Зубной налёт и старый немец Альцгеймер: разрушаем чувство кворума

Сегодня я предлагаю взглянуть на зубной налёт под немного другим углом. Думаю, что большинство знает, что зубной налёт — это плохо, там есть бактерии, которые в итоге разрушат эмаль, вызовут кариес и воспаление десны. Надо чистить зубы. Тут всё довольно прозрачно.

Но я хочу рассказать про менее очевидную и скрытую жизнь бактерий в полости рта. Раскроем драматическую взаимовыручку в многовидовой бактериальной колонии и взаимодействия зачастую не менее сложные, чем в больших многоклеточных организмах. А заодно расскажу, как чувство кворума помогает Porphyromonas съесть ваш пародонт (т.е. околозубные ткани, удерживающие зуб в альвеоле), а вдогонку ко всем этим неприятностям ещё и вызвать болезнь Альцгеймера. Ну и заодно разберёмся, почему жевание дельфиньих фекалий может нам сильно помочь.

Пелликула

Вы только что почистили зубы и неторопливо собираетесь на работу с приятным ощущением гладкой отполированной эмали. Ну или с ощущением остатков налёта в труднодоступных местах, но мы такое всячески не одобряем. С того момента, как мягкий абразив отполировал и обнажил чистую зубную эмаль, начинается процесс образования слюнной пелликулы.

Количество осаждённой пелликулы на гидрофильных и гидрофобных кремниевых подложках с течением времени. Во второй группе экспериментов подложки дополнительно промывали различными буферами и детергентами

Процесс протекает крайне быстро — в течение нескольких минут эмаль будет покрыта тонкой плёнкой толщиной в 10–20 нм — пелликулой. Спустя ещё 10–15 минут толщина уже будет составлять до 1 мкм. Механизм осаждения плёнки зависит в основном от электростатических взаимодействий и в меньшей степени от сил Ван-дер-Ваальса. Осаждение начинается с небольших молекул белков, кислых и богатых аминокислотой пролином. Чуть позже более крупные белки, такие как муцины, начинают осаждаться уже на подготовленную подложку из молекул, выпавших в осадок первыми.

Все эти белки выпадают на поверхность эмали из секрета слюнных желёз. Одна из важнейших функций слюны — это реминерализация эмали. Процесс диффузии ионов кальция и фосфора идёт в обе стороны. В кислой среде ионы кальция улетают в ротовую жидкость, а в нейтральной — наоборот. Причём исследования показывают, что интенсивность растворения гидроксиапатита эмали напрямую зависит от уровня кислотности. В нормальных условиях pH ротовой полости колеблется в районе 6,8–7,0. При таких значениях слюна перенасыщена свободными ионами кальция и фосфора. Процесс сдвинут в сторону реминерализации — насыщения эмали кальцием. При pH 6,0 слюна начинает работать в обратном направлении. Кальций начинает мигрировать из связанной формы в эмали в растворимую — идёт процесс деминерализации.

При регулярной чистке пелликула работает как защитный слой, облегчающий реминерализацию, и подавляет рост микрофлоры за счёт иммуноглобулинов слюны. Всё становится намного хуже, если поверхность эмали не будет очищаться. Есть два возможных варианта. Самоочищение происходит при употреблении жёсткой пищи в виде моркови, яблок, жёстких стеблей сельдерея и тому подобного. Это вполне соответствует природному рациону диких приматов, которые ели всё подряд, но употребляли большое количество жёсткой растительной пищи.

Второй вариант — индивидуальная гигиена полости рта с использованием мягкой зубной щётки, межзубных ёршиков, флоссов и монопучковой щётки. Это намного эффективнее, чем жевать тростник и топинамбур, хотя и не отменяет в полной мере необходимость в твёрдой пище. Самое главное — механическим путём с помощью щёток убрать зубной налёт со всех поверхностей, иначе пелликула быстро перейдёт из защитной оболочки в нападающую. Чистка помогает разрушать плёнку, т.е. связи между микроорганизмами, и не даёт им объединиться в атакующую армию. Кстати, уже сегодня в некоторые пасты (например, Curaprox, President) добавляют ферменты, которые снижают активность микробной плёнки. А пасты, содержащие фториды, помогают укреплять зубы в целом и оказывать сопротивление кислотам, которые вырабатывают бактерии зубного налёта.

