Streptococcus mutans -Streptococcus mutans
| Streptococcus mutans | |
|---|---|
|
|
| Flekk av S. mutans i tioglykollat buljongkultur . | |
Vitenskapelig klassifisering 
|
|
| Domene: | Bakterie |
| Filum: | Firmicutes |
| Klasse: | Basiller |
| Rekkefølge: | Lactobacillales |
| Familie: | Streptococcaceae |
| Slekt: | Streptococcus |
| Arter: |
S. mutans
|
| Binomisk navn | |
|
Streptococcus mutans Clarke 1924
|
|
Streptococcus mutans er en fakultativt anaerob , gram-positiv coccus (rund bakterie ) som vanligvis finnes i det menneskelige munnhulen og er en betydelig bidragsyter til tannråte . Det er en del av " streptokokker " (flertall, ikke-kursiv små bokstaver), et uformelt generelt navn for alle artene i slekten Streptococcus . Mikroen ble først beskrevet av James Kilian Clarke i 1924.
Denne bakterien, sammen med de nært beslektede artene Streptococcus sobrinus , kan samle munnen: Begge bidrar til munnsykdom, og utgiften til å differensiere dem i laboratorietester er ofte ikke klinisk nødvendig. Derfor blir de for kliniske formål ofte betraktet som en gruppe, kalt mutans streptokokker (flertall, ikke-kursiv på grunn av at det er et uformelt gruppenavn). Denne gruppen av lignende bakterier med lignende tropisme kan også sees i viridans streptokokker , en annen gruppe Streptococcus -arter.
Økologi
S. mutans er naturlig til stede i den humane orale mikrobiotaen, sammen med minst 25 andre arter av orale streptokokker. Den taksonomi av disse bakteriene forblir tentativ. Ulike områder av munnhulen presenterer forskjellige økologiske nisjer, og hver art har spesifikke egenskaper for kolonisering av forskjellige orale steder. S. mutans er mest utbredt på groper og sprekker , og utgjør 39% av de totale streptokokker i munnhulen. Færre S. mutans -bakterier finnes på den bukkale overflaten (2–9%).
Bakteriell-sopp co-koagregering kan bidra til å øke det kariogene potensialet til S.mutaner . Et symbiotisk forhold til S.mutans og Candida Albicans fører til økt glukanproduksjon og økt biofilmdannelse. Dette forsterker derfor den kariogene effekten av S.mutans .
Orale streptokokker har både ufarlige og skadelige bakterier. Under spesielle forhold kan imidlertid kommensale streptokokker bli opportunistiske patogener, starte sykdom og skade verten. Ubalanser i den mikrobielle biotaen kan starte munnsykdommer.
Candida albicans er en opportunistisk patogen gjær som finnes i munnhulen. Tilstedeværelsen i biofilmen fremmer høyere nivåer av Streptococcus mutans når man ser på karies i barndommen. Det stimulerer dannelsen av S. mutans mikrokolonier. Dette oppnås gjennom lave konsentrasjoner av metabolitter på tvers av riket, som farnesol , avledet fra biofilmen . Det har blitt antydet at når begge mikrober er tilstede, blir det produsert mer biofilmmatrise, med større tetthet. Når farnesol er i høy konsentrasjon, hemmer det veksten av både S. mutans og C. albicans . Dette reduserer biofilmpatogenesen, og derforfremmer karies det potensialet. Dette gir potensialet for et antisvamp som kan brukes i forebygging av tannkaries .
Rolle i sykdom
Tannråte
Tidlige koloniserere av tannoverflaten er hovedsakelig Neisseria spp. og streptokokker , inkludert S. mutans . De må tåle de orale rensekreftene (f.eks. Spytt og tungebevegelser) og feste seg tilstrekkelig til tannhårets vev. Veksten og metabolismen til disse pionerartene endrer lokale miljøforhold (f.eks. Eh, pH, koaggregering og substrattilgjengelighet), og gjør det mulig for mer kresne organismer å kolonisere videre etter dem og danne tannplakk . Sammen med S. sobrinus , S. mutans spiller en viktig rolle i tannråte, å metabolisere sukrose til melkesyre . Det sure miljøet som skapes i munnen ved denne prosessen er det som får den sterkt mineraliserte tannemaljen til å være sårbar for forfall. S. mutans er en av få spesialiserte organismer utstyrt med reseptorer som forbedrer vedheft til overflaten av tennene. S. mutans benytter enzymet glucansucrase for å konvertere sucrose i en klebrig, ekstracellulært, dekstran -basert polysakkarid som tillater dem å cohere , danner plakk. S. mutans produserer dekstran via enzymet dextransucrase (en heksosyltransferase ) ved bruk av sukrose som et substrat i følgende reaksjon:
- n sukrose → (glukose) n + n fruktose
Sukrose er det eneste sukkeret som bakterier kan bruke for å danne dette klebrig polysakkaridet.
