Особенности формирования микробной биопленки при воспалительных заболеваниях пародонта

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Особенности формирования микробной биопленки при воспалительных заболеваниях пародонта

Р.О. Романова¹, М.Е. Кашлевская², Д.С. Левенков³, Р.В. Исянов⁴, М.С. Каторгин⁵

Аннотация

Актуальность выбранной темы связана с постоянно растущими воспалительными заболеваниями пародонта. Рассматриваются понятие, формирование биопленок и качественные изменения в связи с изменяющимися условиями внешней среды микробиоты.

Ключевые слова: микробиота, биопленка, пародонт, микроорганизмы, «чувство кворума»

Существуют многочисленные исследования, доказывающие, что 8о % инфекционных заболеваний, в том числе воспалительные заболеваний полости рта, вызваны микробной биопленкой. Термин «биопленки (biofilms)» предложил в 1978 г. J. W. Costerton, американский ученый канадского происхождения, в соавторстве с другими учеными. Многолетние наблюдения позволили сделать вывод, что бактерии живут в матриксных сообществах, прикрепленных к поверхностям и друг другу, растут и развиваются бактерии в микробных экосистемах и выделяют во внешнюю среду специфические полимерные вещества (матрикс), которые они назвали «биопленки» [1]. Поверхность, к которой прикрепляются микробные экосистемы (биопленки), создавая адгезию, называют «подложкой» или «субстратом». Понятие «биопленки» позволило пересмотреть концепции в патогенезе и изменить подходы лечения заболеваний в разных областях медицины.

Итак, микробиота (микрофлора) человеческого организма состоит из микробиотов отдельных органов, частей и систем, создавая целостную индивидуальную систему, все части которой взаимодействуют друг с другом и оказывают взаимное влияние. Так, микробиота полости рта, включает в себя от нескольких сот до нескольких тысяч разноо б- разных видов микроорганизмов, что является нормальным состоянием для полости рта. Этот симбиоз позволяет выполнять важную защитную функцию для организма, препятствует колонизации внешних бактерий, способных повлиять на состояние здоровья [2].

На протяжении 100 лет считалось, что микроорганизмы существуют в планктонном состоянии (свободное, плавающее движение в жидкой среде), но сейчас общеизвестно, что в полости рта бактерии создают биопленки. Планктонная форма существования - это временное, транзиторное состояние микроорганизма, позволяющее добраться от одной поверхности до другой. Исходя из этого, уже пелликулу и тем более зубной налет и зубную бляшку следует рассматривать как биопленки на разных стадиях развития, а процесс минерализации созревшей биопленки приводит к образованию зубного камня, вызывая изменения в пародонте с последующими его воспалительными процессами. Необходимо отметить, что биопленка - это живая и чувствительная экосистема, цель которой выжить и размножиться. И поэтому биопленка - саморегулирующая структура, реагирующая на изменения окружающей ее среды. Эта чувствительность клеток в биопленке получила название «quorum sensing (QS)» - «чувство кворума», т.е. способность некоторых микроорганизмов выстраивать коммуникации и координировать свое поведение за счет секреции молекулярных сигналов. Этот термин в 1994 г. предложил Э. П. Гринберг (Everett Peter Greenberg) совместно с коллегами [3]. В зависимости от ситуации бактерии в биопленке отправляют гормоноподобные сигнальные молекулы (аутоиндикаторы) своему ближайшему окружению или в систему микроциркуляции. При достижении критической концентрации аутоиндикаторов бактерии реагируют изменением экспрессии генов [4]. Эта коммуникация способствует выживанию, адаптации в изменяющихся условиях среды, за счет разнообразного спектра физиологического реагирования: симбиоз, вирулентность, конъюгация, синтез антибиотиков, подвижность, образование спор, формирование биопленки, которая является полимикробным сообществом. Важно отметить, что свойства планктонных бактерий могут изменяться, когда они включаются в биопленку, создавая новые функции и свойства.

