Микробиота полости рта формируется в результате мутуалистической коэволюции с хозяином и под влиянием специфической физиологии полости рта.
В эволюционном quid pro quo хозяин предоставляет комменсальным бактериям стабильную экологическую нишу, а в ответ микробиота полости рта поддерживает здоровье хозяина на местном уровне, формируя симбиотические биопленки, которые поддерживают баланс уровня pH и подавляют рост патогенов, а также потенциально системно укрепляя физиологические процессы организма, такие как сердечно-сосудистый гомеостаз.
Однако, когда биопленки переходят в дисбиотическое состояние, которое больше не находится в гомеостатическом равновесии с хозяином, микробиота полости рта может способствовать патологическим процессам широкого спектра заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), артрит, колоректальный рак и рак поджелудочной железы, болезнь Альцгеймера, служа резервуаром для условно-патогенных микроорганизмов. Это, в свою очередь, открывает возможности для определения прогностических биомаркеров заболеваний в микробиоте полости рта и разработки стратегий вмешательства для укрепления здоровья полости рта и здоровья в целом.
Микробиота полости рта - второе по разнообразию микробное сообщество, колонизирующее организм человека, после микробиоты кишечника. В отличие от относительно простой пространственной организации кишечной микробиоты, микробиота полости рта образована набором различных по составу микробных сообществ, отражающих множество разнообразных микросред. Хозяин жестко контролирует состав микробиоты полости рта, оказывая селективное давление, которое требует специализированных метаболических механизмов (например, метаболизм углеводов, перевариваемых а-амилазой слюны, и высокогликозилированных белков слюны) и способности прикрепляться к определенным субстратам (например, буккальному эпителию, эпителию сосочков языка и поверхности зубов), несмотря на истечение слюны, питье и жевание. Например, стрептококки полости рта кодируют семейство богатых сериновыми повторами гликопротеинов и семейство адгезинов антигена I/II для связывания с пелликулой зубов - тонким слоем, образованным слюнными белками. Стрептококки также выработывают амилаза-связывающие белки для захвата амилазы слюны человека и использования ее для метаболизма крахмала.
Хозяин также контролирует состав микробиоты полости рта с помощью секреторного иммуноглобулина А (SIgA) слюны и антимикробных пептидов, таких как лизоцим и лактоферрин. Слюнные SIgA способствуют агрегации и последующему уничтожению потенциально патогенных бактерий, в то время как SIgA, встроенные в пелликулы зубов и слизистые оболочки эпителия полости рта, обеспечивают места связывания для полезных бактерий, хотя неясно, как слюнные SIgA различают полезные и патогенные микробы.
Необходимость контролировать микробов с помощью слюны наглядно демонстрируют пациенты с ксеростомией (сухостью во рту), у которых часто наблюдается повышенное обилие грибков и кислотопродуцирующих и кислотоустойчивых кариогенных бактерий (вызывающих кариес). Многочисленные механизмы контроля хозяина направляют сборку пространственно специализированных бактериальных кооперативов, называемых биопленками полости рта. Внутри биопленки различные виды бактерий связаны между собой физическими и метаболическими связями, которые дают преимущество для всего микробного сообщества. Структура биопленки также способствует горизонтальному переносу генов, включая гены резистентности к антибиотикам. Хотя их происхождение не вполне определено, гены резистентности к антибиотикам можно обнаружить даже в микробиоме полости рта здоровых людей, не подвергавшихся ранее воздействию антибиотиков. Следовательно, в то время как кишечное сообщество чувствительно к изменению рациона питания или терапии антибиотиками, биопленки полости рта отличаются особой стабильностью и устойчивостью к внешним возмущениям.
Способность к самосборке в сложные и специфические биопленки на мягких и твердых тканях полости рта играет центральную роль во взаимодействии микробиоты полости рта и хозяина в здоровом состоянии. Например, структурный анализ наддесневых бактериальных биопленок выявил сложные слоистые структуры, свидетельствующие о разделении функций между видами. Нити Corynebacterium образуют структурный каркас для всей биопленки и крепят ее к слюнным пелликулам. На поверхности биопленки кокки, такие как Streptococcus, потребляют сахара и кислород и производят лактат, ацетат и CO2, тем самым поддерживая факультативно-анаэробные бактерии в более глубоких слоях биопленки. Стрептококк также выполняет защитную роль, вырабатывая перекись водорода, которая может защищать консорциум биопленки и ее хозяина от инфекций.
Биопленки дорсальной поверхности языка, присутствующие на филлиформных сосочках, отличаются особой архитектурой и составом, в них содержатся нитратвосстанавливающие бактерии, такие как Neisseria и Rothia. Нитрат активно транспортируется из крови в слюну с помощью сиалинового транспортера и далее превращается в нитрит микробами полости рта, повышая концентрацию нитрита в слюне в 1000 раз по сравнению с плазмой.
