The oral microbiome: Role of key organisms and complex networks in oral health and disease

The oral microbiome: Role of key organisms and complex networks in oral health and disease https://doi.org/10.1111/prd.12393 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/prd.12393

Los estados de salud y enfermedad oral reflejan las capacidades compositivas y funcionales de las interacciones entre especies dentro de la microbiota oral. La cavidad oral existe como un entorno microbiano altamente dinámico que alberga muchos sustratos y microambientes distintos que albergan diversas comunidades microbianas. Específico de la cavidad oral, las superficies dentales que no son programas facilitan el desarrollo de comunidades de biopelículas polimicrobianas altamente complejas, caracterizadas no solo por los microbios distintos que los comprenden, sino acumulativamente por sus actividades. Además de esta complejidad, la cavidad oral enfrenta desafíos ambientales casi constantes, incluidos los de la dieta del huésped, el flujo salival, las fuerzas masticatorias e introducción de microbios exógenos. La composición del microbioma oral se forma a lo largo de la vida por factores que incluyen la genética del huésped, la transmisión materna, así como los factores ambientales, como los hábitos dietéticos, la práctica de higiene oral, los medicamentos y los factores sistémicos. Este ecosistema dinámico presenta oportunidades para la disbiosis microbiana oral y el desarrollo de enfermedades dentales y periodontales. La aplicación de enfoques in vitro e independientes de la cultura ha ampliado la comprensión mecanicista de las comunidades polimicrobianas complejas dentro de la cavidad oral, así como los fundamentos ambientales, locales y sistémicos que influyen en la dinámica del microbioma oral. Aquí, revisamos el conocimiento actual y la comprensión actual de las comunidades microbianas dentro de la cavidad oral y las influencias y desafíos sobre este sistema que fomentan la homeostasis o provocan perturbación del microbioma y, por lo tanto, contribuyen a los estados de salud o enfermedad oral.

1 Introducción

El campo de la investigación del microbioma humano ha sufrido una revolución en su enfoque hacia la comprensión de cómo los microorganismos influyen en la fisiología de su huésped. ¹El desarrollo de métodos independientes del cultivo ha resultado en una mayor detección y clasificación de especies microbianas dentro de las comunidades microbianas. ²Las tecnologías, la secuenciación de biomarcadores y la metagenómica de escopeta se han convertido en herramientas estándar utilizadas para determinar la composición y la composición genética del microbioma humano. ³Otras tecnologías «-omics», como proteómica y metabolómica, respaldan hipótesis mecanicistas involucradas en vías microbianas causales relacionadas con los estados de salud y enfermedad. ^4, 5Desde que Antonie van Leeuwenhoek descubrió por primera vez la existencia de microbios en el siglo XVIII mientras analizaba la placa dental bajo un microscopio, la composición de las comunidades microbianas orales se ha estudiado ampliamente. ⁶Se han aislado más de 250 especies de la cavidad oral en cultivo y caracterizadas, incluidos varios patógenos clave, como Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis, Tannerella Forsythia, y Agregatibacter actinomycetemitans , involucrado en la etiología de la caries dental y la enfermedad periodontal. ^7– 9Un enfoque integrado hacia la comprensión de los estados de la enfermedad oral desde la perspectiva polimicrobiana ha surgido con el tiempo, atribuyendo la patología de la enfermedad no solo a los patógenos clave sino a las redes de microbios concurrentes, cuyas actividades colectivas contribuyen a la patogénesis. ^9– 12Como tal, la importancia de comprender las divergencias, entre la salud oral y la enfermedad, en los microbios que comprenden el sistema, así como su abundancia relativa y actividad funcional, además de los factores genéticos y las presiones ecológicas que impulsan tales cambios, es un enfoque principal de la investigación dentro del campo de la investigación de salud oral. ^{9, 13– 17}En las últimas décadas, los enfoques genéticos han arrojado luz sobre la capacidad funcional de los miembros de los microbiomas orales, los fundamentos mecanicistas de la caries y la patogénesis de la enfermedad periodontal, y las complejas dinámicas y factores de aptitud de organismos clave en microbiomas orales. ^3, 18

El ecosistema microbiano oral está constantemente expuesto a sustancias extrañas exógenas. ¹⁷Tales circunstancias son factores definitorios para la fundación de los microbios y su capacidad para persistir en este entorno, y hacer relaciones distintas entre microbio y huésped que dependen de las presiones selectivas. Colonizadores microbianos pioneros de la cavidad oral, como Estreptococcus suave , Streptococcus, Streptococcus gordonii , y Streptococcus salivarius, Muestre las características del núcleo que las hacen muy adecuadas para este nicho específico, ya que pueden unirse selectivamente a las células de la lengua y las mejillas antes de que surjan los dientes y pueden superar otras especies microbianas. ^17, 19Los dientes emergentes adquieren una capa protectora de glucoproteína, que establece la colonización microbiana sucesional de movimiento, lo que resulta en el desarrollo de comunidades de biopelículas polimicrobianas complejas, a saber, placa dental. ²⁰Estas complejas matrices de placa dental crean microambientes únicos que albergan microambientes ácidos y anaeróbicos, y por lo tanto seleccionan organismos distintos de los que crecen directamente en la superficie del diente. ²¹

La dieta proporciona recursos nutricionales para la microbiota oral y también sirve como una presión selectiva al enriquecer los organismos mejor adaptados para utilizar recursos dietéticos específicos derivados del huésped. ²²Los principales cambios dietéticos históricos a lo largo de la evolución van acompañados de cambios significativos en la microbiota oral. ^4, 23Los cambios en el estilo de vida que tienen lugar en la Revolución Neolítica, y la revolución industrial posterior, dio como resultado el desarrollo de la dieta occidentalizada, caracterizada por alimentos básicos dietéticos como carnes de animales de cultivo, productos lácteos, aceites vegetales refinados y granos de cereales procesados ​​que se divergían sustancialmente de las dietas preagriculturales. Hoy, tales componentes dietéticos son alimentos básicos de la dieta estadounidense, así como en muchos países desarrollados y en desarrollo. Tales cambios en la dieta fueron paralelos por cambios patológicos en la microbiota oral, incluida una mayor representación de organismos productores de ácido y tolerantes al ácido y patógenos periodontales. ^{17, 22, 24, 25}Mientras que la dieta influye en el microbioma oral, ^22, 24, 26Datos recientes indican que el microbioma oral influye en las preferencias dietéticas de su huésped. Ciertas bacterias, como algunas Clorria y Prevotella Las especies, se han asociado con umbrales de sabor, como dulce, agrio, salado y amargo, representando un mecanismo por el cual la microbiota oral influye en las preferencias dietéticas para mantener su membresía y persistencia en la cavidad oral. ^27, 28Los hábitos de higiene oral son otra fuente de influencia consistente en la microflora oral. ^29– 31El cepillo de dientes y el hilo dental pueden ser medios poderosos para interrumpir la placa, cuyos habitantes microbianos pueden causar desmineralización de dientes e inflamación gingival a largo plazo. ³²Sin embargo, los cepillos de dientes también pueden servir como depósitos para bacterias patógenas que luego pueden inocular la cavidad oral, teniendo en cuenta la importancia de desinfectar y almacenar adecuadamente equipos de higiene dental personal. ^28, 33Las nuevas pastas de dientes también han ingresado al mercado para dar forma intencionalmente a la microbiota oral a través de proteínas diseñadas para fomentar especies asociadas con comunidades bacterianas orales saludables, mientras que otros productos tienen propiedades antimicrobianas más generales. ^33, 34Los enjuagues bucales también están diseñados para tener el mismo efecto que la pasta de dientes, ya que reducen la carga microbiana a través de mecanismos antimicrobianos y bactericidas. ^35– 37

La influencia de la microbiota oral no se limita a esta ubicación. ³⁸Se han detectado microbios asociados a la cavidad oral en muchos sitios de órganos distantes, incluidos los intestinos delgados, los pulmones, el corazón, la placenta y el cerebro. ³⁹Se han establecido muchas asociaciones entre microbios orales, específicamente aquellas implicadas en la enfermedad periodontal, y otras afecciones crónicas comunes, como la enfermedad cardiovascular y la presión arterial alta. ⁴⁰Los datos sobre las conexiones mecanicistas involucradas en el desarrollo de la enfermedad en los sitios distantes de la cavidad oral permanecen dispersas, pero las investigaciones tempranas demuestran que los microbios asociados a la cavidad oral pueden influir en las respuestas inmunes y la patogénesis de la enfermedad fuera de la cavidad oral, y que su capacidad para colonizar los sitios ectópicos depende del estado actual de salud de ese sitio. ^39, 41Estos datos sugieren que el microbioma oral puede servir como un depósito para los patobionts que pueden contribuir o exacerbar la enfermedad en nichos de cuerpo remoto o sistemas de órganos. El microbioma oral se ha convertido en un componente cada vez más importante de las recomendaciones y prácticas en medicina dental. ⁴²Se están presentando nuevos enfoques para modular microbiomas orales. Por ejemplo, se están diseñando algunos probióticos orales para aumentar la alcalinidad de la cavidad y placa orales y otros se desarrollan para dirigir especies patógenas, como S mutans . ^43– 45La administración de suplementos, como la arginina, también puede afectar sustancialmente la composición y la producción metabólica de una comunidad microbiana oral y representa otro mango modular. ⁴³