Andre sukkerarter - glukose , fruktose , laktose - kan imidlertid også fordøyes av S. mutans , men de produserer melkesyre som et sluttprodukt. Kombinasjonen av plakett og syre fører til tannråte. På grunn av rollen S. mutans spiller i tannråte, har det blitt gjort mange forsøk på å lage en vaksine for organismen. Så langt har slike vaksiner ikke vært vellykkede hos mennesker. Nylig har proteiner som er involvert i kolonisering av tenner av S. mutans vist seg å produsere antistoffer som hemmer den kariogene prosessen. Et molekyl som nylig ble syntetisert ved Yale University og University of Chile, kalt Keep 32 , skal visstnok kunne drepe S. mutans . En annen kandidat er et peptid kalt C16G2, syntetisert ved UCLA.
Det antas at Streptococcus mutans anskaffet genet som gjør det mulig å produsere biofilmer gjennom horisontal genoverføring med andre melkesyrebakterier, for eksempel Lactobacillus .
Livet i munnhulen
S. mutans overlever i munnhulen og er det primære årsaksmidlet og den patogene arten som er ansvarlig for tannkaries (tannråte eller hulrom) spesielt i start- og utviklingsstadiet.
Tannplakk , vanligvis forløperen til tannråte, inneholder mer enn 600 forskjellige mikroorganismer, noe som bidrar til munnhulenes generelle dynamiske miljø som ofte gjennomgår raske endringer i pH, næringsstofftilgjengelighet og oksygenspenning. Tannplakk fester seg til tennene og består av bakterieceller, mens plakett er biofilmen på tennens overflater. Tannplakk og S. mutans er ofte utsatt for "giftige forbindelser" fra orale helseprodukter, tilsetningsstoffer og tobakk.
Mens S. mutans vokser i biofilmen, opprettholder celler en metabolsk balanse som innebærer produksjon og avgiftning. Biofilm er et aggregat av mikroorganismer der celler fester seg til hverandre eller til en overflate. Bakterier i biofilmsamfunnet kan faktisk generere forskjellige giftige forbindelser som forstyrrer veksten av andre konkurrerende bakterier.
S. mutans har over tid utviklet strategier for å lykkes med å kolonisere og opprettholde en dominerende tilstedeværelse i munnhulen. Den orale biofilmen utfordres kontinuerlig av endringer i miljøforholdene. Som svar på slike endringer utviklet bakteriesamfunnet seg med individuelle medlemmer og deres spesifikke funksjoner for å overleve i munnhulen. S. mutans har kunnet utvikle seg fra ernæringsbegrensende forhold for å beskytte seg selv under ekstreme forhold. Streptokokker representerer 20% av de orale bakteriene og bestemmer faktisk utviklingen av biofilmene. Selv om S. mutans kan motvirkes av pioner -kolonisatorer, kan tannkaries utvikle seg og trives når de først blir dominerende i orale biofilmer.
Kariogent potensial
Tannkaries årsak er forbundet med dets evne til å metabolisere forskjellige sukkerarter, danne en robust biofilm, produsere en rikelig mengde melkesyre og trives i det sure miljøet den genererer. En studie av plakkens pH sa at den kritiske pH -verdien for økt demineralisering av harde harde vev (emalje og dentin) er 5,5. Stephan -kurven illustrerer hvor raskt plakk -pH kan falle under 5,5 etter en matbit eller et måltid.
Tannkaries er en tannbiofilmrelatert oral sykdom forbundet med økt inntak av sukker og fermenterbare karbohydrater. Når dental biofilm forblir på tannoverflater, sammen med hyppig eksponering for sukker, vil acidogene bakterier (medlemmer av dental biofilm) metabolisere sukkerene til organiske syrer. Ubehandlet tannkaries er den vanligste sykdommen som rammer mennesker over hele verden . Vedvarende av denne sure tilstanden oppmuntrer til spredning av acidogene og syreholdige bakterier som et resultat av deres evne til å overleve i et miljø med lav pH. Miljøet med lav pH i biofilmmatrisen tærer på overflaten av tennene og starter "initiering" av tannkaries. Streptococcus mutans er en bakterie som er utbredt i det orale miljøet og antas å være en vital mikroorganisme som bidrar til denne oppstarten. S. mutans trives under sure forhold og blir hovedbakterien i kulturer med permanent redusert pH . Dersom vedheftingen av S. mutans på overflaten av tennene eller fysiologiske egenskaper (acidogenity og aciduricity) av S. mutans i tann biofilmer kan reduseres eller elimineres, kan det forsuring av tann biofilmer og senere hulroms formasjoner reduseres.
