Микробиота полости рта и здоровье

Оральная микробиота формируется в результате совместной коэволюции с хозяином и благодаря особой физиологии полости рта. В качестве эволюционной «услуги за услугу» хозяин предоставляет комменсальным бактериям стабильную экологическую нишу, а взамен микробиота полости рта локально поддерживает здоровье хозяина, формируя симбиотические биопленки, которые уравновешивают уровни pH и подавляют рост патогенов, а также, вероятно, на системном уровне регулируя физиологические процессы, такие как сердечно-сосудистый гомеостаз. Однако при переходе биопленки в дисбиотическое состояние, когда она уже не находится в гомеостатическом равновесии с хозяином, микробиота полости рта может способствовать патологическим процессам, характерным для широкого спектра заболеваний, включая воспалительные заболевания кишечника (ВЗК), артрит, колоректальный рак и рак поджелудочной железы, болезнь Альцгеймера, служит резервуаром условно-патогенных микроорганизмов. Это, в свою очередь, открывает возможности для выявления прогностических биомаркеров заболеваний в микробиоте полости рта и разработки стратегий вмешательства для улучшения состояния полости рта и здоровья в целом.
Микробиота полости рта является вторым по разнообразию микробным сообществом, колонизирующим организм человека, после кишечной микробиоты. В отличие от относительно простой пространственной организации микробиоты кишечника, микробиота полости рта формируется набором различных по составу микробных сообществ, отражающих множество разнообразных микроокружений. Организм-хозяин строго контролирует состав микробиоты полости рта, оказывая селективное давление, требующее специализированных метаболических механизмов (например, метаболизм углеводов, перевариваемых слюнной альфа-амилазой, и высокогликозилированных белков слюны) и способности прикрепляться к определенным субстратам (например, буккальный эпителий, эпителий сосочков языка и поверхности зубов), несмотря на выделение слюны, питье и жевание. Например, оральные стрептококки кодируют семейство гликопротеинов, содержащих повторные последовательности аминокислот, богатые серином, и семейство адгезинов AgI/II для связывания с зубным налетом — тонким слоем, образованным белками слюны. Стрептококки также выработали белки, связывающие амилазу, чтобы улавливать амилазу слюны человека и использовать ее для метаболизма крахмала.
Хозяин также контролирует состав микробиоты полости рта посредством слюнного секреторного иммуноглобулина А (SIgA) и антимикробных пептидов, таких как лизоцим и лактоферрин. Слюнные SIgA способствуют агрегации и последующей элиминации потенциально патогенных бактерий, тогда как SIgA, встроенные в зубной налет и слои муцина, покрывающие эпителий ротовой полости, обеспечивают связывание полезных бактерий, хотя неясно, как слюнные SIgA отличают полезные микробы от патогенных. Необходимость контролировать микробы с помощью слюны проявляется у пациентов с ксеростомией (сухость во рту), у которых часто наблюдается повышенное количество грибков и кислотообразующих и кислотоустойчивых кариесогенных бактерий (вызывающих кариес). Множественные пути контроля направляют организацию пространственно специализированных бактериальных сообществ, называемых оральными биопленками. Внутри биопленки различные виды бактерий связаны посредством физических и метаболических связей, которые обеспечивают приспособленность для всего микробного сообщества. Структура биопленки также способствует горизонтальному переносу генов, в том числе генов устойчивости к антибиотикам. Хотя их происхождение точно не установлено, гены устойчивости к антибиотикам могут быть обнаружены даже в микробиоме ротовой полости здоровых людей, ранее не подвергавшихся воздействию антибиотиков. Следовательно, в то время как кишечное сообщество чувствительно к изменению диеты или лечению антибиотиками, биопленки полости рта особенно стабильны и устойчивы к внешним воздействиям.
Способность к самосборке в сложные и локализованные биопленки на мягких и твердых тканях рта играет центральную роль во взаимодействии микробиоты полости рта и организма-хозяина в здоровом состоянии (см. рисунок). Например, структурный анализ наддесневых бактериальных биопленок выявил сложные многослойные структуры, свидетельствующие о разделении труда между видами. Нити Corynebacterium образуют структурный каркас всей биопленки и прикрепляют ее к зубному налёту. На поверхности биопленки кокки, такие как Streptococcus, потребляют сахара и кислород и производят лактат, ацетат и углекислый газ, тем самым поддерживая факультативные анаэробные бактерии в более глубоких слоях биопленки. Стрептококки также выполняют защитную роль, производя перекись водорода, который может защитить консорциум биопленки и его хозяина от инфекций.
