Oral ekologi

Nästa gång du kysser någon, tänk på det här: i din mun, och i munnen på varje vuxen, bor mer än 400 olika arter av mikroorganismer, mestadels bakterier. Miljarder och miljarder av dem växer i lager, trängda ihop och mysigt virade runt varandra, på varje slemmig yta, mörka vrå och inbjudande vrår. Det räcker för att få en kropp att vilja hålla läpparna permanent sammandragna.

Med en medeltemperatur på cirka 95 grader, en salivinducerad luftfuktighet på 100 procent och regelbunden kokning med socker och andra enkla kolhydrater - manna från bakteriehimlen - ger munnen ett hem för en sådan mångfald av arter att den skulle kunna kallas kroppens tropiska regnskog. I en mun kan antalet bakterier lätt överstiga antalet människor som lever på jorden, säger Sigmund Socransky, tandforskare vid Forsyth Dental Center i Boston, Massachusetts. I en ren mun lever 1 000 till 100 000 bakterier på varje tand yta. En person som inte har en fruktansvärt ren mun kan ha 100 miljoner till 1 miljard bakterier som växer på varje tand.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Dessa fakta är mer användbara än foder för cocktailpartyprat. En hel gren av tandforskning har vuxit upp kring oral ekologi – studiet av relationerna mellan invånarna i detta lilla ekosystem i djungeln – för att utveckla nästa generations vapen i kampen mot tand- och tandköttssjukdomar.

Sedan 1959, när forskare isolerade en art av infektiösa bakterier som orsakar de flesta hålrum, har en nationell kampanj för att minska karies fokuserat på borstning, tandtråd och tillsats av fluor till vattenförråd, tandkräm och munvatten. Fluor, en kemikalie som förekommer naturligt i grundvattnet i många delar av världen, binder snabbt till tandens emalj för att bibehålla dess släta kristallina yta och avskräcka bakterier från att få fäste.

Dessa tandhygiensmetoder har fungerat så bra att idag har 51 procent av amerikanska barn under 12 år inget karies. Många av de återstående 49 procenten har dock svåra former av håligheter som är svåra att kontrollera, även med den bästa tandhygienen. Och andra problem utmanar tandforskare. Parodontal sjukdom - infektion i tandköttet som orsakas av ett halvdussin bakteriearter - drabbar miljontals vuxna och barn. Personer med Sjögrens syndrom, en autoimmun sjukdom av okänt ursprung som orsakar kraftig uttorkning av mun, ögon och andra slemhinneytor, har allvarliga problem med karies, liksom många människor vars salivkörtlar slutar fungera efter vissa medicinska ingrepp.

Under de senaste 20 åren har modern bioteknik, inklusive genteknik och tekniker för att studera anaeroba bakterier - de som lever utan syre och orsakar de flesta parodontala sjukdomar - gjort det möjligt för orala ekologer som Socransky att identifiera några av organismerna. De har inte bara identifierat ett dussintal bakterier som lever i munnen som kan orsaka infektioner i tänderna och tandköttet, utan de har också gjort betydande framsteg för att förstå hur dessa organismer koloniserar munnen och hur de överförs från en person till en annan .

Forskare tillämpar nu sin nya kunskap för att utveckla tekniker som hindrar organismerna från att få hemvist i första hand, eller för att tvinga bort dem med hjälp av ofarliga stammar eller nya antibiotika när de väl har slagit sig in. De försöker också skapa konstgjord saliv för personer med nedsatt salivkörtlar att slussa ut skadliga bakterier ur munnen och in i matsmältningssystemet innan de kan fastna på tänderna och tandköttet.

Mikroskopiskt ekosystem

Forskare har fastställt att munns mikroorganismer har utvecklats tillsammans med den mänskliga arten, förmodligen så länge som den har funnits. I utbyte mot att de lever i sitt tropiska paradis hjälper de mestadels nyttiga bakterierna att avvärja sjukdomsproducerande bakterier som försöker infiltrera munnen från omvärlden. Till exempel producerar vissa nyttiga bakterier organiska syror, såsom proprionsyra och smörsyra, som dödar organismer som är ansvariga för ett antal tarmproblem.

