Porphyromonas gingivalis относится к типу Bacteroidota и является неподвижной , грамотрицательной , палочковидной, анаэробной , патогенной бактерией . Образует черные колонии на кровяном агаре .
Он находится в полости рта, где он участвует в пародонтозе , [1] а также в верхнем желудочно-кишечном тракте , дыхательных путях и толстой кишке . Он был выделен от женщин с бактериальным вагинозом . [2]
Деградация коллагена , наблюдаемая при хроническом пародонтите, частично обусловлена ферментами коллагеназы этого вида . В исследовании in vitro было показано , что P. gingivalis может проникать в фибробласты десны человека и выживать в присутствии антибиотиков . [3] P. gingivalis проникает в эпителиальные клетки десны в больших количествах, и в этом случае и бактерии, и эпителиальные клетки выживают в течение длительного времени. У пациентов, являющихся носителями P. gingivalis , можно обнаружить высокие уровни специфических антител .
Инфекция P. gingivalis связана с болезнью Альцгеймера [4] и ревматоидным артритом . Она содержит фермент пептидил-аргинин дезиминазу , который участвует в цитруллинировании . [5] У пациентов с ревматоидным артритом наблюдается повышенная заболеваемость пародонтозом; [6] антитела против бактерии значительно чаще встречаются у этих пациентов. [7]
P. gingivalis делится на серотипы K на основе капсульной антигенности различных типов. [8]
Геном P. gingivalis был описан в 2003 году, выявив 1990 открытых рамок считывания (т.е. последовательностей, кодирующих белок), закодированных 2 343 479 парами оснований, со средним содержанием G+C 48,3%. [9] По оценкам, 463 гена являются существенными . [10]
Arg-gingipain (Rgp) и lys-gingipain (Kgp) являются эндопептидазными ферментами, секретируемыми P. gingivalis. Эти гингипаины выполняют множество функций для организма, способствуя его выживанию и вирулентности. [11]
Было обнаружено, что Arg-гингипаины играют ключевую роль в сборе питательных веществ для выживания P. gingivalis . Rgp расщепляет крупные пептиды организма-хозяина, чтобы обеспечить бактерию обильным источником азота и углерода из человеческого сывороточного альбумина. [12] P. gingivalis также может расщеплять трансферрин в клетках-хозяевах, что обеспечивает организм обильным источником железа, необходимым для выполнения множества клеточных функций. [13]
Гингипаины также отвечают за ряд необходимых функций, связанных с вторжением и колонизацией хозяина. Гингипаины Rgp необходимы для адгезии и вторжения, поскольку они обрабатывают белки-предшественники длинных фимбрий. [13] Гены P. gingivalis, кодирующие RgpA, Kgp и гемагглютинин A (HagA), были сильно выражены после инкубации с T. denticola . Белки, содержащие домен адгезии гемагглютинина, действуют, увеличивая адгезивные способности P. gingivalis с другими видами бактерий. [14] Они также связаны с координацией целостности биопленки в фазе развития и созревания. [15] Лизгингипаины (Kgp) могут связываться с иммобилизованными белками матрицы фибриногеном и фибронектином и могут играть роль в колонизации хозяина. [16]
Гингипаины также обладают способностью разрушать множественные сигналы иммунного ответа хозяина. Они обладают способностью расщеплять антитела IgG подкласса 1 и 3 [17], а также провоспалительные цитокины , такие как IL-1β, IL-2, IL-6, TNF-α и IL-8 в областях высокой концентрации P. gingivalis , [18] нарушая функцию иммунного ответа хозяина. Rgp может ингибировать накопление IL-2 в Т-клетках , что позволяет ему уклоняться от адаптивного иммунного ответа хозяина, модулируя коммуникацию и пролиферацию Т-клеток. [19]
Гингипаины являются ключевыми факторами в симптомах повреждения тканей пародонтита , что является результатом деградации матричных металлопротеинов , коллагена и фибронектина . [13] Деградация этих субстратов нарушает взаимодействие между клетками хозяина и внеклеточным матриксом , тем самым затрудняя заживление ран и вызывая разрушение тканей пародонта. [13] Rgp отвечает за возникновение воспалительной реакции хозяина через путь трансдукции p38α MAPK . Эта реакция, вероятно, способствует воспалительной природе пародонтита и участвует в разрушении тканей и костей. [12]
Гингипаины были связаны с болезнью Альцгеймера (БА). Гингипаины были обнаружены в ТМА пациентов с патологией мозга БА. Как RgpB, так и Kgp были обнаружены в гиппокампе и коре головного мозга пациентов БА и были обнаружены связанными с нагрузкой тау , маркером патологии БА и убиквитином , который накапливается в клубках тау и амилоидных бета- бляшках в мозге БА. 16S рРНК P. gingivalis также была обнаружена в коре головного мозга и спинномозговой жидкости БА. Предварительное лечение ингибиторами гингипаина защищало деградацию нейронных клеток, вызванную введением гингипаинов в мышиной модели. [4]
