Роль биопленки в патогенезе воспалительных заболеваний полости рта и способы ее устранения

Роль биопленки в патогенезе воспалительных заболеваний полости рта и способы ее устранения

^ Л.В. Побожьева, И.С. Копецкий

Кафедра терапевтической стоматологии Стоматологического факультета Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н.И. Пирогова

В настоящее время в многочисленных исследованиях доказано, что более 80% инфекционных заболеваний, в том числе воспалительные заболевания полости рта, вызваны микробной биопленкой. В статье представлен обзор литературы, в которой рассматривается значение биопленки в стоматологии.

Ключевые слова: биопленка, зубная бляшка, микроорганизм, полость рта.

чали при помощи боксов, являющихся прообразом анаэростатов. Долгое время микробиологические исследования основывались на постулатах Коха, которые позволили выделить основные патогенные микроорганизмы полости рта [7]. Постулаты Коха подразумевали исследование патогенных микроорганизмов в планктонном состоянии, т.е. изучение отдельных, свободно плавающих микробов в среде, богатой питательными веществами. Однако следует учитывать то, что свойства микробов в планктонном состоянии отличаются от свойств тех же видов в естественных условиях. Данное учение не способствовало разработке новых концепций, таких как межвидовое взаимодействие бактерий и микробные сообщества. С открытием последних удалось получить данные о патогенезе заболеваний, вызванных биопленкой и не связанных с отдельно взятыми микроорганизмами.

С 1960— 1970-х годов центральное место в исследованиях по стоматологии занимает зубная бляшка, которая представляет собой скопление микроорганизмов и является одной из наиболее сложных ассоциаций бактериальной флоры, встречающейся у человека. В 1976 г. '..Т. ЬосБеИе указал на возможность наличия экосистемы в зубной бляшке, допуская при этом как ее специ-

Представление о биопленках изменило подходы к заболеваниям в самых разных областях медицины: с учетом новых данных пересматриваются концепции патогенеза. Настоящая статья содержит обзор литературы, посвященной современному представлению о биопленке в стоматологии, ее значению в патогенезе воспалительных заболеваний полости рта и способам ее устранения.

В 1680 г. Антони ван Левенгук с помощью микроскопа впервые обнаружил микроорганизм на поверхности зуба и описал его [1]. С тех пор в полости рта идентифицировано более 700 видов микроорганизмов; большинство из них ассоциируется с зубной бляшкой [2, 3]. В многочисленных исследованиях доказана микробная этиология основных заболеваний полости рта: кариеса зубов и его осложнений, а также воспалительных заболеваний пародонта [4, 5]. При этом только 20—25% микроорганизмов располагаются на поверхности зубов, остальные — на слизистой оболочке полости рта [6].

В 1960 г. было установлено, что в желудочно-кишечном тракте, в том числе в полости рта, преобладает анаэробная микрофлора. Облигатные анаэробы ученые изу-

Контактная информация: Побожьева Людмила Владимировна, ludmila-stomatolog@mail.ru

Лекции

фичность, так и неспецифичность [8]. В 1978 г. J.W. Costerton ввел термин “биопленка”, описав ее как сообщество бактерий, заключенных в матрикс [9]. До этого в микробиологических исследованиях по стоматологии использовался термин “бляшка”, последняя к этому времени уже была подробно изучена [10]. В 1990 г. J.W. Costerton et al. ввели понятие “инфекция биопленок” и бросили вызов постулатам Коха, на основе которых микробиология в медицине и стоматологии развивалась более века [11, 12]. J.W. Costerton et al. считали, что ни один вид патогенных микроорганизмов не может быть идентифицирован согласно теории Коха [11]. Новое “системное восприятие” стало возможным с появлением современных технологий изучения микробных сообществ, что позволяет развивать методы профилактики и лечения полимикробных заболеваний. В настоящее время имеются достоверные данные о том, что более 80% инфекционных заболеваний вызываются микробной биопленкой [13, 14].