Ещё стоит сказать о кислотности полости рта. После любого приёма пищи она повышается, и бактериям комфортно размножаться в такой среде. Мы очень просто можем себе помочь и попить водичку либо просто прополоскать водой рот. Тогда кислотность возвращается в более нормальную среду, она становится неудобной для микроорганизмов, и они меньше буянят у нас в полости рта.

А вообще в последнее время концепция гигиены поменялась, и в ваши (и наши) задачи не входит чистка налёта до стерильной чистоты. Это раньше считалось, что мы должны вычистить весь налёт. А сейчас считается, что микробы — это нормальная среда полости рта. За исключением одного нюанса, когда они прямо в плёнку собираются, кворум образуют и так далее. И концепция гигиены сейчас — это разрушение связей между микроорганизмами.

Зубной налёт

Окрашенный срез двухдневного зубного налёта

Чтобы получить картинку выше, подопытному примотали пластинку из эпоксидной смолы во рту и заставили ходить так двое суток. Тёмная часть — это пелликула. А вот остальное — это уже бактерии и грибы. Давайте посмотрим на этот процесс по порядку.

Прикрепление Streptococcus sanguis к поверхности. А — покрытый слюной эмалевый образец, B — образец без покрытия. Без слюны не липнет

В первых исследованиях формирования зубного налёта использовали стеклянные пластинки. К ним бактерии прилипали плохо. Тогда учёные изменили тактику. Они начали поливать пластинки донорской слюной, начали заставлять подопытных носить в полости рта пластинки из различных материалов, чтобы оценить эффективность адгезии различных микроорганизмов и способы их прикрепления. Результаты получились несколько противоречивые. Во всех случаях первыми начинали прилипать Streptococcus sanguis, которых особо никто не считал патогенными и виновными в развитии кариеса. Более агрессивный и злобный Streptococcus mutans никак не хотел доминировать в образцах искусственного зубного налёта, хотя именно он высевался в больших количествах в зонах развития кариеса эмали.

Альфа-гликаны. Особый вид полимеров из глюкозных фрагментов, который позволяет бактериям прикрепляться друг к другу в определённых условиях

Парадокс разрешила группа Гиббонса, которая сумела создать максимально близкий к эмали синтетический гидроксиапатит в брусочках. Материал максимально эффективно имитировал даже электростатические параметры естественной эмали, которые оказались важны для процесса осаждения микроорганизмов. В их результатах Streptococcus sanguis также преобладал над Streptococcus mutans, но Гиббонс смог объяснить это двухступенчатым процессом:

1. Сначала на пелликулу из белков слюны начинают прилипать безобидные Streptococcus sanguis, как на иллюстрации выше.
2. На втором этапе Streptococcus mutans начинают прикрепляться уже к плёнке, образованной sanguis. Они при этом используют α-1,3-гликаны. Это нерастворимые соединения, которые часто встречаются в клетках бактерий, растений, грибов и насекомых. Бактерии часто используют их для того, чтобы закрепиться на поверхности и связаться друг с другом.

Таким образом, малопатогенные Streptococcus sanguis и Streptococcus oralis не агрессивны по отношению к эмали сами по себе. Проблема в том, что они работают в команде вместе с mutans, создавая основу колонии, которую мы называем зубным налётом. Викерман с коллегами доказал интересную зависимость между количеством успешно прикрепившихся микроорганизмов и наличием сахарозы в среде. Если упрощённо, то стрептококки жрут сахарозу и строят из её глюкозного остатка нерастворимые в слюне альфа-гликаны в виде клубка нитей.

