口腔微生物学4龋病微生物学

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D. Miller,首次详细论证了,细菌、酸和龋病,三者的关系,(The,Microorganisms of the human Mouth),The father of oral microbiologist,Miller,人工龋实验,脱矿,不脱矿,牙齿+面包(糖)+ 唾液 龋,牙齿+面包(糖)+,煮沸,唾液 无龋,牙齿,+,脂肪(肉),+,唾液 无龋,Sugar,Bacteria from plaque,Acid,Acid,Healthy Tooth,Decay,细菌酵解碳水化合物产酸,是龋病的病因,几个经典的动物实验,Orland,无菌动物实验,Keyes,龋病传播动物实验,No bacteria no caries,无菌无龋,germfree rats,Sound teeth,Bacteria seperated from caries,inoculated,?,Orland,无菌动物实验,Streptococci seperated from caries lesion,inoculated,caries,2. Caries developed with bacteria inoculated,接种过细菌的老鼠发生龋病,Orland,无菌动物实验,平息了细菌在龋病发生中作用的争论,3. Antibiotics inhibited caries,抗生素抑制龋病,Penicillin,caries,McClure & Hewitt 1946,Keyes,龋病传播动物实验,无龋仓鼠与患龋鼠混合喂养,或感染患龋鼠的排泄物,会发生龋齿,给妊娠期或哺乳期的患龋鼠使用青霉素,可减少子代患龋率,。,KEYES,.,P. H.,.,Arch. Oral Bio. 1960,Vol.1, pp.304,-,320.,微生物,是龋病发生发展中的关键因素,没有微生物的参与就不会有龋病的发生,化学细菌学说的评价,总结了龋病发生中的主要因素:,口腔微生物,在,产生酸,方面的作用;,微生物,发酵碳水化合物,底物;,产生的,酸,导致牙,矿物质溶解,;,第一次阐明了,口腔微生物、食物、酸与龋病,发生的关系,抓住了龋病发生的本质,局限性:,未阐明牙面微生物的,存在形式,不能解释龋发生的,特异性部位,不能解释龋发生的个,体差异,未确定致龋的,病原菌,蛋白溶解学说,(proteolysis theory),釉质中,有机基质,的存在,早期釉质龋多见于釉质,有机基质丰富区,龋坏区中的,色素沉着,是蛋白分解所致,病理学的发展,蛋白溶解学说,由于蛋白的溶解作用,微生物通过,釉质的有机途径,侵入并使龋病发生,(,先,有有机物的分解,后,有无机物的脱矿,),虫牙学说,内源性理论,体液学说,活体学说,外源性理论,化学,(,酸,),学说,寄生腐败学说,蛋白溶解螯合学说,龋病病因学,化学细菌学说,蛋白溶解学说,蛋白溶解,-,螯合学说,有机成分降解,螯合,矿物质溶解,(proteolysis-chelation theory),细菌产生的蛋白溶解酶将牙内有机成分分解,产生具有,螯合功能的有机酸,可与牙中的,钙盐,结合形成,可溶性的螯合物,,从而使牙硬组织中的无机和有机物破坏崩解,成熟釉质中不到,1,的有机物分解产生的螯合剂如何螯合大量,(,96,),的无机磷灰石晶体?,局限性,宿主,微生物,食物,时间,龋病的四联因素,细菌,细菌致龋的必要条件:,牙面附着,:,GTF,,,FTF,,,GBP,等,产酸,:,LDH,,,Enolase,等,耐酸,:,F-ATPase,,,AgDS,等,毒力调控相关因子,:,QS,,,TCSs,食物,碳水化合物(致龋),能量,胞外多糖(,EPS,)和胞内多糖(,IPS,),选择,含氮化合物(抗龋),尿素酶,(,Urease,),精氨酸脱亚胺酶,(,ADS,),精氨酸脱羧酶(,ADC,),宿主,牙齿,:矿化程度,窝沟深浅,牙齿位置,唾液,:缓冲能力,唾液免疫球蛋白,乳铁蛋白,过氧化氢酶,唾液溶菌酶等,全身因素,:血糖浓度与牙本质小管液流动方向,遗传因素,:单基因遗传关联(唾液分泌及免疫球蛋白合成),全基因组关联(,GWAS,),时间,Stephan,曲线:,进食后菌斑原位,pH,的变化过程,甜食频率,vs,甜食的量,再矿化,vs,龋病形成所需时间,Dental