2 técnicas de investigación

2.1 Enfoques independientes de cultivo basados ​​en secuencias para evaluar el microbioma

El campo de la investigación del microbioma humano ha revolucionado nuestro punto de vista sobre el papel de los microbios en el desarrollo y la salud de los mamíferos. Los enfoques tradicionales giraban en torno al cultivo de muestras clínicas in vitro, antes de probar sus roles en la patogénesis utilizando ensayos in vitro o in vivo. Un avance importante en este dominio ha sido el desarrollo de ratones sin gérmenes, animales criados, alimentados y criados en condiciones estériles, que ofrecen una herramienta útil para estudiar el microbioma. ⁴⁶Primero conceptualizado por Louis Pasteur en 1885, pero con usos solo se aprecia completamente en las últimas décadas, este enfoque permite la experimentación en mamíferos sin microbioma preexistente o un fondo microbiano altamente definido. ⁴⁶Los estudios seminales que usan ratones sin gérmenes confirmaron el papel del microbioma intestinal en una serie de enfermedades, incluida la obesidad, ⁴⁷Kwashiorkor, ⁴⁸y trastorno del espectro de autismo, ⁴⁹Al inducir características de la enfermedad en animales receptores después de la transferencia de un microbioma asociado al paciente. También se han empleado estudios que usan ratones libres de gérmenes en el contexto del microbioma oral, lo que demuestra el papel de la diabetes en la interrupción del equilibrio de la microbiota oral ⁵⁰y confirmar el papel de la microbiota oral en la patogénesis de la enfermedad periodontal. ^51, 52Los estudios en ratones libres de gérmenes también han identificado recientemente un papel novedoso de las fuerzas masticatorias en la obtención de respuestas de vigilancia inmune en la gingiva de una manera independiente del microbiota, consistente con el papel de los tejidos gingivales como una barrera fisiológica frente a los desafíos masticatorios en curso. ^53, 54

Los sistemas de cultivo de biopelículas in vitro que utilizan saliva humana o medios definidos han servido como un sustituto útil para la investigación de biopelículas orales y han arrojado luz sobre los mecanismos involucrados en la adherencia microbiana, las interacciones de especies, los tratamientos antibiofilm y la organización de la comunidad microbiana. ^55– 59Las biopelículas, con centros anaeróbicos y periferias aeróbicas, exhiben gradientes de oxigenación. ^60, 61Como las bacterias orales pueden ser fastidiosas, de crecimiento lento o requieren medios de crecimiento especializados, y muchas son anaerobios estrictos, las muestras deben recolectarse y cultivarse adecuadamente. ^62, 63Por lo tanto, los modelos in vitro deben diseñarse para tener en cuenta las presiones selectivas en la cavidad oral, incluido el flujo salival, la sucesión de biopelículas mediada por especies y sustratos inflamatorios, en el desarrollo de comunidades de biopelículas subgingivales. ^56, 64, 65Se han combinado modelos de biopelículas in vivo e in vitro en un modelo de crecimiento de biopelículas orales ex vivo para facilitar las interacciones complejas que tienen lugar en la cavidad oral durante la sucesión de biopelículas microbianas. ⁶⁶Si bien se han obtenido poderosas ideas sobre biopelículas orales de estudios de biopelículas in vitro, la dificultad de recapitular la complejidad de la cavidad oral in vitro complica el uso de tales enfoques para investigar las comunidades microbianas y comprender sus cualidades funcionales holísticas en su totalidad.

Los métodos independientes de la cultura han mejorado nuestra comprensión de la diversidad microbiana en la cavidad oral. Los avances en las tecnologías de secuenciación y espectrometría de masas han permitido la evaluación de la membresía de la comunidad microbiana, sus actividades funcionales y productos moleculares. ^{9, 14, 67– 70}Los enfoques basados ​​en secuencias para evaluar la composición microbiana incluyen enfoques de biomarcadores que se centran en un solo gen o región microbiana específica del reino que exhibe hipervariabilidad de secuencia (p. Ej. ⁷¹Dichos genes o regiones hipervariables permiten la identificación de los miembros de la comunidad microbiana, pero pueden ser limitadas en su capacidad para resolver especies o cepas relacionadas con filogenéticamente y no proporcionan información sobre el contenido de genes funcionales de los miembros microbianos presentes. ⁷²Como tal, son útiles para catalogar las diferencias en la composición de la microbiota, particularmente en grandes estudios, porque el enfoque es relativamente económico en comparación con otros enfoques basados ​​en secuencias, más resueltos. ^72, 73Los enfoques más nuevos han desarrollado estrategias para evaluar la presencia de bacterias en entornos con una señal microbiana de baja carga. ^74, 75Una de esas aplicaciones es el agotamiento de secuencias abundantes por hibridación, en la que la carga de ADN no microbiana se agota a través de la endonucleasa case de CRISPR orientada para mejorar las señales bacterianas en muestras con una carga bacteriana baja. ^74, 76

A diferencia de la secuenciación de ARN ribosómico 16S, las secuencias de metagenómica de escopeta permiten una evaluación paralela de todos los reinos microbianos (bacteriano, fúngico, viral) en una muestra dada. ^77, 78Este enfoque emplea la secuencia de fragmentación aleatoria y ligadura del adaptador de manera imparcial, todo el ADN extraído, lo que permite análisis más profundos del contenido de genes pangenómico en microbiomas. ³Los genomas completos de organismos, además del seguimiento de la tensión, se pueden extraer de los datos, lo que permite el análisis evolutivo de organismos específicos asociados con una enfermedad o entorno particular. ^79– 81La utilidad de estas técnicas se ha acelerado en gran medida por el advenimiento de las tecnologías de secuenciación de próxima generación, que proporcionan una mayor profundidad de lectura, una precisión mejorada y son un rendimiento más alto que los métodos más antiguos, como la secuenciación de Sanger. Tres compañías prominentes han dominado este campo hasta ahora, con Illumina Miseq ofreciendo secuenciación de lectura más corta, y las tecnologías de Nanopore de Pacbio y Oxford que proporcionan longitudes de lectura más largas. ⁷⁷Hay pros y contras de longitudes de lectura corta y larga: la tecnología de lectura corta proporciona abundantes datos de secuenciación que son menos propensos a errores que la tecnología de lectura a largo plazo; Sin embargo, puede ser difícil ensamblar genomas completos utilizando longitudes de lectura cortas debido a limitaciones en la tecnología para distinguir elementos repetitivos. Por el contrario, la tecnología de lectura larga proporciona más longitud de lectura pero a costa de tasas de error más altas. ⁸²La generación de ADN de alto peso molecular fue una limitación que impidió que la tecnología de lectura larga demostrara su máximo potencial para avanzar en las metodologías metagenómicas de escopeta; Sin embargo, las mejoras recientes en la preparación de la muestra han resultado en un mayor interés por el uso de esta tecnología en estudios metagenómicos. ^83– 85Usando la secuenciación metagenómica de escopeta, ahora es posible estudiar miembros del microbioma que no sea bacterias, incluido el viroma oral, en el contexto de enfermedades orales, junto con la enfermedad periodontal. ⁸⁶Los resultados obtenidos del pequeño número de estudios realizados utilizando secuenciación metagenómica de escopeta sugieren que el viroma oral puede ser tan significativo en la patogénesis de la enfermedad como el bacterioma oral. ^87, 88La metatranscriptómica, o la secuenciación de ARNm en una muestra, proporciona una instantánea de microbios transcripcionalmente activos. ⁸⁹El ARN tiene baja estabilidad y, por lo tanto, una vida media corta. Por lo tanto, la capacidad de los enfoques transcriptómicos para detectar ARN de bacterias funcionalmente activas y viables supera las limitaciones de los enfoques metagenómicos. Los avances en la secuenciación de ARN, como el cebado hexámero aleatorio, la evaluación de permisos de los transcriptomas microbianos y del huésped en paralelo y ahora se están explorando para evaluar el interactoma. ⁹⁰La secuenciación de células individuales se desarrolló inicialmente para fines de perfil inmune, pero se ha adaptado para permitir evaluaciones de células microbianas individuales. ⁹¹La evaluación de las células individuales de las muestras ambientales aumenta la tasa de detección de los organismos no cultivables al tiempo que brinda la oportunidad de hacer preguntas más novedosas relacionadas con las capacidades funcionales y los roles significativos de los organismos individuales dentro de las comunidades microbianas complejas. ^92, 93La aplicación de enfoques transcriptómicos ha demostrado ser extremadamente significativa para delinear la expresión génica microbiana y huésped en el contexto de la salud y la patología oral. ^14, 68, 94

