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L’ANGOLO DELLA MICROBIOLOGIA: IL MICROBIOMA ORALE-DI REMO BARNABEI

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Breve introduzione.

Redazione-Il termine microbiologia deriva dal greco μϊκρος che significa piccolo, βίος che significa vita, λογία che significa studio; è lo studio dei microgranismi, che sono organismi microscopici (cioè le loro dimensioni sono inferiori al potere di risoluzione dell’occhio umano, che è stimato circa 0,2 millimetri), unicellulari, talvolta riuniti in gruppi di cellule ma non organizzati in tessuti. Le loro dimensioni oscillano dai 100 nanometri (1nm = 10– 9 m) dei virus ai 30 micron dei grossi batteri e dei lieviti microscopici. La figura n. 1  illustra le dimensioni di vari tipi di cellule organuli cellulari, dei virus rispetto alle dimensioni dell’uomo adulto, delle macro-molecole e dell’atomo.

Fig. 1: dimensioni dei virus e dei batteri rispetto alle dimensioni del corpo umano, di vari tipi di cellule, organelli cellulari, molecole e atomi.

La microbiologia si occupa di esseri viventi unicellulari di dimensioni inferiori a a 0,2 millimetri e quindi invisibili all’occhio umano ma molto diffusi in natura; si occupa quindi di virus, batteri, funghi microscopici (lieviti) e prioni . Virus e prioni sono entità microscopiche che costituiscono  il trait d’union  fra i viventi e la materia inorganica, sono parassiti cellulari che diventano viventi quando riescono a penetrare in una cellula animale o in un batterio e a riprodursi sfruttando le strutture di sintesi delle cellule. La microbiologia ha numerose “armi” destinate allo studio dei microrganismi: il Microscopio ottico (mostrato nellaFigura 2)  scoperto nel 1600 dall’Olandese  Antony van Leeuwenheoek  che nel 1676 osservò  “animalculae” nella placca dentale) ormai evoluto fino all’ingrandimento di 1000 volte le dimensioni reali, il Microscopio elettronico, che consente di osservare anche virus e prioni, le tecniche colturali per batteri e virus, le tecniche sierologiche e le sofisticate tecniche di amplificazione degli acidi nucleici (DNA e RNA) come la Polymerase Chain Reaction. Con tali tecnologie il mondo dei microrganismi è ormai abbastanza conosciuto ed è emerso un regno degli degli “invisibili” ponderalmente equivalente al regno degli animali, a quello dei vegetali e a quello dei miceti macroscopici (funghi).

Fig.2: il prototipo di van Leeuwenheoek ed un moderno microscopio ottico.

Fig.3: gli esseri viventi sono raggruppati in 5 “regni” (“albero” di Wittacher 1959); la linea rossa rappresenta il limite di risoluzione dell’occhio umano (0,2 millimetri); le aree sono proporzionali alla dimensioni delle biomasse.

I microrganismi più importanti sia per la loro diffusione nell’ambiente e negli animali e piante (sono praticamente ubiquitari) che per ragioni economiche  essendo  utilizzati per il risanamento dell’ambiente (formano le “membrane biologiche” delle vasche di sedimentazione tipo  Imhoff e dei depuratori),nei processi di fermentazione  (i Lattobacilli vengono utilizzati per la produzione di yogurt e formaggi; gli Acetobacter per la produzione di aceto dal vino), nella industria farmaceutica per la produzione di alcuni antibiotici, nella industria alimentare per la produzione di alcuni cibi e bevande, nella concia delle pelli e del tabacco e nella preparazione delle fibre tessili (Figura 3).

Figura 3: i due aspetti del ruolo dei batteri: da un lato possono provocare nell’uomo, negli animali e nelle piante malattie anche gravi (tubercolosi, tifo, carbonchio etc), ma dall’altro sono preziosi “amici” dell’uomo.Nello stomaco dei ruminanti  servono alla digestione della cellulosa (metanobatteri anaerobi) mentre nell’intestino umano il microbiota (= flora batterica) intestinale produce sostanze utili come le vitamine del gruppo B e la vitamina K che noi non siamo in grado di sintetizzare ed permettono la digestione di molte sostanze alimentari; inotre i batteri intestinali formano una “patina” su tutta la mucosa intestinale che impedisce l’impianto dei batteri patogeni eventualmente introdotti con il cibo; quando alcune condizioni portano alla rimozione della “patina” (come dopo una prolungata terapia con antibiotici) alla flora batterica commensale intestinale si può avera l’impianto di specie batteriche patogene come il Clostridium difficile, che provoca gravi  diarree emorragiche specialmente nel paziente anziano (Figura 4)

Fiigura 4: ruolo protettivo della flora batterica  intestinale normale.