Caries,虫牙学说,内源性理论,体液学说,活体学说,外源性理论,化学,(,酸,),学说,寄生腐败学说,化学细菌学说,现代四联因素论,龋病病因学,蛋白溶解学说,蛋白溶解螯合学说,龋病病因的新认识,牙菌斑,(dental plaque),:,细菌粘附于,牙面或修复体,上形成的,生态环境,,细菌在其中生长、繁殖和衰亡,并进行着复杂的,物质代谢活动,,在条件适当时,细菌的,代谢产物,可造成牙体或牙周组织的破坏,James Leon Williams (April 18, 1852 February 23, 1932) , one of the founders of IADR,牙菌斑,龋病病因的新认识,生物膜,(biofilm),各种细菌嵌于来自其自身和,/,或外界环境的胞外基质内,而在固相界面上结成的有着三维立体结构的,微生态环境,JOHN WILLIAM COSTERTON (July 21st, 1934 -May 12th, 2012),“the father of biofilm”,牙面生物膜的,SEM,观察,龋病生态病因学,口腔中,没有特异性,的致龋菌,引起龋病发生的细菌属于口,腔的正常菌群,,正常情况下口腔细菌与人体之间处于动态的生态平衡。各种因素造成平衡的破坏,正常细菌成为,条件致病菌,,引发龋病。龋病发生是口腔,生态失调,的结果,。,口腔内微生物的种类和数目繁多,包括,细菌,、真菌、支原体和病毒等。龋病实质上是牙齿,局部生态环境平衡失调,的表现,。,S.mutans,L.casei,A.viscosus,A. odontolyticus,F. nucleatum,S. salivarius,ORAL MICROFLORA,1000 human oral microbial species:,1/3 isolated and characterized by cultivation;,2/3 identified by culture-independent approaches.,New species-level phylotypes found in each new study.,Oral microbiome 16S rRNA database has been published on line,微生态平衡与龋病,Protective Factors,Saliva flow and components,Fluoride - remineralization,Antibacterials:- chlorhexidine,Iodine?, xylitol, new?,No Caries,Caries,Pathological Factors,Acid-producing bacteria,Sub-normal saliva flow and,function,Frequent eating/drinking,of fermentable carbohydrates,生态菌斑假说,虫牙学说,内源性理论,体液学说,活体学说,外源性理论,化学,(,酸,),学说,寄生腐败学说,化学细菌学说,现代四联因素论,龋病生态病因学,龋病病因学,蛋白溶解学说,蛋白溶解螯合学说,龋病的发生因素和发生机理,主要因素,影响因素,与龋病发生有,关的代谢产物,牙齿破坏的机理,在龋病过程,中的作用,口腔卫生,口腔细菌,(,量和种类,),唾液,(pH,、成分、流速、缓冲能力,),氟含量,有机 酸 无机物溶解 主要,食物,螯合剂 与钙螯合 小,碳水化合物的种类、浓度、,摄入量和频率、方式,蛋白水解酶在脱矿后分解有机物在釉质,口腔清除率,(,食物的物理性状,),食物清除率,龋中甚微,而在牙本质龋中不可忽视,年龄,排列和外形,矿化程度,氟及其它微量元素的含量,唾液的矿物质成分,全身因素,致 龋牙菌斑,适宜的,底 物,易感的,牙 齿,小结,龋病是发生在牙体硬组织的(,宿主,),由微生物(,细菌,)代谢产酸(,食物,)所导致的慢性(,时间,)感染性疾病,。