Поэтому сладкая пища очень сильно упрощает развёртывание базы и колонизацию первой группе вторжения — Streptococcus sanguis. Он из вашего печенья и газировки понастроит нитей и создаст плацдарм для следующих видов. Сначала они будут свободно плавать и прилипать просто за счёт электростатического взаимодействия и сил Ван-дер-Ваальса, а затем уже «осознанно» зафиксируются, синтезируя полимерные нити. Бактерии кооперируют усилия, помогая друг другу. Кроме гликанов, стрептококки также синтезируют множество различных белков-адгезинов (стрептококковые антигены I и II типов), которые позволяют ещё прочнее связаться с субстратом и друг с другом.

Некоторые пары микроорганизмов и типы адгезинов, которыми они помогают удерживать друг друга

Бактерии в зубном налёте не налепляются как попало. Они чётко специализируются на взаимодействии со своим и другими видами. Коадгезия между бактериями — это частое явление, которое было доказано для более чем 700 штаммов, представляющих 14 родов. В таблице выше я привела только небольшую часть узкоспецифичных видов межвидовой адгезии.

Так, например, адгезин PlaA у Prevotella loescheii распознаёт линейные полисахариды клеточной стенки S. oralis, S. sanguis и других стрептококков, а Porphyromonas gingivalis, Treponema denticola и Bacteroides forsythus фиксируются на поверхностные протеины как стрептококков, так и актиномицетов.

Колония Porphyromonas gulae, близкого родственника Porphyromonas gingivalis

На этом этапе развития зубной налёт становится уже не просто пассивно налипшей нейтральной массой, а довольно сложной и агрессивной колонией микроорганизмов, которые живут и развиваются как единое целое. Давайте посмотрим на примере бактероида Porphyromonas gingivalis. В самом начале развития колонии среда скорее аэробная. Анаэробы чувствуют себя крайне неуютно и всячески угнетаются аэробными конкурентами. По мере накопления массы зубного налёта и образования связей между бактериями колония становится всё более изолированной от кислорода.

Формирование такого налёта в зубодесневой борозде приводит к тому, что аэробные микроорганизмы начинают вытесняться анаэробными. И вот тут Porphyromonas gingivalis разворачивается по полной программе. Для более эффективного захвата территории он синтезирует специфические пищеварительные ферменты-эндопептидазы — гингипаины. Помимо того, что они помогают им разрушать ткани десны и пародонта, эти ферменты также подавляют иммунный ответ хозяина, снижая синтез воспалительных интерлейкинов.

Более того, есть ряд исследований, которые говорят о наличии связи между гингипаинами этих микроорганизмов и развитием болезни Альцгеймера. На иллюстрации из научной работы видна сильная корреляция между концентрацией гингипаинов в головном мозге и диагностированным синдромом Альцгеймера.

Помимо прочих эффектов, эта группа белков помогает бактероидам разрушать и переваривать структурные белки пародонта — металлопроитеиды межклеточного матрикса, коллагены и фибронектины различных типов. В результате они не просто пассивно прилепляются где-то в области десны, а активно вгрызаются вглубь, попутно подавляя иммунный ответ, чтобы макрофаги не пришли их убивать сразу же после начала колонизации.

На протяжении почти ста лет считалось, что бактерии в полости рта существуют в состоянии пассивно плавающего планктона. Современные же исследования показали, что планктонные формы — это транспортное состояние. С подобными вариантами вы сталкиваетесь только тогда, когда микроорганизм приплыл с глотком воды, кусочком пищи или пылью. Всё остальное время они живут и сосуществуют как единая структура. Ключевым элементом в формировании такой колонии является чувство кворума. По сути, с открытием подобного механизма стало понятно, что микроорганизмы часто взаимодействуют между собой не менее сложно и комплексно, чем наш макроорганизм, который тоже состоит из множества отдельных клеток. Да, колонии зубного налёта далеко по сложности и специализации до человека, но это уже не просто комок бактерий разных видов.

