Streptococcus mutans — факультативно анаэробный , грамположительный кокк (круглая бактерия ), обычно встречающийся в полости рта человека и вносящий значительный вклад в разрушение зубов . [1] [2] Микроб был впервые описан Джеймсом Килианом Кларком в 1924 году. [3]
Эта бактерия, наряду с близкородственным видом Streptococcus sobrinus , может сосуществовать во рту: Оба способствуют заболеванию полости рта, и расходы на их дифференциацию в лабораторных испытаниях часто не являются клинически необходимыми. Поэтому в клинических целях их часто рассматривают вместе как группу, называемую mutans streptococci . [4] Эту группировку схожих бактерий со схожим тропизмом можно также увидеть в viridans streptococci , членом которых является и сам Streptococcus mutans. [5]
S. mutans естественным образом присутствует в микробиоте полости рта человека, наряду с по крайней мере 25 другими видами оральных стрептококков. Таксономия этих бактерий остается предварительной. [6] Различные области полости рта представляют собой различные экологические ниши, и каждый вид обладает специфическими свойствами для колонизации различных участков полости рта. S. mutans наиболее распространен в ямках и трещинах , составляя 39% от общего числа стрептококков в полости рта. Меньше бактерий S. mutans обнаруживается на щечной поверхности (2–9%). [7]
Бактериально-грибковая коагрегация может способствовать повышению кариесогенного потенциала S. mutans . Симбиотические отношения с S. mutans и Candida albicans приводят к увеличению продукции глюкана и увеличению образования биопленки. Таким образом, это усиливает кариесогенный эффект S. mutans . [8]
Оральные стрептококки включают как безвредные, так и вредные бактерии. Однако при особых условиях комменсальные стрептококки могут стать условно-патогенными, вызывая заболевания и нанося вред хозяину. Дисбаланс в микробной биоте может инициировать оральные заболевания. [ необходима цитата ]
C. albicans — это условно-патогенные дрожжи, которые можно обнаружить в полости рта. [9] Его присутствие в биопленке способствует повышению уровня S. mutans при рассмотрении кариеса у детей раннего возраста . [9] Он стимулирует образование микроколоний S. mutans . [9] Это достигается за счет низких концентраций метаболитов из разных царств, таких как фарнезол , полученных из биопленки . [9] Было высказано предположение, что при наличии обоих микробов образуется больше матрицы биопленки с большей плотностью. [9] Когда фарнезол находится в высокой концентрации, он подавляет рост как S. mutans , так и C. albicans . [9] Это снижает патогенез биопленки и, следовательно, ее потенциал стимулирования кариеса . [9] Это дает возможность использовать противогрибковые средства для профилактики кариеса зубов . [9]
Ранними колонизаторами поверхности зубов являются в основном Neisseria spp. и стрептококки , включая S. mutans . Они должны выдерживать силы очищения полости рта (например, слюну и движения языка) и достаточно прилипать к твердым тканям зубов. Рост и метаболизм этих пионерских видов изменяют местные условия окружающей среды (например, Eh, pH, коагрегацию и доступность субстрата), тем самым позволяя более привередливым организмам продолжать колонизацию после них, образуя зубной налет . [10] Наряду с S. sobrinus , S. mutans играет важную роль в кариесе зубов, метаболизируя сахарозу в молочную кислоту . [2] [11] Кислая среда , создаваемая во рту этим процессом, является причиной того, что высокоминерализованная зубная эмаль становится уязвимой для кариеса. S. mutans является одним из немногих специализированных организмов, оснащенных рецепторами, которые улучшают адгезию к поверхности зубов. S. mutans использует фермент глюкансахаразу для преобразования сахарозы в липкий внеклеточный полисахарид на основе декстрана , который позволяет им слипаться, образуя бляшки. S. mutans производит декстран с помощью фермента декстрансукразы ( гексозилтрансферазы ), используя сахарозу в качестве субстрата в следующей реакции:
Сахароза — единственный сахар, который бактерии могут использовать для образования этого липкого полисахарида. [1]
Однако другие сахара — глюкоза , фруктоза , лактоза — также могут перевариваться S. mutans , но в качестве конечного продукта они производят молочную кислоту . Сочетание зубного налета и кислоты приводит к кариесу. [12] Из-за роли, которую S. mutans играет в кариесе, было предпринято много попыток создать вакцину для этого организма. До сих пор такие вакцины не были успешными для людей. [13] Недавно было показано, что белки, участвующие в колонизации зубов S. mutans , вырабатывают антитела, которые подавляют кариесогенный процесс. [14] Молекула, недавно синтезированная в Йельском университете и Чилийском университете, названная Keep 32, как предполагается, способна убивать S. mutans . Другим кандидатом является пептид под названием C16G2, синтезированный в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. [ необходима цитата ]