,A French carving, dating from the 1700s, designed to look like a human molar. “The tooth worm as Hells demon”,细菌与龋病有无关系,?,细菌与龋病是什么关系,?,哪些细菌与龋病有关系,?,菌斑细菌合成多糖的能力,细菌 细胞外多糖 细胞内多糖,水溶性葡聚糖 水不溶性葡聚糖 果聚糖 杂聚糖,变形链球菌,+ + + - +,血链球菌,+ - - - +,唾液链球菌,+- - + - +,轻链球菌,+- - - - +,粘性放线菌,- - + + +,内氏放线菌,- - - + +,衣氏放线菌,- - - - +,干酪乳杆菌,+ - - + +,奈瑟菌,+- - - + +,不同细菌对动物的致龋力,牙 齿,细 菌 动 物,光滑面 点隙沟裂 根面,变异链球菌,+ + +,鼠、仓鼠、猴,血链球菌,+ + ,鼠,唾液链球菌, + +,仓鼠、鼠,轻型链球菌, + ,鼠,粪链球菌, + ,鼠,肠球菌, + ,鼠,干酪乳杆菌, + ,鼠,嗜酸乳杆菌, + ,鼠,粘性放线菌, +,仓鼠、鼠,内氏放线菌, +,仓鼠,不同细菌具有不同的,致龋力,引起不同部位龋的,细菌种类,不同,所有能致龋的细菌,均能产酸, 但并非所有产酸菌都能致龋,人类致龋细菌的特异性,人类龋的发生与变异链球菌族密切相关,,变异链球菌,是人类,主要,致龋菌,致龋菌不是单一的一种细菌,而是,多种产酸和耐酸细菌,从龋损中分离:变,异链球菌;放线菌;乳酸杆菌,等,部分细菌对不同口腔部位的粘附力,粘附部位,细菌,牙面 舌面 颊粘膜,变链球菌,+ + +,血链球菌,+ + +,唾液链球菌,+ + +,轻链球菌,+ + +,放线菌,+ + +,韦荣球菌,+ + +,奈瑟菌,+ + +,动物和人龋的研究表明:一些细菌能,引起龋,,而另一些细菌,不致龋,。一些细菌能引起,光滑面龋和点隙裂沟龋,,而另一些细菌能引起,根面龋或沟裂龋,,即不同的细菌具有不同的致龋能力。,1.,符合致龋菌应具备的,生物学特性,(必要条件),2.,在龋损的各个时期都可分离到并可得到,纯培养,3.,细菌量,与龋病的发生密切相关,4.,能引起实验动物的,传染性龋损,5.,选择性限制,该菌可以减少龋病的发生,致龋微生物的判断标准,口腔链球菌与龋病,(一)口腔链球菌(属)的一般特性,链球菌属,(,Streptococcus),口腔常驻菌,在口腔天然菌群中,比例最大,。,根据细菌的菌落形态、生理学和生物化学特性,,可将口腔链球菌分为不同的种。包括:血链球菌,(,S.sanguinins,),、轻链球菌,(,S. mitis,),、米勒链球菌,(,S. milleri,),、唾液链球菌,(,S. salivarius,),和变异链球菌,(,S. mutans,),。,Kingdom,(界),: Bacteria,Phylum,(门),: Firmicutes,Class,(纲),: Bacilli,Order,(目),: Lactobacillales,Family,(科),: Streptococcaceae,Genus,(属),: Streptococcus,Species,(种),:,Streptococcus mutans,Strain,(株):,Streptococcus mutans,UA159,Streptococcus mutans,UA159,口腔链球菌在口腔的分布(%),细 菌 面菌斑 舌 背 颊粘膜 唾液 龈沟液,血链球菌,15 4 11 8 8,轻链球菌,15 8 60 20 8,唾液链球菌,0.5 20 11 20 0.5,变异链球菌,050 1 1 1 ,米勒链球菌,+ +,(二)变异链球菌与龋病,1.基本表型特征,G,+,染色,,菌体呈球形,直径0.5-0.75,um,。