Биопленки спинки языка, присутствующие на нитевидных сосочках, имеют четкую архитектуру и состав, они содержат нитрат-восстанавливающие бактерии, такие как Neisseria и Rothia. Нитраты активно транспортируются из крови в слюну переносчиком сиалина и далее трансформируются в нитриты микробами полости рта, повышая концентрацию нитритов в слюне в 1000 раз по сравнению с плазмой. Нитратредуцирующие бактерии в основном являются факультативными анаэробами, которые используют нитраты в качестве альтернативного акцептора электронов для дыхания. Было высказано предположение, что поглощенный нитрит в конечном итоге превращается в оксид азота (NO), что, в свою очередь, обеспечивает важные преимущества для хозяина, включая снижение артериального давления, улучшение функции эндотелия, купирование метаболического синдрома и уменьшение окислительного стресса, вероятно, за счет механизмов, включающих активацию биохимического гуанилатциклазного пути. Интересно, что функция нитевидных сосочков остается неясной, поскольку у 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 показывают, что микробиота полости рта играет важную роль в поддержании здоровья хозяина на системном и локальном уровне.
Хотя хозяин и микробиота полости рта, вероятно, существуют во взаимовыгодном равновесии гомеостаза, внешние факторы, которые не полностью определены, могут запустить порочный круг самовоспроизводящегося дисбактериоза. Некоторые виды патологии полости рта, включая пародонтоз, не являются заразными сами по себе, но являются результатом дисбиоза микробиоты полости рта, при котором деструкция ткани, опосредованная воспалением, приводит к образованию метаболитов, питающих патогенные провоспалительные микробы. В частности, Porphyromonas gingivalis считается «краеугольным патогеном», потому что он играет критическую роль в поддержании структуры воспалительной биопленки, подавляя иммунные и воспалительные реакции хозяина, и его воздействие на микробное сообщество больше, чем можно было бы ожидать на основании его относительного количества. Гингипаины — факторы вирулентности, секретируемые P. gingivalis — представляют собой цистеиновые протеазы, которые способствуют протеолитической активации комплемента и индуцируют опосредованную рецепторами комплемента продукцию нейтрофилами воспалительных цитокинов. Одновременно P. gingivalis ингибирует деятельность нейтрофилов по уничтожению бактерий путем обезвреживания защитных путей Toll-подобных рецепторов хозяина. Таким образом, P. gingivalis создает воспалительные условия, необходимые для его развития, но при этом избегает антибактериального ответа, тем самым закрепляя дисбиоз и пародонтоз. Гингипаины также увеличивают проницаемость сосудов, что, таким образом, обеспечивает P. gingivalis и другим бактериям доступ к системному кровотоку. Примечательно, что гены гингипаина P. gingivalis обнаруживаются в образцах кальцифицированного зубного камня древних людей, что позволяет предположить, что эти факторы вирулентности помогли P. gingivalis сохраняться в микробиоте ротовой полости в течение 100 000 лет.

Рисунок:Микробиота полости рта в норме и при болезни
Микробиота полости рта образует отдельные биопленки в разных областях рта, которые защищают ткани хозяина [на основе ( 2 , 3 )]. Когда гомеостаз между хозяином и микробиотой утрачен, микробиота полости рта может воздействовать на отдаленные ткани и влиять, например, на пролиферацию клеток колоректального рака и аутоиммунитет, что приводит к ревматоидному артриту.

В патологическом контексте микробы, ассоциированные с полостью рта, были обнаружены в отдаленных органах человека, включая кишечник, легкие, сердце и мозг. Многочисленные исследования предполагают связь между гигиеной полости рта и респираторными заболеваниями, включая астму, хроническую обструктивную болезнь легких и пневмонию. Хотя эти результаты демонстрируют корреляцию, а не причинно-следственную связь, микробиота полости рта, вероятно, подвергается микроаспирации и влияет на микробиом легких. Оральные бактерии также проглатываются со слюной (в 1 мл слюны может содержаться от 10^7 до 10^8 бактерий), но подвергаются воздействию желудочной кислоты, желчных кислот, анаэробной среды и многих других механизмов устойчивости к колонизации, создаваемых кишечной микробиотой. Следовательно, колонизация кишечника микробиотой полости рта у здоровых людей ограничена. Однако повышенная доля оральных бактерий в кишечной микробиоте может наблюдаться при ряде заболеваний. Например, бактерии полости рта значительно более распространены 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 оральными бактериями в кишечнике может быть следствием истощения кишечной симбиотической популяции, несколько исследований показали вклад этих бактерий в патогенез заболевания. Например, штаммы Klebsiella, несущие гены устойчивости к антибиотикам, выделенные из образцов слюны пациентов с ВЗК, могут сохраняться в кишечнике мышей, получавших антибиотики, и вызывать воспаление кишечника. Также обогащение кишечника видами Klebsiella было связано с ВЗК в многочисленных исследованиях на людях.