La vita è comparsa sul nostro pianeta 4 miliardi di anni fa nel caldo (la terra andava raffreddandosi)” oceano primitivo” (le terre emerse erano poche) e i batteri sono stati i primi esseri viventi sulla terra. Figura 5

Figura 5: i batteri sono stati i primi esseri viventi del nostro pianeta.

Le prime evidenze di vita cellulare risalgono a 3,6 miliardi di anni (il fossile più vecchio è stato trovato nel sedimento Australiano,già complesso);risalgono  a  3,4 miliardi di anni fa, nel Precambriano,i primi batteri fotosintetici, i Cianobatteri, trovati in Sud Africa e che, probabilmente hanno creato una atmosfera con Ossigeno che ha dato luogo ad uno sviluppo rapidissimo dei viventi aerobi e ad un fenomeno di evoluzione che ha consentito la comparsa (1,4 miliardi di anni fa) di cellule più complesse come le cellule “eucariotiche”, cioè provviste di un nucleo ben definito, simili alle cellule dei tessuti degli animali e dei vegetali. Figura 6

Figura 6: la cellula eucariotica compare molto più tardi rispetto

alle cellule dei batteri (“procariotiche” = senza un nucleo ben definito).

Si ritiene che le specie di viventi (animali, vegetali, funghi) attualmente presenti sulla terra derivino, attraverso complessi meccanismi evolutivi, dalle cellule batteriche primordiali e che i batteri “moderni” (Eubatteri) siano la evoluzione degli Archeobatteri, i batteri primordiali, che, peraltro sono ancora presenti in ambienti “estremi” come i batteri alofili del Great Salt Lake – Utah, i batteri termo-acidofili delle sorgenti calde sottomarine e dei camini vulcanici, i Metanobatteri del tratto digestivo dei ruminanti.

Figura 7: disegno che illustra la struttura della cellula batterica

Figura 8: i batteri si riproducono per scissione binaria: da una cellula “madre” originano 2 cellule “figlie” identiche.

 Le cellule batteriche sono cellule abbastanza semplici (Figura 7): il citoplasma è circondato da strutture dicontenimento cioè la capsula (che in alcune specie è assente), la membrana cellulare,la parete batterica;nel citoplasma sono immersi i ribosomi, dei vacuoli ed il cromosoma (un filamento di DNA che codifica per circa 4.300 proteine). I batteri si riproducono asessualmente per scissione binaria(Figura 8) con grande velocità, normalmente il tempo di divisione è di 20-30 minuti. Da una singola cellulla batterica, se le condizioni di crescita sono adatte (disponibilità di nutrienti, umidità, temperatura di 15-30° C ) dopo 12 ore si hanno 68.719.476.736 cellule.

Microrganismi normalmente residenti

Grazie alle caratteristiche di resistenza (all’essiccamento, ai fenomeni osmotici, ai raggi U.V., ai disinfettanti) che gli conferiscoscono  la”capsula” e la “parete” e alla loro capacità riproduttiva, i batteri hanno colonizzato tutti gli ambienti: un grammo di terreno contiene 1 milione-100 milioni di batteri; anche il corpo umano è normalmente colonizzato da batteri saprofiti. Nella Figura 9 viene descritta la distribuzione  qualitativa e quantitativa dei batteri saprofiti nei vari distretti corporei; sono batteri normalmente presenti che però possono diventare patogeni, ad esempio Escherichia coli, abbondantemente presente nell’intestino crasso può provocare cistiti ed uretriti quando cambia distretto

                                                                     Microrganismi normalmente residenti – n° di microrganismi/ml/g/cm2

        Figura 9: geografia delle specie batteriche normalmente presenti nel corpo umano e loro quantità.

