Nature Outlook：牙病怎么治？让口腔菌群告诉你

这是《肠道产业》第 797 篇文章

编者按

很久以前，科学家就认识到口腔微生物与口腔健康紧密相关，但是过去往往认为口腔中的微生物是造成口腔疾病的凶手，而近年来的研究表明，健康的口腔菌群可能对维持口腔健康至关重要。那么口腔菌群究竟与牙病之间有着怎样的关系呢？不同人的口腔菌群又有着怎样的特征呢？
今天，我们共同编译 Nature Outlook 杂志发表的关于口腔菌群的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

微生物与口腔健康

1924 年，变形链球菌首次被认为是导致龋齿的“元凶”，当时一位名叫 J.Kilian Clarke 的英国牙医在一个龋齿部位发现了这种微生物，并宣称它是罪魁祸首。

由于这种细菌很容易在口腔外培养和研究，科学家们在随后几十年里能够收集到越来越多的证据来支持这一有罪裁决：变形链球菌善于附着在坚硬的牙齿表面；它喜欢饮食中的糖分；而且它能大量产生酸——事实上，它能在可在牙釉质上“酸”出洞的酸性环境中茁壮成长。

到了 1960 年，许多牙医都认为变形链球菌是龋齿（蛀牙）的原因。在 20 世纪 70 年代中期，科学家们开始利用该细菌来开发一款龋齿疫苗。不过，这些研究人员并不知道，研发疫苗的方向是错误的。事实证明，变形链球菌并不是单独作用损害牙齿的。它其实还接受了其他微生物的帮助。

科学家们意识到口腔中存在微生物已经有几个世纪了，因为列文虎克在 17 世纪末报道了从他口腔内部刮出了活细菌，并在早期的显微镜下观察到它们会“非常漂亮地移动”。

随后，科学家们培养了他们所能培养的口腔内细菌，并研究了特定细菌的特征，还将口腔疾病归咎于某些微生物。

但在过去 20 年里，随着二代基因测序技术的普及，加上创新的成像工具，科学家们现在有了其他检查口腔微生物的方法。研究人员可以确定口腔中有哪些微生物存在，它们的组成结构如何，以及它们在人类健康中的功能是什么。

口腔菌群研究，正在改变长期以来关于微生物如何促进牙齿健康以及整体健康的观点。利用口腔微生物群落来改善口腔和整体健康的新方法可能就在眼前。

口腔菌群的结构和群落

尽管在进食、呼吸或咬指甲的过程中都会携带微生物进入口腔，但口腔菌群的成员仍保持稳定。

并非所有的微生物都能在口腔环境中存活，但每个人的口腔中平均会“居住”着约 250 种微生物¹，它们来自于 700 个左右有记载的口腔常驻微生物²。这些物种可以躲避唾液对微生物的防御作用，也适应了生活在一个温暖、潮湿并经常沐浴在氧气中的环境。

然而，仔细观察后你就会发现，口腔菌群并不是一个均一的生命集合，而是由口腔中不同部位的菌群共同构成。无论是最常研究的唾液或牙菌斑，还是口腔内的其他区域（如舌头、脸颊、上颚、喉咙或扁桃体），这些微生物似乎是它们所占据的生态位的专家。

“口腔中彼此相距仅数毫米的不同地方，居住着完全不同的微生物种群。”马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的微生物生态学家 Jessica Mark Welch 说。她和她的几位同事想知道细菌是如何处在每个生态位中的，以及它们如何设法茁壮成长。“我们想了解这些细菌是如何一起工作的，以及它们是如何相互作用的，为了了解这些，我们必须调查空间结构。”

Mark Welch 的同事 Gary Borisy 是一位细胞生物学家和成像专家，目前在马萨诸塞州剑桥市的福赛斯研究所工作，他帮助开发了一种显微镜方法——利用光谱荧光同时对 15 种或更多的细菌进行成像³。

他和 Mark Welch 用这种技术观察了牙菌斑，这是一种由微生物组成的生物膜。这些微生物将自己组织成一种类似于刺猬的排列方式：丝状细菌相互堆叠在一起，形成一个主要的刺状结构，其他生物则挤在刺状结构之间。

这种过程虽然会发生在健康的口腔中，但其他研究工作表明，微生物物种组成以及生物膜的物理结构在从健康到疾病的过渡中发生了变化。

阿姆斯特丹自由大学、阿姆斯特丹大学的口腔微生物生态学家 Egija Zaura 说，在 20 世纪 90 年代初她接受牙科培训时，她被教导说口腔生物膜是不好的。现在那种观点已经改变了——好与不好似乎取决于生物膜包含哪些微生物。

Zaura 说，鉴于刷牙对口腔健康有明显的好处，定期刷牙清除生物膜（至少对摄入大量淀粉和糖的人来说），一定会对口腔菌群产生积极的整体影响。微生物群落的长期稳定性支持了这样一种可能性，即任何存在于生物膜中的促进健康的微生物在刷牙后都会重新生长，并保护牙齿免受下一次酸浴。