Стадии развития биопленки. Формирование микробных биопленок происходит в несколько этапов и является сложным процессом. Разные ученые предлагают разное количество стадий развития биопленки от трех до пяти, как всегда, это выделение условное, и можно свести к трем основным стадиям:

1. Прикрепление.

2. Рост.

3. Отсоединение.

Некоторые авторы стадию прикрепления (адгезии и сорбции), initial attachment of microbes to a surface or each other, разделяют на две:

1. Первичной адгезии, этот процесс начинается с адсорбции клейкой пленки из бактерии молекул организма хозяина на поверхности зуба. Здесь еще адгезия слабая и обратимая.

2. Необратимого прикрепления (или еще ее называют «стадия монослоя»). Под действием слабых сил притяжения дальнего действия идет пассивный транспорт бактерий к этому месту. Эти силы ковалентны водородным связям и приводят к необратимому прикреплению микроорганизмов к поверхности. Формируется диффузный слой на субстрате, и начинается структурно-функциональная перестройка.

Стадия рост, formation of microcolonies, maturation of the biofilm. Далее биопленка формируется путем аутоагрегации бактерий одного вида и коагрегации между разнородными видами бактерий, что приводит к функциональной организации всех микроорганизмов структуры. Микроклимат меняется от аэробного до факультативно-анаэробного с соответствующими бактериями, секретирующими внеклеточный матрикс биопленки. Матрица биопленки, которая вырабатывается бактериями, содержит в основном полисахариды, белки и внеклеточную ДНК.

Здесь тоже выделяют две подстадии:

1. Стадия микроколоний (созревания) - агрегация клеток и формирование основных структурно-функциональных единиц биопленки, запуск механизмов биосинтеза матрикса.

2. Стадия зрелой биопленки (полного созревания) - формирование соответствующей архитектуры, реализация процессов межклеточной коммуникации и др. Также происходит внедрение новых видов бактерий и формирование сложного сообщества. Внутри зрелой биопленки выделяют популяцию клеток с особой устойчивостью к антибиотикам - персистеров. В состав зрелой биопленки входит 15-20 % микроорганизмов и остальные 80-85 % - это матрикс (продукты жизнедеятельности этих бактерий). Стадия диссимиляции (отсоединения или распада), dispersal of the biofilm, где части биопленки отсоединяются и рассеиваются, занимают другие участки полости рта или оказывают негативное влияние на организм в целом [5]. При нарушении условий питания в биопленке происходит выброс бактерий, которые переходят в планктонную форму, - дисперсия. Необходимо отметить, что условия и причины формирования биопленок могут быть как нормальным процессом симбиоза микроорганизмов с организмом хозяина, так и патологическим, вызванным внедрением в систему внешних патогенных бактерий. Так, пелликула, которая образуется на поверхности зуба после его прорезания, являясь физиологически назубным образованием, всегда восстанавливается через 1-2 ч после чистки зубов. Хотя в ней самих бактерий не наблюдается, в нее входят компоненты лизированных бактерий. Она является механическим барьером на поверхности зуба, т.е. влияет на диффузию веществ в поверхностных слоях эмали и противодействует ее кислотным повреждениям. Но в то же время на ней могут аккумулироваться микроорганизмы и пищевые остатки и запускать патологические процессы на поверхности зуба. То же происходит и с пленкой муцина, выделяемой из слюны. Она состоит из N-ацетил- глюкозамина, сиаловой кислоты, молекул воды и водородных связей [6], способствует преципитации и пассивной циркуляции бактерий в полости рта. Микроорганизмы инва- зируют эти структуры и размножаются в них, запуская процесс образования зубного налета. Рост биопленки начинается уже в первые 2 ч после приема пищи или чистки зубов, до полного созревания проходит от трех до семи дней. Биопленки, выросшие на открытой поверхности зуба, могут способствовать воспалительным процессам пародонта. Пародонт, являясь опорно-удерживающим аппаратом, состоит из комплекса тканей: десны, периодонта, цемента зуба, надкостницы и альвеолярных отростков. Рационально продуманный природой пародонт имеет свои слабые мишени. Так, в поддесновую щель могут проникать и развиваться разнообразные микробные сообщества [7]. В настоящее время выдвинута гипотеза «полимикробной синергии и дисбактериоза», способствующих развитию воспалительных процессов пародонта. Периодонтит в настоящее время считается мультимикробным воспалительным заболеванием, при котором различные виды бактерий в биопленке зубов находятся в дисбиотическом состоянии, и этот дисбаланс способствует возникновению хронических воспалительных состояний и, в конечном счете, разрушению тканей, поддерживающих зубы. Помимо известных предполагаемых патогенов пародонта, в настоящее время считается, что все сообщество биопленок играет определенную роль в возникновении воспаления, а также в инициации и прогрессировании пародонтита у восприимчивого хозяина [8]. Многочисленные исследования доказывают, что наддесновая и поддесновая биопленки различаются по составу микроорганизмов. Так, в наддесновой преобладают грамположительные микробы: Streptococcus sanguinis, Streptococcus mutans, Streptococcus mitis, Streptococcus salivarius, Lactobacilli, а в поддесновой биопленке, напротив, грамотрицательные бактерии: Aggregatibacter (Actinobacillus) actinomycetemcomitans, Tannerella forsythia, Campylobacter spp, Capnocytophaga spp., Eikenella corrodens, Fusobacterium nucleatum, Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermedia, Treponema denticola. Еще в 1965 г. Loe et al. в своем исследовании «Experimental Gingivitis in Man» подтвердили важную роль зубного налета (биопленки) в генезе заболевания десен и пародонта, доказав, что в течение 7-21 дня после прекращения гигиены полости рта может развиться гингивит. Этот воспалительный процесс обратимый и занимает 7-10 дней после возобновления гигиены полости рта. Theilade с соавторами в 1966 г. выявил, что происходит бактериальный сдвиг популяции от грамположительных бактерий, связанных со здоровьем пародонта, к доминирующей грамотрицательной популяции бактерий, связанных с заболеваниями пародонта [9]. Все факторы роста и развития биопленки можно разделить на две группы:

1. Неадекватная гигиена полости рта, играет очень важную роль в образовании биопленок и в последующем развитии воспалительных процессов пародонта. Основные бактерии, обнаруженные при периодонтите, включают Aggregatibacter actinomycetem- comitans, Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola и Tannerella forsythia. При проникновении глубоко в периодонт эти организмы вызывают воспаление (высвобождение медиаторов воспаления и других защитных продуктов от хозяина) [9].

2. Специфические условия, они состоят из двух подгрупп:

- местные факторы риска (предрасполагающие факторы), способствуют накоплению зубного налета в определенном месте или препятствуют его удалению при ежедневной гигиене или создают биологическую нишу для увеличения и накопления биопленки [10]. Факторы удержания биопленки зубного налета (включая некоторые анатомические факторы зуба) - способствуют накоплению зубного налета на десневом крае и апикально к нему, способствуя прилипанию и созреванию биопленки и увеличивая сложность механического удаления зубного налета. Сухость во рту - это клиническое состояние, часто связанное с симптомами ксеростомии. Сухость полости рта, проявляющаяся как отсутствие потока слюны, доступность или изменение качества слюны, приводящее к снижению очищения поверхностей зубов, связана со снижением удаления биопленки зубного налета и усилением воспаления десен. Распространенные причины включают лекарства, обладающие антипара- симпатическим действием, синдром Шегрена, когда ацинусы слюнных желез заменяются фиброзом после аутоиммунного разрушения;

- системные факторы риска (модифицирующие факторы) - это характеристики, присутствующие у человека и негативно влияющие на иммунно-восстановительную реакцию и, следовательно, на биопленку зубного налета, приводящие к воспалению паро- донта [11].