Считается, что Streptococcus mutans приобрел ген, позволяющий ему производить биопленки, посредством горизонтального переноса генов с другими видами молочнокислых бактерий, такими как Lactobacillus . [15]
Выживая в полости рта, S. mutans является основным возбудителем и патогенным видом, ответственным за кариес зубов (разрушение зубов или полости), особенно на стадиях зарождения и развития. [16] [17]
Зубной налет , как правило, предшественник кариеса, содержит более 600 различных микроорганизмов, вносящих вклад в общую динамическую среду полости рта, которая часто претерпевает быстрые изменения pH, доступности питательных веществ и напряжения кислорода. Зубной налет прилипает к зубам и состоит из бактериальных клеток, в то время как налет представляет собой биопленку на поверхности зубов. Зубной налет и S. mutans часто подвергаются воздействию «токсичных соединений» из продуктов по уходу за полостью рта, пищевых добавок и табака. [ необходима цитата ]
Пока S. mutans растет в биопленке, клетки поддерживают баланс метаболизма, который включает производство и детоксикацию. Биопленка представляет собой совокупность микроорганизмов, в которой клетки прилипают друг к другу или к поверхности. Бактерии в сообществе биопленки могут фактически генерировать различные токсичные соединения, которые мешают росту других конкурирующих бактерий. [ необходима цитата ]
S. mutans со временем разработал стратегии для успешной колонизации и поддержания доминирующего присутствия в полости рта. Оральная биопленка постоянно подвергается испытаниям из-за изменений условий окружающей среды. В ответ на такие изменения бактериальное сообщество эволюционировало с отдельными членами и их специфическими функциями для выживания в полости рта. S. mutans смог эволюционировать из условий ограничения питания, чтобы защитить себя в экстремальных условиях. [18] Стрептококки представляют 20% оральных бактерий и фактически определяют развитие биопленок. Хотя S. mutans могут быть антагонизированы пионерскими колонизаторами, как только они становятся доминирующими в оральных биопленках, кариес зубов может развиваться и процветать. [18]
Возбудитель кариеса зубов связан с его способностью метаболизировать различные сахара, образовывать прочную биопленку, вырабатывать большое количество молочной кислоты и процветать в кислой среде, которую он создает. [19] Исследование pH зубного налета показало, что критический pH для повышенной деминерализации твердых тканей зубов (эмали и дентина) составляет 5,5. Кривая Стефана иллюстрирует, как быстро pH зубного налета может упасть ниже 5,5 после перекуса или приема пищи. [20]
Кариес зубов — это заболевание полости рта, связанное с биопленкой зубов, которое связано с повышенным потреблением пищевого сахара и ферментируемых углеводов. Когда биопленки зубов остаются на поверхности зубов, а также при частом воздействии сахаров, ацидогенные бактерии (члены биопленок зубов) будут метаболизировать сахара в органические кислоты. Нелеченный кариес зубов — самое распространенное заболевание, поражающее людей во всем мире [21] . Сохранение этого кислотного состояния способствует размножению ацидогенных и ацидурных бактерий в результате их способности выживать в среде с низким pH. Среда с низким pH в матрице биопленки разрушает поверхность зубов и начинает «инициацию» кариеса зубов. [19] Streptococcus mutans — это бактерия, которая распространена в среде полости рта [22] и считается жизненно важным микроорганизмом, который способствует этой инициации. [23] S. mutans процветает в кислых условиях, становясь основной бактерией в культурах с постоянно сниженным pH [24] . Если адгезия S. mutans к поверхности зубов или физиологическая способность (кислотность и кислотность) S. mutans в зубных биопленках могут быть уменьшены или устранены, то потенциал подкисления зубных биопленок и более поздних полостей может быть уменьшен. [19]
