牙菌斑生物膜選編

1、第十章牙菌斑生物膜,天津醫(yī)科大學(xué)靳趁心,牙菌斑是口腔微生物的生長環(huán)境，是口腔常見病——齲病和牙周病的始動因子。牙菌斑內(nèi)微生物之間以共生、競爭和拮抗等方式相互作用，與所處的環(huán)境構(gòu)成不同的微生態(tài)。,第一節(jié) 牙菌斑的概念與分類,概念：,牙菌斑是一種細(xì)菌性生物膜，是被基質(zhì)包裹的互相黏附并附著于牙齒或修復(fù)體表面的未礦化的細(xì)菌性群體，不能被水或唾液沖刷去除。,分類,牙菌斑,光滑面牙菌斑：G+球菌和桿菌為優(yōu)勢菌 齦上牙菌斑

2、 點(diǎn)隙溝裂牙菌斑： G+球菌為優(yōu)勢菌群 鄰面牙菌斑： G+桿菌為優(yōu)勢菌群 齦下牙菌斑 附著性齦下牙菌斑： G+球菌、桿菌、絲狀菌+ G-短桿菌和螺旋體 非附著性齦下牙菌斑 ：G-無芽胞厭氧桿菌,,,,第二節(jié) 牙菌斑的結(jié)構(gòu)與組成,鏡下觀察，牙菌斑為由大小不等的被覆基質(zhì)或獲得性膜的細(xì)菌團(tuán)塊組成。成熟牙菌斑由內(nèi)至外一般分為三

3、層：,一、牙菌斑結(jié)構(gòu),1.基底層 為牙菌斑緊靠牙面的一層，為無細(xì)胞的均質(zhì)結(jié)構(gòu)， HE染色為紅色，厚度為0.1～1.0μｍ，實(shí)際上是獲得性膜， 可見少量細(xì)菌黏附于其表面或直接黏附于釉質(zhì)表面。2.中間層 為牙菌斑主體部分，主要由排列成柵欄狀結(jié)構(gòu)的細(xì)菌組成（黏附于基底層的長桿菌及絲狀菌垂直于牙面排列，大量的球菌、桿菌分布或黏附于其中形成）。柵欄狀結(jié)構(gòu)是牙菌斑的基本結(jié)構(gòu)。,3.表層 為牙菌斑最外層，結(jié)構(gòu)松散，可見谷穗

4、樣結(jié)構(gòu)或試管刷樣結(jié)構(gòu)。 微生物組成差異很大，主要含有球菌、短桿菌、脫落上皮細(xì)胞及食物殘?jiān)?二、牙菌斑的組成,牙菌斑基質(zhì)的作用,構(gòu)成了牙菌斑內(nèi)部與外界進(jìn)行物質(zhì)交換的通道；是牙菌斑細(xì)菌生存的載體和營養(yǎng)物質(zhì)儲庫；限制牙菌斑表層的氧氣、抗菌藥物及其它不利細(xì)菌生長的物質(zhì)過多進(jìn)入牙菌斑內(nèi)層，從而起到保護(hù)作用。,牙菌斑細(xì)菌組成特點(diǎn),不同個(gè)體之間存在差異。同一個(gè)體口腔內(nèi)不同部位之間存在差異。牙菌斑形成的不同階段細(xì)菌的組成存在很大差異。

5、致病性牙菌斑與非致病性牙菌斑的細(xì)菌組成差異卻不大，僅是各種細(xì)菌所占的比例不同。,影響牙菌斑生態(tài)平衡的因素,1.溫度 影響pH變化、離子活性及微生物的凝集。 口腔溫度一般維持在35～36℃左右，攝入食物時(shí)的溫差在60℃左右，長期定植于口腔的細(xì)菌一般能夠適應(yīng)這一范圍溫度變化。 2.pH值 影響細(xì)菌酶的活性。 口腔內(nèi)平均pH 值為6.7～7.2，主要由唾液中的碳酸鹽及磷酸鹽緩沖系統(tǒng)來維持。 牙菌斑內(nèi)

6、pH值變化幅度較大,微生物生長適宜的pH值各不相同： 當(dāng)pH值為6.0～8.0時(shí)，幾乎所有的牙菌斑細(xì)菌都能生長； 當(dāng)pH值為5.0時(shí)，放線菌和一些鏈球菌還可以生長； 當(dāng)pH值達(dá)4.6以下時(shí)，只有乳桿菌和酵母菌能夠生存; 當(dāng)pH值高達(dá)9.5時(shí)，只有少量的韋榮菌、梭桿菌、酵母菌和鏈球菌可以生存。,3.氧化還原電勢（oxidation-reduction potentials, Eh）