La flora microbica presente all’interno e sulla superficie del corpo umano muta continuamente, sia quantitativamente che qualitativamente in virtù di fattori come: l’età, la dieta, lo stato ormonale, le condizioni di salute, le condizioni sanitarie, la igiene personale.

Ci sono distretti corporei scarsamente popolati come l’occhio (10 – 1000 batteri) in virtù della lacrimazione, le vie aeree in virtù della ventilazione, lo stomaco in virtù della produzione di acido cloridrico che determina un pH ambientale prossimo allo zero che viene sopportato da poche specie batteriche quali i Lattobacilli e purtroppo  da Helicobacter pilory che riesce, producendo ammoniaca, a determinare delle “nicchie” a pH più elevati nella mucosa gastrica spesso infiammandola ed erodendola (ulcera gastrica).

In alcuni distretti i batteri sono molto abbondanti e nella cavità orale e nell’intestino danno luogo a dei veri “ecosistemi” complessi.

L’ecosistema intestinale è ponderalmente più imponente essendo costituito da  1014 cellule batteriche appartenenti ad oltre 400 specie e dislocate in 2 nicchie ecologiche: quella del piccolo intestino di 104 – 106 microrganismi/cm2 costituita da Lactobacilli e cocchi Gram + e quella del colon di 1012 microrganismi/cm2 costituita da Bacteroides, Bifidobacter,Peptostreptococci,Fusobacteri. Lattobacilli, Enterobatteri,Enterococchi,Clostridi.

La cavità orale: è un complesso ecosistema polimicrobico (batteri, protozoi, miceti, virus)

L’ecosistema della cavità orale è qualitativamente più complesso costituito da batteri (circa 700 specie), protozoi, miceti, virus che si raggruppano in sedi diverse ed interagiscono con l’ambiente orale costituito da liquidi come la saliva (con pH quasi neutro  normalmente di 6,75-7,25),che contiene proteine e glicoproteine salivarie,  ioni, importanti fattori anti microbici: Lisozima, Lattoferrina, Sialoperossidasi, peptidi ricchi di istidina, anticorpi di classe IgA ed il Fluido gengivale crevicolare, liquido che assomiglia al siero del sangue che viene secreto nel solco gengivale e contiene cellule, anticorpi, proteine (albumina), enzimi (amilasi,lisozima), sali (fra cui bicarbonato di sodio, che ha potere tamponante). L’ecosistema orale è reso ancora più complesso per la presenza di aggregati polimicrobici che si accumulano alla interfaccia solido/liquido costituita dai denti e dalla saliva e che formano sostanza polimerica idratata che li avvolge, dando luogo ad un 

biofilm che cstituisce la placca dentale sopragengivale(Figura 10).

Figura10: il biofilm batterico si forma sul colletto, ma può progredire entro la tasca gengivale.

Quando, per le ragioni che vedremo, la placca dentale si estende alla tasca gengivale inizia la malattia parodontale e la calcificazione della placca con formazione del tartaro (Figura 10).

Nell’ecosistema orale si stabilisce, nel soggetto sano con una buona igiene orale, un equilibrio fra le numerose specie batteriche presenti e i sistemi di difesadell’ospite. La rottura di questo equilibrio comporta due conseguenze dannose: la carie e/o le parodontopatie.

Come già detto il microbiota orale è uno dei più numerosi e complessi del nostro organismo.

Un ml di saliva umana di un adulto contiene circa 100 milioni di cellule batteriche.

Considerando una produzione di circa 750 ml di saliva al giorno circa 8×1010 (80 miliardi) vengono rilasciati dalle mucose orali ogni giorno, pari a 5 – 10 grammi di cellule batteriche (peso umido) che vengono ingerite e che probabilmente influenzano il microbiota intestinale.

