Základy orální epidemiologie Zdeněk Broukal, 1. LF UK Praha

Evoluce orálního mikrobiálního biotopu

Evoluce vztahu mikroorganizmů a hostitele Lidské tělo10 14 eukaryotních buněk mikroorganizmů Evoluční a ekologické zákonitosti Evoluce vztahu organizmů v otevřeném ekosystému směřuje k rovnovázeEvoluce vztahu organizmů v otevřeném ekosystému směřuje k rovnováze Rovnováha má charakter tolerance a kooperace na podkladě „ozbrojené neutrality“Rovnováha má charakter tolerance a kooperace na podkladě „ozbrojené neutrality“ Udržování rovnováhy se účastní faktory mikroorganizmů i hostitele na principu trvalého dialoguUdržování rovnováhy se účastní faktory mikroorganizmů i hostitele na principu trvalého dialogu Faktory zevního (okolního) prostředí narušují tuto rovnováhuFaktory zevního (okolního) prostředí narušují tuto rovnováhu Evoluční adaptabilita obou má tendenci narušenou rovnováhu stabilizovatEvoluční adaptabilita obou má tendenci narušenou rovnováhu stabilizovat

Faktory výživy ovlivňující orální mikrobiom smíšená potrava (+ obilniny, živočišné bílkoviny) tepelná úprava potravy zvýšení dostupnosti a frekvence příjmu potravy nové technologie zpracování potravy (konzervace) cukry, škroboviny nové stravovací stereotypy dodané cukry nová úloha sacharidů smíšená potrava (+ obilniny, živočišné bílkoviny) tepelná úprava potravy zvýšení dostupnosti a frekvence příjmu potravy nové technologie zpracování potravy (konzervace) cukry, škroboviny nové stravovací stereotypy dodané cukry nová úloha sacharidů

Evoluce vztahu mikroorganizmů a hostitele Hostitel  Evoluce obranných mechanizmů proti invazi mikroorganizmů  Nespecifická obrana  Integrita povrchů  Deskvamace povrchových buněk  Nespecifické ochranné faktory v tekuté fázi prostředí  Specifická obrana (slizniční imunita)  Imunitní systém v podslizničním (podkožním) vazivu  Produkce specifických ochranných faktorů do tekuté fáze prostředí  Evoluce tolerance hostujících mikroorganizmů  Rozpoznávané předlohy  Podpora rezidentního mikrobiomu Hostitel  Evoluce obranných mechanizmů proti invazi mikroorganizmů  Nespecifická obrana  Integrita povrchů  Deskvamace povrchových buněk  Nespecifické ochranné faktory v tekuté fázi prostředí  Specifická obrana (slizniční imunita)  Imunitní systém v podslizničním (podkožním) vazivu  Produkce specifických ochranných faktorů do tekuté fáze prostředí  Evoluce tolerance hostujících mikroorganizmů  Rozpoznávané předlohy  Podpora rezidentního mikrobiomu Mikrobiom  Evoluce ochranných mechanizmů proti faktorům prostředí  Vazba antigenů hostitele na povrchu mikrobiální buňky („stealth technologie“)  Antigenně shodné epitopy (mimikri)  Inaktivase specifických antimikrobiállních látek (IgA 1 proteázy)  Imunomodulace antigen prezentujících Ly  Kontinuální mutace povrchových antigenů  Evoluce intermikrobiální kompetice  Kyselé metabolity – aciduricita, acidofilie  Bakteriociny  Široká enzymatická výbava pro metabolické procesy  Genetická diverzifikace - genotypy Mikrobiom  Evoluce ochranných mechanizmů proti faktorům prostředí  Vazba antigenů hostitele na povrchu mikrobiální buňky („stealth technologie“)  Antigenně shodné epitopy (mimikri)  Inaktivase specifických antimikrobiállních látek (IgA 1 proteázy)  Imunomodulace antigen prezentujících Ly  Kontinuální mutace povrchových antigenů  Evoluce intermikrobiální kompetice  Kyselé metabolity – aciduricita, acidofilie  Bakteriociny  Široká enzymatická výbava pro metabolické procesy  Genetická diverzifikace - genotypy