Оппортунистические инфекции, вызванные бактериями полости рта, также могут способствовать развитию рака желудочно-кишечного тракта. Например, такие бактерии, как Fusobacterium, Parvimonas и Peptostreptococcus связаны с развитием колоректального рака (CRC). У мышей F. nucleatum колонизирует опухолевые ткани через FadA-адгезин-опосредованное связывание с E-кадгерином хозяина и ускоряет пролиферацию опухолевых клеток посредством активации сигнального пути Wnt-β-катенин. Более того, виды Fusobacterium могут мигрировать вместе с метастазирующими раковыми клетками, а опухолевые клетки, содержащие внутриклеточные бактерии Fusobacterium, более эффективно метастазируют. Следовательно, ротовая полость может выступать в качестве резервуара условно-патогенных микроорганизмов, которые могут колонизировать кишечник и влиять на хроническое воспаление, а также на развитие рака и метастазирование.
Ткани ротовой полости богаты кровеносными сосудами. В результате бактерии и их метаболиты или другие компоненты могут напрямую попадать в кровоток и способствовать патогенезу системных заболеваний. Развитию ревматоидного артрита способствует потеря иммунной толерантности к цитруллиновым белкам. Соответственно, количество антител к цитруллиновому белку (ACPA) является предиктором текущего и будущего начала заболевания. Пациенты с этими антителами демонстрируют более высокую относительную численность P. gingivalis в микробиоте полости рта. Хотя неясно, является ли P. gingivalis причинным патогеном, он может способствовать патогенезу заболевания за счет образования цитруллинированных белков. Гингипаины протеолитически расщепляют бактериальные белки и белки хозяина по остаткам аргинина, а короткие пептиды с карбоксиконцевым аргинином немедленно цитруллинируются бактериальной пептидиларгининдезиминазой (PAD), которая секретируется вместе с гингипаинами. Было высказано предположение, что цитруллиновые белки вызывают выработку антител, которые перекрестно реагируют с цитруллинированными молекулами бактерий и хозяина посредством молекулярной мимикрии. Aggregatibacter actinomycetemcomitans, ассоциированный с пародонтитом, также обладает способностью продуцировать цитруллинированные аутоантигены посредством механизма, отличного от P. gingivalis, тем самым также индуцируя ACPA посредством молекулярной мимикрии.
Эпидемиологические исследования выявили связь между пародонтитом, когнитивной функцией и деменцией. Недавняя работа с использованием образцов головного мозга и спинномозговой жидкости людей, страдавших болезнью Альцгеймера показала, что P. gingivalis может колонизировать мозг и вызывать нейродегенерацию. В образцах таких пациентов гингипаины P. gingivalis обнаруживаются в комплексе с нейронами, тау-клубками и отложениями β-амилоида. Хотя потребуются дальнейшие исследования, P. gingivalis могут перемещаться в мозг гематогенным путем, что приводит к активации каскада комплемента, увеличению продукции β-амилоида, увеличению экспрессии провоспалительных цитокинов и вызывает нейровоспаление и нейродегенерацию. Эти исследования показывают, что дисбактериоз микробиоты полости рта может иметь системные эффекты, которые способствуют развитию аутоиммунных и нейродегенеративных заболеваний.
Микробиота полости рта представляет особый интерес для поиска таксономических и молекулярных биомаркеров заболеваний полости рта и системных заболеваний из-за простоты отбора проб и стабильности ее состава. Хотя причинно-следственная связь между дисбактериозом микробиоты полости рта и системным заболеванием не была полностью изучена, характерные изменения в микробиоте полости рта при определенных заболеваниях могут иметь значение в качестве диагностического инструмента. Учитывая, что одновременная экспансия оральных микробов в кишечнике часто связана с развитием системных воспалительных заболеваний, комбинированное исследование слюнной и фекальной микробиоты может повысить точность диагностики. Так, комбинированный анализ микробиоты полости рта и стула позволяет отличить колоректальный рак от полипов толстой кишки.
Традиционные методы лечения заболеваний полости рта имеют ограниченный эффект в восстановлении здорового бактериального сообщества, что подчеркивает необходимость разработки подходов к управлению экосистемой полости рта. Клинические исследования трансплантации фекальной микробиоты выявили возможность развития трансплантации оральной микробиоты. Кроме того, молекулы, полученные из бактерий ротовой полости, могут быть многообещающими мишенями для вмешательства. Например, средства гигиены полости рта, содержащие нитраты, могут способствовать развитию полезных бактерий. Дополнительные подходы к изменению микробиоты полости рта могут также включать генетически модифицированные бактерии, которые выделяют нужные белки, и бактериофаги для нацеливания на конкретные микроорганизмы. Бактериофаги обладают высокой специфичностью и обычно заражают и убивают один вид бактерий, а следовательно, могут использоваться для рационального манипулирования структурой микробиоты полости рта путем воздействия на ключевые патогены. Одновременное использование нескольких стратегий, вероятно, максимизирует пользу будущих терапевтических средств, нацеленных на микробиоту полости рта, для улучшения состояния полости рта и здоровья в целом.

Оригинал статьи: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn1890