В многочисленных исследованиях доказано, что зубную бляшку следует рассматривать как биопленку [15]. Установлено, что при заболеваниях пародонта микробы всегда растут в виде биопленок; при этом культивированные возбудители отличаются от форм, вызвавших заболевание [16]. В 2002 г. R.M. Donald и J.W. Costerton дали определение понятию биопленки. Биопленка — это микробное сообщество, состоящее из клеток, которые прикреплены к поверхности или друг к другу, заключены в матрикс экстрацеллюлярных полимерных веществ и демонстрируют изменения фенотипа, т.е. параметров роста и экспрессии генов [17]. Любой патогенный микроорганизм может существовать как в планктонной форме, так и в виде биопленки [18]. Микроорганизмы биопленки вовлечены в цепь физических, метаболических и молекулярных взаимодействий, что влияет на рост, резистентность к антибиотикам и патогенность. Чувствительность сообщества клеток получила название “quorum sensing”: она обеспечивает динамические ком-

муникации в биопленке [19]. Результаты исследований подтверждают наличие изменений генной экспрессии внутри биопленки и взаимосвязи микроорганизмов. B.R. Boles et al. предположили, что гетерогенность биопленки может быть формой “биологической страховки”, в которой клетки лучше противостоят неблагоприятным факторам [20]. Доказана антибиоти-корезистентность биопленки, что связано с тремя факторами: способностью экстра-целлюлярного матрикса препятствовать проникновению антибиотика, генными изменениями микроорганизмов, а также с наличием клеток с медленным ростом и резко ограниченным питанием. Ученые установили, что бактерии биопленки в 1000 раз устойчивее к антибиотикам, чем планктонные формы [21]. Кроме того, имеются данные о несостоятельности местной и системной антибактериальной терапии при заболеваниях пародонта [22].

При росте бактерий в биопленке определяется фенотип, отличающийся от фенотипа планктонных форм. Согласно данным R.H. Veeh et al., если поместить микроорганизмы с фенотипом биопленки на агар, идентичные колонии получить не удастся

[23]. G.D. Ehrlich et al. доказали, что бактерии в биопленке обмениваются геномом

[24]. Различные виды микроорганизмов имеют сходные этапы формирования биопленок: прикрепление к поверхности, формирование колоний и образование экзопо-лисахаридного матрикса [25].

Установлено, что у биопленок, образованных одним видом in vitro, и биопленок, образованных в природе многими видами, наблюдаются одинаковые черты строения. Большинство биопленок представлены многослойной структурой с разнородным участком клеток, окруженных экзополиса-харидным матриксом, который пронизан водными каналами. Каналы биопленок обеспечивают циркуляцию питательных веществ и выводят продукты метаболизма. Экзополимерный матрикс состоит из экзополисахаридов, белков, нуклеиновых кислот и других веществ [26]. Механизмы сорбции и распределения молекул в экзополи-

сахаридном матриксе и его химическая структура до конца не изучены. Экзополи-сахаридный матрикс обеспечивает защиту от воздействия металлов, катионов и токсинов, изменений pH, осмотических изменений, ультрафиолетового излучения и высушивания. Бактерии биопленок устойчивы к защитным механизмам иммунной системы организма, более того, иммунный ответ может вызывать повреждение окружающих тканей [11].

Общепризнано, что наддесневая биопленка состоит преимущественно из грам-положительных микроорганизмов: Streptococcus sanguinis, Streptococcus mutans, Streptococcus mitis, Streptococcus salivarius, Lactobacilli; в то время как поддесневая — из грамотрицательных: Aggregatibacter (Actino-bacillus) actinomycetemcomitans, Tannerella forsythia, Campylobacter spp., Capnocyto-phaga spp., Eikenella corrodens, Fusobac-terium nucleatum, Porphyromonas gingivalis, Prevotella intermedia, Treponema denticola. В обоих случаях сообщества клеток могут создавать высокие концентрации метаболитов, например кислот, аммиака, пероксида водорода, оксидантов, диоксида углерода и др., которые влияют как на видовой состав внутри микроколонии, так и на организм в целом [27].

В настоящее время не существует средств, обеспечивающих полного и окончательного удаления биопленки из полости рта. Тем не менее ее патогенность можно существенно снизить путем нарушения целостности структуры и восстановления нормальной микрофлоры с помощью гигиены полости рта [28]. Таким образом, современная стоматология, в том числе паро-донтология, развивается на основании научных работ в области микробиологии и молекулярной биологии, поскольку воспалительные заболевания пародонта, так же как и многие другие хронические заболевания, вызваны биопленками [29].