Курение - один из основных факторов риска развития пародонтита, связанных с образом жизни/поведением, также оказывающий глубокое воздействие на ткани десен. Сообщается, что системное поглощение компонентов сигаретного дыма в системе кровообращения, а также местное поглощение вызывают сужение микрососудов и фиброз.

Метаболические факторы - сахарный диабет, гипергликемия у людей с диабетом или без него. Избыток глюкозы токсичен и непосредственно вызывает митохондриальный стресс и усиленный респираторный взрыв в воспалительных клетках, которые могут активировать различные каскады провоспалительных медиаторов.

Факторы питания - обширный фактор от нехватки витаминов и минералов до эволюционных изменений консистенции потребляемой пищи.

Фармакологические факторы - препараты, уменьшающие количество слюны или влияющие на эндокринную систему, вызывающие увеличение десен и образование псевдокарманов.

Повышенный уровень половых гормонов - в период полового созревания, беременности, приема контрацептивов.

Гематологические (лейкемия), наследственные (синдром Дауна, болезнь Крона) заболевания [10].

Особенностью формирования микробной биопленки при воспалительных процессах пародонта является возникновение микробного дисбаланса, причины которого могут быть многофакторными и разнообразными, от местных факторов до наследственных заболеваний. Микробные биопленки в ротовой полости можно назвать индикатором нарушения нормального гомеостаза и симбиоза между бактериями и организмом хозяина. Устранение дисбаланса в симбиотической системе ведет к восстановлению нормального состояния микробиоты с взаимовыгодным взаимодействием.

Список литературы

периодонтит биопленка микробиота

1. Costerton J. W., Geesey G. G., Cheng K. J. Как прилипают бактерии // Scientific American. 1978. № 238. P. 86-95.

2. Arweiler N. B., Netuschil L. The Oral Microbiota // Adv. Exp. Med. Biol. 2016. № 902. Р. 45-60.

3. Carradori S., Di Giacomo N., Lobefalo M. [et al.]. Biofilm and Quorum Sensing inhibitors: the road so far // Expert Opinion on Therapeutk Patents. 2020. 10 ott. doi:http://dx.doi.org/io.io8o/

13543776.2020.1830059

4. Wibowo D. Pseudomonas aeruginosa Biofilms // J. Mol. Sci. 2020. № 21(22). P. 8671.

5. Thomas Ch., Minty M., Vinel A. [et al.]. Oral Microbiota: A Major Player in the Diagnosis of Systemic Diseases // Diagnostics (Basel). 2021. № 11(8). P. 1376. doi:10.3390/diagnostics11081376

6. Curtis M., Diaz P., Van Dyke Th. The role of the microbiota in periodontal disease // Periodontol 2000. 2020. № 83(1). Р. 14-25. doi:10.1111/prd.12296

7. Abusleme L., Hoare A., Bo-Young Hong [et al.]. Microbial signatures of health, gingivitis, and periodontitis // Periodontol 2000. 2021. № 86(1). Р. 57-78. doi:10.1111/prd.12362. Epub 2021. Mar 10

8. Fragkioudakis I., Riggio M., Apatzidou D. Understanding the microbial components of periodontal diseases and periodontal treatment-induced microbiological shifts // J. Med. Microbiol. 2021. № 70(1). doi:10.1099/jmm.0.001247. Epub 2020 Dec 4

9. Mehrotra N., Singh S., Periodontitis // StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing. 2021. May 15. PMID: 31082170 Bookshelf ID: NBK541126

10. Gasner N., Schure R. Periodontal Disease // StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing. 2021. May 10. PMID: 32119477 Bookshelf ID: NBK554590

11. Chapple I., Mealey B., Van Dyke Th. [et al.]. Periodontal health and gingival diseases and conditions on an intact and a reduced periodontium: Consensus report of workgroup 1 of the 2017 World Workshop on the Classification of Periodontal and Peri-Implant Diseases and Conditions. PMID: 29926944. doi:10.1002/JPER.17-0719

Размещено на Allbest.ru