El campo enfrenta algunos obstáculos clave, a saber, el desafío de separar las mezclas altamente complejas que son típicas de las muestras clínicas al tiempo que visualizan muchas moléculas de una naturaleza química diversa. En la enfermedad periodontal, existe un cambio característico en la composición de las bacterias orales que está en parte mediada por metabolitos bacterianos. ⁹⁵A pesar de sus inconvenientes, el uso de metabolómica podría proporcionar información mecanicista valiosa sobre cómo y por qué ocurre este cambio, y puede ofrecer pistas sobre puntos de tiempo críticos en los que las intervenciones terapéuticas o de estilo de vida pueden ser beneficiosas. En última instancia, los análisis multimodales longitudinales e integrados, que implican un rango de técnicas de perfil de alta resolución, representan, junto con los datos clínicos, la próxima frontera para comprender las interacciones microbianas del huésped desde el nivel de especie hasta el nivel molecular y las implicaciones de estos en la salud oral.

2.2 metabolómica y proteómica

Los desarrollos recientes en técnicas de perfil de alta resolución se han centrado adicionalmente en el perfil de moléculas pequeñas, como metabolitos y proteínas, que se detectan a través de la espectrometría de masas de cromatografía líquida o de gas o espectroscopía de resonancia magnética nuclear. La metabolómica representa el estudio de moléculas en muestras biológicas, que, en el caso de muestras humanas, pueden ser producidos por el huésped o su microbioma. ⁵La metabolómica proporciona información sobre las actividades metabólicas y funcionales del huésped y sus intrincadas interacciones entre especies codificadas dentro de este pangenoma. ⁸⁹La producción de metabolitos está influenciada por la disponibilidad de fuentes de energía, estresores ambientales y competencia entre los microbios dentro de un sistema. ⁵La metabolómica proporciona información importante relacionada con los cambios en las vías funcionales y metabólicas mediante el análisis de los perfiles de metabolitos divergentes presentados en el contexto de la salud o la enfermedad. ^96, 97En la enfermedad periodontal, existe un cambio característico en el perfil de las bacterias orales que está en parte mediada por metabolitos bacterianos, que comprenden una red de comunicación química. A pesar de sus inconvenientes, la metabolómica podría proporcionar información mecanicista valiosa sobre cómo y por qué ocurre este cambio, y ofrecer pistas sobre posibles intervenciones terapéuticas o de estilo de vida. Los análisis multimodales longitudinales e integrados son ideales para investigar las especies que están presentes, activas y que interactúan con las células huésped a lo largo del tiempo. Por el contrario, la proteómica busca analizar el proteoma, a saber, el perfil de todas las proteínas dentro de un organismo, tejido, células o líquido biológico, o subcomponente de cualquiera de estos. ⁹⁸Dichas aplicaciones proporcionan información relacionada con la expresión y la modulación de proteínas en condiciones específicas, como la salud o la enfermedad. ⁹⁹Estos análisis presentan la oportunidad de identificar proteínas presentes dentro de una muestra, así como la abundancia, modificaciones postraduccionales, isoformas e interacciones moleculares de proteínas. ¹⁰⁰Dichas tecnologías utilizan electroforesis en gel de 1 o 2 dimensiones/espectrometría de masas o cromatografía líquida/espectrometría de masas. ¹⁰⁰Se han aplicado aplicaciones proteómicas para comprender los cambios en el proteoma que divergen los estados de la salud periodontal de la enfermedad y para caracterizar aún más varios estados de enfermedad periodontal, incluida la gingivitis, leve, moderada, crónica y agresiva periodontitis. ^{70, 101– 104}

3 Asamblea comunitaria del microbioma oral

3.1 Colonización oral en la vida temprana

La cavidad oral es un sitio de primeros encuentros. Como guardián del canal alimentario, la cavidad oral es el primer órgano que se encuentra con alimentos y bebidas ingeridos, microbios exógenos, alérgenos y antígenos antes de pasar más allá de los tractos gastrointestinales y/o respiratorios. ⁵⁴Estas exposiciones ambientales directas en ausencia de epitelio queratinizado representan la cavidad oral como un sitio altamente susceptible para la infección. ¹⁰⁵De todos modos, las redes especializadas de células inmunes en la cavidad oral responden a los desafíos de este entorno fluctuante a través de señales específicas de tejido y respuestas inmunológicas exclusivas que se adaptan a la cavidad oral. ^{53, 106– 108}En línea con el papel de la mucosa oral como barrera fisiológica, las funciones de las redes inmunes dentro de esta mucosa reflejan los desafíos específicos del sitio que enfrentan la cavidad oral. Por ejemplo, contribuyen a la homeostasis en respuesta a las fuerzas masticatorias y desencadenan respuestas inmunes al desarrollo de comunidades microbianas patológicas. ^52, 53

La ontogenia inmune oral, como con el intestino, se desarrolla en 11 semanas de gestación, momento en el cual los componentes celulares relacionados con el sistema inmune del secretario prenatal demuestran la organización del tejido en los parches de Peyer. ¹⁰⁹Los resultados actuales de la investigación sugieren que la cavidad oral prenatal es estéril hasta el nacimiento, después de lo cual la colonización con microorganismos ocurre tras la exposición al entorno externo. ¹¹⁰Sin embargo, se han detectado bacterias orales en varios sitios dentro del útero. ^110, 111Curiosamente, en un estudio de 12 pares de neonato de madre, se encontró que la microbiota de la cavidad oral neonatal mostraba claras asociaciones con las de la placenta y no fue alterada significativamente por el canal de nacimiento o las microbiotas maternas, lo que sugiere que el neonatal microbiota puede tener un origen prenatal. ¹¹²Como tal, los estudios relacionados con esta pregunta garantizan una investigación futura. Las bacterias patógenas de la cavidad oral encontrada en varios sitios dentro del útero están asociadas con resultados adversos del embarazo, como el parto prematuro y la preeclampsia. ^113– 115Los estudios que investigan el microbioma placentario para comprender su papel en los embarazos prematuros han identificado bacterias asociadas con enfermedad periodontal, lo que sugiere una relación entre los microbiomas orales y placentarios. ^113– 116Microbios orales de géneros que incluyen Streptococcus, Fusobacterium, Neisseria, Prevotella, y Porphyromonas han sido recuperados de la placenta. ¹¹¹Curiosamente, la microbiota placentaria se asemeja más al del microbioma oral materno que al del intestino. ¹¹⁶Los estudios en animales han ayudado a confirmar el papel directo de la microbiota oral, y más específicamente los patógenos relacionados con la enfermedad periodontal, en los resultados adversos del embarazo. ¹¹⁷Del mismo modo, bacterias de origen oral, a saber Fusobacterium nucleatum , se identificaron en muestras de líquido amniótico y sangre del cordón umbilical de mujeres con complicaciones del embarazo, lo que sugiere la translocación oral a través de mecanismos hematógenos. ¹¹⁵ Fusobacterium nucleatum También se ha asociado con la muerte fetal. ¹¹⁸

Después del nacimiento, la colonización manifiesta de la cavidad oral con microbios ocurre dentro de las 8-16 horas como resultado de la transmisión de microbios verticalmente (a través de la exposición a la piel materna y los microbiomas vaginales), a partir de la dieta a través de la fijación oral por parte del bebé, y horizontalmente (desde interacciones humanas adicionales a las ya mencionadas). ^119, 120La boca infantil se coloniza por los primeros colonizadores orales asociados con el modo de entrega del bebé, ¹²¹demostrado al encontrar diferencias distintas en el filamento bacteriano predominante en las cavidades orales de los bebés entregados vaginalmente en comparación con las entregadas por cesárea. ¹²¹Se descubrió que Firmicutes, Bacteroides y Actinobacterias eran los más abundantes, respectivamente, en los bebés entregados vaginalmente, mientras que Bacteroides, Proteobacterias y Firmicutes eran más abundantes en los bebés entregados por cesárea. Con respecto al modo de entrega, se han observado grandes diferencias en la abundancia relativa a nivel de género para la mayoría de las filas, y se observan los aumentos más marcados para Lactobacilo especies en niños entregados vaginalmente y para Petrimonas Especies en niños entregadas por cesárea. Lactobacilo Las especies son componentes comunes del microbioma vaginal, con una fuerte consistencia encontrada entre los lactobacilos en la microbiota de la vagina y las de la cavidad oral de los bebés entregados vaginalmente después de un trabajo natural y el nacimiento.