Men när människobebisar dyker upp i världen, spricker deras hälsningsskrin från sterila munnar. Inom några minuter till timmar är de dock koloniserade med organismer som stannar hos dem tills de dör, säger Socransky. Dessa bakterier, jäst, virus och protozoer, av vilka de flesta är ofarliga, kommer in från allt som kommer i kontakt med ett barns mun: luft, bröst, flasknipplar, tumme och andra föremål.

Tillväxten av organismer i munnen följer det klassiska mönstret av ekologisk succession - hur bar mark så småningom förvandlas till tjock djungel. Några få pionjärarter bosätter sig först och skapar en livsmiljö som är vänlig för andra arter, som sedan också flyttar in. När de första mjölktänderna tränger igenom tandköttet, en annan uppsättning arter, inklusive de fruktade Streptococcus mutans, ansågs bakterierna vara ansvariga för de flesta karies får fäste. Under puberteten förändras salivens sammansättning, så att ytterligare en grupp av organismer invandrar och frodas. När människor når vuxen ålder hyser deras munnar det som kallas ett klimaxsamhälle - en komplex grupp av organismer, var och en med sin egen föredragna mikrohabitat.

Även om dieter varierar över hela världen, har tandforskare hittat samma organismer i människans munnar oavsett var människor bor. Vissa arter lever bara på kinderna. Andra föredrar baksidan av tungan jämfört med framsidan, särskilt gruppen av anaeroba bakterier som lever i tungans sprickor och avger svavelväte, ursprunget till den allvarligaste dålig andedräkt. En annan grupp kommer bara att överleva på gommen. Och själva tänderna ger en uppsjö av boendealternativ - ytor som är öppna mot omvärlden, sidorna vända mot baksidan av munnen, en remsa längs tandköttskanten och de dystra, våta, syrefattiga utrymmena mellan tandköttet och tandköttet. tänder.

Saliv, den fantastiska vätskan som håller detta ekosystem i balans, hyser sin egen samling av bakterier, såväl som en mängd andra ämnen. Bikarbonatjoner buffrar de tandrötande syror som produceras av skadliga bakterier som S. mutans. Fosfat- och kalciumjoner övermättar saliv och reparerar kontinuerligt de mikroskopiska sprickor som bakteriernas syra gör i tänderna.

Saliv innehåller också antibakteriella medel, såsom lysozym, som dödar bakterier genom att öppna upp deras cellväggar. Cirka 60 proteiner flyter runt i saliven. Vissa av dem ger faktiskt näringsämnen för bakterietillväxt medan andra smörjer munnen och gör att bakterier klibbar ihop i så stora klumpar att de inte kan fästa på tandytor och lätt tvättas bort. Saliv innehåller till och med antivirala komponenter. Faktum är att forskare vid National Institute for Dental Research, som har funnit att AIDS-viruset inte lever i saliv, försöker isolera ett ämne som de tror kan vara effektivt mot AIDS-viruset.

För det mesta lever invånarna i munnen i mer eller mindre perfekt harmoni. Kongressen borde ta lärdomar från munnen, säger Yolanda Bonta, chef för klinisk forskning vid Colgate Oral Pharmaceuticals i Piscataway, NJ. Men, liksom sammanbrott i budgetförhandlingar som ibland leder till statliga nedläggningar, ibland går saker åt helvete i en handkorg i munnen, för.

De ekologiska förhållandena i munnen är faktiskt aldrig stabila. Människor ändrar sin kost, tappar tänder, får in kronor eller löständer eller tar droger som påverkar vissa mikroorganismer. Till exempel orsakar en epilepsimedicin överväxt av tandkött, säger Socransky, och det förändrar mikrobiotan. Strålning av huvud och nacke för cancerbehandling samt en mängd mediciner orsakar också en drastisk nedgång i salivproduktionen, vilket gör att bakterier kan springa ut.

Förändringar sker också efter varje måltid, efter varje tandborstning och tandtråd, även varje gång vi sväljer, eftersom miljontals bakterier tappar greppet om tandytorna och ramlar ner i halsen. Under en natts sömn, när salivproduktionen sjunker till nära noll, frossar bakterier, som hantlangarna i Fantasia-versionen av Moussorgskys En natt på kala berget, i sin frihet och förökar sig med övergivenhet till gryningen.