Биопленки играют главную роль в этиологии заболеваний полости рта, которые влияют на качество жизни и вызывают системные заболевания человека [30]. Ранние теории, объясняющие развитие заболева-

ний воздействием специфических микроорганизмов, сменились пониманием того, что многие заболевания обусловлены скоплениями бактерий в виде биопленок [31—33]. Новые данные о структуре и составе микробных сообществ полости рта позволили объяснить устойчивость микрофлоры. Усовершенствование знаний о факторах, включенных в этиологию и патогенез заболеваний полости рта, способствовало уточнению традиционных подходов к контролю над формированием биопленки, что послужило развитию новых профилактических и лечебных стратегий.

Следует отметить, что у людей при схожем состоянии тканей пародонта (как в норме, так и при заболеваниях) состав поддесневой микрофлоры может быть различным.

Основой пародонтологического лечения является Scaling and Root Planing (SRP). Метод включает в себя инструментальное удаление зубного камня и бляшки с поверхности корня, удаление остаточных отложений, снятие слоя размягченного цемента корня и выравнивание обработанной поверхности. Дополнительно в лечении заболеваний пародонта применяются местные и системные антибиотики, антисептики, иммуномодулирующие препараты. Использование пробиотиков в сочетании с SRP препятствует повторной колонизации паро-донтопатогенной микрофлоры.

Микроорганизмы полости рта можно обнаружить как в слюне, так и в составе биопленки. Между ними существует взаимодействие: бактерии из слюны, прикрепляясь к поверхностям, формируют биопленки, а микроорганизмы с поверхности биопленки могут переходить в ротовую жидкость. При заболеваниях, вызванных биопленками, в слюне определяется высокий уровень бактерий (Porphyromonas gin-givalis, Treponema denticola, Aggregatibacter (Actinobacillus) actinomycetemcomitans, Streptococcus mutans, Streptococcus pyogenes, Helicobacter pylori) и вирусов (вирус герпеса, вирус папилломы человека и др.).

Индивидуальная гигиена полости рта способствует механическому удалению

Лекции

зубного налета, что позволяет предотвратить многие воспалительные заболевания. Так, механической зубной щеткой можно устранить налет на 43%. Однако большинство людей чистят зубы неэффективно. Электрическая зубная щетка удаляет на 7—17% больше налета по сравнению с механической. Для устранения зубного налета с аппроксимальных поверхностей при отсутствии в межзубном пространстве сосочков лучше использовать межзубные ершики. Зубная нить также позволяет эффективно очистить боковую поверхность зуба.

Использование ирригатора для полости рта способствует значительному уменьшению воспаления десны, хотя данный метод не позволяет максимально устранить зубной налет. Несмотря на то что применение зубных паст незначительно улучшает удаление зубного налета, их компоненты оказывают лечебный и профилактический эффект. Например, свободные фториды играют важную роль в предотвращении развития кариеса.

Воздушно-абразивный метод является эффективным в устранении биопленки и красителей с поверхности зубов (используемый порошок содержит бикарбонат соды с размером частиц до 250 мкм), однако оказывает вредное воздействие на поверхность корней зубов, что ограничивает его применение. Абразивный эффект порошка из мелкозернистого глицина с максимальным размером частиц 63 мкм на 80% меньше, чем бикарбоната соды, он оказывает более щадящее воздействие на ткани десны и реставрационные материалы. Благодаря низкой абразивности порошка мелкозернистого глицина показания к использованию данного метода для устранения поддесне-вой биопленки расширяются. С его помощью удается эффективно удалить биопленку в пародонтальных карманах глубиной около 4 мм, что способствует значительному снижению количества микробов под десной.

В настоящее время среди способов воздействия на микроорганизмы большое внимание уделяется фотодинамической терапии. Суть этого метода заключается в том,