В идеале мы можем остановить раннее развитие различных поражений за пределами стадии белого пятна. После этого поверхность эмали необратимо повреждена и не может быть биологически восстановлена. [25] У маленьких детей боль от кариозного поражения может быть довольно мучительной, а восстановительное лечение может вызвать развитие ранней стоматологической тревожности. [26] Стоматологическая тревожность имеет побочные эффекты как для стоматологов, так и для пациентов. Планирование лечения и, следовательно, его успех могут быть поставлены под угрозу. Стоматологический персонал может испытывать стресс и фрустрацию при работе с тревожными детьми. Это может поставить под угрозу их отношения с ребенком и его родителями. [27] Исследования показали, что существует цикл, в котором пациенты с стоматологической тревожностью избегают заботиться о здоровье своих тканей полости рта. Иногда они могут избегать гигиены полости рта и будут стараться не обращаться за стоматологической помощью, пока боль не станет невыносимой. [28]
Восприимчивость к заболеванию различается у разных людей, и были предложены иммунологические механизмы, обеспечивающие защиту или восприимчивость к заболеванию. Эти механизмы еще не полностью изучены, но, по-видимому, в то время как антигенпрезентирующие клетки активируются S. mutans in vitro , они не реагируют in vivo . Иммунологическая толерантность к S. mutans на поверхности слизистой оболочки может сделать людей более склонными к колонизации S. mutans и, следовательно, повысить восприимчивость к кариесу зубов. [29]
S. mutans часто попадает в ротовую полость после прорезывания зубов, но также был обнаружен в ротовой полости детей, у которых еще не прорезались зубы. Обычно, но не исключительно, он передается вертикальным путем от опекуна (обычно матери) к ребенку. Это также может часто происходить, когда родитель подносит губы к бутылочке ребенка, чтобы попробовать ее, или чтобы почистить соску ребенка, а затем кладет ее в рот ребенка. [30] [31]
S. mutans участвует в патогенезе некоторых сердечно-сосудистых заболеваний и является наиболее распространенным видом бактерий, обнаруженным в тканях удаленных сердечных клапанов, а также в атероматозных бляшках, с частотой 68,6% и 74,1% соответственно. [32] Было показано, что Streptococcus sanguinis , тесно связанный с S. mutans и также обнаруженный в полости рта, вызывает инфекционный эндокардит. [33]
Streptococcus mutans ассоциируется с бактериемией и инфекционным эндокардитом (ИЭ). ИЭ делится на острую и подострую формы, и бактерия выделяется в подострых случаях. Общие симптомы: лихорадка, озноб, потливость, анорексия, потеря веса и недомогание. [34]
S. mutans подразделяется на четыре серотипа: c, e, f и k. Классификация серотипов основана на химическом составе полимеров рамнозы-глюкозы, специфичных для серотипа. Например, серотип k, первоначально обнаруженный в изолятах крови, имеет значительное сокращение боковых цепей глюкозы, прикрепленных к остову рамнозы. S. mutans имеет следующие поверхностные белковые антигены: глюкозилтрансферазы, белковый антиген и глюкан-связывающие белки. Если эти поверхностные белковые антигены отсутствуют, то бактерия является мутантом с дефектом белкового антигена с наименьшей восприимчивостью к фагоцитозу, поэтому наносит наименьший вред клеткам. [ необходима цитата ]
Кроме того, эксперименты на крысах показали, что заражение такими дефектными мутантами стрептококка ( штаммы S. mutans без глюкозилтрансфераз, выделенные из разрушенного сердечного клапана пациента с инфекционным эндокардитом) приводит к более длительной бактериемии. Результаты показывают, что вирулентность инфекционного эндокардита, вызванного S. mutans, связана с присутствующими специфическими компонентами клеточной поверхности.
Кроме того, ДНК S. mutans была обнаружена в образцах сердечно-сосудистой системы в более высоком соотношении, чем другие пародонтальные бактерии. Это подчеркивает ее возможную причастность к различным типам сердечно-сосудистых заболеваний, а не только к бактериемии и инфекционному эндокардиту. [35]
Практика хорошей гигиены полости рта, включая ежедневную чистку зубов щеткой, зубной нитью и использование подходящего ополаскивателя для полости рта, может значительно сократить количество бактерий полости рта, включая S. mutans , и подавить их размножение. S. mutans часто обитают в зубном налете , поэтому механическое удаление налета является эффективным способом избавиться от них. [36] Лучшая техника чистки зубов для уменьшения образования налета, снижая риск кариеса, — это модифицированная техника Басса. Чистка зубов дважды в день может помочь снизить риск кариеса. [37] Однако существуют некоторые средства, используемые при лечении бактериальной инфекции полости рта в сочетании с механической очисткой. К ним относятся фторид , который оказывает прямое ингибирующее действие на фермент енолазу , а также хлоргексидин , который действует, предположительно, путем вмешательства в бактериальную адгезию.