7、 高Eh支持需氧菌或微需氧菌的生長，而低Eh 有利于厭氧菌的生長。口腔中不同部位的Eh差別很大，光滑面的Eh高，而齦溝、牙周袋內(nèi)Eh很低。健康齦溝的Eh約為+75mV，而牙周袋則為-50mV，深牙周袋甚至可達(dá)-300 mV。4.營養(yǎng) 唾液與齦溝液中含有豐富的蛋白質(zhì)、糖蛋白、微量元素等營養(yǎng)物質(zhì)，是維持微生物生存的最基本營養(yǎng)物質(zhì)。宿主攝入食物的種類、頻率和方式影響微生物的組成。,5.唾液中的抑菌成分分泌型I

8、gA（sIgA）: 能與細(xì)菌合成的葡聚糖轉(zhuǎn)移酶結(jié)合，限制細(xì)菌酶的活性；sIgA還能與細(xì)菌表面蛋白、脂磷壁酸等抗原結(jié)合，使微生物凝集成簇，降低其對牙面的黏附能力。溶菌酶：作用于G+細(xì)菌細(xì)胞壁的主要結(jié)構(gòu)肽聚糖而使細(xì)菌胞壁崩解。乳鐵蛋白：能夠與Fe3+緊密結(jié)合，從而降低了細(xì)菌對生存必需的Fe3+的利用，實(shí)現(xiàn)抑菌作用。過氧化物酶：主要是催化唾液中過氧化氫及硫氰酸鹽氧化反應(yīng)，產(chǎn)生毒性物質(zhì)，使細(xì)菌糖代謝所需的酶失活而終止糖代謝，干擾有機(jī)酸的

9、產(chǎn)生。,6.微生物間的相互作用共生：一些細(xì)菌的代謝產(chǎn)物是另一些細(xì)菌的營養(yǎng)物質(zhì)/必須的生長因子； 一些細(xì)菌的存在是另一些細(xì)菌生存的必要條件； 協(xié)同完成物質(zhì)代謝過程。拮抗：細(xì)菌通過競爭營養(yǎng)物質(zhì)和定植空間而影響生態(tài)平衡； 細(xì)菌自身能夠合成并釋放不利于其他微生物生存的代謝產(chǎn)物； 引發(fā)機(jī)體產(chǎn)生天然抗體而抑制其他細(xì)菌的定植與生長。,血鏈球菌產(chǎn)生的對氨基苯

10、甲酸是變異鏈球菌生長的必要生長因子,需氧菌和兼性厭氧菌在生長過程中消耗生境中的氧，使局部Eh下降，為專性厭氧菌的生長提供了條件,牙菌斑中的細(xì)菌代謝唾液中的糖蛋白時(shí)，首先由口腔鏈球菌、普雷沃菌等含有糖苷酶的細(xì)菌分解糖蛋白側(cè)鏈，然后蛋白質(zhì)被具核梭桿菌、中間普雷沃菌等含有鏈蛋白水解酶的細(xì)菌降解,如變異鏈球菌產(chǎn)生的細(xì)菌素為變鏈菌素，它能殺傷鏈球菌屬中的其它細(xì)菌及粘性放線菌，也能殺傷與其共生的血鏈球菌,7.氟化物的作用氟可以抑制致齲菌的附著，

11、有利于唾液的沖洗和外力的機(jī)械清潔除菌，使牙菌斑形成的時(shí)間延長、數(shù)量減少。 牙菌斑中的氟還能夠以氫氟酸的形式擴(kuò)散到細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，通過抑制糖代謝酶的活性而干擾糖代謝，降低細(xì)菌的產(chǎn)酸能力。,第三節(jié) 牙菌斑形成與發(fā)育,牙菌斑生物膜的形成是一個(gè)有序的、連續(xù)的過程，不能截然分開，為描述方便，一般將其分為三個(gè)階段： 1.獲得性膜的形成 2.細(xì)菌黏附集聚 3.牙菌斑的成熟,一、獲得性膜的形成,獲得性膜（acquired pell

12、icle）是一層非發(fā)育性的無細(xì)胞結(jié)構(gòu)的薄膜，主要由唾液、齦溝液中的粘蛋白或糖蛋白選擇性的沉積、吸附于牙齒、修復(fù)材料表面形成。 不同部位獲得性膜的成分有所不同。釉質(zhì)表面的獲得性膜的以唾液成分為主，而牙根表面的獲得性膜以齦溝液成分為主。獲得性膜的形態(tài)與結(jié)構(gòu)受所支持的固體表面性質(zhì)影響，其厚度差異很大，一般在30～60μm之間。,獲得性膜具有雙重作用：,1.獲得性膜有助于細(xì)菌附著與生長，能夠保護(hù)牙齒。獲得性膜提供細(xì)菌黏附牙面的特殊受體，