Инкапсулированный штамм P. gingivalis гораздо более вирулентный, чем неинкапсулированный штамм в модели абсцесса у мышей. [20] Капсула представляет собой капсульный полисахарид и при ее наличии подавляет выработку цитокинов, особенно провоспалительных цитокинов IL-1β, IL-6, IL-8 и TNF-α , что указывает на реакции уклонения хозяина. [18] [20] Однако другие исследования показали, что капсульный полисахарид вызывает иммунные реакции хозяина, такие как миграция нейтрофилов и зависимая от дозы и времени экспрессия хемокинов клеточной миграции , таких как MCP-1, KC, MIP-2 и RANTES, в макрофагах брюшины мышей, подвергнутых воздействию капсульного полисахарида. Эти состояния, вероятно, способствуют воспалительным поражениям, наблюдаемым при пародонтите . [21]
Вакцины, изготовленные из капсульного полисахарида P. gingivalis , по-видимому, ухудшают потерю костной ткани в полости рта у мышей. Эти вакцины смогли вызвать мощные иммунные реакции, такие как повышенные реакции IgM и IgG , которые распознают целые организмы P. gingivalis . [22]
Фимбрии — это отростки, участвующие в прикреплении клеток и вносящие большой вклад в вирулентность; они встречаются у многих грамотрицательных и некоторых грамположительных бактерий. [ необходима цитата ]
Вирулентность P. gingivalis тесно связана с фимбриями, поскольку они считаются ключевыми факторами адгезии, инвазии и колонизации. Фимбрии также отвечают за инвазию мембранных везикул в клетки хозяина. [13] Было обнаружено, что они связываются с клеточными интегринами α5β1 , которые опосредуют адгезию и нарушают гомеостатический контроль клеток хозяина. [23] Было также обнаружено, что фимбрии связаны с модуляцией адгезивной активности интегрина β2 для поглощения моноцитами с использованием сигнального комплекса CD14 / TLR2 / PI3K , что может способствовать внутриклеточной тактике уклонения P. gingivalis . [24] P. gingivalis имеет длинные фимбрии, короткие фимбрии и вспомогательные компоненты, каждый из которых имеет различные функции. [15]
Длинные фимбрии (FimA), также известные как основные фимбрии, представляют собой длинные, перитрихиальные, нитевидные компоненты. [25] Они играют роль в первоначальном прикреплении и организации биопленок, поскольку действуют как адгезины, которые опосредуют вторжение и колонизацию клеток хозяина, способствуя вирулентности P. gingivalis . [15]
Короткие фимбрии (Mfa1), также известные как малые фимбрии, играют отличную от длинных фимбрий роль и характеризуются тем, что они необходимы для межклеточной аутоагрегации и набора для формирования микроколоний . [25] Короткие фимбрии участвуют в межклеточной адгезии с другими зубными комменсалами. Было обнаружено, что они коадгерируют и образуют биопленку совместно со Streptococcus gordonii путем взаимодействия с полипептидом поверхности стрептококка SspB. [26] Это взаимодействие может быть необходимым для вторжения P. gingivalis в дентинные канальцы . [27]
Дополнительные компоненты Fim C, D и E ассоциируются с основным белком FimA и играют роль в связывании с матричными белками и взаимодействии с рецептором 4 CXC-хемокина. Эксперименты по потере функции подтвердили, что мутанты P. gingivalis, дефицитные по Fim C, D или E, имеют резко ослабленную вирулентность. [28]
P. gingivalis имеет много способов уклонения от иммунных реакций хозяина, что влияет на его вирулентность. Он делает это, используя комбинацию протеаз гингипаина, капсульного полисахарида, индукцию пролиферации клеток хозяина и расщепление хемокинов, ответственных за рекрутинг нейтрофилов. [17] [29]
Вирулентный P. gingivalis дополнительно модулирует набор лейкоцитов путем протеолиза цитокинов и хемокинов , которые секретируются клетками хозяина. Арг-гингипаин и лиз-гингипаины отвечают за этот протеолиз. В исследовании с использованием мышиной модели было обнаружено, что P. gingivalis специально подавляет индукцию IL-8 , вызывая задержку набора нейтрофилов . Предотвращение набора нейтрофилов может ингибировать очищение бактерии от места инфекции, позволяя колонизацию. [29] P. gingivalis способен избегать опсонофагоцитоза от гранулоцитов , используя гингипаин К (Kgp) для расщепления IgG 1 и 3. Это дополнительно модулирует иммунный ответ, нарушая передачу сигналов. [17] Другие исследования показали, что P. gingivalis может нарушать путь комплемента через C5αR и C3αR, что модулирует способность лейкоцитов уничтожать бактерии, допуская неконтролируемый рост бактерий. [29] [30] [31] Также было обнаружено, что P. gingivalis подавляет провоспалительные и антимикробные реакции в человеческих моноцитах и мышиных макрофагах путем связывания фимбрий с CXCR4, вызывая сигнализацию PKA и ингибируя опосредованный TLR-2 иммунный ответ. [32]
Попав в клетки хозяина, P. gingivalis способен ингибировать апоптоз , модулируя путь JAK/Stat , который контролирует митохондриальные апоптотические пути. [33] [15] Пролиферативный фенотип может быть полезен для бактерии, поскольку он обеспечивает питательными веществами, нарушает сигнализацию клеток хозяина и ставит под угрозу целостность слоя эпителиальных клеток, что позволяет осуществлять инвазию и колонизацию. [15]
