Особенности функционально-метаболической активности бактерий ротовой полости

Полный текст

Введение

В состав микробиоты ротовой полости входит более 700 видов микроорганизмов, среди которых основную массу составляют условные патогены [1–3]. Взаимоотношения между ними характеризуются широкой вариабельностью, что проявляется как антагонизмом, так и мутуализмом [4; 5]. При этом до сих пор не установлено, как симбиотические отношения микроорганизмов, имеющих клиническое значение, отражаются на вирулентности тех или иных видов. Более того, вопросы синтрофии микроорганизмов в медицинской микробиологии практически не изучаются.

Представляет интерес изучить накопленную информацию об изменении функционально-метаболической активности микроорганизмов ротовой полости с учетом их симбиотических отношений.

Исторические аспекты

В середине 90-х гг. XIX в. Ж.И. Венсан и Х.К. Плаут описали особую форму ангины, которая проявлялась образованием некротических язв на миндалинах и вызывалась, по их мнению, двумя видами бактерий. В России изучением той же язвенно-некротической ангины занимался Н.П. Симановский. В настоящее время известно, что язвенно-пленчатая ангина Симановского – Венсана – Плаута, или фузоспирохетоз, является заболеванием, в этиологии которого имеет значение симбиоз условно патогенных микроорганизмов – Fusobacterium necrophorum и Treponema vincentii [6]. Существует одноименный гингивит, в этиологии которого участвуют виды, идентичные таковым при ангине Симановского – Венсана – Плаута.

Современные представления о микробном сообществе ротовой полости

В настоящее время при изучении микробиома ротовой полости в силу ряда причин наблюдается отказ от подходов, связанных с культивированием микроорганизмов, в пользу методов анализа нуклеиновых кислот (МАНК) [7; 8]. Например, внедрение технологии секвенирования гена 16S рРНК позволило детектировать несколько новых таксонов микроорганизмов, которые ранее изолировать не удавалось [9; 10]. С другой стороны, МАНК поставили новую задачу перед медицинскими микробиологами: какое количество микроорганизмов необходимо для развития патологического процесса? Не менее важен вопрос и об интерпретации полученных результатов по составу микроорганизмов, поскольку МАНК позволяют выявить таксоны, представленные практически несколькими клетками. В свою очередь для клинициста трудно анализировать список бактерий, состоящий более чем из 10 наименований.

В микробиоме ротовой полости выделяют более 700 видов микроорганизмов [11; 12]. Между ними наблюдаются сложнорегулируемые взаимоотношения, основанные не только на конкуренции за сайты прикрепления или трофические субстанции [13].

Показано, что микроорганизмы ротовой полости существуют в виде биопленки, включающей в себя разные виды микроорганизмов [14; 15]. При этом создаются условия тесного контакта между клетками, что лежит в основе их симбиотических отношений. Воздействие на биопленку приводит к изменению метаболической активности всей совокупности микроорганизмов [16; 17].

Межклеточные взаимодействия микроорганизмов позволяют им формировать метаболически динамические сообщества. При этом большие адаптационные возможности имеют коагрегаты, где находятся представители преимущественно одного рода, поскольку они метаболически взаимосвязаны, а адгезия таких сообществ, например к тканям зуба, будет более прочной. С другой стороны, наличие в сообществе микроорганизмов, относящихся к разным таксономическим группам, представляется более перспективным, поскольку в этом случае есть виды, которые выступают в роли «моста», так как они обладают большим разнообразием рецепторов и адгезинов, что позволяет им взаимодействовать с представителями нескольких разных видов. Например, Fusobacterium nucleatum и Prevotella loescheii считаются связующим звеном между первичными и вторичными колонизаторами тканей ротовой полости [18].

Получены данные, что в развитии воспалительных заболеваний ротовой полости играю роль преимущественно ассоциации микроорганизмов [19; 20].

Симбиотические отношения микроорганизмов

Среди микроорганизмов, населяющих ротовую полость, не все виды представлены в равном количестве. Например, в слюне и зубодесневых карманах часто встречаются такие виды, как Streptococcus mutans, S. salvarius и S. mitis (100 % случаев), а концентрация в каждом из них достигает 10⁵–10⁸ КОЕ в 1 мл слюны. Именно эти группы микроорганизмов формируют стабильность в биотопе. Для них было принято определение «базовая симбиотическая единица» [21]. Микроорганизмы, которые способствуют стабилизации микросимбиоценоза, характеризуются разнообразием видов, но находятся в небольших количествах. Из числа минорных по количеству микроорганизмов есть ряд таксонов, имеющих существенное клиническое значение. Например, бактерии рода Aerobacter, которые относятся к такой стабилизирующей микрофлоре полости рта, обычно присутствуют только в 2–15 % образцов слюны, и их концентрация не превышает 10² КОЕ в 1 мл слюны. Основная задача стабилизирующей микрофлоры – поддерживать базовую симбиотическую единицу [21].