Nella cavità orale sono stati riscontrate circa 1322 specie batteriche oltre a funghi microscopici, virus, e protozoi (Figura 11)

         Figura 11: nel cavo orale grande varietà di microrganismi: batteri,funghi,virus, protozoi

Il ruolo dei funghi microscopici, soprattutto della Candida albicans, non è perfettamente noto ma si ritrovano nei biofilm sottogengivali di pazienti con periodontite cronica. Anche il ruolo dei protozoi (Trichomonas tenax, Entoameba gengivalis) non è conosciuto ma anche questi si ritrovano nella placca sottogengivale dei pazienti con gravi periodontiti. Per quanto riguarda i virus

recentemente virus come CMV, Epstein Barr, Papilloma and herpes simplex sembra giuochino un ruolo importante nella eziologia della malatti parodontale.

Per quanto riguarda i batteri anche nell’ individuo sano sono presenti moltissimi batteri sia

Gram-positivi (cocchi e bastoncelli) che Gram-negativi (Figura 12)

Figura 12: specie batteriche più frequentemente isolate nel soggetto sano. Altre specie vengono meno frequentemente nel soggetto sano ma aumentano nelle malattie parodontali (ad esempio Porphyromonas gingivalis).

Il microbiota orale nell’ adulto sano è dominato da varie specie di streptococchi, che colonizzano tutti i distretti orali, rappresentano la popolazione microbica più grande e in larga proporzione sono α-emolitici o viridanti, quindi non patogeni (se non si approfondano nelle mucose e non raggiungono il torrente circolatorio, come può accadere in caso di cure odontoiatriche). Le specie di streptococchi più rappresentate nella cavità orale del soggetto sano sono:

  • Streptococcus mutans: cresce sulla superficie del dente, è il più cariogeno ed è associato alle endocarditi.
  • Streptococcus sanguis: cresce sulla superficie del dente, è associato alla carie e alle endocarditi.
  • Streptococcus mitior: scarsamente cariogeno, è occasionalmente patogeno (endocarditi).
  • Streptococcus milleri(anginosus): isolato frequentemente nella placca dentale e sulle mucose; e associato agli ascessi dentali.
  • Streptococcus salivarius: non cresce sulle superfici dure, non è cariogeno e non provoca endocarditi.

Fig.13: Streptococchi orali e loro proprietà.

Nella cavità orale del soggetto sano prevalgono gli Streptococchi, batteri Gram-positivi aerobi o anaerobi facoltativi, dotati di metabolismo “fermentativo” cioè demoliscono le molecole degli zuccheri (glucosio, lattosio) a sei atomi di carbonio  convertendole a molecole di acido lattico a tre atomi di carbonio; se la crescita degli Streptococchi sulla superficie del dente è eccessiva questo comporta un riduzione del pH della saliva che bagna il dente da un valore di circa 7,0, cioè neutro fino a 3,5, cioè un pH decisamente acido che favorisce la demineralizzazione del dente e quindi la carie.Nel soggetto con malattia parodontale la flora batterica predominata dagli Streptococchi cambia e viene sostituita da batteri Gram-negativi anaerobi che essendo intolleranti alla presenza dell’ ossigeno tendono ad approfondire  nella tasca gengivale formando la placca batterica sottogengivale (Figura 14) e sono responsabili della notevole infiammazione che si crea nella tasca gengivale del dente, che provoca la

Figura 14: I batteri Gram-negativi anaerobi tendono a cercare condizioni di assenza di ossigeno; si approfondano nella tasca gengivale creando una grave infiammazione.

liberazione da parte delle cellule immunitarie (granulociti neutrofili e linfociti) di citochine infiammatorie come la Interleuchina-1β, che induce il riassorbimento del tessuto osseo su cui sono articolati i denti  (piorrea alveolare) e alla perdita dei denti.I principali batteri responsabili delle parodontopatie sono: Porphyromonas gingivalis, Bacteroides (Tannerella) forsythus, Prevotella intermedi, Treponema denticola, Fusobacterium nucleatum, Actinomyces actinomycetemcomitans ed altri. Il World Workshop in Periodontology consensus report  del 1996 ha indicato  A .A comitans , P. gingivalis e  B. forsythus come veri e propri patogeni periodontali. Ma già nel 1998 Socransky, studiando la flora batterica sottogengivale dei soggetti con vari gradi di parodontopatia, aveva riunito i batteri in gruppi ai quali aveva assegnato un colore dal verde al rosso. Il complesso verde comprende batteri abbastanza innocui, il complesso giallo batteri a pericolosità intermedia e nel complesso rosso (“red complex”) i batteri patogeni (Figura 15)

Figura 15: raggruppamento dei batteri sottogengivali secondo Socransky; il “red complex” comprende i batteri più pericolosi.

