Nutriënt gemedieerde modulatie van de orale microbiologie

Parodontale aandoeningen, waarvan ernstige parodontitis de zesde meest voorkomende ziekte is, hebben een belangrijke impact op de volksgezondheid. Dit wordt geïllustreerd door het feit dat 11% van de wereldbevolking hieraan lijdt. Parodontitis wordt gedefinieerd als een infectie van de weefsels die de tand ondersteunen, wat leidt tot de vernietiging van het bindweefsel en kaakbeen, uiteindelijk resulterend in tandverlies. Terwijl algemeen geweten is dat tandplaque, ook wel biofilm genoemd, een belangrijke rol speelt in de ontwikkeling van parodontale ziekten, is de precieze microbiële oorsprong nog ongekend. De ecologische plaque hypothese stelt dat gastheer, omgeving, de aanwezigheid van parodontale pathogenen en de afwezigheid van beneficiële bacteriën de belangrijkste factoren zijn voor de ontwikkeling van parodontale aandoeningen. De verschuiving van een homeostatische microbiële samenstelling in de richting van een dysbiotische microbiële samenstelling in een vatbare gastheer kan leiden tot de ontwikkeling van parodontale aandoeningen. Huidige behandelingsmethoden voor parodontitis richten zich voornamelijk het verminderen van de bacteriële belasting, met uiteindelijk een verbetering van de klinische parameters tot gevolg. Snelle bacteriële translocatie en rekolonisatie verhogen echter het risico op terugkeer van de ziekte, waardoor een levenslange opvolging van de patiënten noodzakelijk is. Een nieuwe behandelingsstrategie richt zich op de gecontroleerde rekolonisatie van biofilms door middel van probiotische bacteriën. Hoewel deze probiotische aanpak reeds leidde tot een succesvolle verbetering van de klinische parameters, alsook tot een vertraging van de rekolonisatie door pathogene bacteriën, is de kolonisatie van probiotische bacteriën in de mondholte slechts tijdelijk. Naast de introductie van probiotische bacteriën kan stimulatie van de beschermende en gunstige eigenschappen van de natuurlijke microbiota een nieuwe behandelingsoptie zijn. Dit prebiotisch concept werd reeds onderzocht in de gastro-intestinale tractus, en richt zich op de inductie van selectieve veranderingen in de samenstelling van of de activiteit in de gastrointestinale microbiota met behulp van voedingsbestanddelen. Het hoofddoel van dit doctoraatsonderzoek was te onderzoeken of het prebiotisch concept kan worden geïntroduceerd in de mondzorg om zo mogelijks een alternatieve behandelingsbenadering voor parodontitis te kunnen betekenen.

Om mogelijke prebiotische substraten voor de orale gezondheid te vinden werden Phenotype MicroArrays gebruikt als high-throughput methode. De verandering in ademhalingsactiviteit van 16 orale bacteriën ten fevolge van 759 voedingsbestanddelen werd geanalyseerd. Multivariate statistische analyses werden gebruikt om de metabole associaties binnen en tussen bacteriële groepen te onderzoeken, en op die manier collaboratieve of concurrerende interacties van bacteriën te analyseren. Vervolgens werden substraten geselecteerd op basis van hun selectieve stimulatie van individuele bacteriën, en dit op vlak van metabole activiteit, groei en biofilmvorming. Zeven substraten werden vervolgens gebruikt in dual species competitietesten tussen beneficiële en pathogene bacteriën. N-acetyl-D-mannosamine, L-arginine, en beta-methyl-D-galactoside stimuleerden op selectieve wijze de gunstige orale bacteriën, wat leidde tot een onderdrukking van de pathogene soorten. Hierdoor werd de samenstelling van de biofilm gemeenschappen bestaande uit een mix van verschillende bacteriesoorten, verschoven naar een samenstelling voornamelijk gedomineerd door beneficiële orale bacteriën.

Om het selectief stimulerende effect op de beneficiële bacteriën te valideren werd een chemostaat cultuur met 14 modelbacteriën ontwikkeld. Negen mogelijke prebiotische substraten werden getest op deze multispecies biofilms, en de samenstelling van de biofilm werd vervolgens geanalyseerd door middel van vitaliteits qPCR. N-acetyl-D-mannosamine, barnsteenzuur, en het di-peptide Met-Pro bleken in staat te zijn om de beneficiële proportie van de biofilm tot boven 95% te stimuleren. Daarenboven werd het effect van omgevingsfactoren zoals pH, nutriëntbeschikbaarheid, zuurstofconcentratie en prebiotische dosis op de effectiviteit van de prebiotische substraten geëvalueerd. In alle experimenten werd N-acetyl-D-mannosamine geïdentificeerd als het meest veelbelovende prebiotisch substraat, vermits het de samenstelling van de biofilm verschoof naar een door beneficiële bacteriën gedomineerde gemeenschap van 97%. Daarenboven werd het potentieel van N-acetyl-D-mannosamine om de weerstand van gevestigde biofilms tegen binnendringende pathogenen te verhogen geanalyseerd. Incorporatie van pathogene soorten was significant verminderd in vergelijking met de controlebehandeling, hetgeen wijst op het feit dat gebruik van prebiotica in de mond om rekolonisatie en translocatie van pathogene bacteriën te controleren zeker een mogelijkheid is. Hoewel het exacte werkingsmechanisme van prebiotica verder moet onderzocht worden, gaf het onderzoek aan dat N-acetyl-D-mannosamine ook interfereert met de co-aggregatie tussen beneficiële en pathogene bacteriën. Het prebiotisch concept toont een veelbelovend potentieel als nieuwe invalshoek voor de behandeling van parodontale aandoeningen, vermits het leidt tot een verschuiving van de bacteriële samenstelling van biofilm gemeenschappen bestaande uit een mix van verschillende bacteriesoorten, naar een samenstelling die meer geassocieerd is met gezondheid en het de integratie van pathogene bacteriën in bestaande biofilms verhindert.