La composición del microbioma oral se forma a lo largo de la vida por factores que incluyen la genética del huésped y la transmisión materna, así como por factores ambientales, como hábitos dietéticos, práctica de higiene oral, medicamentos, niveles de estrés y factores sistémicos (cifra (cifra 1). ^24, 129En lugar de ser reparado, la composición de la microbiota oral cambia a lo largo de la vida, de acuerdo con que la cavidad oral sea un entorno microbiano dinámico. La erupción de la dentición caducifolaria primaria introduce nuevos sustratos para la colonización microbiana, introduciendo así cambios ecológicos dentro del microbioma oral. ^130, 131Los cambios adicionales a lo largo de la vida, incluidos los hábitos dietéticos, la edad, los regímenes de higiene y los comportamientos (como el consumo de tabaco y alcohol), también influyen en los cambios en el microbioma oral. ¹³²Un estudio de 2020 de hisopos microbianos orales de origen público, tomado de una gran muestra representativa de la población general, mostró que la diversidad bacteriana de microbiomas orales parece disminuir con la edad, ¹³³Una observación que también se ha realizado en microbiomas gastrointestinales más bajos en relación con la dieta y el estado de salud. ¹³⁴A medida que los niños envejecen, sus microbiomas orales tienden a estabilizarse, una característica atribuida al establecimiento de hábitos de mantenimiento independientes de higiene oral, la adquisición de dentición permanente y el consumo de una dieta adulta con patrones dietéticos definidos más o sin menos o menos. ¹³⁵

Se ha debatido la importancia relativa, en la microbiota oral de la genética del huésped versus los factores ambientales. ^{123, 135– 139}En un gran estudio de muchos conjuntos de gemelos suecos jóvenes y de mediana edad, se exploró el efecto de los factores genéticos del huésped en la microbiota salival, las funciones metabólicas predichas y las respuestas inmunes a las bacterias orales. ¹⁰⁸Aquí, el uso de gemelos jóvenes y de mediana edad otorgó una comprensión de la genética versus el medio ambiente, ya que los jóvenes gemelos en el estudio vivían juntos y expuestos a antecedentes ambientales similares, mientras que los gemelos de mediana edad compartían factores genéticos pero habían vivido separados durante muchos años. La presencia y la abundancia relativa de todas las especies identificadas fueron influenciadas por factores ambientales y, por lo tanto, diferían de acuerdo con los factores ambientales a los que habían sido expuestos. Por el contrario, la influencia de los factores genéticos del huésped en estos parámetros fue variable a nivel de especie, principalmente demostrando fuertes efectos sobre la presencia y la abundancia relativa de 27 especies bacterianas. Las bacterias asociadas con los factores genéticos del huésped fueron especies asociadas a caries, incluidas S Mutans, Scardovia Wiggisae, y Estomatogaculum largo . Los factores genéticos también se asociaron con vías metabólicas predichas entre la microbiota salival, más específicamente en relación con el metabolismo de los carbohidratos. En apoyo de esto, un estudio diferente encontró que la heredabilidad de las funciones microbianas relacionadas con la producción de ácido era de casi el 76%. ¹²²Además, la heredabilidad de la caries es de casi el 50% entre los gemelos suecos. ¹⁴⁰En términos de respuestas inmunes, los factores genéticos se asociaron más fuertemente con las respuestas de anticuerpos séricos al patógeno periodontal putativo P gingivalis . En particular, existían fuertes factores genéticos del huésped para varios taxones y funciones metabólicas microbianas relevantes para el desarrollo de caries en la cohorte más joven, mientras que los fuertes factores genéticos del huéspedes en los niveles de anticuerpos séricos contra los patógenos periodontales conocidos existían en el grupo de edad avanzada. ¹⁰⁸

3.2 Colonización de biopelículas

Las superficies mucosas sirven como los principales sustratos disponibles para la colonización microbiana en la cavidad oral infantil. ¹⁴¹Los primeros colonizadores de la cavidad oral de los primeros detectados más frecuentemente incluyen Streptococcus, Staphylococcus, y Fusobacterium especies. ^142, 143Los estreptococos son capaces de adherirse a las células epiteliales y son un grupo bacteriano dominante en la leche materna. ¹⁴⁴Como tal, las especies estreptocócicas constituyen la mayoría de la microbiota oral infantil. Estreptococcus salivarius Demuestra la mayor abundancia relativa entre los recién nacidos y muestra una disminución constante después de los 3 meses de edad. ¹¹⁹Colonizadores tempranos adicionales, como Twin, Rothia, Granulicatella, y Haemophilus , presente a los 3-6 meses de edad y el aumento de la abundancia con el tiempo. ^141, 142En un estudio transversal sobre la adquisición de la microbiota oral por bebés, Mason y sus colegas encontraron que en el 85% de los bebés, la composición de la comunidad microbiana oral era similar a la de sus madres, lo que sugiere un papel importante de la madre en la introducción de comunidades microbianas orales a sus hijos. Además, el tabaquismo materno se asoció con mayores niveles de F nucleatum y Conciencia de Campylobacter entre los bebés. La erupción de dientes caducifolios crea nichos adicionales, como superficies de esmalte sin matorrales, bordes dentogingivales y un entorno subgingival, para la colonización de microbios. ^143, 145La erupción de los dientes conduce a la divergencia de la microbiota oral infantil de la microbiota materna, y tales cambios persisten entre los estados de dentición mixtos y permanentes.

La microbiota oral humana es notablemente diversa entre los individuos. ²⁹Sin embargo, a pesar de la filogenia diferente, las firmas funcionales entre la microbiota oral a menudo se conservan de un individuo a otro. ^13, 14Entre los bebés, se observan divergencias filogenéticas entre individuos antes de la erupción de dientes caducifolios ¹⁴³; Sin embargo, las firmas funcionales permanecen conservadas. ¹⁴³Se observa una marcada expansión de la diversidad filogenética y funcional microbiana oral con la erupción de dientes caducifolios, lo que sugiere la importancia de los ecosistemas microbianos relacionados y los cambios paralelos en los hábitos dietéticos (alimentos sólidos) a la diversidad de microbiomas orales. ¹⁴³Curiosamente, las comunidades microbianas salivales de cavidades orales de cohortes primarias solo dientes demuestran una mayor diversidad microbiana que las cohortes pre-dentadas, de dentición mixta y de dientes permanentes. La erupción del diente introduce la abundancia relativa de StrepticCucus, Gemella, granulicato, y Veillonella especies. ¹⁴³La expansión de las funciones microbianas en el momento de la erupción dental refleja cambios en el ecosistema oral, incluida la mayor expresión de genes relacionados con la adhesión, la formación de biopelículas, el transporte de membrana, la movilidad celular, los sistemas de secreción, la quimiotaxis, el ensamblaje de flagelos y la fosforilación oxidativa. ¹⁴³La exfoliación de la dentición primaria, la presencia de dentición mixta y la aparición de dientes permanentes continúan alterando el microbioma oral en la vida temprana y la infancia. ¹⁴³

Aunque el microbioma oral en los lactantes evoluciona con la edad avanzada, los colonizadores iniciales de la cavidad oral siguen siendo como colonizadores permanentes que influyen en esta trayectoria de colonización en la edad adulta. ¹⁴⁶La importancia de los colonizadores primarios sugiere que tales organismos pioneros juegan un papel clave en la determinación del desarrollo del microbioma oral y, por lo tanto, el estado de salud oral a largo plazo de los individuos. ¹⁴⁶La composición del microbioma oral no solo impacta localmente en la salud bucal, sino que también puede afectar la salud sistémica a lo largo de la vida. ³⁸Esto es demostrado por la asociación de varios estados de enfermedad con el microbioma oral, incluidos no solo caries y enfermedad periodontal, sino también cánceres orales, esofágicos, pancreáticos y colorrectales, enfermedad cardiovascular y enfermedad inflamatoria intestinal. ^147– 153En línea con las asociaciones sugeridas entre la salud bucal y la salud sistémica más adelante en la vida, se ha sugerido que las interrupciones en la microbiota oral temprano en la vida juegan un papel en los estados de enfermedad sistémica entre los niños. Dichas condiciones incluyen caries dental y formación de abscesos entre niños pequeños, aumento de peso infantil, apendicitis pediátrica y enfermedades inflamatorias pediátricas. ^154– 158Juntos, tales asociaciones entre el microbioma oral y la salud sistémica, en línea con el papel del microbioma oral materno para establecer comunidades microbianas intrauterinas e infantiles, fomentan los estudios futuros que proporcionan información sobre los mecanismos subyacentes de tales correlaciones.