,肉汤,培养基:菌细胞呈,短杆状或球状,,,成对或链状排列,链长中等,,或短,不活动。,轻唾琼脂平板(,MS),:菌落形态高凸,粗糙,,不透明,毛玻璃状,嵌于琼脂内。,血,琼脂平板:菌落呈圆形,表面光滑,直径 0.5-,1,mm,周围有,(,绿色) 溶血环,。,Streptococcal classification,-,hemolysis (S. mitis);,-,hemolysis (S. pyogenes);,-,hemolysis (non-hemolytic, E. Faecalis),A,B,变异链球菌菌落(,Stretococcus mutans,),A,:光滑性菌,B,:粗糙性菌菌落,变异链球菌细胞,(,Stre,p,tococcus mutans,),变异链球菌的,SEM,观察,2. 生长条件,兼性厌氧菌,(5%,CO,2,,,95%N,2,),pH7,,最低,pH4.3,,,4.5%NaCl,,,不被杆菌肽抑制,选择性培养基,:,MSB(MS+,杆菌肽,),或,MSSB,(,MS+,杆菌肽,+20%,蔗糖),3.细胞壁组成,(1)多糖 菌株抗原性 血清型,(2)肽聚糖:,N-,乙酰葡萄糖胺、,N-,乙酰胞壁酸,、短肽,(3)甘油磷壁酸:,壁,磷壁酸、,膜,磷壁酸,(4)表面蛋白:,GTF,、,FTF,,决定变链菌的抗原性和在牙面的粘附,4.变链球菌族,Streptococcus mutans group,,,Mutants Streptococci,变链球菌是一族(组)异源性细菌,其表型,特征相同,但遗传型和血清型不同。,血清型,:,八,种(,a-h),遗传性,:,七,种,变链球菌族的命名分类及在人类的检出率,5. 变链球菌的致龋性,产酸性和耐酸性,合成细胞内外多糖,对牙面的粘附作用,环境刺激应答,Matsui and Cvitkovitch, Acid tolerance mechanisms utilized by,Streptococcus mutans,.,Future Microbiol.,2010. 5(3): 403417.,基因表达的调控在变异链球菌的耐酸机制中发挥着非常重要的角色。,变异链球菌的耐酸机制,变异链球菌基因组编码大量调控基因,变异链球菌的基因组编码约,2000,个基因。其中包括,100,多个转录因子,,14,对双组份系统,,1,个未配对的,应答调节蛋白,和,1,个,类真核丝,/,苏氨酸蛋白激酶,。,Ajdi et al. Genome sequence of,Streptococcus mutans,UA159, a cariogenic dental,pathogen. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99(22):14434-9.,转录因子和双组份系统,在变异链球菌对外界环境胁迫(,如氧化胁迫和酸胁迫等,)的应答以及重要生理功能(如产酸、合成多糖、粘附和形成生物膜的能力等)的调节过程中发挥了重要的作用。,变异链球菌耐酸相关的调控蛋白,Acid tolerance,CiaHR,VicRK,SpaKR,ScnRK,Hk03/Rr03,LiaRS,GcrR,MleR,CodY,CcpA,SloR,BrpA,GlnR,“,S. mutans,has evolved a complex network of regulators to,integrate its cellular response to environmental change.”,Smith and Spatafora. Gene regulation in,S. mutans,: complex control in,a complex environment. J Dent Res. 2012,目前对于变异链球菌耐酸相关调控机制的研究还不够完善。,在变异链球菌的基因组中仍然有很多转录因子的功能还是未知的,它们与耐酸性之间的调控关系还不明确。