P. gingivalis играет важную роль в возникновении хронического пародонтита у взрослых. [34] Хотя он встречается в небольшом количестве в полости рта, он вызывает микробный сдвиг полости рта, что приводит к неконтролируемому росту комменсального микробного сообщества. Это приводит к пародонтиту через нарушение гомеостаза тканей хозяина и адаптивного иммунного ответа. [35] После использования лазерной захватной микродиссекции плюс ОТ-ПЦР для обнаружения P. gingivalis в биопсиях человека была обнаружена колокализация P. gingivalis с Т-клетками CD4+. [36] Однако механизм инфицирования Т-клеток P. gingivalis остается неизвестным. [ необходима цитата ]
P. gingivalis был связан с повышением вирулентности других комменсальных бактерий как в экспериментах in vivo , так и in vitro . Было обнаружено, что везикулы внешней мембраны P. gingivalis необходимы для инвазии эпителиальных клеток Tannerella forsythia . [37] Было обнаружено, что короткие фимбрии P. gingivalis необходимы для образования биопленки совместного культивирования со Streptococcus gordonii . [26] Интерпроксимальная и горизонтальная потеря альвеолярной кости в моделях мышей наблюдается при коинфекциях с участием P. gingivalis и Treponema denticola . [38] Роль P. gingivalis в пародонтите изучается с использованием специфических моделей мышей без патогенов с инфекциями пародонта. В этих моделях инокуляция P. gingivalis вызывает значительную потерю костной ткани, что является важной характеристикой заболевания. Напротив, у мышей без микробов, инокулированных моноинфекцией P. gingivalis , не наблюдалось потери костной ткани, что указывает на то, что P. gingivalis сам по себе не может вызывать пародонтит. [29]
Хотя P. gingivalis является частью типичной микробиологической экосистемы полости рта у людей, он также может стать патогенным, если предоставить ему достаточные возможности. Когда это происходит, возникающая инфекция известна как гингивит или пародонтит .
Пародонтоз, инфекция десневой ткани, вызванная в первую очередь P. gingivalis , теоретически связана с другими системными заболеваниями, включая болезнь Альцгеймера , атеросклероз и другие сердечно-сосудистые заболевания . Хотя не существует научного консенсуса относительно механизма, посредством которого связаны эти патологические процессы, доказательства связи между пародонтозом и сердечно-сосудистыми заболеваниями, включая атеросклероз, были обнаружены как в статистических исследованиях человеческих популяций, [39] , так и в исследованиях in vivo с использованием мышиной модели. [40]
Считается, что пародонтит связан с сердечно-сосудистыми заболеваниями из-за путей воспаления , которые являются общими для этих двух патологий. Путь воспаления пародонтита таков, что по мере роста инфекции бактерии, включая P. gingivalis, становятся мишенью для нейтрофилов и естественных иммунных клеток-киллеров. Эти клетки фагоцитируют бактерии, в то время как одновременно молекулы цитокинов в этой области приводят к образованию провоспалительной среды. Эта провоспалительная среда также богата межклеточными сигнальными молекулами, включая фактор некроза опухоли-альфа , интерлейкины ( интерлейкин 1 , интерлейкин 4 , интерлейкин 10 ), интерфероны и трансформирующий фактор роста бета . Эти молекулы привлекают больше ферментов и факторов транскрипции, которые затем, в свою очередь, привлекают больше иммунных клеток, образуя положительную обратную связь, которая может вызвать иммунный ответ, и, следовательно, воспаление станет хроническим и системным. Хроническое воспаление ткани десен может привести к потере этой ткани, а также костной ткани. Воспаление повышает выработку RANKL , межклеточной сигнальной молекулы, которая способствует растворению костной ткани, что приводит к постепенной потере костной ткани. Инфекция P. gingivalis также, как полагают, приводит к окислительному стрессу. Как хроническое системное воспаление, так и окислительный стресс являются факторами, связанными с возникновением сердечно-сосудистых заболеваний, и являются предполагаемыми механизмами, посредством которых пародонтит может, если он действительно причинно связан с сердечно-сосудистыми заболеваниями, ускорить процесс развития сердечно-сосудистых заболеваний. [41]
В то время как инвазивный P. gingivalis связан с различными формами сердечно-сосудистых заболеваний, включая инсульт , ишемическую болезнь сердца , мерцательную аритмию и сердечную недостаточность , лучшим доказательством прямой причинно-следственной связи является связь между инвазивным P. gingivalis (заболевание пародонта) и атеросклерозом. Модели животных in vivo и in vitro показали, что фимбрии P. gingivalis способствуют проникновению клеток-хозяев и образованию атеротромботических поражений , как только бактерии попадают в кровоток, например, через поражения во рту. Было показано, что P. gingivalis ускоряет путь развития атеросклероза у мышей, а также обнаруживается в атеросклеротических бляшках у людей. [42]