3.3 Composición en la vida adulta

Después del colon, el microbioma oral representa la segunda microbiota más diversa en el huésped humano, con más de 700 especies bacterianas actualmente identificadas. ³⁵El Proyecto de Microbioma Humano NIH evaluó las composiciones microbianas, que abarcan tanto la abundancia relativa como los microbios representativos, en 9 sitios intraorales de 200 participantes y descubrieron que, en comparación con otros sitios de cuerpo colonizados (como el intestino y la piel), el microbioma oral tiene el conjunto central más grande de microbios que se comparten entre los individuos no elaborados. ^130, 159Además, el proyecto de microbioma humano encontró que el género principal entre los sitios intraorales, con más del 10% de abundancia y presente en más del 75% de las muestras, fue Estreptococo , específicamente Estreptococo oral , S leve , y Estreptococcus peroris . Otros miembros centrales con más del 1% de abundancia en al menos el 80% de las muestras de 1 o más sitios, incluyeron los de la familia Pasteurellaceae, las de los géneros Mellizo , Veillonella , Prevotella , Fusobacterium , Porphyromonas , Neisseria , Capnocitofaga , Corynebacterium , y Actinomyces , y aquellos de las órdenes Lactobacilales y LachnoSpiraceae. ¹⁶⁰Sin embargo, identificar específicamente la composición exacta de la microbiota oral entre los individuos es difícil debido a la naturaleza de la cavidad oral: un sistema abierto que se expone regularmente a alimentos, bebidas, microbios exógenos, aire y contacto humano. ⁹

3.4 La microbiota comensal y la salud oral

La microbiota oral comensal es importante para mantener la salud oral. Uno de esos mecanismos por el cual los comensales promueven la salud oral es a través de la resistencia a la colonización por los patógenos, en el que los comensales superan las especies patógenas para sustratos de colonización, lo que permite pocas oportunidades de integración por patógenos exógenos. ¹⁶¹Algunos comensales orales, como S Blood Demostrar antagonismo directo contra los patógenos orales. Streptococcus, Streptococcus Crested, Salivarius, S leve, Actinomyces naeslundii; y Haemophilus parainfluenzae se ha demostrado que disminuye la capacidad de P gingivalis para adherirse al sustrato. ^162, 163Además, los aislamientos clínicos de personas con buen estado de salud bucal contenían cepas de Streptococcus, Actinomyces, y Bifidobacterium, todos los cuales se demostró que inhiben el crecimiento de P gingivalis . ¹⁶⁴ Lactococcus leche; Una comensal de la microbiota oral, produce nisina, una bacteriocina que se ha demostrado que reduce la tumorigénesis oral y extiende la vida útil de los ratones con tumores. ^165, 166Además, la nisina se demostró recientemente in vitro para mitigar la tumorigénesis oral mediada por patógenos, la migración de células cancerosas e invasión celular del carcinoma de células escamosas orales in vitro, lo que sugiere un papel anticancerígeno para las especies comensales. ¹⁶⁷El microbioma oral también está involucrado en el ciclo sistémico de nutrientes en relación con el metabolismo del nitrato. ^168– 170Casi el 25% del nitrato ingerido se transporta, a través del circuito enteras, a la cavidad oral: aquí, los microbios orales reducen el nitrato a nitrito, que se lleva al torrente sanguíneo durante la digestión y se convierte en óxido nítrico. El óxido nítrico es importante para la salud cardiovascular, ya que ejerce vasodilatación y efectos antihipertensivos. ^{9, 168, 170}Dichos hallazgos demuestran la importancia del microbioma oral comensal para mantener la salud bucal y promover la salud sistémica. La disfunción de la señalización de óxido nítrico se asocia con hipertensión pulmonar, obesidad y enfermedad cardiovascular. ¹⁷¹Los estudios han encontrado que el uso del enjuague bucal antibacteriano puede aumentar la presión arterial como resultado de su efecto inhibitorio sobre el microbioma oral. ^172– 174Algunos organismos comensales pueden amortiguar el ácido producido por las bacterias asociadas a la caries al elevar el pH de la saliva a través de la producción de subproductos metabólicos alcalinos. ¹⁷⁵La respuesta de Stephan describe el restablecimiento de la homeostasis de pH después de los pulsos de carbohidratos en la cavidad oral: en esta reacción, las vías que generan álcali, incluidas las que producen arginina, ornitina, citrulina, glutamato, serina, tránera y urea, están estimuladas después de la información de glucosa. ¹⁷⁶Los organismos involucrados en el restablecimiento de la homeostasis de PH incluyen S Sangre de S Gordon y Lactobacillus casei . ¹⁷⁷

3.5 disbiosis microbiana y enfermedad oral

Por el contrario, los estados de la enfermedad oral son inducidos por la disbiosis del microbioma oral. ^178, 179Dicha disbiosis es impulsada por varios factores, incluida la dieta del huésped, las respuestas inflamatorias, las interrupciones sistémicas y los hábitos como la ingesta de alcohol, el tabaco de fumar y el consumo de alcohol. ^{50, 180– 186}Dental caries is attributed to high dietary intake of carbohydrates, leading to increased production of acid by microbes (which reduces the buffering capabilities of saliva), reductions in salivary pH, increased production of biofilm exopolysaccharide matrix (that entraps and concentrates acids on enamel surfaces), and induction of positive-feedback loops that encourage outgrowth of aciduric and acidogenic species, including S mutans y Lactobacilo especies. ^{8, 9, 22, 181, 187– 189}Las lesiones cariñas, si no se tratan, pueden conducir a patologías orales más avanzadas, como la formación de abscesos o la afectación de la pulpa. ¹⁹⁰La caries dental no tratada es la razón más común para la hospitalización de los jóvenes. ¹⁵⁵Fleming y Afful descubrieron que las lesiones cariñas no tratadas entre los adolescentes comprenden casi el 15%del total de casos de caries entre adolescentes de 12 a 19 años, con lesiones cariosas no tratadas principalmente en jóvenes negros no hispanos (17.1%), seguidos de hispano (13.5%), blanco no hispano (11.7%) y no hánico (10.5%) (10.5%). ¹⁹¹Además, la prevalencia de caries no tratadas disminuyó del 18.6% para los jóvenes que viven por debajo de la línea federal de pobreza al 7% entre los jóvenes en familias con ingresos 300% por encima de la línea federal de pobreza. ¹⁹¹

La enfermedad periodontal es causada por la disbiosis de las comunidades microbianas subgingivales que afectan negativamente el sistema inmune del huésped de modo que crea y mantiene la inflamación no mitigada en los tejidos gingivales y periodontales, evitando así la subversión inmune y la recuperación del tejido. ¹⁰Las especies clave en la biopelícula oral se reconocen como agentes etiológicos en el desarrollo de la enfermedad periodontal: estas especies incluyen las bacterias del complejo rojo: T Forsythia , Treponema denticola , y P gingivalis— que exhiben la capacidad de impulsar los procesos involucrados en la patogénesis de la enfermedad periodontal al orquestar la reestructuración de la microbiota y promover la inflamación. ¹⁷⁸Los procesos inflamatorios e inmunomediados, instigados directamente por los microbios en el entorno local de la placa, median el desarrollo de gingivitis y enfermedad periodontal. ²¹Los procesos inflamatorios tempranos, como la gingivitis, pueden mitigarse a través de la higiene oral y la eliminación de la biopelícula bacteriana. La placa estable, que también puede adquirir patógenos oportunistas, puede causar inflamación a largo plazo que conduce a una enfermedad periodontal. ²¹Si bien las características de inflamación de la gingivitis son en su mayoría reversibles, la periodontitis da como resultado un daño irreversible a largo plazo a los tejidos periodontales y al hueso alveolar que se manifiesta como desprendimiento de tejido del diente, la formación de un bolsillo en el que las bacterias patógenas pueden proliferar más y eventual la pérdida de dientes en las etapas avanzadas de la enfermedad. ^192– 195