Rikligt med socker kan driva S. mutans till en frenesi av aktivitet. I själva verket, medan vissa stammar av S. mutans producerar naturliga antibiotika mot bakterierna som orsakar halsfluss, och förmodligen var användbara i munnen på människor från primitiva kulturer, förändrade övervikten av raffinerat socker i den moderna kosten det orala landskapet så drastiskt att S. mutans är nu mer skadlig än hjälpsam. När det slukar socker producerar S. mutans mycket mer syra än vad saliven kan buffra, och överskottet äter bort tandemaljens mineraler. Utan lämplig borstning och tandtråd växer plack, vilket ger förkalkade avlagringar och ett mysigt hem för fler arter som gör mer skada. Klibbiga opportunistiska bakterier griper tag i de nybildade hålen och sprickorna, vilket orsakar karies, och ingen mängd salivflöde kommer att tvätta bort dem.

Förhindra kolonisering

Under de senaste åren har forskare gjort betydande framsteg, inte bara när det gäller att förstå hur bakterier sätter sig i sina specifika nischer, utan också i att utveckla metoder för att förhindra att vissa skadliga stammar gör det. Vid University of Alabama School of Dentistry fann Page Caufield, en professor i oral biologi, att människor koloniseras av S. mutans - den hålighetsomorsakande bakterierna - under ett fönster av smittsamhet, runt två års ålder. Vid den tiden skickas S. mutans vanligtvis från de primära vårdgivarna, förmodligen när de spyr salivdroppar medan de pratar in i ansiktet på ett barn vars tänder kommer fram. Fönstret öppnas och stängs, säger Caufield. Om barn inte infekteras av S. mutans, flyttar en annan bakterieart in och använder den nischen. Människor byter inte S. mutans som vuxna.

I ett försök att förhindra överföring av S. mutans till barn kommer Caufield och hans team snart att påbörja kliniska prövningar på 250 mödrar som bär på särskilt skadliga stammar av bakterien. Deras tänder kommer att behandlas med Chlorzoin, ett antimikrobiellt dentalt tätningsmedel, som effektivt kan blockera kolonisering av S. mutans i upp till sex månader, under deras barns infektionsperiod. Forskarna säger att proceduren inte kommer att ha någon effekt på de andra bakterierna – fördelaktiga eller på annat sätt – som började kolonisera bebisarnas munnar från det ögonblick de föddes. Därför hoppas de att försöken kommer att bevisa att detta är ett säkert sätt att tillåta 250 barn att leva ett liv fritt från S. mutans-stammarna som har plågat deras mödrar.

Klorzoin genomgår också kliniska prövningar i flera andra länder. Den största kliniska prövningen involverar mer än 1 300 barn i skolåldern i Dundee, Skottland. Barnen, som har identifierats med hög risk för S. mutans, får sina tänder målade med tätningsmedlet flera gånger under tre år. Forskare hoppas att det kommer att minska S. mutans-populationerna till en nivå så låg att hålrum kommer att förhindras.

Under tiden säljs Chlorzoin, som utvecklades av forskare vid University of Toronto och godkändes som ett receptbelagt läkemedel i Kanada 1993, redan av Oralife, ett Toronto-baserat företag som har slagit sig ihop med ett kanadensiskt tandförsäkringsbolag för att utbilda tandläkare att använda Klorzoin. Tandläkarna kommer att inkludera Chlorzoin som en del av ett program för att förebygga röta hos barn och vuxna som har särskilt virulenta stammar av S. mutans eller tillstånd som muntorrhet som förvärrar karies. Om programmet visar sig vara framgångsrikt, förutser Ross Perry, ordförande för Oralife, att dentala tätningsmedel snart kommer att användas i USA.

Enligt Perry löper cirka 10 procent av nordamerikanerna hög risk för karies, medan ytterligare 10 till 15 procent löper medelrisk. Det belopp som spenderas på reparativ tandvård av dessa två grupper står för 60 procent av de totala dollar som spenderas på tandvård. Genom att göra denna behandling under två år kan S. mutans minskas, och vuxna kan gå ner ett snäpp i sin riskfaktor, säger han. Före detta program betalade försäkringsbolagen aldrig för förebyggande. De betalade alltid efter att en person blivit smittad.

