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Dysbiotische Verschiebungen der mikrobiellen Gemeinschaft des supragingivalen oralen Biofilms durch häufigen Saccharosekonsum


Anderson, Annette; Rothballer, Michael; Altenburger, Markus; Woelber, Johan; Karygianni, Lamprini; Lagkouvardos, Ilias; Hellwig, Elmar; Al-Ahmad, Ali (2019). Dysbiotische Verschiebungen der mikrobiellen Gemeinschaft des supragingivalen oralen Biofilms durch häufigen Saccharosekonsum. Oralprophylaxe und Kinderzahnheilkunde:157-168.

Abstract

In-vivo shift of the microbiota in oral biofilm in response to frequent sucrose consumption Hintergrund: Die Entstehung von Karies ist assoziiert mit Verschiebungen in der mikrobiellen Gemeinschaft des dentalen Biofilms. Eine Erhöhung von azidogenen und azidurischen Mikroorganismen infolge von häufi-gem Konsum niedermolekularer Kohlenhydrate führt zu kariogener Plaque. Bislang gibt es kaum Studien, die den direkten Einfluss einer veränderten Ernährung auf den dentalen Biofilm in situ untersuchen. Daher wurden in dieser Studie die Auswirkungen eines gesteigerten Saccharose-Konsums auf die Plaque-Mikrobiota mit Hochdurchsatz-Sequenzierung untersucht. Material und Methoden: Um dentalen Biofilm zu erhal-ten trugen 11 Probanden intraorale Schienen mit bovi-nen Schmelzplättchen für jeweils 3 x 7 Tage, während sie ihre normale Ernährung beibehielten (Phase I). Es folgte eine 3-monatige Ernährungsphase (Phase II), in der die Probanden zusätzlich jeweils 5 x 2 g Kandiszucker in je 20 Minuten zwischen den Mahlzeiten lutschten. Am En-de der 2. Phase wurden die Schienen erneut 3 x 7 Tage getragen, auch während des Kandiszucker-Konsums, um dentale Biofilmproben zu gewinnen. Die Mikrobiota im aufgewachsenen Biofilm wurden mittels Illumina-Sequen-zierung der v1-v2-Region des 16S rRNA-Gens untersucht. Streptokokken wurden auf Art-Ebene mit der ARB-Software analysiert. Parallel dazu wurde die Oberflächenrau-igkeit der Schmelzplättchen mit einem Keyence 3D Laser-scanning Microscope VK-X210 gemessen. Ergebnisse: Die Plaque-Mikrobiota aller Probanden wurde in beiden Phasen von der Gattung Streptococcus dominiert, gefolgt von Neisseria spp., Granulicatella spp., Veillonella spp., Gemella spp. und Cytophaga spp. Artenzahl und Alpha-Diversität waren in Phase II mit er-höhtem Saccharose-Konsum signifikant verringert und eine Permanova-Analyse zeigte signifikante Unterschie-de der Beta-Diversität der beiden Phasen. In Phase II wurde eine signifikante Zunahme der Non-Mutans-Streptokokken S. gordonii (p = 0,001), S. sanguinis (p = 0,015) und S. parasanguinis (p = 0,004) fest-gestellt, während die Taxa Proteobacteria, Haemophilus, Aggregatibacter und Porphyromonas signifikant abnah-men. Die Oberflächenrauigkeit nahm in Phase II zu und zeigte beginnende Schädigungen der Schmelz-oberfläche. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass ein ge-steigerter Konsum von Saccharose mit einer erhöhten Prävalenz von Non-Mutans-Streptokokken einhergeht und gleichzeitig eine beginnende Schädigung des Schmelzes zur Folge hat, was die Annahmen der öko-logischen Plaque-Hypothese unterstützt. Background: Caries is associated with shifts of microbiota in dental biofilms and primarily driven by frequent sucrose consumption. Data on environmentally induced in vivo microbiota shifts are scarce therefore we investigated the influence of frequent sucrose consumption on the oral biofilm. Materials and Methods: Splint systems containing enamel slabs were worn for 3 x 7 days with 7-day intervals to obtain oral biofilm samples. After a 3-month dietary change of sucking 10 g of sucrose per day in addition to the regular diet, biofilm was obtained again at the end of the second phase. The microbiota was analysed using Illumina MiSeq amplicon sequencing (v1-v2 region). In addition, roughness of the enamel surface was measured with laser scanning microscopy. Results: The sucrose phase resulted in significant differences in beta-diversity and significantly decreased species richness. It was marked by a significant increase in abundance of streptococci, specifically Streptococcus gordonii, Streptococcus parasanguinis and Streptococcus sanguinis. Enamel surface roughness began to increase, reflecting initial impairment of dental enamel surface. Conclusion: The results showed that frequent sucrose consumption provoked compositional changes in the microbiota, leading to an increase of non-mutans streptococci, hence supporting the extended ecological plaque hypothesis and emphasizing the synergy of multiple bacterial species in the development of caries.