3.6 Microbioma oral en enfermedad sistémica

Además de causar enfermedad local (periodontal), la infección oral tiene implicaciones en la enfermedad sistémica. Se han identificado tres mecanismos primarios que vinculan la infección oral con la patología sistémica: propagación de la infección de la cavidad oral como resultado de la bacteriemia transitoria; circulación de toxinas microbianas; e inflamación sistémica causada por respuestas inmunológicas adversas a los microbios orales. ¹⁹⁶La saliva contiene 10 ⁹Las bacterias por mililitro, con las bacterias presentes en la saliva que se desprende de la lengua, las mejillas y la placa dental y gingival. ¹⁹⁷Entre 0.75 y 1.5 L de saliva se producen por día por la cavidad oral y la mayoría se traga solo o con comida o bebida. ¹⁹⁸Por lo tanto, las bacterias orales se transfieren con frecuencia al intestino. La mayoría de las bacterias orales no están bien adaptadas para sobrevivir en un tracto gastrointestinal inferior saludable; Sin embargo, se encuentran niveles aumentados de microbios asociados con orales en el intestino de pacientes con enfermedad inflamatoria intestinal, VIH, cirrosis hepática y cáncer de colon. ^39, 41Estas enfermedades a menudo se asocian con una microbiota intestinal perturbada, lo que sugiere una mayor capacidad de los microbios orales para colonizar ectópicamente en el contexto de la desregulación inmune. Por ejemplo, Klebsiella Se ha demostrado que las especies aisladas de las cavidades orales de pacientes con enfermedad de Crohn son colonizadores efectivos del intestino de ratones libres de gérmenes. ³⁹Oral Klebsiella Las especies también pueden estimular la inducción de células T-Helper y causar inflamación colónica severa en los modelos de ratones genéticamente susceptibles a través de genes inducibles por interferón positivo en las células dendríticas del huésped y las células epiteliales colónicas, lo que demuestra la estimulación del tejido lymfoide asociado a la intestina. Se presume que los estados de enfermedad, como la inflamación intestinal crónica, pueden permitir que las especies aerotolerantes de la cavidad oral colonizaran los sitios distantes de manera más efectiva. ³⁹

La enfermedad periodontal comparte muchos vínculos asociativos y causales con la enfermedad sistémica, y aumenta la susceptibilidad a las enfermedades sistémicas a través de factores de riesgo compartidos, como al albergar anaerobios gramgénticos patógenos en biopelículas subgingivales, y al diseñar el periodoncio como un depósito para mediadores proinflamatorios proinflamatorios. ¹⁹⁹Las biopelículas subgingivales tienen una gran carga bacteriana y, debido a su proximidad a los tejidos periodontales más profundos, pueden servir como depósitos de lipopolisacáridos y patógenos gramnegativos para la circulación sistémica. Cuando está presente en la circulación sistémica, el lipopolisacárido induce resultados patológicos en la vasculatura, incluida la producción de infiltrado inflamatorio dentro de las paredes de los vasos y la coagulación intravascular. ^200, 201Además, el lipopolisacárido induce la secreción de factores inflamatorios que promueven la agregación y la adhesión plaquetaria, la formación de células de espuma lipídica y la acumulación de depósitos de colesterol. ¹⁹⁶Los tejidos periodontales enfermos además almacenan mediadores proinflamatorios asociados con periodontitis. ^{51, 183, 202}Dichas moléculas proinflamatorias pueden acceder directamente al sistema de circularidad (cardiovascular) e inducir efectos sistémicos, como la coagulación y la trombosis, la agregación plaquetaria y la adhesión, y la acumulación de depósitos de colesterol. ¹⁹⁶Como tal, la enfermedad cardiovascular demuestra una estrecha asociación con la infección oral. ^203, 204La enfermedad periodontal predispone a los humanos a patologías cardiovasculares, como la aterosclerosis e infarto de miocardio, como resultado de inducir niveles mayores de citocinas proinflamatorias sistémicas, células inflamatorias e infiltrados, y conteos de glóbulos blancos. ¹⁹⁹

La artritis reumatoide es una enfermedad autoinmune crónica caracterizada por inflamación sinovial que puede provocar daños en el cartílago articular y el hueso. ²⁰⁵Los estudios han revelado un vínculo entre la artritis reumatoide y la disbiosis de los microbiomas intestinales y de cavidad oral, y existe una correlación a largo plazo entre la enfermedad periodontal y la artritis reumatoide. ²⁰⁶Cuando se trata la artritis reumatoide, el microbioma oral se restaura parcialmente y viceversa. ^207, 208Anticuerpos contra P gingivalis Los factores de virulencia se elevan en pacientes con artritis reumatoide de una manera que se correlaciona con la gravedad de la enfermedad. ^209, 210Recientemente, se han logrado un progreso significativo para descubrir la base mecanicista de esta asociación. El desarrollo de la artritis reumatoide se produce en gran medida a través de una pérdida de tolerancia a las proteínas que han sufrido citrulinación (es decir, modificación postraduccional de una arginina cargada positivamente en un grupo de citrulina neutral). ²⁰⁵La citrulinación de la arginina ocurre a través de la acción de la peptidil arginina deiminasa, una enzima que se encuentra tanto en los humanos como en P gingivalis . ²¹¹Infección con P gingivalis y el desarrollo posterior de la disbiosis microbiana estimula una respuesta inmune proinflamatoria en la gingiva en respuesta a los lipopolisacáridos y endotoxinas producidas por el aumento de los patógenos bacterianos. ²¹²Esta respuesta se caracteriza por una mayor activación de las poblaciones patológicas de células T por complejos que presentan antígeno y la producción de citocinas proinflamatorias. ⁵² Porphyromonas gingivalis También expresa peptidil arginina desaminasa, que citrulina proteínas gingivales y péptidos bacterianos, y también sufre autocitrulinación. ²⁰⁸La citrulinación de las proteínas locales en la encía estimula la producción de anticuerpos a la peptidilginina deiminasa citrulinada y P gingivalis . La citrulinización de la proteína local en la gingiva promueve la producción de peptidil arginina desaminasa anticitrulinada y anticuerpos contra P gingivalis . La peptidil arginina desaminasa humana induce la misma acción en las articulaciones. Porphyromonas gingivalis La α-enolasa citrulinada de peptidil arginina desaminasa también puede generar anticuerpos que reaccionan con α-enolaseyes citrulinados de huéspedes similares, provocando actividad de autoanticuerpos a través de la imitación molecular. En última instancia, la inflamación de larga data evoluciona hacia la artritis reumatoide crónica.

Porphyromonas gingivalis y la enfermedad periodontal también se ha identificado como factores de riesgo significativos para el desarrollo de placas beta amiloides, demencia y enfermedad de Alzheimer. ²¹³Gingipains, otro factor de virulencia de P gingivalis , están implicados en la patología de la enfermedad de Alzheimer. Un diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer se correlaciona con la carga de gingipaína en el cerebro y también con otros P gingivalis -pecíficos factores de virulencia, incluido P gingivalis lipopoliacárido. Gingipains colocalizan con la proteína Tau, una proteína en el cerebro que se plega mal e insoluble en pacientes con enfermedad de Alzheimer. Ahora se ha demostrado que Gingipains escinde la proteína tau y contribuyen a la formación de enredos de tau resultante de la enfermedad. Estudios en ratones han demostrado que oral P gingivalis Invade constantemente el cerebro de una manera asistida por gingipain, y que la inyección de gingipains en el cerebro aumenta la degeneración neuronal a un nivel más alto que el encontrado en los controles. ²¹³

La periodontitis también se asocia con un mayor riesgo de carcinoma de células escamosas orales. ^214, 215Un estudio reciente de Kamarajan y sus colegas investigaron los mecanismos por los cuales T denty -Dicholas, p gingivalis, y F nucleatum Promover la carcinogénesis oral. Sus hallazgos demuestran que T denty -Dicholas, p gingivalis, y F nucleatum Mejorar la migración celular, la invasividad, la semilla y la tumorigénesis oral de los carcinomas de células escamosas orales, pero tienen poco efecto sobre la proliferación celular y la apoptosis. ¹⁶⁷Además, una comprensión mecanicista de esto se atribuyó a la diafonía entre los patógenos orales y la quinasa de adhesión de integrina/focal y las vías de señalización de Toll-Like Toll/MyD88. Curiosamente, estas interacciones fueron revertidas por el tratamiento con la bacteriocina, nisin. ¹⁶⁷