Ogni minuto la mucosa che circonda i denti (il parodonto) viene “visitata” da 30.000 Granulociti neutrofili, cellule fagocitarie che letteralmente “mangiano” i batteri e producono H2O2 (acqua ossigenata) che, insieme con enzimi proteolitici salivari,  ostacola la crescita batterica stabilendo un equilibrio con la flora batterica commensale/patogena della cavità orale.

Quando questo equilibrio si rompe si hanno i fenomeni cariogeni e/o le parodontopatie.

Perché batteri normalmente presenti nel cavo orale  diventano patogeni ?

La risposta a tale domanda risiede nella capacità dei batteri di formare biofilm cioè la placca dentale sopra e/o sottogengivale. Infatti già 20 minuti dopo una buona spazzolatura dei denti si riforma sul colletto dentale il biofilm (la placca è un biofilm).

La formazione del biofilm inizia con la adesione dei batteri planctonici della saliva, soprattutto gli Streptococchi Gram-positivi (“colonizzatori primari”), sulla superficie del dente richiamati da sostante nutritive come zuccheri e glucani alle quali si “aggrappano”; inizia poi la fase di colonizzazione: i batteri si moltiplicano attivamente e diventano numerosi e grazie ad meccanismo detto “quorum sensing” i batteri si attivano metabolicamente ed iniziano a secernere un esopolimero extracellulare che li ricopre: questo aggregato di batteri inclusi in una matrice extracellulare è il biofilm-placca.  Alla colonizzazione segue la fase di co-aggregazione : arrivano i colonizzatori secondari: batteri Gram-negativi che riescono ad agganciarsi ai batteri colonizzatori primari. All’interno del biofilm le varie specie batteriche presenti si avvantaggiano fra loro: spesso i prodotti del metabolismo di alcuni batteri servono da nutrienti per altre specie. Inoltre all’inerno della matrice i batteri non vengono raggiunti da disinfettanti (colluttori) o antibiotici. Il biofilm matura e da esso fuoriescono batterispesso  diversi dai colonizzatori primarie secondari (geneticamente e fenotipicamente modificati grazie allo scambio di materiale genetico fra le varie specie di batteri) che colonizzano altri denti (Figure 16,17,18)

Fig. 16: formazione del biofilm-placca.

Fig.17: la complessità del biofilm e delle interazioni fra batteri.

Figura 18: dal biofilm maturo fuoriescono batteri genotipicamente e fenotipicamente diversi e probabilmente più aggressi.Quando nella placca batterica sopragengivale si realizzano condizioni favorenti un eccessiva crescita delle specie Gram-positive fermentanti gli zuccheri come, ad esempio la eccessiva introduzione di zuccheri (saccarosio) o deficit di lisozima (enzima proteolitico) si instaurano i processi cariogeni (Figura 19)

Fig.19 : i processi cariogeni sono dovuti al cambiamento del naturale equilibrio della microflora con prevalenza degli Streptococchi fermentati il glucosio: S. mitis, S. nutans., iperproduzione di acidi con conseguente demineralizzazione dello smalto e danno ed erosione della dentina.Quando, soprattutto per scarsa igiene orale, fumo, stress,alcol, carenza di Lattoferrina (proteina che sequestra il ferro salivare e lo rende indisponibile ai batteri ai quali è indispensabile) nella placca sopra gengivale prevalgono i batteri del “red complex” si ha la malattia gengivale, con formazione della placca sottogengivale (i batteri anaerobi tendono “scavare” la tasca gengivale) e l’istaurarsi di uno stato infiammatorio locale che può avere riflessi sistemici importanti (Figura 20)

Figura 20: laperiodontite è dovuta alla prevalenza di batteri del “red complex”

Come si è visto i microrganismi possono produrre gravi danni alla cavità orale ma i batteri dannosi poso  essere antagonizzati con varie strategie; una delle più promettenti e l’uso dei Probiotici (batteri  “buoni).

Ma questo è un altro argomento.

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