Чувство кворума и коммуникация позволяет бактериям регулировать экспрессию генов, меняя свой фенотип в зависимости от внешних неблагоприятных факторов. До исследований Кеннета Нилсона и Джона Хастингса в 1979 году микробиологи считали микробные клетки независимо действующими особями. Так, например, Pseudomonas aeruginosa может спокойно размножаться в небольших количествах, не причиняя вреда человеку. Но стоит только ослабнуть иммунитету, как псевдомонады резко трансформируются, ускоряют свой метаболизм и быстро преодолевают иммунный барьер, формируя стойкие биоплёнки. Благодаря чувству кворума микроорганизмы успешно обмениваются информацией о необходимости начать синтезировать защиту от антибиотиков, замедлить или ускорить деление или вообще начать спорообразование, чтобы переждать экстремальные условия внешней среды.

Что нам с этим делать?

Зубы надо чистить. Тут всё довольно просто, прозрачно и понятно. Плохо чистишь зубы — вместо тонкой защитной пелликулы получаешь агрессивную колонию, которая стремительно поедает эмаль и ткани пародонта.

Но с развитием молекулярной биологии и возможностью синтеза пептидных молекул с заданными свойствами у нас появляются новые инструменты — ингибиторы бактериальных сигнальных сетей. Фактически мы можем включить глушилку и подавить их связь друг с другом. Или заставить трансформироваться в невыгодное состояние, где их быстро добьют непатогенные для человека конкуренты. Вместо тяжёлой артиллерии в виде антисептиков и антибиотиков мы начинаем управлять микробиомом в целом.

Подавление образования биоплёнок на имплантах ингибиторами чувства кворума

Исходниками для таких препаратов обычно являются сами бактерии, которые не только работают сообща в колониях, но и активно конкурируют. Так, в одной из работ успешно продемонстрировали подавление образования биоплёнки S. mutans штамма ATCC 25175. Источник был довольно необычный, мне всегда было интересно, как учёные их подбирают, — из кишечника дельфина выделили Lactiplantibacillus curvatus EIR/DG-1, вырастили на питательной среде, затем отфильтровали и использовали оставшиеся регуляторные молекулы для разрушения биоплёнки S. mutans. Ещё более эффективным оказался штамм Lactiplantibacillus plantarum EIR/IF-1 из детских фекалий.

В целом можно рекомендовать продолжать качественно чистить зубы и наблюдаться у стоматолога, чтобы дождаться нового поколения регуляторных профилактических препаратов с максимальным количеством здоровых зубов.

Ближайшие годы обещают быть интересными в этой области.

Ещё посты:

• Хирургические случаи: пост про то, как пациент терпел зубную боль до момента, когда ему пришлось резать горло в нескольких местах. Про пациента-проказника, выпавшего с третьего этажа и упавшего на лицо. Про пациента-спортсмена, неожиданно затормозившего в дерево.
• Для гиков: про то, как именно можно умереть от анестезии прямо на приёме терапевта. Как самостоятельно читать КТ. Про моего коллегу Андрея, хирурга senior+. Как мы переворачиваем платную медицину. Про Гусейна, его навигационные шаблоны и участие в разработке ПО для хирургов по всему миру. Как Гусейн разрабатывал матмодель и софт для хирургии по пересборке черепа.
• Инструкции: FAQ про пломбы. Что вам нужно знать про гигиену зубов. Как правильно бояться стоматолога. Что вам нужно знать про наркоз и седацию. Реплантация зубов: как правильно собирать свои зубы в пакетик. Что делать, когда вы нафаршированы зубами (про молочные зубы). Про зубы ваших пожилых родственников. Про типичные зубы ИТ-пациента. Коренные зубы — это атавизм, и почему их часто удаляют «на всякий случай». Как вылечить зубы на год вперёд перед долгой поездкой.

P.S. Если вы дойдёте до наших клиник, то говорите, что вы с Хабра, будет скидка 5%.