一项研究表明，患有牙周炎的人在专业洗牙后，获得了不同的生物膜，其微生物种类的丰富程度有所增加⁴。

口腔微生物如何促进健康

现在很清楚的是，健康口腔中的整个微生物群落通过协同工作，为人类宿主提供服务。一些常驻微生物，例如唾液链球菌，具有抑制炎症的能力⁵。

细菌群落成员还有助于调节口腔的酸度：没有龋齿的人拥有的微生物能够将饮食中的精氨酸或尿素转化为可以平衡 pH 的氨。此外，来自细菌群落的代谢产物有助于杀死口腔病原体。

然而，口腔中的微生物支持的不仅仅是口腔健康。它们还将我们从水果和蔬菜中摄入的硝酸盐转化为亚硝酸盐，然后再转化为一氧化氮，帮助调节血压。

西班牙瓦伦西亚 FISABIO 研究所的细菌遗传学家 Alex Mira 说，很显然，随着人类的进化，人们（像许多其他哺乳动物一样）将从饮食中的硝酸盐制造亚硝酸盐的工作外包给了常驻口腔的微生物。“我们的身体没有酶来做这个，”他解释说，“我们完全依赖我们的口腔微生物。”

事实上，非处方杀菌漱口水会通过消灭有益的口腔微生物，来干扰这一关键过程。与牙膏不同，许多品牌的漱口水都有一种叫做洗必泰的活性成分，会破坏微生物。Mira 说，甚至在十年前，牙科的主流思想还是人们需要通过尽可能多地清除口腔细菌来保持口腔“清洁”。

但是现在，这被认为是愚蠢的——一项 2020 年的研究表明，健康个体用洗必泰漱口后，唾液菌群发生了重大变化，这导致口腔中的酸度增加、亚硝酸盐的可用性降低，并伴有血压上升的趋势⁶。

重新审视牙病的罪魁祸首

直到最近，牙医们还把不同的牙齿健康疾病归咎于不同的微生物。变形链球菌导致龋齿，牙龈卟啉菌导致牙周炎，白色念珠菌导致口腔念珠菌病（通常称为口腔鹅口疮）。

“对于牙科疾病，我们深受‘每一种疾病都应该有一个单一的致病微生物病原体’的影响。” Mira 说。20世纪 90 年代末，当福塞斯研究所的科学家提出，牙龈线下方牙菌斑中的复合微生物可能导致牙齿疾病时，研究人员开始改变他们对细菌对牙齿疾病影响的看法。

Floyd Dewhirst 是福赛斯研究所的一名牙医、药理学家和微生物学家，也是研究牙周病的科学家之一。在廉价的 DNA 测序技术出现之前，他就已经意识到口腔内微生物群落的重要性。

在 21 世纪初，随着下一代测序技术的普及，Dewhirst 发现了该领域进展的一个障碍：即使研究人员可以通过独特的基因序列（16S rRNA 基因）区分不同的人类口腔细菌，他们也无法为这些细菌命名或了解它们与其他微生物的关系。为此，他开发了综合数据库和临时命名系统，即人类口腔菌群数据库，为该领域提供了重要的资源。

Dewhirst 和其他人在这个数据库上的工作，使我们有可能对不同口腔部位的菌群的全部已知微生物进行编目，这个项目成为了人类微生物组计划的一部分，该计划是世界首次对健康个体微生物组进行的大规模调查之一。

该研究项目包括来自口腔内九个区域的标本。菌群的组成确实因人而异，不幸的是，这项研究也排除了识别健康菌群特征的可能性：每个区域的主要微生物往往是共享的，而不太主要的微生物却是高度个性化的。

人类微生物组计划的数据证实，口腔病原体会存在于有和没有口腔疾病的人中。当口腔疾病发生时，其他产酸细菌——如双歧杆菌或乳酸菌——有时被牵连进来；后来的研究证实，不同个体的龋齿与不同的微生物特征有关。

最新的理论认为，口腔微生物群落的转变允许那些通常受其他微生物控制的细菌变得具有毒性，从而导致口腔疾病。“在一个健康的生态系统中，这些细菌是可控的，” Mira 说，“如果它们成比例增加、改变了基因表达谱，就会成为病原体。”

Mira 和其他人已经写了关于口腔疾病的文章，认为它是由多种微生物引起的。他认为，到目前为止，研制出的龋齿疫苗尚未在临床试验中被证明有用的，其原因是它们针对的是没有规律和联系的单一微生物。

另一个可以用有关口腔微生物群落的知识来解决的难题是，为什么只有一小部分患者的牙龈炎（轻微的牙龈炎症）会发展为全面的牙龈疾病。这可能是因为生物膜中存在的具体微生物比是否存在牙齿生物膜更加重要，因为那些发展成牙龈疾病的患者的口腔微生物与免疫系统的互动方式不同，当患者发展为牙周炎时，会引发更多破坏组织的炎症。一些微生物会受益于炎症创造的生态位并茁壮成长，造成生态系统紊乱和炎症的恶性循环。

将口腔细菌及其宿主视为同一整体生态系统的一部分，可以更全面地了解什么决定了个人的牙齿健康。在这个关于牙齿疾病的新框架中，像吃甜食的频率或接触氟化物的频率等生活方式因素，可能会对整个微生物群落施加压力，使其向健康或疾病的方向转变。换句话说，生活方式很重要，但不是决定性因素。