Tandvacciner

Martin Taubman och Daniel Smith, tandimmunologer vid Forsyth Dental Center, har arbetat på en alternativ metod för att förhindra S. mutans från att kolonisera barns tänder. Forskarna vet att människor utvecklar antikroppar mot mutans streptokocker (gruppen av bakterier som innehåller S. mutans) när de är runt tre år gamla, efter att bakterierna redan har koloniserat sina tänder. Människor behåller dessa antikroppar som vuxna men utvecklar aldrig tillräckligt för att helt utplåna bakterierna. Teamets mål är därför att utveckla ett vaccin som kan ges till barn innan deras munnar koloniseras av S. mutans. På så sätt, när bakterierna infekterar dem, skulle antikropparna redan vara närvarande.

Ett vaccin som Taubman och Smith har utvecklat hittills inducerar kroppen att producera antikroppar mot ett enzym som produceras av mutans streptokocker. Enzymet-glukosyltransferas, eller GTF, bryter ner sockret i maten till enklare sockerarter-glukos och fruktos. Den resulterande enkla sockermolekylen är kritisk eftersom det är ämnet som bakterier binder till, som dammkaniner till kardborreband. Således hjälper enzymet till att skapa en massa bakterier som är tillräckligt stora för att metabolisera andra kolhydrater och producera mjölksyra. Du får tillräckligt med insekter, du får tillräckligt med syra, du producerar ett hål, säger Taubman.

Antikropparna som produceras av vaccinet stör platsen på enzymet som klyver de komplexa sockerarterna, vilket förhindrar att de bryts ner till de komponenter som bakterierna gillar att fästa vid. Vaccinet testades först på djur, som efter immunisering utvecklade färre hålrum. Det gavs sedan till vuxna människor, vars immunsystem har visat sig producera antikroppar.

Taubman och Smith håller på att förfina vaccinet så att det kan tillverkas på konstgjord väg - det vill säga inte från de levande mutans streptokockerna själva, utan från molekylära komponenter - men förväntar sig inte omedelbart att testa det på barn bara för att Forsyth Dental Center saknar nödvändig medicinsk infrastruktur. De räknar med att arbeta med centra som är specialiserade på vacciner för barn för att växla sitt vaccin till de som utvecklats för andra sjukdomar.

Forskare utvecklar också vacciner för att förhindra tandlossning. Forskare trodde ursprungligen att uppgiften skulle vara skrämmande eftersom sjukdomen, till skillnad från karies, verkade involvera den komplexa interaktionen mellan många arter av bakterier: vissa bakterier lever i parodontala fickan - utrymmet mellan tandköttet och tänderna - och interagerar med en sekund set som koloniserar tanden ovanför fickan.

Men orala ekologer har nyligen upptäckt att de flesta parodontala sjukdomar kan orsakas av bara tre bakterier. En art är ansvarig för de flesta juvenila parodontier, medan två andra arter orsakar mest infektion hos vuxna. Vid University of Washington utvecklar forskare ett vaccin för en av de bakteriearter, Porphyromonas gingivalis, som infekterar vuxna. Forskningen började för flera år sedan när Roy Page, professor i parodontologi vid University of Washington School of Dentistry, skapade ett vaccin från inaktiverade Porphyromonas-celler som var ofarliga men som ändå kunde initiera ett immunsvar. Han tillsatte sedan ett adjuvans - en blandning av oljor och andra ingredienser - som hjälper antigenet att hålla längre och gör immuncellerna mer lyhörda - och administrerade vaccinet till makakapor.

Eftersom de flesta djur normalt sett inte får tandlossningssjukdom - den enda arten den dyker upp hos andra än människor är beaglar - lindade sidorna trådar runt botten av apornas tänder för att uppmuntra bakterier att kolonisera. Han infekterade sedan aporna med alla typer av bakterier som orsakar tandlossning hos vuxna människor. Efter 36 veckor gjorde han en datoranalys av dentala röntgenbilder som tagits före och efter studien för att mäta skillnaden i benförstöring, det vanliga resultatet av tandköttsinfektion orsakad av Porphyromonas gingivalis. Analysen visade att en kontrollgrupp upplevde signifikant benförfall medan de vaccinerade aporna praktiskt taget inte hade någon. Resultaten antydde att de antikroppar som aporna utvecklade mot Porphyromonas också var effektiva mot andra bakteriearter.