13、使細(xì)菌選擇性吸附定植于牙面；獲得性膜中的受體與宿主的免疫球蛋白（抗體、補(bǔ)體、溶菌酶等）結(jié)合，抑制宿主的免疫反應(yīng)，利于微生物的生長與繁殖；獲得性膜為細(xì)菌的生長繁殖提供充足的營養(yǎng)。2.獲得性膜還具有保護(hù)及修復(fù)牙齒礦化表面的功能。獲得性膜被覆于牙齒表面，緩沖了酸性食物對牙面的脫礦作用；獲得性膜可結(jié)合鈣、磷、氟等礦物質(zhì)，利于牙面的礦化和再礦化；獲得性膜上正常菌群的定植抑制了外源性致病微生物的入侵。,二、細(xì)菌對牙面的黏附和集聚,（

14、一）細(xì)菌對牙面的黏附 包括非特異性黏附和特異性黏附兩個(gè)過程非特異性黏附：附著初期，細(xì)菌與牙面以氫鍵、鈣橋等方式黏附，該過程可逆。特異性黏附：細(xì)菌細(xì)胞壁表面的黏附素（adhesin）與獲得性膜表面的相應(yīng)受體特異性地結(jié)合。,（二）細(xì)菌在牙面的集聚（aggregation） 1.通過自身合成的細(xì)胞外聚合物而相互黏附 2. 通過黏附素與受體特異性結(jié)合使細(xì)菌集聚在一起,三、牙菌斑的成熟,在牙菌斑的成

15、熟過程中，細(xì)菌的定植有一定順序，早期定植菌主要是革蘭陽性球菌，其中鏈球菌為優(yōu)勢菌，而后是放線菌等細(xì)菌。大約在牙菌斑形成的第5～6天，牙菌斑內(nèi)的細(xì)菌重新排列，形成柵欄狀結(jié)構(gòu)，標(biāo)志牙菌斑成熟，此時(shí)牙菌斑內(nèi)細(xì)菌的組成比例和數(shù)量趨于穩(wěn)定和平衡。牙菌斑中的微生物群落并不是無限擴(kuò)增的，當(dāng)其中細(xì)菌種類和數(shù)量達(dá)到一定限度后，牙菌斑內(nèi)的細(xì)菌可分泌蛋白釋放酶使部分細(xì)菌脫落，多余的細(xì)菌向周圍擴(kuò)散與定植。,第四節(jié)牙菌斑的物質(zhì)代謝,一、糖的代謝,1.

16、糖的分解 牙菌斑中細(xì)菌具有纖維素酶、淀粉酶、糖苷酶等多糖降解酶，可將多糖降解為單糖或雙糖后，通過透性酶轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)和磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)主動轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)。進(jìn)入到細(xì)胞內(nèi)的單糖或雙糖首先通過各種代謝途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，然后?jīng)有氧代謝或無氧酵解產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物并釋放能量。細(xì)胞內(nèi)糖無氧酵解產(chǎn)生乳酸、甲酸、乙酸等有機(jī)酸，并以質(zhì)子的形式轉(zhuǎn)移到細(xì)胞外，使環(huán)境中的pH值下降。,2.糖的合成細(xì)胞內(nèi)多糖的合成：外源性糖供給充足時(shí)，在糖原合成酶的作用下，合成

17、具有分支鏈的糖原，貯存能量。細(xì)胞外多糖的合成：細(xì)菌在葡糖基轉(zhuǎn)移酶或果糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下，利用蔗糖合成胞外多糖，主要有葡聚糖、果聚糖和粘多糖，以及多糖-蛋白復(fù)合物。水溶性細(xì)胞外多糖易被細(xì)菌利用，是牙菌斑內(nèi)能源的貯存形式。,3.糖代謝的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)糖酵解的速度調(diào)節(jié)糖代謝，己糖激酶、葡萄糖激酶、果糖激酶和丙酮酸激酶是糖酵解途徑中的限速酶?！叭樗衢y門”機(jī)制調(diào)節(jié)無氧酵解，對抗糖致死。,二、氮源物質(zhì)代謝,氮源物質(zhì)對細(xì)菌生長重要作用：為細(xì)