Ideelt sett kan vi stoppe den tidlige ulike lesjonen som utvikler seg utover hvitflekkstadiet. En gang utover her er emaljeflaten irreversibelt skadet og kan ikke repareres biologisk. Hos små barn kan smerten fra en carious lesjon være ganske plagsom, og gjenopprettende behandling kan føre til at en tidlig tannangst utvikler seg. Tann angst har knock-on effekter for både tannleger og pasienter. Behandlingsplanlegging og dermed behandlingssuksess kan kompromitteres. Tannpersonalet kan bli stresset og frustrert når de jobber med engstelige barn. Dette kan kompromittere forholdet til barnet og foreldrene. Studier har vist at det eksisterer en syklus, derved at tannpleie pasienter slipper å ta vare på helsen til orale vev. Noen ganger kan de unngå munnhygiene og vil prøve å unngå å søke tannpleie til smertene er uutholdelige.
Følsomhet for sykdom varierer mellom individer, og immunologiske mekanismer har blitt foreslått for å gi sykdom eller mottakelighet for sykdommen. Disse mekanismene har ennå ikke blitt fullstendig belyst, men det ser ut til at mens antigenpresenterende celler aktiveres av S. mutans in vitro , reagerer de ikke in vivo . Immunologisk toleranse overfor S. mutans på slimhinneoverflaten kan gjøre individer mer utsatt for kolonisering med S. mutans og derfor øke mottakeligheten for tannkaries.
Hos barn
S. mutans er ofte ervervet i munnhulen etter tannutbrudd, men har også blitt påvist i munnhulen til predenterte barn. Det overføres vanligvis, men ikke utelukkende, via vertikal overføring fra omsorgsperson (vanligvis moren) til barnet. Dette kan også ofte skje når forelder legger leppene til barnets flaske for å smake på det, eller for å rengjøre barnets smokk, og deretter putter det i barnets munn.
Hjerte-og karsykdommer
S. mutans er involvert i patogenesen av visse kardiovaskulære sykdommer, og er den mest utbredte bakteriearten som er påvist i utryddede hjerteventilvev, så vel som i ateromatøse plakk, med en forekomst på henholdsvis 68,6% og 74,1%. Streptococcus sanguinis , nært knyttet til S. mutans og også funnet i munnhulen, har vist seg å forårsake infeksiøs endokarditt.
Streptococcus mutans har vært assosiert med bakteriemi og infeksjonsendokarditt (IE). IE er delt inn i akutte og subakutte former, og bakterien isoleres i subakutte tilfeller. De vanlige symptomene er: feber, frysninger, svette, anoreksi, vekttap og ubehag.
S. mutans har blitt klassifisert i fire serotyper; c, e, f og k. Klassifiseringen av serotypene er utformet ut fra den kjemiske sammensetningen av de serotypespesifikke rhamnose-glukose-polymerene. For eksempel har serotype k som opprinnelig ble funnet i blodisolater en stor reduksjon av glukosesidekjeder festet til rhamnose -ryggraden. S. mutans har følgende overflateproteinantigener: glukosyltransferaser, proteinantigen og glukanbindende proteiner. Hvis disse overflateproteinantigenene ikke er tilstede, er bakteriene en proteinantigen-defekt mutant med minst følsomhet for fagocytose og derfor forårsaker minst skade på celler.
Videre viste rotteeksperimenter at infeksjon med slike defekte streptokokker -mutanter ( S. mutans -stammer uten glukosyltransferaser isolert fra en ødelagt hjerteklaff hos en infektiv endokardittpasient) resulterte i en lengre varighet av bakteriemi. Resultatene viser at virulensen av infeksiøs endokarditt forårsaket av S. mutans er knyttet til de spesifikke celleoverflatekomponentene som er tilstede.
I tillegg har S. mutans DNA blitt funnet i kardiovaskulære prøver i et høyere forhold enn andre periodontale bakterier. Dette fremhever dens mulige involvering i en rekke typer kardiovaskulære sykdommer, ikke bare begrenset til bakteriemi og infeksjonsendokarditt.