Нитратредуцирующие бактерии ротовой полости в основном являются факультативными анаэробами, которые используют нитрат в качестве альтернативного акцептора электронов для дыхания. Предполагается, что поглощенный нитрит в конечном итоге преобразуется в NO, который в свою очередь обеспечивает важные преимущества для организма, включая снижение артериального давления, улучшение функции эндотелия, устранение метаболического синдрома и снижение окислительного стресса, вероятно, посредством механизмов, включающих активацию гуанилатциклазы - пути циклического гуанозинмонофосфата. Интересно, что функция нитевидных сосочков остается неясной, поскольку в них отсутствуют вкусовые рецепторы. Однако они значительно увеличивают площадь поверхности для образования биопленки и, таким образом, могут функционировать как биореакторы, использующие преимущества большого ферментативного репертуара микробиоты. Эти наблюдения позволяют предположить, что микробиота полости рта играет важную роль в поддержании здоровья хозяина на системном и местном уровнях.
Хотя хозяин и микробиота полости рта, вероятно, существуют во взаимовыгодном равновесии гомеостаза, внешние факторы, которые не до конца определены, могут запустить порочный круг самовоспроизводящегося дисбактериоза. Некоторые патологии полости рта, включая пародонтит, сами по себе не заразны, но являются результатом дисбиоза микробиоты полости рта, при котором опосредованное воспалением разрушение тканей приводит к образованию метаболитов, подпитывающих патогенные провоспалительные микробы.
В частности, Porphyromonas gingivalis считается "ключевым патогеном", поскольку он играет критическую роль в поддержании структуры воспалительной биопленки путем нарушения иммунных и воспалительных реакций хозяина, и его влияние на сообщество больше, чем можно было бы ожидать, исходя из его относительной численности. Гингипаины, факторы вирулентности, секретируемые P. gingivalis, представляют собой цистеиновые протеазы, которые способствуют протеолитической активации комплемента и вызывают опосредованную рецепторами комплемента выработку воспалительных цитокинов нейтрофилами.
Одновременно P. gingivalis подавляет активность нейтрофилов по уничтожению бактерий, отключая защитные пути Toll-подобных рецепторов. Таким образом, P. gingivalis создает условия воспаления, необходимые ему для процветания, но при этом избегает антибактериального ответа, тем самым закрепляя дисбиоз и пародонтит. Гингипаины также усиливают проницаемость сосудов, что обеспечивает P. gingivalis и другим бактериям системный доступ. Примечательно, что гены гингипаинов P. gingivalis обнаруживаются в кальцифицированных образцах зубного камня древних людей, что позволяет предположить, что эти факторы вирулентности помогли P. gingivalis сохраниться в микробиоте полости рта на протяжении 100 000 лет.
В патологическом контексте микроорганизмы, ассоциированные с полостью рта, были обнаружены в отдаленных органах человека, включая кишечник, легкие, сердце и мозг. Действительно, многочисленные исследования указывают на связь между гигиеной полости рта и респираторными заболеваниями, включая астму, хроническую обструктивную болезнь легких и пневмонию. Хотя эти результаты свидетельствуют скорее об ассоциации, чем о причинно-следственной связи, микробиота полости рта, вероятно, микроаспирируется и влияет на микробиом легких.
Бактерии полости рта также заглатываются со слюной (1 мл слюны может содержать до 107-108 микробов), но подвергаются воздействию желудочной кислоты, желчных кислот, анаэробной среды и других многочисленных механизмов сопротивления колонизации, обеспечиваемых микробиотой кишечника. Поэтому колонизация кишечника микробиотой полости рта у здоровых людей ограничена. Однако увеличение доли оральных микроорганизмов среди кишечной микробиоты наблюдается при некоторых заболеваниях. Например, бактерии ротовой полости значительно более многочисленны в фекальной микробиоте пациентов с ВЗК, первичным склерозирующим холангитом (воспалением желчных протоков), рассеянным склерозом и гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью по сравнению со здоровыми людьми.
Хотя обогащение кишечника бактериями ротовой полости может быть следствием истощения популяции комменсалов в кишечнике, в нескольких отчетах показан причинный вклад микроорганизмов ротовой полости в патогенез заболеваний. Например, штаммы Klebsiella, несущие гены резистентности к антибиотикам, выделенные из образцов слюны пациентов с ВЗК, могут сохраняться в кишечнике мышей, получавших антибиотики, и вызывать воспаление кишечника. Последовательное обогащение кишечника видами Klebsiella было связано с ВЗК во многих исследованиях на людя.