Evoluce vztahu mikroorganizmů a hostitele Integrita sliznic  Gingiva  Zevní list – vrstevnatý dlaždicový keratinizovaný epitel – nepropustný pro makromolekulární látky;  Vnitřní list - vrstevnatý dlaždicový nekeratinizovaný epitel – propustný pro makromolekulární látky;  Epitelový úpon  koronárně šikmo odrůstající nekeratinizující buňky s hemodesmosomy;  Vazivo volné gingivy  4x hustší kapilární plexus pod vnitřním listem a epitelovým úponem  pevná síť kolagenních, elastických a oxytalanových vláken  mechanická pevnost – uzávěr gingiválního sulku nad epitelovým úponem Integrita sliznic  Gingiva  Zevní list – vrstevnatý dlaždicový keratinizovaný epitel – nepropustný pro makromolekulární látky;  Vnitřní list - vrstevnatý dlaždicový nekeratinizovaný epitel – propustný pro makromolekulární látky;  Epitelový úpon  koronárně šikmo odrůstající nekeratinizující buňky s hemodesmosomy;  Vazivo volné gingivy  4x hustší kapilární plexus pod vnitřním listem a epitelovým úponem  pevná síť kolagenních, elastických a oxytalanových vláken  mechanická pevnost – uzávěr gingiválního sulku nad epitelovým úponem

Slizniční imunita  Gingiva a epitelový úpon, sliznice  Lymfoplazmocytární infiltrát  Fylogeneticky a ontogeneticky programovaný na „rozpoznávané předlohy“ Matzinger P. An innate sense of of danger. Semin. Immunol., 10, 1998: vlastní cizí „známý“ „neznámý“ ohrožující neohrožující vlastní cizí „známý“ „neznámý“ ohrožující neohrožující Evoluce vztahu mikroorganizmů a hostitele Hostitel  Evoluce obranných mechanizmů proti invazi mikroorganizmů  Nespecifická obrana  Integrita povrchů  Deskvamace povrchových buněk  Nespecifické ochranné faktory v tekuté fázi prostředí  Specifická obrana (slizniční imunita)  Imunitní systém v podslizničním (podkožním) vazivu  Produkce specifických ochranných faktorů do tekuté fáze prostředí  Evoluce tolerance hostujících mikroorganizmů  Rozpoznávané předlohy  Podpora rezidentního mikrobiomu

Tekutá fáze ústního prostředí  Slina  Viskozita, redOX  Lysozym, peroxidáza-SCN, histatiny, laktoferrin, statherin a další (fylogeneticky nastavená ochrana před tranzitní flórou)  Specifické sIgA (ontogeneticky programované v GALT)  Sulkulární tekutina   Ca,  glukóza,  proteiny než v séru  Cytokiny, lymfokiny  IgA  Nárazníkové systémy  Uhličitany, fosfáty, cystein Tekutá fáze ústního prostředí  Slina  Viskozita, redOX  Lysozym, peroxidáza-SCN, histatiny, laktoferrin, statherin a další (fylogeneticky nastavená ochrana před tranzitní flórou)  Specifické sIgA (ontogeneticky programované v GALT)  Sulkulární tekutina   Ca,  glukóza,  proteiny než v séru  Cytokiny, lymfokiny  IgA  Nárazníkové systémy  Uhličitany, fosfáty, cystein Evoluce vztahu mikroorganizmů a hostitele Hostitel  Evoluce obranných mechanizmů proti invazi mikroorganizmů  Nespecifická obrana  Integrita povrchů  Deskvamace povrchových buněk  Nespecifické ochranné faktory v tekuté fázi prostředí  Specifická obrana (slizniční imunita)  Imunitní systém v podslizničním (podkožním) vazivu  Produkce specifických ochranných faktorů do tekuté fáze prostředí  Evoluce tolerance hostujících mikroorganizmů  Rozpoznávané předlohy

Akvizice složek orálního mikrobiomu  Selektivní tropizmus rezidentní mikroflóry  Převážně ústní a střevní flóra blízkých jedinců  Podmínky přenosu  Primární rezidenti  Vektor – slina  Opakování přenosu  Nutriční podmínky – sacharidová složka výživy  „volná“ ekologická nika  Sekundární rezidenti  Přítomnost primárních rezidentů  „volná“ ekologická nika  Fyzikálně-chemické a nutriční akviziční podmínky  Mezidruhové akviziční podmínky  Podmínky stability rezidentního mikrobiomu  Stabilita nutričních zdrojů  Stabilní podmínky biotopu  Přítomnost pevných povrchů (zuby, dentální materiály)  Stabilita tekuté fáze prostředí (slina, sulkulární tekutina)  (Tolerovaná koncentrace lokálně aplikovaných biocidů) zdroj infektu vektor přenosu brána vstupu infekční okno podmiňující faktory trvalý infekt cesta přenosu opakování přenosu

