm składa się w około 5-25% z komórek bakteryjnych oraz w 95-75% z substancji międzykomórkowej (ang. glycocalyx matrix) (6). W skład mikroflory bakteryjnej jamy ustnej wchodzi około 700 gatunków bakterii (1-4). Gatunki te kolonizują zęby, język, błonę śluzową, podniebienie twarde, zmiany próchnicowe, kieszonki dziąsłowe itp. Rozmieszczenie mikroflory nie jest losowe, większość gatunków zajmuje określone nisze ekologiczne, tzn. preferuje konkretne miejsca w jamie ustnej. Jest to związane z różnymi warunkami panującymi w różnych częściach jamy ustnej, a zróżnicowanie to wynika chociażby z dostępności tlenu czy składników pokarmowych. Przykładem może być beztlenowe mikrośrodowisko tworzone w kieszonkach dziąsłowych (7).
Ogromna większość mikroflory jamy ustnej jest korzystna lub wręcz niezbędna dla naszego zdrowia. Wynika ona z kliku milionów lat koewolucji naszego gatunku wraz z naszym biomem bakteryjnym w środowisku naturalnym. Jednak z powodu początkowego zainteresowania naukowców, skupionego na patogennych gatunkach jamy ustnej, powstała iluzja, podtrzymywana przez media, iż bakterie są w dużej mierze naszymi wrogami a nie sprzymierzeńcami. Przeciwnie, bakterie są nieszkodliwymi komensalami a często komponentami niezbędnymi dla naszego zdrowia. Prawidłowy biofilm bakteryjny jamy ustnej oraz jego produkty mają swój wkład w zdrowie przyzębia (8). Mikroflora występuje zarówno u pacjentów dotkniętych zmianami próchniczymi, czy zapaleniem przyzębia, jak i u osób zdrowych. Badania kliniczne ujawniły, że w obu przypadkach występują konkretne gatunki bakterii – Streptococcus mutans oraz Porphyromonas gingivalis, jednak w przypadku osób z chorobami przyzębia czy próchnicą proporcja tych gatunków jest zwiększona. W związku z powyższym, wydaje się, iż współzawodnictwo pomiędzy korzystnymi bakteriami a bakteriami wirulentnymi w konsekwencji prowadzi do “stanu zdrowia” lub “stanu choroby” u człowieka. Współzawodnictwo pomiędzy różnymi gatunkami bakterii stanowiącymi mikroflorę jamy ustnej jest niezwykle skomplikowane, jednak wiele z tych oddziaływań ma charakter antagonistyczny. Obserwujemy współzawodnictwo o początkowe przyleganie bakterii pionierskich do powierzchni zęba, czy też o późniejsze przyleganie kolejnych gatunków bakterii do bakterii pionierskich. Obserwujemy wydzielanie przez bakterie różnych substancji takich jak: bakteriocyny czy nadtlenek wodoru, co umożliwia wzrost jednych gatunków bakterii a jednocześnie hamuje wzrost innych. W świetle posiadanej wiedzy jedynie fragment tych oddziaływań poznaliśmy i rozumiemy (5).
Etapy formowania się biofilmu w jamie ustnej.
Tworzenie się osłonki nabytej. Biofilm jamy ustnej jest unikalny pod wieloma względami, między innymi dlatego, iż do jego formowania niezbędne są glikoproteiny zawarte w ślinie. Pierwszym etapem formowania się biofilmu jest powstanie osłonki nabytej (błonki ślinowej, ang. acquired pellicle). Jest to cienka warstwa zawierająca glikoporoteiny pochodzące ze śliny, która tworzy się już po kilku minutach po szczotkowaniu zębów (Rys. 1). Pełni ona ważne funkcje polegające na ochronie szkliwa oraz jego remineralizacji. Na tym etapie osłonka nabyta nie posiada bakterii. Mechanizm tworzenia się osłonki nabytej sprowadza się do bardzo wielu oddziaływań pomiędzy składnikami śliny oraz powierzchnią zębów. Są to typowe siły fizyko-chemiczne działające na poziome molekularnym (np. siły van der Waalsa, oddziaływania hydorfobowe oraz wiele innych)(9).