Оппортунистические инфекции, вызываемые микробами из полости рта, также могут способствовать развитию рака в пищеварительном тракте. Например, такие оральные микроорганизмы, как Fusobacterium, Parvimonas и Peptostreptococcus, были связаны с развитием колоректального рака (КРР). У мышей F. nucleatum колонизирует ткани КРР через FadA адгезин-опосредованное связывание с E-кадхерином хозяина и ускоряет пролиферацию опухолевых клеток через активацию сигнального пути Wnt-β-катенин. Более того, виды Fusobacterium могут мигрировать с метастазирующими клетками КРР, а внутриклеточные Fusobacterium-положительные клетки КРР образовывали метастатические поражения более эффективно, чем Fusobacterium-отрицательные клетки у мышей. Таким образом, полость рта может служить резервуаром для условно-патогенных микроорганизмов, которые могут колонизировать кишечник и причинно влиять на хроническое воспаление, а также на развитие и метастазирование рака.
Ротовая полость является высоко васкуляризированным органом. В результате микробы и микробные молекулы из полости рта могут напрямую попадать в кровоток и способствовать патогенезу системных заболеваний. Развитию ревматоидного артрита способствует потеря иммунной толерантности к цитруллинированным белкам. Соответственно, количество антител к цитруллинированным белкам (anti-citrullinated protein antibodies - ACPA) предсказывает текущее и будущее начало заболевания. У лиц с положительным уровнем ACPA наблюдается более высокая относительная численность P. gingivalis в микробиоте полости рта. Хотя неясно, играет ли P. gingivalis причинную роль, она может способствовать патогенезу заболевания путем образования цитруллинированных белков.
Гингипаины протеолитически расщепляют бактериальные и хозяйские белки по остаткам аргинина, а короткие пептиды с карбоксильным концом аргинина немедленно цитруллируются бактериальной пептидиларгининдеиминазой (PAD), которая секретируется вместе с гингипаинами. Предполагается, что цитруллированные белки вызывают выработку антител, которые перекрестно реагируют с бактериальными и хозяйскими цитруллированными молекулами посредством молекулярной мимикрии. Aggregatibacter actinomycetemcomitans, ассоциированный с пародонтитом, также способен вырабатывать цитруллированные аутоантигены по механизму, отличному от механизма P. gingivalis, тем самым также вызывая ACPA посредством молекулярной мимикрии.
Эпидемиологические исследования выявили ассоциацию между пародонтитом, когнитивными функциями и деменцией. Недавняя работа по исследованию образцов мозга и спинномозговой жидкости людей с диагнозом болезни Альцгеймера позволила предположить, что P. gingivalis может колонизировать мозг и вызывать нейродегенерацию. Гингипаины P. gingivalis обнаружены в ассоциации с нейронами, тау-клубочками и отложениями амилоида-β (Aβ1-42) в образцах болезни Альцгеймера.
Хотя потребуются дальнейшие исследования, P. gingivalis может транслоцироваться в мозг гематогенным путем, приводя к активации каскада комплемента, увеличивая выработку амилоида-β, усиливая экспрессию провоспалительных цитокинов и вызывая нейровоспаление и нейродегенерацию. Эти исследования позволяют предположить, что дисбиоз микробиоты полости рта может иметь системные последствия, способствующие развитию аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний.
Микробиота полости рта представляет особый интерес для поиска таксономических и молекулярных биомаркеров заболеваний полости рта и системных заболеваний благодаря простоте отбора проб и стабильности состава. Хотя причинно-следственная связь между дисбиозом микробиоты полости рта и системными заболеваниями до конца не изучена, характерные изменения в микробиоте полости рта при конкретных заболеваниях могут иметь ценность в качестве диагностического инструмента. Учитывая, что одновременное распространение микроорганизмов полости рта в кишечнике часто связано с развитием системных воспалительных заболеваний, комбинированное исследование микробиоты слюны и кала может повысить точность диагностики. Действительно, комбинаторный анализ микробиоты полости рта и кала улучшил дискриминацию КРР от полипов толстой кишки.
Традиционные методы лечения заболеваний полости рта имеют ограниченный эффект в восстановлении здорового бактериального сообщества, что подчеркивает необходимость разработки подходов к манипулированию экосистемой полости рта. Клинические исследования трансплантации фекальной микробиоты подняли возможность разработки трансплантации микробиоты полости рта. Кроме того, молекулы, вырабатываемые бактериями полости рта, могут быть перспективными мишенями для вмешательства.
Например, нитратосодержащие средства гигиены полости рта могут способствовать развитию полезных бактерий. Дополнительные подходы к воздействию на микробиоту полости рта могут также включать генетически модифицированные бактерии, выделяющие нужные белки, и бактериофаги для воздействия на конкретные микробы. Бактериофаги обладают высокой специфичностью по отношению к хозяину и обычно инфицируют и убивают один вид бактерий, поэтому их можно использовать для рационального манипулирования структурой микробиоты полости рта путем воздействия на основные патобионты. Использование нескольких стратегий одновременно, вероятно, позволит получить максимальную пользу от будущих терапевтических средств, нацеленных на микробиоту полости рта, для улучшения здоровья полости рта и здоровья в целом.