Abstract

In-vivo shift of the microbiota in oral biofilm in response to frequent sucrose consumption Hintergrund: Die Entstehung von Karies ist assoziiert mit Verschiebungen in der mikrobiellen Gemeinschaft des dentalen Biofilms. Eine Erhöhung von azidogenen und azidurischen Mikroorganismen infolge von häufi-gem Konsum niedermolekularer Kohlenhydrate führt zu kariogener Plaque. Bislang gibt es kaum Studien, die den direkten Einfluss einer veränderten Ernährung auf den dentalen Biofilm in situ untersuchen. Daher wurden in dieser Studie die Auswirkungen eines gesteigerten Saccharose-Konsums auf die Plaque-Mikrobiota mit Hochdurchsatz-Sequenzierung untersucht. Material und Methoden: Um dentalen Biofilm zu erhal-ten trugen 11 Probanden intraorale Schienen mit bovi-nen Schmelzplättchen für jeweils 3 x 7 Tage, während sie ihre normale Ernährung beibehielten (Phase I). Es folgte eine 3-monatige Ernährungsphase (Phase II), in der die Probanden zusätzlich jeweils 5 x 2 g Kandiszucker in je 20 Minuten zwischen den Mahlzeiten lutschten. Am En-de der 2. Phase wurden die Schienen erneut 3 x 7 Tage getragen, auch während des Kandiszucker-Konsums, um dentale Biofilmproben zu gewinnen. Die Mikrobiota im aufgewachsenen Biofilm wurden mittels Illumina-Sequen-zierung der v1-v2-Region des 16S rRNA-Gens untersucht. Streptokokken wurden auf Art-Ebene mit der ARB-Software analysiert. Parallel dazu wurde die Oberflächenrau-igkeit der Schmelzplättchen mit einem Keyence 3D Laser-scanning Microscope VK-X210 gemessen. Ergebnisse: Die Plaque-Mikrobiota aller Probanden wurde in beiden Phasen von der Gattung Streptococcus dominiert, gefolgt von Neisseria spp., Granulicatella spp., Veillonella spp., Gemella spp. und Cytophaga spp. Artenzahl und Alpha-Diversität waren in Phase II mit er-höhtem Saccharose-Konsum signifikant verringert und eine Permanova-Analyse zeigte signifikante Unterschie-de der Beta-Diversität der beiden Phasen. In Phase II wurde eine signifikante Zunahme der Non-Mutans-Streptokokken S. gordonii (p = 0,001), S. sanguinis (p = 0,015) und S. parasanguinis (p = 0,004) fest-gestellt, während die Taxa Proteobacteria, Haemophilus, Aggregatibacter und Porphyromonas signifikant abnah-men. Die Oberflächenrauigkeit nahm in Phase II zu und zeigte beginnende Schädigungen der Schmelz-oberfläche. Schlussfolgerung: Die Ergebnisse zeigen, dass ein ge-steigerter Konsum von Saccharose mit einer erhöhten Prävalenz von Non-Mutans-Streptokokken einhergeht und gleichzeitig eine beginnende Schädigung des Schmelzes zur Folge hat, was die Annahmen der öko-logischen Plaque-Hypothese unterstützt. Background: Caries is associated with shifts of microbiota in dental biofilms and primarily driven by frequent sucrose consumption. Data on environmentally induced in vivo microbiota shifts are scarce therefore we investigated the influence of frequent sucrose consumption on the oral biofilm. Materials and Methods: Splint systems containing enamel slabs were worn for 3 x 7 days with 7-day intervals to obtain oral biofilm samples. After a 3-month dietary change of sucking 10 g of sucrose per day in addition to the regular diet, biofilm was obtained again at the end of the second phase. The microbiota was analysed using Illumina MiSeq amplicon sequencing (v1-v2 region). In addition, roughness of the enamel surface was measured with laser scanning microscopy. Results: The sucrose phase resulted in significant differences in beta-diversity and significantly decreased species richness. It was marked by a significant increase in abundance of streptococci, specifically Streptococcus gordonii, Streptococcus parasanguinis and Streptococcus sanguinis. Enamel surface roughness began to increase, reflecting initial impairment of dental enamel surface. Conclusion: The results showed that frequent sucrose consumption provoked compositional changes in the microbiota, leading to an increase of non-mutans streptococci, hence supporting the extended ecological plaque hypothesis and emphasizing the synergy of multiple bacterial species in the development of caries.

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Item Type:Journal Article, refereed, original work
Communities & Collections:04 Faculty of Medicine > Center for Dental Medicine > Clinic of Conservative and Preventive Dentistry
Dewey Decimal Classification:610 Medicine & health
Language:German
Date:1 November 2019
Deposited On:30 Jan 2020 12:52
Last Modified:30 Jan 2020 12:52
Publisher:Deutscher Ärzte-Verlag
ISSN:1614-2217
OA Status:Closed

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