что светопоглощающие фотосенситайзеры могут проникать в бактерии и при активировании светом генерировать цитотоксиче-ский синглетный кислород и свободные радикалы. Фотодинамическая терапия всё шире используется для лечения инфекционных заболеваний полости рта [34]. Антимикробные фотосенситайзеры, такие как толуидиновый синий и метиленовый синий, активируются диодным лазером и воздействуют как на грамположительные, так и на грамотрицательные микроорганизмы. Пародонтопатогенные бактерии также чувствительны к фотодинамической терапии, однако микроорганизмы, включенные в состав биопленки, в меньшей степени поддаются устранению данным методом, чем планктонные формы. Несмотря на положительные результаты исследований in vitro, клиническая эффективность применения фотодинамической терапии при лечении воспалительных заболеваний пародонта неоднозначна. Это объясняется тем, что, по данным клинических исследований, указанный метод не превосходит по эффективности SRP. Фотодинамическая терапия дает существенные положительные результаты при лечении периимплантита, эндодонти-ческой инфекции и кандидоза полости рта. С целью повышения эффективности метода используются фотомеханические волны, которые обеспечивают поступление в биопленку полости рта фотосенситайзеров, моноклональных антител к предполагаемым патогенам, конъюгированных и инкапсулированных в полимерные наночастицы. Фотодинамическая терапия представляется перспективным направлением в лечении заболеваний полости рта, вызванных биопленками, однако требуется подтверждение безопасности и эффективности метода.

Биопленки, образованные на зубах или стоматологических реставрациях зубов, могут абсорбировать ионы кальция и фосфаты из слюны или десневой жидкости с последующим формированием камня. Изначально кристаллы гидроксиапатита формируют в биопленке матрикс, а затем распространяются на микробные клетки. Гидрокси-

апатит, октокальция фосфат и брушит являются преобладающими кристаллическими формированиями в зубном камне. Несмотря на то что минерализованные зубные отложения считаются практически инертными, степень поражения тканей пародонта коррелирует с их количеством, так как поверхность зубного камня способствует образованию биопленки за счет шероховатости. Однако удалить поддесневой зубной камень полностью не удается. Количество оставшегося камня после БЯР зависит от ряда факторов: глубины пародонтального кармана, доступа к поддесневой поверхности зуба, формы и количества корней, поверхности зуба, поверхности фуркации, дизайна инструментов и квалификации врача. Клиническая эффективность метода БЯР в глубоких пародонтальных карманах сравнима с таковой при проведении хирургических лоскутных манипуляций.

Для снятия наддесневого и поддесневого зубного камня используют ручные инструменты, звуковые и ультразвуковые скейле-ры, Ег^АО-лазер. По результатам клинических исследований не выявлено существенных преимуществ какого-либо метода при лечении заболеваний пародонта. Ег^АО-лазер позволяет избирательно удалять камень. Эта процедура менее травматична для цемента корня и реже сопровождается гиперестезиями, чем другие инструментальные методы.

Антимикробные вещества, в том числе триклозан, поливинил метил, сополимеры малеиновой кислоты, и вещества, способствующие снижению роста кристаллов, такие как пирофосфаты, хлорид цинка, цитрат цинка, способствуют уменьшению образования зубного камня. Эти вещества

входят в состав зубных паст и ополаскивателей, поэтому они не проникают в паро-донтальные карманы и их терапевтический эффект ограничен предотвращением образования наддесневого камня.

Для подавления патогенной микрофлоры полости рта можно использовать системные антибиотики в сочетании с БЯР, что наиболее часто применяется у пациентов с агрессивными формами пародонтита и при прогрессировании заболевания после лечения. Современная терапевтическая стратегия предполагает назначение системных антибиотиков в начале пародонтологического лечения, что позволяет в наибольшей мере контролировать образование биопленки и раньше получать результаты. Положительная динамика при проведении БЯР в сочетании с системным применением амокси-циллина и метронидазола наблюдается в первые несколько дней, это способствует снижению необходимости в хирургических вмешательствах на тканях пародонта.

Таким образом, индивидуальная и профессиональная гигиена полости рта позволяет контролировать образование биопленок и предотвращать заболевания, вызываемые ими. Большинство заболеваний удается вылечить с использованием антимикробных и противовоспалительных средств с учетом факторов риска. Тем не менее уровень контроля над формированием биопленки у разных людей сильно варьирует, чем объясняется высокая распространенность заболеваний полости рта и необходимость знания их этиологии и патогенеза [35].

Со списком литературы вы можете ознакомиться на нашем сайте www.atmosphere-ph.ru

Role of Biofilm in Pathogenesis of Inflammatory Oral Diseases and Methods of it Elimination L.V. Pobozhieva and I.S. Kopetsky

Many studies showed that more than 80% of infectious diseases, including inflammatory diseases of the oral cavity, are caused by microbial biofilms. The review contains data on the role of biofilm in dentistry Key words: biofilm, dental plaque, microbe, oral cavity.