Początkowa adhezja (przyleganie). Kolejnym etapem formowania się biofilmu jest adhezja bakterii pionerskich. Niektóre gatunki bakterii występujące w ślinie przyłączają się do osłonki nabytej (Rys. 1). Na tym etapie przyłączanie jest jeszcze odwracalne, jednak jak tylko bakterie zaczynają wydzielać EPS, adhezja bakterii, zarówno do osłonki nabytej jak i do samych siebie, staje się bardziej ścisła. Nie bez znaczenia dla bakteryjnej adhezji jest sama budowa osłon komórkowych, gdyż szczególne znaczenie w skutecznym przyleganiu bakterii mają specjalne wyrostki bakteryjne – fimbrie (5). Na tym etapie bardzo ważną rolę odgrywają również oddziaływania fizyko-chemiczne (wiązania wodorowe, siły van der Waalsa, czy oddziaływania elektrostatyczne) (9). Wczesnymi kolonizatorami są bakterie pionierskie należące do następujących rodzajów: Actinomyces, Streptococcus, Haemophilus, Capnocytophaga, Veillonella oraz Neiseria (10-12).
Dojrzewanie. Po tym jak bakterie pionierskie przyłączą się do osłonki nabytej, dostarczają one kolejnym gatunkom specyficznych miejsc przyłączania się. Późniejsi kolonizatorzy rozpoznają polisacharydy lub białka receptorowe na powierzchni bakterii pionierskich i zaczynają tworzyć koagregaty (Rys. 1). Do późniejszych kolonizatorów zaliczamy bakterie Fusobacterium nucleatum, Treponema spp. Tannerella forsythensis, Porphyromonas gingivalis, Aggregatibacter actinomycetemcomitans i inne (11, 13). W trakcie dojrzewania biofilmu jego komponenty ulegają zmianie. I tak na przykład, maleje relatywna liczba bakterii należących do rodzajów Streptococcus oraz Neiseria, natomiast rośnie liczba bakterii należących do rodzajów Actinomyces, Fusobacterium, Veillonella czy Corynebacterium (10). Agregacja bakterii jest procesem niezwykle skomplikowanym, prowadzącym w konsekwencji do powstania dojrzałego biofilmu, który składa się z wielu porowatych warstw zawierających w swojej strukturze liczne kanały wodne, które dostarczają bakteriom składniki odżywcze pochodzące ze śliny oraz odprowadzają produkty przemiany materii (5).
Dyspersja (rozproszenie). W dojrzałym biofilmie, bakterie mogą odłączać się, zarówno pojedynczo jak i całymi fragmentami płytki nazębnej, i ulegać przemieszczeniu (Rys. 1). Wpływ na dyspersję biofilmu mają siły erozyjne śliny. Co ciekawe, bakterie mogą również aktywnie odłączać się od biofilmu w poszukiwaniu źródeł składników odżywczych oraz nowych miejsc kolonizacji (5). Można powiedzieć, iż formowanie się płytki nazębnej jest tak samo naturalne jak jej rozpad i rozproszenie.
Rys. 1. Etapy formowania się biofilmu w jamie ustnej. Adaptacja na podstawie pracy Huang i wsp. (2011).