,6.,变链球菌与龋病的关系,(,1,),横向,的流行病学调查表明:,变链球菌的检出率同,龋病,的发生呈正相关。,(,2,),纵向,的追踪调查表明:唾液或菌斑中变链,球菌的检出率与,随后龋病,的发生呈正相关。,结论:,变链,是,主要,的致龋菌,但,不是唯一,的致龋菌。,问题:其他细菌仍可诱发动物龋,变链和龋活跃性的关系不是恒定的。,其他龋病相关细菌,(,一)形态学,占口腔细菌的1%。,革兰阳性杆菌,,属,兼性厌氧或专性厌氧菌,,,菌体细长,,直径0.6,0.9,m,,不分支,无芽胞,不活动。在陈旧性培养基中生长,可变为革兰阴性。其,菌落呈圆丘形,表面光滑或粗糙,不透明,干酪样白色或淡褐色,。,口腔乳杆菌与龋病,嗜酸乳杆菌菌落,(,L.,acidophilus,),嗜酸乳杆菌细胞,(,L. acidophilus,),Lactobacillus,(二)分类,(,按代谢方式,),专性纯发酵乳杆菌(,Obligately homofermentative,,,Group I,):,嗜酸乳杆菌,、 唾液乳杆菌,兼性杂发酵乳杆菌(,Facultatively heterofermentative,,,Group II,):,干酪乳杆菌,、 胚芽乳杆菌,专性杂发酵乳杆菌(,Obligately heterofermentative,,,Group III,): 发酵乳杆菌、 短乳杆菌,homofermentative :,C,6,H,12,O,6, 2 CH,3,CHOHCOOH,heterofermentative :,C,6,H,12,O,6, CH,3,CHOHCOOH + C,2,H,5,OH + CO,2,(,三)培养,耐酸性很强,,能耐受使其它无芽胞细胞死亡的酸度。该菌的选择性培养基,Rogosa,培养基即是根据其特有强酸耐性配制的。此培养基的,pH,为,4.7,-4.8,,在此,pH,条件下,只有乳杆菌属能生长。,(四)生化反应,多数乳杆菌无蛋白分解作用,不产生吲哚,不还原硝酸盐,触酶阴性。,能发酵多种,糖,,产,酸,能力强,能使菌斑,pH,降低至,5以,下,。对糖的发酵反应视菌型而异,纯发酵型只产生乳酸;异发酵型除产生乳酸外,还产生其它的酸和乙醇、,CO,2,等。另外,,干酪,乳杆菌和,嗜酸,乳杆菌合成细胞外多糖,而且,干酪乳杆菌,还可以合成细胞内多糖。,(五)口腔乳杆菌的致病性,1.,早期研究认为乳杆菌是主要的致龋菌。,2.,目前的研究表明乳杆菌不是龋病发生的初始致病菌,但参与了龋病的,发展,主要涉及,牙本质龋,。,3.,乳杆菌是导致,根面龋,的致龋菌之一。,乳杆菌对牙骨质的粘附,乳杆菌对牙本质的粘附,(一)形态学,口腔中最常见的,革兰阳性丝状菌,,主要定居在牙面,其次是龈沟和舌背,而唾液和其它口腔粘膜表面较少。,革兰阳性菌,无鞭毛和芽胞,,菌细胞末端较膨大,形态不规则,为丝状或杆状,长短不一,。呈丝状者常很长并有分支,可达1050 ,m,;短的杆菌体为1.55 ,m,。,口腔放线菌与龋病,B,A,A,:黏性放线菌,菌落,(,A.viscosus,),B,:内氏放线菌,菌落,(,A.naeslundii,),黏性放线菌,(,A.viscosus,),透射电镜下观察,放线菌有,菌毛,(,fimbria),,各放线菌的菌毛成分不一样,,粘性,放线菌有,I,型和,II,型,两种类型的菌毛,而,内氏,放线菌只有,II,型,菌毛。菌毛与放线菌的粘附性能密切相关。,透射电镜观察:粘性放线菌菌毛,透射电镜观察,:,粘性放线菌菌毛,(二)分类,口腔放线菌细胞壁主要由肽聚糖和各种糖类组成,其抗原物质主要来自细胞壁成分.,粘性放线菌,(,A.viscosus,),兼性,内氏放线菌,(,A.naeslundii,),兼性,溶牙放线菌(,A.odontolyticus,),厌氧,衣氏放线菌(,A.israelii,),厌氧,梅氏放线菌(,A.meyeri,),厌氧,(三)培养特性,兼性厌氧菌,,但对氧的敏感性有一定差异。衣氏放线菌、梅氏放线菌和溶牙放线菌在,厌氧,条件中生长更好。,粘性,放线菌、,内氏,放线菌补充,CO,2,可明显促进生长。