La relación del microbioma oral con salud sistémica es bidireccional, lo que significa que la enfermedad sistémica también puede influir en el microbioma oral. La diabetes mellitus tipo 2, y la hiperglucemia relacionada con esta enfermedad, se asocian con un mayor riesgo de periodontitis como resultado de las complicaciones vasculares de la diabetes y el aumento de los niveles de moléculas proinflamatorias. ^216– 218Se han encontrado diferencias en la composición de la placa subgingival entre los pacientes con periodontitis, con o sin diabetes tipo 2; Específicamente, los pacientes con diabetes albergan proporciones más altas de Capnocitofaga especies , F nucleatum, eikenella corrodens; y Un actinomycetemcomitans que los pacientes sin diabetes. ²¹⁹ Capnocitofaga Las especies son organismos sacarolíticos que se ha demostrado que demuestran un mayor potencial proteolítico en presencia de niveles elevados de glucosa. ²²⁰ Fusobacterium nucleatum y Un actinomycetemcomitans son bien reconocidos en la enfermedad periodontal, ^220, 221y F nucleatum se destaca por su papel en el desarrollo de microambientes anaeróbicos que facilitan el crecimiento de los patógenos periodontales anaeróbicos. ²²²Además, Y corroyenses está asociado con periodontitis crónica y agresiva. Curiosamente, un aumento de las proporciones de las bacterias sacarolíticas, incluidas Streptococcus, Neisseria, y Veillonella , se especulan que ocurren entre los pacientes con diabetes como resultado del aumento del contenido de glucosa en el líquido griegal de suero y gingival de dichos pacientes, que selecciona el crecimiento de estos organismos. ^219, 223El estrés psicológico crónico también se clasifica como un indicador de riesgo para la enfermedad periodontal y puede servir como un signo temprano de mayor riesgo de desarrollo de la enfermedad periodontal. La evidencia emergente sugiere que el estrés crónico y las enfermedades relacionadas, como la depresión y la ansiedad, pueden ser factores significativos que contribuyen al desarrollo de la disbiosis oral, la progresión de la enfermedad periodontal/periimplante y la curación de heridas inconsistentes después de la terapia periodontal. ^{125, 224– 226}Además, se ha demostrado que la hormona del estrés, cortisol, induce directamente los cambios en la composición de la comunidad microbiana oral y en sus perfiles de expresión génica in vitro, que reproduce los resultados encontrados para los perfiles de expresión génica de la comunidad microbiana oral en enfermedad periodontal y durante su progresión. ⁹⁴

4 Formación de placa y enfermedad periodontal

4.1 Biogeografía y ecología de la cavidad oral

Existen muchos microambientes distintos en la cavidad oral, y estos se usan como nichos distintos para la colonización microbiana. Las superficies de esmalte sin matorrales, la grieta gingival, el epitelio mucoso de las mejillas, el dorso de la lengua y las criptas amultáneas, juntos presentan la cavidad oral como un entorno microbiano complejo con una topografía amplia. ^227, 228Las superficies dentales dentales de esmalte dental presentan una oportunidad única para la formación de biopelículas microbianas maduras. Las superficies del esmalte están recubiertas por una grano salival adquirida, compuesta de proteínas, lípidos, glucoproteínas y glicolípidos que permiten la adherencia inicial por los colonizadores primarios. ^229, 230La cavidad oral como entorno microbiano se complica aún más por los gradientes espaciales creados por el flujo salival, la disponibilidad de nutrientes, la concentración de oxígeno, la saliva y los fluidos griegales gingivales, ^{61, 227, 231, 232}Además de las perturbaciones ambientales regulares causadas por la alimentación y la masticación, el movimiento facial relacionado con el habla y la expresión, y las prácticas de higiene oral. ²²⁷La variación en la cantidad y velocidad del flujo salival experimentado por estos sitios, dictada por la proximidad a las glándulas salivales, afecta la composición de las comunidades microbianas albergadas en nichos distintos. ²³¹Dentro de la biopelícula, los gradientes espaciales químicos y nutricionales se crean como resultado de patrones de colonización microbiana, sucesión microbiana, metabolismo microbiano y ciclo de nutrientes. Por ejemplo, colonización por Corynebacterium proporciona filamentos largos en los que se crean microambientes distintos, y los estreptococos en la periferia de biopelículas orales producen lactato, que sirve como sustrato preferido para el catabolismo por Veillonella , Corynebacterium , y Eubacterio especies. ^61, 233Además, los estreptococos aeróbicos crean un entorno anaeróbico a través de la producción de dióxido de carbono, lactato y acetato, facilitando el crecimiento de anaerobio Fusobacterium , Leptotrichia, y Capnocitofaga especies. ⁶¹

Muchos subtipos microbianos están especializados para residir en cualquier placa dental, en el dorso de la lengua o en una guinga queratinizada. ²³⁴Por ejemplo, entre Estreptococo especies en la cavidad oral, S Salivarius y Estreptococcus parasanguinis están especializados para la colonización en superficies dorsales de la lengua, mientras que S Blood y S Gordonii en su lugar, reside en comunidades de placa dental. ²³⁴La preferencia del sitio fuerte se observa también entre varios Actinomyces especies, así como en Corynebacterium, Fusobacterium, y Prevotella especies. Alternativamente, algunas especies, como S leve, h paraainfluenzae; y Porhyromonas Paster No demuestre la especialización del sitio y se encuentran en una variedad de hábitats. Sin embargo, la mayoría de los microbios en la boca demuestran especialización en el sitio. La especialización del sitio está dictada por la capacidad de un microbio para adherirse, colonizar, crecer y dividir en ese sitio. ^227, 234

4.2 Colonización de biopelículas orales

Los colonizadores primarios de la biopelícula dental con factores de adhesión específicos forman interacciones fisicoquímicas débiles y de largo alcance con la pellícula para facilitar la unión mediada por receptores. ^235, 236Los colonizadores primarios son principalmente cocos y varillas gram-positivas, especialmente Estreptococo especies, como S Salivarius . ²³⁷Los modelos tradicionales de sucesión de biopelículas microbianas siguen un proceso secuencial en el que la unión inicial de los colonizadores primarios, a saber, Streptococcus, Actinomyces, Gemella, Veillonella, Rothia, y Neisseria especies, se unen a la grano dental y faciliten la colonización posterior por F nucleatum , que funciona como una especie de puente entre los colonizadores tempranos y tardíos. ²³⁵De aproximadamente 18 horas a 4 días después de la colonización de la biopelícula dental, los colonizadores primarios siguen siendo las especies predominantes entre las comunidades de biopelículas. ²³⁸Sin embargo, las proporciones de anaerobios, como Porphyromonas, Fusbobacterium, Prevotella, y Capnocitofaga , aumenta gradualmente. ²³⁵Las imágenes espectrales y la hibridación de fluorescencia in situ ofrecen una perspectiva diferente de la estructura de biopelículas, en la que se forma un consorcio de bacterias arreglado radialmente a lo largo del anillo de las cornebacterias filamentosas. ⁶¹Este modelo muestra que la localización microbiana se organiza de tal manera que la posición refleja capacidades funcionales y metabólicas, con taxones anaeróbicos hacia el interior y los organismos aeróbicos en la periferia. ⁶¹Mientras que los modelos tradicionales reconocen Fusobacterium Como crítico para conectar sucesores de biopelícula temprana y tardía, los resultados de este estudio se encontraron en su lugar. Cornybacterium Como la piedra angular del desarrollo de biopelículas. ^61, 236Una vez establecida, la nueva comunidad de bacterias comienza el proceso de replicación, maduración y formación de una biopelícula compleja que puede contener cientos de especies. ^20, 239

4.3 Participación microbiana e inmunológica en la enfermedad periodontal

Las biopelículas se vuelven más patológicas a medida que avanza la maduración, con la proporción de especies patógenas que aumentan con el tiempo a medida que la biopelícula en maduración selecciona para especies anaeróbicas a través de interacciones metabólicas y físicas. ^232, 240Las comunidades de biopelículas mantenidas en la frontera de dentogingival estimulan las respuestas inmunológicas en la encía, impulsando aún más la disbiosis y reforzando la inflamación. ²⁴¹Las respuestas inflamatorias sostenidas inducen la destrucción del tejido y la profundización de la grieta gingival, lo que lleva a la formación de un bolsillo anaeróbico subgingival. Las respuestas inmunes homeostáticas en la gingiva están perturbadas después de la integración de patógenos clave, como P gingivalis . Las interacciones directas de los patógenos Keystone con miembros de la comunidad microbiana, combinadas con su capacidad para provocar, pero también para subvertir, las respuestas inmunes del huésped, dan como resultado la creación de una comunidad microbiana disbiótica que prospera en condiciones inflamadas. La integración de los patógenos periodontales, incluso en baja abundancia, puede alterar la composición de la microbiota y da como resultado la destrucción de los tejidos periodontales por procesos inflamatorios que inducen. ⁵¹A través de sus interacciones con la microbiota comensal, P gingivalis es capaz de promover la enfermedad explotando las respuestas proinflamatorias del huésped, a través de la cual la microbiota disbiótica induce la pérdida ósea patológica característica de la periodontitis. La diafonía entre los receptores de reconocimiento de complemento y patrones en respuesta a la disbiosis refuerza aún más la naturaleza inmunomicrobiana de la periodontitis, en la que estos factores permiten la disbiosis a través de la destrucción inflamatoria de los tejidos periodontales y la provisión de subproductos metabólicos proteicos que sean aún más. ²⁴¹La disbiosis microbiana también es necesaria para respuestas inflamatorias adicionales características de la enfermedad periodontal, incluida la expansión local de la interleucina patológica-17 ⁺/CD4 ⁺T-Helper (T-Helper 17) células. ⁵²High T-helper 17 cell and neutrophil populations are maintained in inflamed gingival tissues via reciprocal reinforcement, mediated primarily via the action of the inflammatory cytokines interleukin-6, interleukin-17, interleukin-23, tumor necrosis factor-alpha, interferon-gamma, and granulocyte-colony stimulating factor, as well as by interleukin-8, CC Ligando de quimiocina de motivo 2 y CC Motif quimiocina ligando 20 quimiocinas, ²⁴¹Conducir aún más refuerzo recíproca de disbiosis microbiana e inflamación patológica en tejidos periodontales.