Płytka nazębna jest niezwykle złożonym ekosystemem. Złożona jest nie tylko sama struktura biofilmu ale także szereg oddziaływań zachodzących wewnątrz niej. Same bakterie oddziałują między sobą w układzie komórka-komórka poprzez specyficzne receptory na swojej powierzchni. Zjawisko to nie jest losowe, gdyż nie każda bakteria przyłączy się losowo do innej bakterii. Na przykład S. mutans agreguje z F. nucleatum natomiast nigdy nie z P. gingivalis. To powoduje, iż struktura biofilmu jest wysoce zorganizowana (Rys. 2). Poziom skomplikowania struktury biofilmu jest jednak niczym w porównaniu do procesów zachodzących wewnątrz niej. Oddziaływania wewnątrz biofilmu mogą mieć charakter kooperatywny, gdy bakterie wpływają na siebie w pozytywny sposób (np. komunikacja metaboliczna). Jednak wiele z tych oddziaływań polega na współzawodnictwie o składniki pokarmowe, miejsce przyłączenia się czy po prostu przetrwanie. Szereg mechanizmów umożliwiających współzawodnictwo różnych gatunków bakterii zostało poznanych i opisanych, np. synteza bakteriocyn, wydzielanie nadtlenku wodoru czy tzw. zmysł gęstościowy (ang. quorum sensing) (5).
Rys. 2. Uproszczony schemat oddziaływań między bakteriami w ekosystemie jamy ustnej. Adaptacja na podstawie pracy Huang i wsp. (2011).
Do tej pory opisano bardzo wiele aspektów tworzenia się oraz funkcjonowania płytki nazębnej, jednak wiele z nich pozostaje jeszcze nieznanych. Biofilm daje bakteriom bardzo wiele korzyści. Bakterie tworzące takie konsorcjum są zdecydowanie mniej wrażliwe na zmienne warunki środowiska oraz na farmaceutyki (w szczególności na antybiotyki). Dlatego też poznawanie skomplikowanych interakcji może przynieść w przyszłości wiele korzyści w postaci skutecznych metod leczenia chorób jamy ustnej, które często są wynikiem zachwiania równowagi w naturalnie występującej florze bakteryjnej.
Autorzy: mgr biol. Grzegorz M. Cech, dr. n. biol. Anna Kloska
Literatura:
1. Marsh PD. Dental plaque: biological significance of a biofilm and community life-style. Journal of Clinical Periodontology 2005; 32:7-15.
2. Madigan MT, Martinko JM, Eds. Brock Biology of microorganisms, Prentice Hall, Inc. Upper Saddle River 2006; 617:618.
3. Kolenbrander PE, Palmer RJ Jr, Rickard AH, Jakubovics NS, Chalmers NI, Diaz PI. Bacterial interactions and successions during plaque development. Periodontol 2000; 42:47-79.
4. Hojo K, Nagaoka S, Ohshima T, Maeda N. Bacterial interactions in dental biofilm development. J Dent Res 2009; 88:982-90
5. Huang R, Li M, Gregory RL. Bacterial interactions in dental biofilm Virulance 2011; 2:5, 435-444
6. Geesey GG, Lewandowski Z, Flemming HC eds. Biofouling and Biocorrosion in Industrial Water Systems, Lewis Publishers, Ann Arbor 1994.
7. Paster BJ, Olsen I, Aas JA, Dewhirst FE. The breadth of bacterial diversity in the human periodontal pocket and other oral sites. Periodontology 2000, 2006; 42:80-7.
8. Roberts FA, Darveau RP. Beneficial bacteria of the periodontium. Periodontology 2000, 2002; 30:40-50.
9. Hannig C, Hannig M. The oral cavity—a key system to understand substratum-dependent bioadhesion on solid surfaces in man. Clinical Oral Investigations 2009; 13:123-39.
10. Ritz HL. Microbial population shifts in developing human dental plaque. Archives of Oral Biologh 1967; 12:1561-8.
11. Foster JS, Kolenbrander PE. Development of a multispecies oral bacterial community in a saliva-conditioned flow cell. Appl Environ Microbiol 2004; 70:4340-8.
12. Dige I, Nyengaard JR, Kilian M, Nyvad B. Application of stereological principles for quantification of bacteria in intact dental biofilms. Oral Microbiol Immunol 2009; 24:69-75.
13. Kolenbrander PE, Andersen RN, Blehert DS, Egland PG, Foster JS, Palmer RJ. Communication among oral bacteria. Microbiology and Molecular Biology Reviews 2002; 66:486-505.