最适生长,pH,为6.5-7.0。,放线菌为,化能异常,菌,生长需要有机氮、可发酵的碳水化合物、维生素和其它生长因子。培养基中加入,血清,可明显促进其生长。,BHI,是培养放线菌的常用培养基,。,(四),对牙面的粘附,粘性,放线菌、,衣氏,放线菌、,溶牙,放线菌对牙面有很高的亲和力。,其粘附机制同细胞表面的,菌毛,有关。,粘放菌菌毛及对胶原的粘附,(五)口腔放线菌与龋病的关系,可,利用,葡萄糖、乳糖、麦芽糖和蔗糖,产酸,:乙酸、乳酸、甲酸、琥珀酸、乙醇等,能合成细胞,内,和细胞,外,多糖,对牙面(根面)有较强的,粘附,力,在,根面龋,发生中的作用值得关注,产,碱,能力,如,A. naslundii, caries-reversal effect?,(一)韦荣球菌,Veillonella parvula,;,Veillonella alcalescens,(二)奈瑟球菌,Neisseria,(三)血链球菌,Streptococcus sangui,nin,s,(四)颊纤毛菌,Leptotrichia buccalia,其他口腔细菌与龋病,(一)韦荣球菌,Veillonella parvula,;,Veillonella alcalescens,格兰阴性专性厌氧菌,,占菌斑细菌总数的,2%-6%,。,特点:缺乏葡萄糖激酶和果糖激酶,,不能代谢 碳水化合物和多元醇,,,代谢乳酸,变成乙酸和丙酸,,降低菌斑,pH,。“有益菌”,?,Beneficial or Not?,Anti-cariogenic,不代谢碳水化合物,代谢乳酸产生较弱酸(如乙酸、丙酸),还原硝酸盐,产生具有抑菌作用的亚硝酸盐,Cariogenic,促进细菌聚集,代谢乳酸有利于深龋部位厌氧菌的生长,与产酸菌协同生长反而可促进菌斑,pH,的降低,在龋病发展各阶段高检出,没有特异性的致龋菌(,cariogenic bacteria,) ,只有,龋病相关细菌,(,caries-associated bacteria,),后者更符合生态病因学说的观点,(二)奈瑟球菌,Neisseria,格兰阴性需氧双球菌,,在龋坏组织中有检出。,既能代谢,葡萄糖,产生,乳酸,,也能进一步代谢乳酸产生一系列弱酸,如,乙酸,。因此其在龋病发生中的作用尚不清楚,(三)血链球菌,Streptococcus sangui,nin,s,格兰阳性兼性厌氧菌,,,主要分布于牙面,占菌斑内链球菌的一半,是牙菌斑的初始定居菌之一。,特点:,1.,口腔内,最早,定居的细菌之一,产生,PABA,,有助于变形链球菌在牙面定居。,2.,产生,H,2,O,2,,抑制牙周可疑致病菌,维持菌斑生态平衡。(,牙周有益菌,),血链球菌,(,Streptococcus sanguis,),(四)颊纤毛菌,Leptotrichia buccalia,特点:牙菌斑常住菌,体积大,作为,球菌,依附支架,形成,谷穗状,结构,。,格兰阴性专性厌氧杆菌,。,颊纤毛菌,(,Leptothrix buccalis,),幽门螺杆菌,Helicobacter pylori,幽门螺杆菌是一种单极、,多鞭毛,、末端钝圆、螺旋形弯曲的细菌。长,2.5,4.0m,,宽,0.5,1.0m,。在,胃粘膜上,皮细胞表面常呈,典型的螺旋状或弧形,。在固体培养基上生长时,除典型的形态外,有时可出现杆状或圆球状。幽门螺杆菌是,微需氧菌,,环境氧要求,5,8%,,在大气或绝对厌氧环境下不能生长,幽门螺杆菌,Helicobacter pylori,要求掌握知识点,1.,细菌与龋病发生的关系,2.,致龋菌的生物学特性,3.,变异链球菌是主要致龋菌,拓展阅读,Philip D. Marsh, Michael V. Martin. Oral Microbiology. Butterworth-Heinemann; 5 edition (February 21, 2012) . ISBN-10: 0702041483,liyuqing,
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