Питательные вещества, которые обеспечивают заселение экологической ниши микроорганизмами, являются основным регулирующим фактором в микробиоценозе. На основе мутуализма основано разделение метаболических функций между представителями микробиома полости рта, при котором взаимный обмен их метаболитами становится жизненно необходимым. Так, Bifidobacterium spp. и другие микроорганизмы, образующие кислоты, смещают рН в кислую сторону, тем самым создавая благоприятные условия для роста грибов рода Candida. В то же время Candida spp. наполняют среду обитания этой группы бактерий питательными веществами, которые необходимы для их нормального существования.

На основе комменсализма существуют взаимоотношения между микроорганизмами, не являющимися представителями одной трофической группы, но способными влиять друг на друга через конечные продукты своего метаболизма. Bifidobacterium longum выделяют молочную кислоту как конечный продукт разложения глюкозы, а бактерии рода Veillonella используют этот продукт в своем метаболизме [22].

Нередко в микросимбиоценозе ротовой полости наблюдаются проявления антагонизма. Например, бактерии рода Clostridium могут быть антагонистами по отношению к другим бактериям, когда в условиях недостатка питательных веществ в среде клостридии используют продукты лизиса клеток других микроорганизмов в качестве источника питания. Некоторые бактерии образуют нейтральные продукты обмена, например, спирты, которые также могут тормозить развитие некоторых микроорганизмов.

Streptococcus mutans часто считаются основными этиологическими агентами кариеса, как и Candida albicans [1; 23]. Однако между этими микроорганизмами наблюдается агрессивная конкуренция – S. mutans ингибирует образование зародышевой трубки C. albicans путем стимуляции высвобождения аутоиндукторов [24].

Представители рода Streptococcus для проявления симбиотических отношений с другими микроорганизмами зачастую эффективно используют такие механизмы, как подкисление среды обитания и выделение перекиси водорода. Интересно взаимодействие между S. sanguinis и S. mutans, когда колонизация биотопа S. sanguinis предотвращает в дальнейшем его заселение S. mutans и другими анаэробными пародонтопатогенами [25; 26]. В случае более ранней колонизации биотопа S. mutans имеет место негативное взаимодействие, при котором оба вида элиминируют друг друга. Многие стрептококки, в том числе S. sanguinis, S. oralis, S. gordonii, вырабатывают перекись водорода, которая подавляет рост других бактерий полости рта, включая S. mutans [27].

Проявлением синтрофии можно считать факт использования молочной кислоты, продуцируемой при участии стрептококков, для роста и размножения Aggregatibacter actinomycetemcomitans и Veillonella spp. [28]. Эта ситуация предполагает наличие синергизма в отношениях между этими микроорганизмами.

Именно ассоциации разных микроорганизмов участвуют в патогенезе воспалительных заболеваний ротовой полости. Так, показано, что ассоциация нескольких видов обусловливает развитие гипервоспалительного ответа через индукцию синтеза IL-17 при воспалении периодонта [29].

Сложная система взаимоотношений в микросимбиоценозе ротовой полости отражается на проявлении функционально-метаболической активности микроорганизмов-ассоциантов, что, вероятно, меняет выраженность клинических проявлений того или иного заболевания [30].

Функционально-метаболическая активность микробиоты

Известно, что функциональная активность микробиоты полости рта связана с защитой слизистых оболочек от вредных воздействий окружающей среды и защитой организма от разнообразных антигенов. Кроме этого, микроорганизмы ротовой полости принимают активное участие в процессах пищеварения и синтеза витаминов [31].

Среди микроорганизмов ротовой полости зачастую детектируют виды, проявляющие способность к продукции кислот из углеводов [32]. При этом выраженность этой активности зависит от множества факторов, одними из которых является локализация и толщина зубного налета. На самоочищающихся поверхностях зубов образуется тонкая зубная бляшка, в которой преимущественно находятся стрептококки, вносящие существенный вклад в образование кислоты. При формировании толстой зубной бляшки задействован более широкий спектр микроорганизмов, предполагающий наличие у них большого разнообразия ферментов и соответственно большее число органических кислот как результат метаболизма углеводов [33; 34].

Streptococcus mutans имеют набор генов, необходимых для полного гликолитического синтеза молочной кислоты, ацетата, формиата и продуктов анолового брожения. Однако основным метаболитом является молочная кислота, которая, возможно, является причиной кариеса зубов. S. mutans могут расти и осуществлять гликолиз даже при низких значениях pH, обретая преимущество перед менее устойчивыми к кислоте видами [35]. При сокультивировании S. mutans и S. gordonii установлено, что наличие в среде гликозаминов и N-ацетилгюкозамина проявляется в регуляции выраженности экспрессии генов этих микроорганизмов, например снижение таковой для мутацина S. mutans в случае культивирования с S. gordonii [36].