Кроме того, ионы фторида могут быть вредны для метаболизма бактериальных клеток. Фторид напрямую ингибирует гликолитические ферменты и H+АТФазы. Ионы фторида также снижают pH цитоплазмы. Это означает, что во время бактериального гликолиза будет вырабатываться меньше кислоты. [38] Поэтому фторидные ополаскиватели для полости рта, зубные пасты, гели и лаки могут помочь снизить распространенность кариеса. [39] Однако результаты исследований влияния фторидсодержащего лака на уровень Streptococcus mutans в ротовой полости у детей показывают, что снижение кариеса нельзя объяснить снижением уровня Streptococcus mutans в слюне или зубном налете. [40] Обработка фторидным лаком с предварительной гигиеной полости рта или без нее не оказывает существенного влияния на уровень S. mutans в зубном налете и слюне . [41]
S. mutans секретирует глюкозилтрансферазу на своей клеточной стенке, что позволяет бактериям производить полисахариды из сахарозы. Эти липкие полисахариды отвечают за способность бактерий объединяться друг с другом и прилипать к зубной эмали, т. е. образовывать биопленки . Использование иммуноглобулина Y против глюкозилтрансферазы, ассоциированной с клетками (Anti-CA-gtf), нарушает способность S. mutans прилипать к зубной эмали, тем самым предотвращая его размножение. Исследования показали, что IgY против IgY против CA-gtf способен эффективно и специфично подавлять S. mutans в полости рта. [42]
Другие распространенные профилактические меры сосредоточены на снижении потребления сахара. Один из способов сделать это — использовать заменители сахара, такие как ксилит или эритрит, которые не могут быть преобразованы в сахара, которые обычно усиливают рост S. mutans . Молекула ксилита, 5-углеродный сахар, нарушает выработку энергии S. mutans , образуя токсичный промежуточный продукт во время гликолиза. [43] [44] Были предложены или изучены в определенной степени различные другие натуральные средства, включая деглицирризированный экстракт корня солодки, [45] [46] масло чайного дерева , [47] мускатный орех (содержится в мускатном орехе ), [48] куркуминоиды (основные компоненты куркумы ), [49] и эвгенол (содержится в лавровом листе, листьях корицы и гвоздике). Кроме того, различные чаи были протестированы на активность против S. mutans и другие преимущества для зубов. [50] [51] [52] [53] [54] Недавно были идентифицированы и разработаны ингибиторы малых молекул, селективно ингибирующие или рассеивающие биопленки S. mutans . [55] [56] [57] [58] Кроме того, структурные разработки лекарственных средств выявили селективные ингибиторы, нацеленные на глюкозилтрансферазы S. mutans . [59] [60] Эти ведущие соединения эффективны в доклинических моделях животных. [61] Однако ни одно из этих средств не подвергалось клиническим испытаниям и не рекомендуется основными группами стоматологов для лечения S. mutans . [ требуется ссылка ]
Добавление биоактивных стеклянных шариков в стоматологические композиты снижает проникновение S. mutans в краевые щели между зубом и композитом. [62] Они обладают антимикробными свойствами, снижая проникновение бактерий. [62] Это снижает риск развития вторичного кариеса, распространенной причины неудач стоматологических реставраций . [62] Это означает, что долговечность и эффективность композитных реставраций могут быть улучшены. [62]
Были исследованы бактериофаги (вирусы, которые заражают бактерии), которые нацелены на S. mutans . Фаги показали себя многообещающими в снижении S. mutans в лабораторных условиях, потенциально предлагая целевой подход к профилактике кариеса без ущерба для естественного микробиома полости рта. [63] [64] [65] [66] Было обнаружено несколько различных фагов, которые заражают S. mutans , включая SMHBZ8 . [65] [66]
Условия в полости рта разнообразны и сложны, часто меняясь от одной крайности к другой. Таким образом, чтобы выжить в полости рта, S. mutans должны переносить быстрые резкие колебания окружающей среды и воздействие различных антимикробных агентов, чтобы выжить. [18] Трансформация - это бактериальная адаптация, включающая перенос ДНК от одной бактерии к другой через окружающую среду. Трансформация - это примитивная форма полового размножения . Чтобы бактерия связала, приняла и рекомбинировала экзогенную ДНК в свою хромосому, она должна войти в особое физиологическое состояние, называемое «компетентностью» . У S. mutans генетическую компетентность контролирует сигнальная система пептидного феромона, чувствительная кворум . [67] Эта система функционирует оптимально, когда клетки S. mutans находятся в переполненных биопленках. [68] Клетки S. mutans, растущие в биопленке, трансформируются со скоростью в 10-600 раз выше, чем отдельные клетки, растущие в условиях отсутствия толпы (планктонные клетки). [67] Индукция компетентности, по-видимому, является адаптацией для восстановления повреждений ДНК, вызванных переполненными, стрессовыми условиями. [69]