Růstová křivka bakteriální populace v ústech hod. Generační doba (dostatek nutrientů, clearance metabolitů) Generační doba (dostatek nutrientů, clearance metabolitů)

individuálně tolerovaná bakteriální populace Vliv potravy a čistění zubů na bakteriální populaci v ústech hod. pravděpodobně tolerovaná bakteriální populace

Vývoj mikrobiálního plaku 5-20 min min. 3-5 hod hod. plakové mikrokolonienezralý plak

Schematické znázornění struktury zralého plaku sklovinasklovina

Specifická adherence a koagregace Receptory pelikuly:  Statheriny  PRP  NANA  bakteriální aglutininy  α-amyláza Adheziny a receptory bakteriálních buněk:  EPS  GTF  Ag I., Ag II.  LTA  a další Kolenbrander PE, Andersen RN, Blehert DS, et al. Communication among Oral Bacteria. Microbiol. Mol. Biol. Rev. 66, 2002:

Kde všude jsou problémy s biofilmem

 Kooperující společenství různých druhů mikroorganizmů  Mikroorganizmy jsou uspořádány v mikrokoloniích  Mikrokolonie jsou obklopeny ochrannou matrix mikrobiálního původu nebo/a pocházející z prostředí  Mikrokolonie zajišťují specificitu mikrobiotopů  Mikroorganizmy mají primitivní komunikační systém  Mikroorganizmy v mikrokoloniích jsou rezistentní k ATM faktorům hostitele a k léčivům Základní vlastnosti biofilmu  Primární adherence specifických mikroorganizmů (pioneer colonizers) na pevnou složku prostředí;  Specifické povrchové adheziny  Sekundární adherence (koagregace) dalších mikroorganizmů  specifické adheziny a ligandy (receptory)

 Komunikace zajištěna signálními látkami, které vylučují mikrobiální buňky (např. HSL – homocystein laktony) a specifickými receptory na povrchu jiných buněk  Význam: strategie a kooperace při přežití  změna rychlosti dělení  změna syntézy exoproduktů  změna genetické exprese  přenos rezistence na ATM  apod. Quorum sensing Proces exprese fenotypu nějaké vlastnosti, produkce toxinu, specifického metabolitu apod.), který se uplatňuje až po dosažení určité denzity bakteriální biomasy; Uplatňuje se během růstu i ve stacionární fázi biofilmu, jakmile se dosáhne rozpoznatelné koncentrace příslušných signálních látek.

Planktonická fáze – izolované buňky hynou pod vlivem ATM látek dříve než mohou aktivovat stresovou odpověď. Biofilm – stresová odpověď se u části buněk spustí, i když část populace zahyne. Planktonická fáze - dostatek substrátu v prostředí; metabolická aktivita nestačí k vyčerpání substrátu Biofilm – omezená dostupnost substrátu  snížení metabolické aktivity  snížení vnímavosti k ATM látkám Planktonická fáze – buňky neutralizují ATM látku, ale jejich aktivita nestačí ke snížení koncentrace ATM v prostředí pod kritickou mez. Biofilm – více možností neutralizace ATM látky, snížení její penetrace do biofilmu. Planktonická fáze – vlivem ATM část buněk získává rezistenci (persister cells), ale rychle revertuje do vní- mavého stavu. Biofilm - persister cells se akumulují v hloubce biofilmu a méně revertují pro nižší koncentraci ATM v biofilmové matrix.