Комменсальные стрептококки участвуют в катаболизме мочевины, что приводит к выделению аммиака. Гидролиз мочевины уреазами может способствовать увеличению стабильности биопленок, за счет предоставления биоэнергетических преимуществ комменсалу [37]. Метаболическая активность S. mutans позволяет поддерживать в цитоплазме клеток щелочную рН даже в кислой среде обитания, что повышает конкурентноспособность этого вида. Наличие у стрептококков фермента агматиндезиминазы (AgDS) позволяет им продуцировать путресцин, который, как известно, является скавенджером свободных радикалов, участвует в поддержании жизнеспособности бактерий [38]. Для других кариесогенных микроорганизмов описаны сходные механизмы поддержания жизнеспособности в кислых условиях обитания и способность при этом продолжать катаболизм углеводов с увеличением уровня кислот [35].

Бактерии рода Veillonella, в большом количестве обитающие в полости рта человека, способны использовать лактат, могут восстанавливать NO₃^– до NO₂^– в анаэробных условиях [39]. При этом метаболизм лактата и образование нитрита тесно взаимосвязаны. NO₂^– препятствует энергетическому обмену, окислительному фосфорилированию, протон-зависимому транспорту, ингибирует метаболические ферменты, вызывает коллапс протонного градиента, повреждает клеточную мембрану, модифицирует железосерные белки и ДНК [40; 41]. Все эти свойства NO₂^– в большей степени проявляются при анаэробных условиях. Описано, что через продукцию нитрита вейлонеллы способны подавлять рост S. mutans [42]. С другой стороны, утилизируя лактат, бактерии рода Veillonella продуцируют более слабые кислоты, например, пропионат, ацетат, формиат и пируват. Все это снижает риск развития кариеса [43].

При различных воспалительных поражениях ротовой полости зачастую выявляют ассоциацию S. mutans и C. albicans, которые благодаря синергетическим отношениям вместе формируют более плотную биопленку, а также обусловливают более серьезные поражения тканей человека чем, например, при инфекции с участием только S. mutans [24]. Более того, синтезируемая S. mutans глюкозилтрансфераза обеспечивает для C. albicans получение фруктозы и глюкозы из сахарозы, которые необходимы для роста грибов [44].

Интересной ассоциацией, зачастую обнаруживаемой в кариозных поражениях, следует признать Candida albicans и Lactobacillus spp. [45]. Их вклад в кислотообразование представляется важным. C. albicans способны снижать pH обогащенной слюны до значения 3,2 за счет секреции органических кислот [46]. При этом если кислотопродуцирующая активность S. mutans при снижении рН ниже 4,0 пропорционально снижается, то такая активность Candida albicans и Lactobacillus spp. в тех же условиях и даже при более низкой рН остается на прежнем уровне [35].

Выводы

В целом при проведении микробиологических исследований важно учитывать симбиотические отношения между отдельными микроорганизмами, поскольку они могут менять функционально-метаболическую активность ассоциантов, а следовательно, и выраженность патологического процесса. Существующие технологии молекулярно-генетического анализа не позволяют оценить ни направленность симбиотических отношений, ни функциональную активность микроорганизмов. С другой стороны, возможности методов, связанных с культивированием микроорганизмов, также ограничены требовательностью большинства видов, имеющих клиническое значение, к условиям культивирования, а данные о функциональной активности изолированных штаммов не позволяют оценить ее проявления в реальных условиях микросимбиоценоза. Представляется целесообразным поиск и/или разработка подходов к оценке функционально-метаболической активности совокупной микрофлоры с учетом клинической картины воспалительных заболеваний ротовой полости. Более того, перспективным направлением для поиска медикаментозного лечения следует признать применение и создание новых пробиотиков [47], которые позволят регулировать состав микробного сообщества, а следовательно, и его функциональную активность.

Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Вклад авторов:

Годовалов А.П. – концепция, анализ материала, редактирование рукописи.

Яковлев М.В. – концепция, поиск литературы, анализ материала, редактирование рукописи.

Пантелеев Д.С. – поиск литературы, сбор и обработка информации, написание рукописи.

Об авторах

А. П. Годовалов

Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера

Автор, ответственный за переписку.
Email: agodovalov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5112-2003

кандидат медицинских наук, доцент кафедры микробиологии и вирусологии

Россия, Пермь

М. В. Яковлев

Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера

Email: agodovalov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-2895-387X

кандидат медицинских наук, врач стоматолог-ортопед

Россия, Пермь

Д. С. Пантелеев

Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера

Email: agodovalov@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-3796-4065

врач-ординатор кафедры ортопедической стоматологии

Россия, Пермь

Список литературы

Дополнительные файлы