Forebygging og behandling
Utøvelse av god munnhygiene inkludert daglig børsting, tanntråd og bruk av passende munnvann kan redusere antall orale bakterier, inkludert S. mutans, og hemme deres spredning. S. mutans lever ofte i tannplakk , derfor er mekanisk fjerning av plakett en effektiv måte å bli kvitt dem. Den beste tannbørsteteknikken for å redusere plakkoppbygging, redusere kariesrisiko, er den modifiserte Bass -teknikken. Børsting to ganger daglig kan redusere kariesrisikoen. Imidlertid er det noen midler som brukes i behandlingen av oral bakteriell infeksjon, i forbindelse med mekanisk rengjøring. Disse inkluderer fluor , som har en direkte hemmende effekt på enolaseenzymet , så vel som klorheksidin , som antagelig virker ved å forstyrre bakteriell vedheft.
Videre kan fluoridioner være skadelig for bakteriell cellemetabolisme. Fluor hemmer direkte glykolytiske enzymer og H+ATPaser. Fluoridioner senker også pH i cytoplasmaet. Dette betyr at det vil bli produsert mindre syre under bakteriell glykolyse. Derfor kan fluor munnvann, tannkrem, geler og lakk bidra til å redusere forekomsten av karies. Funn fra undersøkelser av effekten av fluorholdig lakk på nivået av Streptococcus mutans i det orale miljøet hos barn tyder imidlertid på at reduksjonen av karies ikke kan forklares med en reduksjon i nivået av Streptococcus mutans i spytt eller tannplakk. Fluorlakkbehandling med eller uten tidligere tannhygiene har ingen signifikant effekt på plakk- og spyttnivået til S. mutans .
S. mutans utskiller glukosyltransferase på celleveggen, noe som gjør at bakteriene kan produsere polysakkarider fra sukrose. Disse klebrig polysakkaridene er ansvarlige for bakteriens evne til å aggregere med hverandre og feste seg til tannemaljen, dvs. for å danne biofilm . Bruk av Anti Cell-Associated Glucosyltransferase (Anti-CA-gtf) Immunoglobulin Y forstyrrer S. mutans evne til å feste seg til tannemaljen, og forhindrer dermed reprodusering. Studier har vist at Anti-CA-gtf IgY effektivt og spesifikt kan undertrykke S. mutans i munnhulen.
Andre vanlige forebyggende tiltak handler om å redusere sukkerinntaket. En måte dette er gjort på er med sukkererstatninger som xylitol eller erytritol som ikke kan metaboliseres til sukker som normalt øker S. mutans vekst. Molekylet xylitol, et 5 karbon sukker, forstyrrer energiproduksjonen til S.mutaner ved å danne et giftig mellomprodukt under glykolyse. Ulike andre naturmidler har blitt foreslått eller studert til en viss grad, inkludert deglycyrrhizinated lakrisrotekstrakt , tea tree olje , macelignan (funnet i muskatnøtt ), curcuminoider (hovedkomponentene i gurkemeie ) og eugenol (funnet i løvblad, kanelblad og nellik). I tillegg har forskjellige teer blitt testet for aktivitet mot S. mutans og andre tannlegefordeler. Imidlertid har ingen av disse midlene vært gjenstand for kliniske studier eller anbefalt av vanlige tannhelsegrupper for å behandle S. mutans .
Tilsetningen av bioaktive glassperler til dental-kompositter reduserer inntrengning av Streptococcus mutans i de marginale gapene mellom tann og kompositt. De har antimikrobielle egenskaper, reduserer bakteriell penetrasjon. Dette reduserer risikoen for at sekundær karies utvikler seg, en vanlig årsak til feil ved tannreparasjoner . Dette betyr at levetiden og effekten av sammensatte restaureringer kan forbedres.
Overlevelse under stressende forhold
Tilstandene i munnhulen er mangfoldige og komplekse, og endrer seg ofte fra en ekstrem til en annen. Således, for å overleve i munnhulen, må S. mutans tolerere raskt harde miljøsvingninger og eksponering for forskjellige antimikrobielle midler for å overleve. Transformasjon er en bakteriell tilpasning som involverer overføring av DNA fra en bakterie til en annen gjennom det omkringliggende mediet. Transformasjon er en primitiv form for seksuell reproduksjon . For at en bakterie skal binde, ta opp og rekombinere eksogent DNA inn i kromosomet, må den gå inn i en spesiell fysiologisk tilstand som kalles "kompetanse" . I S. mutans kontrollerer et peptid feromon quorum-sensing signalsystem genetisk kompetanse. Dette systemet fungerer optimalt når S. mutans -cellene er i overfylte biofilmer. S. mutans- celler som vokser i en biofilm transformeres med en hastighet 10- til 600 ganger høyere enn enkeltceller som vokser under urørte forhold (planktoniske celler). Induksjon av kompetanse ser ut til å være en tilpasning for å reparere DNA -skader forårsaket av overfylte, stressende forhold.