Parodontální mikroorganizmy (izolované kmeny) MIC CLX µg/ml MBCCLX≈ 250 µg/ml Experimentální biofilm MIC CLX µg/ml MIC CLX≈ 100x vyšší MIC MBC MIC isoláty biofilm Larsen T, Fiehn NE. Resistance of Streptococcus sanguis biofilms to antimicrobial agents. APMIS, 1996, 104: Stanley A, Wilson M,Newman HN: The in vitro effects of chlorhexidine on subgingival plaque bacteria; Journal of Clinical Periodontology, 16, 1989: 259–264.

x MIC MIC SEDLACEK M J, WALKER C: Antibiotic resistance in an in vitro subgingival biofilm model Oral microbiol immunol, 22, 2007:

Ontogeneze ústního mikrobiálního ekosystému I. několik hodin po narozeníněkolik hodin po narození do 5-6 měsícůdo 5-6 měsíců erupce zubůerupce zubů počátek výměny denticepočátek výměny dentice nástup pubertynástup puberty tranzitorní flóra z porodních cest a St. epidermidis z pokožky S. viridans, S. salivarius, S. sanguinis, laktobacily, difteroidy 1. infekční okno pro S. mutans neisserie, veilonelly, anaerobní streptokoky, gramnegativní tyčky 2. infekční okno pro S. mutans aktinomycety, nokardie, rothie prevotely, porfyromonady, kapnocytofágy, anaerobní vibria, spirily

orální hygiena stop čistěníčistění čistěníčistění Ontogeneze ústního mikrobiálního ekosystému II. plak dny

Akvizice S. mutans u dětí Broukal Z.: Distribuce streptokoků S. mutans a S. sanguis v dutině ústní. ČS Stomatol., 83, 1983, Wan AKL, Seow WK, Purdie DM, Bird PS, Walsh LJ, Tudehope DI: A Longitudinal Study of Streptococcus mutans Colonization in Infants after Tooth Eruption. J Dent Res., 82, 2003:

Přítomnost parodontálních patogenů u předškolních a školních dětí Könönen E, Asikainen S, Jousimies-Somer H. The early colonization of gram-negative anaerobic bacteria in edentulous infants. Oral Microbiol Immunol., 7, 1992: Kukletová M, Broukal Z, Musilová K, Žáčková L, Izakovičová Hollá L.Výskyt orálních patogenů v dětském věku; Pražské dentální dny, 2012 Kukletova M, Izakovicova Holla L, Musilova K, Broukal Z, Kukla L. Relationship between gingivitis severity, caries experience and orthodontic anomalies in year-old adolescents in Brno, Czech Republic. Community Dent Health, 29, 2012:

S. salivarius inhibuje tvorbu plaku S. mutans in vitro Tamura S, Yonezawa H, et al.. Inhibiting effects of Streptococcus salivarius on competence- stimulating peptide-dependent biofilm formation by Streptococcus mutans. Oral Microbiol Immunol., 24, 2009: 152–161. Nika streptokoků – proporce druhů Při vzestupu podílu S. mutans klesá podíl S. sanguinis Caufield PW, Gibbons RJ. Suppression of Streptococcus mutans in the mouths of humans by a dental prophylaxis and topically-applied iodine. J Dent Res., 58, 197:

DeSoete M, Dekeyser C, Pauwels M, et al. Increase in cariogenic bacteria after initial periodontal therapy. J Dent Res, 84, 2005: OZK + root planing OZK + root planing + CLX + SnF2 OZK + root planing OZK + root planing + CLX + SnF2

Souhrn Společný vývoj rezidentního mikrobiomu a orálního biotopu hostitele na principu tolerance a rovnováhySpolečný vývoj rezidentního mikrobiomu a orálního biotopu hostitele na principu tolerance a rovnováhy Mikrobiom zahrnuje adherující (plak – biofilm) a planktonickou fáziMikrobiom zahrnuje adherující (plak – biofilm) a planktonickou fázi Akvizice rezidentní flóry začíná již v časném dětském věku, donorem jsou blízcí dospělíAkvizice rezidentní flóry začíná již v časném dětském věku, donorem jsou blízcí dospělí Scénář rekonstituce adherující fáze je obdobný její výstavbě v časné ontogeneziScénář rekonstituce adherující fáze je obdobný její výstavbě v časné ontogenezi Faktory prostředí ovlivňují složení a vlastnosti orálního mikrobiomu, čímž se demaskuje jeho patogenní potenciál.Faktory prostředí ovlivňují složení a vlastnosti orálního mikrobiomu, čímž se demaskuje jeho patogenní potenciál.

Geneticky modifikované mikroorganizmy Probiotika Změna složení Posílení bariér hostitele Chemická redukce Ovlivnění vlastností Mecha- nická redukce Výživa Funkční potraviny Imunizace Biocidy Inhibitory adherence Inhibitory komunikace

Děkuji vám za pozornost.