Знание о кворум-сенсинге дает начало потенциальной разработке лекарств и методов лечения. Пептиды кворум-сенсинга можно манипулировать, чтобы вызвать самоубийство цели. Более того, подавление кворум-сенсинга может привести к предотвращению устойчивости к антибиотикам. [70]
У S. mutans развились три ключевые черты , которые увеличили его вирулентность за счет улучшения его приспособляемости к полости рта: повышенная выработка органических кислот, способность образовывать биопленки на твердых поверхностях зубов и способность выживать и процветать в среде с низким pH. [71]
В ходе своей эволюции S. mutans приобрел способность увеличивать количество углеводов, которые он мог метаболизировать, и, следовательно, больше органической кислоты производилось в качестве побочного продукта. [72] Это имеет важное значение для образования кариеса зубов , поскольку повышенная кислотность в полости рта усиливает скорость деминерализации зубов, что приводит к кариозным поражениям. [73] Считается, что эта черта развилась у S. mutans посредством латерального переноса генов с другим видом бактерий, присутствующим в полости рта. Существует несколько генов, SMU.438 и SMU.1561, участвующих в метаболизме углеводов, которые активируются у S. mutans . Эти гены, возможно, произошли от Lactococcus lactis и S. gallolyticus соответственно. [72]
Другой пример латерального переноса генов ответственен за приобретение S. mutans гена глюкозилтрансферазы (GTF). Гены GTF, обнаруженные в S. mutans, скорее всего, получены от других анаэробных бактерий, обнаруженных в полости рта, таких как Lactobacillus или Leuconostoc . Кроме того, гены GTF в S. mutans демонстрируют гомологию с аналогичными генами, обнаруженными в Lactobacillus и Leuconostoc . Считается, что общий предковый ген использовался для гидролиза и связывания углеводов. [15]
Третья черта, которая развилась у S. mutans , — это способность не только выживать, но и процветать в кислых условиях. Эта черта дает S. mutans селективное преимущество перед другими представителями микробиоты полости рта. В результате S. mutans смогли превзойти другие виды и занять дополнительные области рта, такие как развитые зубные бляшки , которые могут быть такими же кислыми, как pH 4,0. [73] Естественный отбор , скорее всего, является основным эволюционным механизмом, ответственным за эту черту. [ необходима цитата ]
При обсуждении эволюции S. mutans необходимо учитывать роль, которую сыграли люди, и коэволюцию, которая произошла между двумя видами. По мере того, как люди эволюционировали антропологически, бактерии эволюционировали биологически. Широко признано, что появление сельского хозяйства в ранних человеческих популяциях создало условия, необходимые S. mutans для превращения в вирулентную бактерию, которой она является сегодня. Сельское хозяйство ввело ферментированные продукты, а также продукты с большим содержанием углеводов в рацион исторических человеческих популяций. Эти новые продукты питания ввели новые бактерии в полость рта и создали новые условия окружающей среды. Например, Lactobacillus или Leuconostoc обычно встречаются в таких продуктах, как йогурт и вино. Кроме того, потребление большего количества углеводов увеличило количество сахаров, доступных S. mutans для метаболизма, и снизило pH полости рта. Эта новая кислая среда обитания отобрала те бактерии, которые могли выживать и размножаться при более низком pH. [72]
Еще одно значительное изменение в среде полости рта произошло во время промышленной революции . Более эффективная очистка и производство продуктов питания увеличили доступность и количество сахарозы , потребляемой людьми. Это обеспечило S. mutans большим количеством энергетических ресурсов и, таким образом, усугубило и без того растущий уровень кариеса зубов. [15] Рафинированный сахар — это чистая сахароза, единственный сахар, который может быть преобразован в липкие глюканы, что позволяет бактериям образовывать толстый, прочно прилипающий налет. [74]