Å vite om quorum-sensing gir opphav til potensiell utvikling av medisiner og terapier. Quorum-sensing peptider kan manipuleres til å forårsake mål selvmord så vel som. Videre kan slokking av quorum-sensing føre til forebygging av antibiotikaresistens.
Utvikling
Tre sentrale trekk har utviklet seg hos S. mutans og økt virulens ved å øke dets tilpasningsevne til munnhulen: økt organisk syreproduksjon, evnen til å danne biofilm på tennens harde overflater og evnen til å overleve og trives ved lav pH miljø.
Under utviklingen oppnådde S. mutans evnen til å øke mengden karbohydrater den kunne metabolisere, og følgelig ble det produsert mer organisk syre som et biprodukt. Dette er signifikant for dannelsen av tannkaries fordi økt surhet i munnhulen forsterker demineraliseringshastigheten for tannen, noe som fører til karious lesjoner. Det antas at egenskapen utviklet seg hos S. mutans via lateral genoverføring med en annen bakterieart som er tilstede i munnhulen. Det er flere gener, SMU.438 og SMU.1561, involvert i karbohydratmetabolisme som er oppregulert i S. mutans . Disse genene stammer muligens fra henholdsvis Lactococcus lactis og S. gallolyticus .
Et annet eksempel på lateral genoverføring er ansvarlig for S. mutans oppkjøp av glukosyltransferase (GTF) genet. GTF -genene som finnes i S. mutans er mest sannsynlig avledet fra andre anaerobe bakterier som finnes i munnhulen, for eksempel Lactobacillus eller Leuconostoc . I tillegg er GTF gener i S. mutans skjerm homologi med tilsvarende gener funnet i Lactobacillus og Leuconostoc . Det vanlige slektsgenet antas å ha blitt brukt til hydrolyse og kobling av karbohydrater.
Den tredje egenskapen som utviklet seg hos S. mutans er dens evne til ikke bare å overleve, men også trives under sure forhold. Denne egenskapen gir S. mutans en selektiv fordel i forhold til andre medlemmer av den orale mikrobiotaen. Som et resultat kan S. mutans utkonkurrere andre arter og okkupere ytterligere områder i munnen, for eksempel avanserte tannplakk , som kan være like sure som pH 4,0. Naturlig seleksjon er mest sannsynlig de viktigste evolusjonære mekanismene som er ansvarlige for denne egenskapen.
Når vi diskuterer utviklingen av S. mutans , er det viktig å inkludere rollen mennesker har spilt og den co-evolusjonen som har skjedd mellom de to artene. Etter hvert som mennesker utviklet seg antropologisk, utviklet bakteriene seg biologisk. Det er allment akseptert at landbrukets oppkomst i en tidlig menneskelig befolkning ga betingelsene S. mutans trengte for å utvikle seg til den virulente bakterien den er i dag. Landbruket introduserte fermenterte matvarer, så vel som mer karbohydratrike matvarer, i kostholdet til historiske menneskelige befolkninger. Disse nye matvarene introduserte nye bakterier i munnhulen og skapte nye miljøforhold. For eksempel finnes Lactobacillus eller Leuconostoc vanligvis i matvarer som yoghurt og vin. Konsumering av flere karbohydrater økte også mengden sukker tilgjengelig for S. mutans for metabolisme og senket pH i munnhulen. Denne nye sure habitaten ville velge for de bakteriene som kunne overleve og reprodusere ved lavere pH.
En annen vesentlig endring i det muntlige miljøet skjedde under den industrielle revolusjonen . Mer effektiv raffinering og produksjon av matvarer økte tilgjengeligheten og mengden sukrose som konsumeres av mennesker. Dette ga S. mutans flere energiressurser, og forverret dermed en allerede økende andel tannkaries. Raffinert sukker er ren sukrose, det eneste sukkeret som kan omdannes til klebrig glukaner, slik at bakterier kan danne en tykk, sterkt vedheftende plakett.