相关研究发现，口腔菌群组成在结直肠癌、类风湿性关节炎和阿尔茨海默症等越来越多的疾病和症状中，都发生了改变⁷。

这些疾病与口腔菌群之间的任何现有因果关系可能都需要一段时间来解开，但与此同时，科学家们正在研究口腔微生物的变化是否能够可靠地预示疾病病因或进展。口腔菌群因其可及性和便利性，在寻找生物标志物方面意义重大。此外，与肠道菌群相比，饮食因素对口腔菌群的影响似乎很小，因此口腔微生物群落的稳定性使其具有强大的生物标志物潜力。

田纳西州橡树岭国家实验室 (ORNL) 的一个项目正在使用世界上最大的超级计算机之一，处理包括口腔菌群在内的各种身体部位菌群的大量数据，以搜索可能导致帕金森病、阿茨海默症和运动神经元病（也称为肌萎缩性脊髓侧索硬化症，ALS，俗称渐冻症）等神经系统疾病的医学相关生物标志物的模式。

“牙周病中的微生物与阿尔茨海默氏症有关。我们能否找到帕金森病和渐冻症与微生物之间的关联？”ORNL 的计算微生物学家 J. Chris Ellis 说，“其中一个目标是找到某人可能有患病风险的早期指标。也许到那时我们将能够开发出用于治疗或预防这些疾病状态的新药。”

迈向更好的牙科护理未来

目前牙齿护理的主要方式是手术和抗生素治疗。但是口腔菌群的研究可能会开创一个新纪元，在这个纪元内，口腔微生物可以被精确调控——甚至可能通过有目的地添加细菌来维持牙齿健康。

“我们的目标是在一个人的口腔中筛选出具有侵略性的菌株，并寻求用其他菌株取代它们，从而对口腔菌群进行微调。” Mark Welch 说道。然而，目前可用的益生菌可能无法胜任这一任务，因为口腔菌群对变化的抵抗力很强。

“要让随机的外部细菌融入口腔菌群是不容易的，”Dewhirst 说道，“因为它没有生物粘附网以进行互动。”

Mira 的研究小组已经确定了一种候选的口腔益生菌，是一种叫做牙科链球菌（ Streptococcus dentisani ）的细菌。研究人员从没有龋齿的人身上分离出的这种微生物有助于杀死口腔病原体——“dentisani”这个名字从拉丁语翻译过来就是“健康的牙齿”。

该团队目前正在解决技术方面的挑战，以提供这种棘手的细菌，同时在克服将此益生菌推向市场时的监管障碍。

另一种方法可能是塑造口腔环境的化学成分，以阻止龋齿和其他疾病的发生。市场上已经出现了含有精氨酸（产氨和降低 pH 作用）的牙膏，但 Mira 认为下一个最接近的方式可能是使用益生元：例如，牙膏中的硝酸盐，无论是作为盐还是蔬菜提取物，都可以用来选择性地滋养某些细菌以更好地支持健康。

Zaura 指出，预防性地定期去看牙医可以用来追求更有针对性的预防策略。她建议牙医可以像检查某个人牙齿的生理状况那样，检查菌群的活动。这将使牙医能够发现病人的薄弱环节，并施行策略改变口腔微生物生态，从而避免口腔疾病和其他可能的疾病。

“通过关注口腔健康，”Zaura 说道，“你可以做很多事情来支持身体健康。”

参考文献：

（滑动查看更多）

1.Bik, E., Long, C., Armitage, G. et al. Bacterial diversity in the oral cavity of 10 healthy individuals. ISME J 4, 962–974 (2010). https://doi.org/10.1038/ismej.2010.30

2.Kilian, M., Chapple, I., Hannig, M. et al. The oral microbiome – an update for oral healthcare professionals. Br Dent J 221, 657–666 (2016). https://doi.org/10.1038/sj.bdj.2016.865

3.Valm, A. M., et al. "Systems-level analysis of microbial community organization through combinatorial labeling and spectral imaging." Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108.10(2011):4152-4157.

4.Uzel, Naciye G., et al. "Microbial shifts during dental biofilm re-development in the absence of oral hygiene in periodontal health and disease." Journal of Clinical Periodontology 38.7(2011):612-620.

5.Kaci, G., et al. "Anti-inflammatory properties of [i]Streptococcus salivarius[/i], a commensal bacterium of the oral cavity and digestive tract." Applied and Environmental Microbiology 80.3(2013).

6.Bescos, R., Ashworth, A., Cutler, C. et al. Effects of Chlorhexidine mouthwash on the oral microbiome. Sci Rep 10, 5254 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-61912-4

7.Willis, J.R.; Gabaldón, T. The Human Oral Microbiome in Health and Disease: From Sequences to Ecosystems. Microorganisms 2020, 8, 308. https://doi.org/10.3390/microorganisms8020308

原文链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-021-02920-w

作者｜Kristina Campbell

编译｜Dayu

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编辑｜三木

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