U.S. Food and Drug Administration kräver att vacciner utvecklas från specifika proteiner som inducerar ett immunsvar, istället för från dödade celler som kan inducera obehagliga biverkningar hos människor. En trolig kandidat är ett protein på ytan av Porphyromonas som kallas cystinproteas som inducerar ett immunsvar mot bakterierna och som inte verkar orsaka några biverkningar. FDA föredrar också proteiner som är gjorda av rent antigen - det vill säga antigen som härrör direkt från DNA - för att minska risken att de kommer att innehålla föroreningar eller andra cellkomponenter som kan orsaka oönskade reaktioner. För det ändamålet arbetar Page med Marilyn Lantz, en genetikforskare vid University of Indiana, för att göra en rekombinant version av proteinet från rent DNA för vidare testning på apor. Om vi ​​får skydd mot cystinproteas, säger Page, kommer vi att be FDA att göra kliniska prövningar för säkerhet hos människor.

Förskjuter bakterier

Annan ny forskning syftar till att befria munnen från skadliga organismer som redan har hittat bekväma livsmiljöer. Vid University of Florida i Gainesville har molekylärbiologen och tandläkaren Jeffrey Hillman använt genteknik för att utveckla en ofarlig stam av S. mutans som kommer att ersätta de syraproducerande varianterna som upptar och orsakar hål i de flesta munnar.

I början av 1980-talet isolerade Hillman och hans forskargrupp en typ av S. mutans som metaboliserar socker men som inte producerar syra som en avfallsprodukt. Men oavsett vad han och hans kollegor försökte - till exempel att eliminera den ursprungliga stammen med antibiotika och måla tänderna med jod - så skulle S. mutans som redan ockuperade en persons mun inte vikas. De har gömställen, säger han. Ingen hittade ett sätt att utplåna dem helt.

Så Hillman undersökte hundratals fler stammar av S. mutans för att hitta en som producerade en antibiotikaliknande molekyl som dödade alla andra stammar av S. mutans. Med hjälp av genteknik modifierade han den så att den inte längre skulle producera syra. Denna så kallade effektor-stam kan kolonisera tandytor, säger han, och utplåna infödda S. mutans.

Inom de närmaste månaderna kommer Hillman att påbörja försök på laboratorieråttor och infektera deras munnar med bakterierna. Om bakterierna fungerar som avsett kommer han sedan att genomföra försök på människor. Han räknar med att tandläkare så småningom kommer att applicera bakterierna under en typisk rengöring. I teorin borde den nya stammen stanna hos människor resten av livet, säger Hillman. Och eftersom S. mutans normalt överförs från mor till barn, kommer denna effektorstam också att överföras, och kommer att förhindra karies hos de behandlade barnen.

Rotproblem

Andra försök att fördriva stötande bakterier från sina bekväma bostäder tar sikte på de bakterier, jäst och protozoer som dyker ner i små sprickor i en tand för att infektera de blod- och nervrika tandrötterna och orsaka isplocksliknande stickande smärta. Om rotinfektioner i vissa tänder i överkäken inte behandlas kan bakterierna orsaka allvarliga ögoninfektioner, till och med blindhet. Det är därför de kallas ögontänder, säger Kathleen Olender, endodontist vid University of California-San Francisco Dental School.

På samma sätt, om en tand i underkäken blir allvarligt sjuk, kan bakterierna resa till halsen och orsaka ett tillstånd som kallas Ludwigs angina där struphuvudet kan svälla så mycket att personen inte kan andas, säger Craig Baumgartner, ordförande för Institutionen för endodontologi vid Oregon Health Sciences University i Portland. Bakterier från en tand i en överkäke kan också spridas in i plexus pterygoid, en plats för nerver och blodkärl i ansiktet. Bakterierna kan backa upp venerna in i hjärnan, säger han, och till och med orsaka demens.

Baumgartner säger att medan endodontisterna bara ser dessa allvarliga infektioner ibland i USA, är de fortfarande vanliga i utvecklingsländer där människor inte har tillgång till antibiotika och aggressiv vård för att kirurgiskt ta bort infekterade rötter. Dessutom, även om rotkanalingrepp har utförts i hundratals år, och idag cirka 10 miljoner tänder om året genomgår endodontiska ingrepp, var det inte förrän antibiotika utvecklades efter andra världskriget som tandläkare tilläts utföra rotbehandlingar i USA eftersom bakterieinfektionen i roten ofta var svår att hålla tillbaka.