18、菌提供蛋白質(zhì)更新所必需的氨基酸作為能源貯存代謝產(chǎn)生的堿性產(chǎn)物可調(diào)節(jié)牙菌斑基質(zhì)的pH值,牙菌斑中的蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白水解酶降解為胨、肽，再經(jīng)肽酶降解為氨基酸，該過程的終末及中間產(chǎn)物可被不同細(xì)菌所利用。氨基酸的分解可通過脫氨、轉(zhuǎn)氨和脫羧等方式完成。 （1）氨基酸失去氨基的脫氨作用是氨基酸分解代謝的主要方式，分為氧化脫氨和非氧化脫氨兩種形式。代謝產(chǎn)物或衍生物包括α-酮酸、過氧化氫、氨、ATP、羥醛酸等物質(zhì)。 （2）

19、轉(zhuǎn)氨基作用是α-氨基酸在轉(zhuǎn)氨酶作用下將氨基轉(zhuǎn)移到α-酮酸的酮基位置上生成相應(yīng)的α-酮酸。轉(zhuǎn)氨基作用既是氨基酸分解的重要方式，也是氨基酸合成的途徑。 （3）脫羧基作用是在低pH值環(huán)境中發(fā)生的一種氨基酸分解方式，氨基酸在氨基酸脫羧酶的作用下分解為胺和二氧化碳，其代謝產(chǎn)物為堿性，可升高牙菌斑pH值。,三、牙菌斑內(nèi)礦物質(zhì)轉(zhuǎn)換,1.唾液與牙菌斑間礦物質(zhì)交換 唾液是牙菌斑礦物質(zhì)的主要來源。唾液與牙菌斑中的礦物質(zhì)以

20、離子擴(kuò)散的方式相互交換，該過程可逆，擴(kuò)散速度取決于濃度差。2.牙菌斑與牙面的礦物質(zhì)轉(zhuǎn)換 牙菌斑中的鈣、磷主要以各種磷酸鹽形式存在。磷酸鹽的性質(zhì)主要由鈣磷的相對濃度及牙菌斑基質(zhì)的pH值決定，Ca/P比例高時(shí)固相溶解度低，酸性環(huán)境中磷酸鹽的溶解度增加。,第五節(jié)牙菌斑的致病性,一、牙菌斑與齲病,1.細(xì)菌致齲機(jī)制牙菌斑中致齲菌分解碳水化合物產(chǎn)生的有機(jī)酸是導(dǎo)致齲病發(fā)生的直接原因。（1）牙菌斑中碳水化合物在細(xì)菌

21、的作用下分解代謝產(chǎn)生乳酸、乙酸、丙酸等有機(jī)酸，氫離子和有機(jī)酸根離子擴(kuò)散到釉質(zhì)晶體周圍，使釉質(zhì)表面鈣和磷酸鹽等礦物質(zhì)溶解。（2）致齲菌合成非水溶性的粘性多糖形成生物屏障，限制牙菌斑內(nèi)外物質(zhì)的擴(kuò)散，維持牙菌斑深層較低的pH值。當(dāng)外源性糖缺乏時(shí)，細(xì)菌可利用這些細(xì)胞內(nèi)多糖和細(xì)胞外多糖繼續(xù)產(chǎn)酸。,2.致齲菌的生物學(xué)特征（1）對牙面有選擇性黏附力； （2）可快速產(chǎn)生大量的酸，并具有強(qiáng)耐酸性；（3）具有合成細(xì)胞內(nèi)或細(xì)胞外多糖的能力；（4）

22、細(xì)菌的數(shù)量與齲病發(fā)生率密切相關(guān)，選擇性的抑制該菌可降低齲病發(fā)生率；（5）能引起實(shí)驗(yàn)動物傳染性齲損。,3.致齲牙菌斑特征 致齲牙菌斑多位于牙齒的鄰面和咬合面，致齲產(chǎn)物主要是有機(jī)酸。 致齲牙菌斑內(nèi)變異鏈球菌為優(yōu)勢菌，而能夠合成葡聚糖酶的細(xì)菌及韋榮菌數(shù)量少。 能夠迅速分解蔗糖產(chǎn)生大量乳酸，并能夠迅速將蔗糖轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)多糖。,4.主要致齲菌 目前已經(jīng)證實(shí)的致齲菌有：變異鏈

23、球菌、遠(yuǎn)緣鏈球菌，乳酪乳桿菌、嗜酸性乳桿菌和粘性放線菌。（1）變形性鏈球菌：是最早確認(rèn)的致齲菌，在病變早期發(fā)揮重要作用，具有強(qiáng)致齲性。它能夠合成非水溶性葡聚糖，對牙齒的釉質(zhì)面及根面均有較強(qiáng)的黏附力；它能夠產(chǎn)生大量乳酸，并在pH低的酸性環(huán)境中生存。 (2)乳桿菌：能夠產(chǎn)生大量乳酸，并具有強(qiáng)耐酸性，但是與牙面的親和性很低，因而主要在齲病發(fā)展中起促進(jìn)作用。乳桿菌在深齲中檢出率高，在無菌鼠口腔中能產(chǎn)生點(diǎn)隙齲，與齲病密切相關(guān)的乳桿菌主要有乳

