CC BY
46
УДК 61
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОБНОЙ БИОПЛЕНКИ ПРИ ВОСПАЛИТЕЛЬНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЯХ ПАРОДОНТА
Р. О. Романова1, М. Е. Кашлевская2, Д. С. Левенков3, Р. В. Исянов4, М. С. Каторгин5
1'2'3'4'5Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
1rinatka.96@mail.ru 2mkashlevskaya@mail.ru 3dimaniz13@mail.ru 4isyanovoo7@mail.ru 5Waaarbs@mail.ru
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»
Для цитирования: Романова Р. О., Кашлевская М. Е., Левенков Д. С. [и др.]. Особенности формирования микробной биопленки при воспалительных заболеваниях пародонта // Вестник Пензенского государственного университета. 2022. № 1. С. 19-23.
Существуют многочисленные исследования, доказывающие, что 80 % инфекционных заболеваний, в том числе воспалительные заболеваний полости рта, вызваны микробной биопленкой. Термин «биопленки (Ъю/йшз)» 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, мик-робиота полости рта, включает в себя от нескольких сот до нескольких тысяч разнообразных 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
© Романова Р. О., Кашлевская М. Е., Левенков Д. С., Исянов Р. В., Каторгин М. С., 2022
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 ofthe 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 лизи-рованных 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 прогрессирова-нии 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 по-
сле 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 антипарасимпатическим 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 митохондриаль-ный 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
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 Therapeutio 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
Информация об авторах
Романова Рината Олеговна, аспирант кафедры «Стоматология», Пензенский государственный университет
Кашлевская Мария Евгеньевна, ассистент кафедры «Стоматология», Пензенский государственный университет
Левенков Дмитрий Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет Исянов Руслан Владимирович, студент, Пензенский государственный университет Каторгин Михаил Сергеевич, студент, Пензенский государственный университет
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