Forskare som syftar till att kontrollera dessa infektioner har nyligen identifierat åtta arter av bakterier som verkar orsaka de flesta infektioner som förekommer i tandrötter. Deras mål är att eliminera alla bakterier i en infekterad rot, eftersom den normalt är steril. Men eftersom det verkar finnas ett komplext samspel mellan arterna av infekterande bakterier - en biprodukt av en används som näringsämne av en annan - tror forskare som Baumgartner vid Oregon Health Sciences University att identifiering och fokus på att döda en eller två arter störa ekosystemet till en sådan grad att resten skulle dö ut. Mot det syftet testar han och andra forskare nu effektiviteten av individuella antibiotika på riktade bakteriearter.

Härmar saliv

Saliv är kanske det mest effektiva sättet att befria munnen från skadliga bakterier. Utan tillräckligt med saliv lider faktiskt de 2 miljoner människorna med Sjögrens syndrom, som orsakar allvarlig uttorkning av slemhinneytor, en mängd olika orala infektioner. Det gör också miljontals människor vars salivkörtlar påverkas av strålbehandling för huvud- och halscancer, benmärgstransplantationer, viss kemoterapi eller de mer än 400 receptbelagda och receptfria läkemedel som har rapporterats orsaka munnen. torrhet.

Tyvärr har en strävan efter att utveckla konstgjord saliv visat sig i stort sett misslyckad. Den främsta anledningen är att många av dess komponenter inte ens har identifierats, säger Philip Fox, klinisk chef för National Institute of Dental Research (NIDR). Dessa inkluderar de virala och bakteriella komponenterna, såväl som de otaliga ämnen som hjälper till vid tuggning, initial matsmältning och sväljning. Forskare har därför inte kunnat replikera dess fysikaliska och kemiska egenskaper, och de har inte heller kunnat identifiera alla sätt på vilka det bidrar till att munnen fungerar som ett ekosystem.

Tills de kan säga exakt vad saliv är, fokuserar NIDR-forskare som Fox istället på andra alternativ. För personer som behåller en del av sin salivkörtel har forskare haft framgång med ett läkemedel, pilokarpin, som stimulerar körteln att producera mer saliv. De söker också efter sätt att kontrollera Sjögrens syndrom genom att använda steroider och andra läkemedel som syftar till att lugna ner immunsvaret som stänger salivkörtlarna.

Vi försöker också omarbeta salivkörteln, säger Fox, genom att använda genöverföringsteknik för att försöka rekonstruera en skadad körtel. I en metod använder NIDR-forskarna Brian O'Connell och Bruce Baum standardteknik för genöverföring där ett virus som infekterar en cell används för att bära en gen som kommer att få cellen att producera ett ämne som dess eget DNA inte är programmerat Att producera. När spottkörtlar har skadats av strålning eller sjukdom kan celler fortfarande finnas där, men de är inte vattenavsöndrande celler. I djurstudier har forskarna kunnat överföra gener till celler och få dem att producera vatten. Fox säger att inom två till tre år kanske samma tekniker kan användas på människor.

Eftersom området för oral ekologi är i början och frukterna av den nya forskningen fortfarande behöver gå igenom den långa processen med kliniska prövningar, kommer de flesta nya tekniker inte att se insidan av människors munnar på 5 till 10 år, säger forskare. Tills dess rekommenderar Bonta från Colgate Oral Pharmaceuticals att även om du har råd att inte borsta på 72 timmar, om du passerar den tröskeln, kommer bakterierna att ha tagit fäste och förökat sig till sådana koncentrationer att syran de producerar har börjat göra hål i tänderna . Dessutom kanske du inte kan ta bort placket och få de infekterade delarna av tänderna tillbaka till hälsa.

Det är också bäst att borsta i mer än en minut, säger Ernest Newbrun, en tandforskare vid University of California vid San Franciscos avdelning för oral biologi. Det är den ansträngning som krävs för att rengöra de 150 tandytorna som finns i de flesta människors mun och för att få ner bakteriernas räkning till hanterbara och friska 1 000 till 100 000 per tand.

Dölj