24、酪乳桿菌和嗜酸乳桿菌。 (3)粘性放線菌：粘性放線菌對牙面有較強(qiáng)的黏附力，能產(chǎn)生大量乳酸，主要誘發(fā)根面齲及鄰面齲。,二、牙菌斑與牙周病,（一）特異性牙菌斑學(xué)說與非特異性牙菌斑學(xué)說非特異性牙菌斑病因?qū)W說: 即牙周病是由非特異的口腔正常菌群的混合感染所致。這一學(xué)說強(qiáng)調(diào)牙菌斑數(shù)量的增加、或微生物毒力的增大、或宿主防御系統(tǒng)功能下降是牙周病發(fā)生的原因。 特異性牙菌斑學(xué)說: 即口腔微生物中大多數(shù)細(xì)菌是口腔正常菌群，只有少數(shù)細(xì)菌具有毒力，并

25、能夠損害宿主防御系統(tǒng)，當(dāng)這些細(xì)菌在牙菌斑中存在或達(dá)到一定數(shù)量時(shí)則可引起特定類型的牙周病。這一學(xué)說強(qiáng)調(diào)牙菌斑細(xì)菌的質(zhì)，認(rèn)為牙周健康區(qū)與病損區(qū)、不同類型牙周病的病損區(qū)之間的牙菌斑微生物構(gòu)成不同，只有某種或某些細(xì)菌與相應(yīng)類型牙周炎密切相關(guān)，在該型牙周病的發(fā)生發(fā)展中起關(guān)鍵作用。,（二）牙菌斑引發(fā)牙周病的機(jī)制1.細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物的直接破壞作用外毒素（exotoxin）：是細(xì)菌在生長過程中由細(xì)胞內(nèi)分泌到細(xì)胞外的毒性物質(zhì)，能夠抑制宿主蛋白質(zhì)的合

26、成，對宿主有細(xì)胞毒及神經(jīng)毒性作用。內(nèi)毒素（Endotoxin）：是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的脂多糖成分,是一種強(qiáng)烈的炎癥因子，能夠通過完整的齦溝上皮進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)而擴(kuò)散，對牙齦、牙骨質(zhì)和牙槽骨均有破壞作用。酶：牙菌斑細(xì)菌能夠產(chǎn)生多種水解酶，可破壞牙周組織而使炎癥擴(kuò)散。其他代謝產(chǎn)物：細(xì)菌代謝過程中產(chǎn)生的一些物質(zhì)對細(xì)胞具有損傷作用，如硫化氫、吲哚、有機(jī)酸銨鹽等。2.牙菌斑引起免疫性病理損害 牙菌斑是多種抗原的集合體，能夠引起宿主的免

27、疫反應(yīng),造成的破壞作用要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)菌直接引起的損害。,（三）牙周致病菌的特征 1992年Socransky歸納的牙周致病菌條件為： ①必須是毒性克隆株； ②具有引發(fā)疾病的染色體遺傳因子； ③宿主必須對該致病菌易感； ④數(shù)量超過宿主閾值； ⑤寄居于適當(dāng)位置； ⑥局部環(huán)境利于毒性因子的表達(dá)； ⑦牙菌斑中的其他菌群不能抑制該菌的致病過程。,目前已證實(shí)的

28、牙周病致病菌： 牙齦卟啉單胞菌（P. gingivalis） 伴防線放線桿菌（A.actinomycetemcomitans） 中間普雷沃菌（P. intermedia） 福塞類桿菌（T. forsythensis） 齒密螺旋體（T. denticola） 巨核梭桿菌（F. nucleatum） 微小消化鏈球菌（Peptostreptococcus micros

29、） 直腸彎曲桿菌（Campylobacter rectus） 侵蝕艾肯菌（Eikenella corrodens ）,（四）牙周致病牙菌斑的特征 位于齦緣或牙周袋內(nèi)，專性厭氧菌種類和數(shù)量更多，含可動菌和螺旋體，主要致病產(chǎn)物是破壞性酶和毒素。,第六節(jié) 牙菌斑的控制,機(jī)械法：刷牙，使用牙線、間隙刷等，潔牙 化學(xué)法：抗生素、植物揮發(fā)油、生物堿或酶、中藥制成含漱劑。,人有了知識，就會具備各種分