El desarrollo de biopelículas subgingivales patológicas depende en gran medida de los organismos presentes en las comunidades de biopelículas homeostáticas. ²⁴⁰Un estudio realizado por Thurnheer y sus colegas buscaron definir la sucesión microbiana durante la transición de la placa supragingival a subgingival mediante la recapitulación, in vitro, las presiones ambientales enfrentadas durante la transición de biopelícula de las condiciones aerofílicas a microerofílicas y luego anaeróbicas. ⁶⁴Al final de la fase microaerofílica, momento en el cual se habían introducido colonizadores primarios y secundarios, el grosor de la biopelícula se duplicó en relación con el grosor de la biopelícula al final de la fase aeróbica en la que solo los colonizadores primarios estaban presentes en el sistema. Además, la viabilidad de biopelículas aumentó durante la transición a la fase anaeróbica. Curiosamente, se identificó un papel novedoso para la síntesis de exopolisacáridos aeróbicos en la formación de biopelículas subgingivales, en el que el tratamiento con dextranasa redujo los números bacterianos en las comunidades subgingivales, ⁶⁴Destacando así la importancia de las biopelículas supragingivales en la formación de biopelículas subgingivales. ⁶⁴La importancia de las especies comensales a la patogénesis se demuestra aún más por el requisito de comunidades microbianas comensales en la instigación de la enfermedad por patógenos periodontales. ^51, 52Además, S Gordonii se ha demostrado que aumenta la virulencia de Un actinomycetemcomitans produciendo lactato a través del metabolismo del carbono estreptocócico. ²⁴²Las especies patógenas también pueden mejorar el crecimiento de otros patógenos a través de relaciones simbióticas. Por ejemplo, P gingivalis estimula el crecimiento de T denticola a través de la producción de ácido isobutírico y T denticola produce ácido succínico que mejora el crecimiento de P gingivalis . ²⁴³Dichas interacciones demuestran el papel de las interacciones microbianas en la promoción de la enfermedad a través de interacciones físicas y metabólicas multifacéticas que son la piedra angular del modelo de sinergia polimicrobiana y disbiosis. ¹⁷⁸

5 dieta y el microbioma oral

5.1 Transición paleolítica-neolítica: la introducción de granos

La introducción de la agricultura hace ~ 10,000 años en la transición neolítica mesolítica cambió drásticamente la composición dietética, de modo que los carbohidratos derivados de granos surgieron como un elemento básico principal de la dieta humana. ²⁴⁴El aumento del consumo de granos de cereales en esta transición fue acompañado por la aparición de enfermedades dentales y periodontales, lo que se refleja aún más por distintos cambios en la microbiota oral. ^245– 247Existe poca evidencia de enfermedad dental y periodontal para las sociedades de cazadores-recolectores pre-neolíticos. ²⁴⁵Los cambios en las proporciones y la representación de las especies microbianas orales en la transición neolítica mesolítica son evidentes en muestras de cálculo dental preservado del mesolítico que demuestra un perfil microbiano compositamente distinto de muestras de cálculo dental recolectado de la edad neolítica, la edad de bronce y los períodos medievales y los tiempos modernos. ²⁴Interestingly, the microbial profiles of plaque samples from the Neolithic onward largely cluster together in terms of proportions and species of microbes present, despite additional dietary changes over time: compared with the proportions and species of oral microbes present in pre-agriculture plaque samples, such samples from farming populations of the Neolithic onward are dominated by caries-associated species, such as those from the family Veillonellaceae, así como taxones asociados con enfermedad periodontal, incluida P Gingivalis, T Forsythia, y T denticola . ²⁴La distinción entre los perfiles microbianos encontrados en las épocas mesolíticas y post-mesolíticas sugiere que el aumento del consumo de carbohidratos introdujo profundos efectos en la composición de la microbiota oral que se han mantenido con el tiempo. ²⁴Such changes in the pre-Neolithic oral microbiota have been further exacerbated by the evolution of food-processing techniques that emerged during the Industrial Revolution, ~ 200 years ago, consistent with the invention of mechanical steel roller mills in the 19th century, in which the nutritive properties of grains were significantly altered by the isolation of starch-rich components (flour) and removal of the outer bran layer that provides Micronutrientes y fibra dietética. ^248– 250Además, el consumo procesado de carbohidratos se ha asociado con una mayor incidencia de enfermedad periodontal. ^{8, 24, 26, 181, 188, 251}El procesamiento de granos impactó aún más varios aspectos adicionales de la dieta, incluido el contenido nutritivo total, la biodisponibilidad de almidón y la textura. Las directrices actuales de la Organización Mundial de la Salud recomiendan que los carbohidratos derivados de almidón constituyan> 55% de la ingesta diaria de energía. Esto abarca granos de cereales, tubérculos con almidón, granos integrales, legumbres, etc., en el que el consumo complejo de carbohidratos se favorece ampliamente sobre el consumo de carbohidratos procesados ​​con respecto a la salud. En los Estados Unidos, los carbohidratos constituyen> 50% de la ingesta total de energía, con granos de cereales refinados que representan> 85% de los granos de cereales totales consumidos. Además, los azúcares refinados constituyen aproximadamente el 20% de la ingesta calórica. ^252– 254

5.2 Dietas ancestrales y salud oral

Los alimentos básicos dietéticos y las técnicas de procesamiento que surgieron durante los períodos de revolución neolítica e industrial cambiaron significativamente varios componentes centrales de la dieta humana, incluido el contenido total de macronutrientes, la carga glucémica, la composición de ácidos grasos, los niveles de sodio y potasio, los niveles de micronutrientes, el pH de la dieta y el contenido de fibra. ^{253, 255, 256}La dieta pregricultural se limitó en gran medida a frutas y verduras salvajes, legumbres, nueces y animales salvajes no procesados. ²⁵³Los alimentos básicos de la dieta moderna, incluidos los productos lácteos, los carbohidratos refinados, los aceites vegetales y el alcohol, que no eran características nutricionales de la dieta preagricultural, ahora constituyen ~ 70% de la ingesta total de energía diaria de las personas en los Estados Unidos. ²⁵⁵La transición de los estilos de vida de los cazadores-recolectores a las sociedades agrícolas se asocia con una disminución de la salud bucal, así como varios estados de enfermedades adicionales, incluidas (entre otros) enfermedades cardiovasculares, enfermedades inflamatorias intestinales, enfermedades reumáticas, muchos cánceres y obesidad. ^{24, 245, 253, 257}Las sociedades modernas de cazadores-recolectores, aunque escasos, ofrecen una oportunidad única para observar el impacto de las dietas ancestrales en la salud humana en ausencia de influencias dietéticas occidentalizadas. Un estudio de salud oral entre los cazadores-recolectores de Hadza de Tanzania ofreció una rara oportunidad de estudiar el impacto de las dietas ancestrales entre los «habitantes de los arbustos»y las dietas cada vez más occidentalizadas en el estado de salud oral entre los «aldeanos». ²⁵⁸Los hallazgos de este estudio fueron consistentes con la hipótesis de que las sociedades agrícolas demuestran una salud dental más pobre que las sociedades de cazadores-recolectores: las mujeres que vivían en entornos de las aldeas y consumían una dieta principalmente agrícola, tenían una dieta significativamente mayor de caries y enfermedades periodontales que aquellas que vivían en un entorno de arbustos y consumían una dieta de alimentación salvaje que incluye legumales, juegos silvestres, juegos y bayas sin cultivos. ^{24, 258, 259}Sin embargo, los hombres que viven en el monte no defendieron el mismo estado de salud oral que sus homólogos femeninas, predictivamente debido a las influencias culturales, incluido el alto consumo de miel y el consumo de tabaco. ²⁵⁸

5.3 Textura dietética y salud oral

Se sugirió que las bajas tasas de periodontitis entre las mujeres que viven en arbustos en comparación con las mujeres que vivían en entornos de las aldeas resultaron no solo de las diferencias de composición en sus dietas, sino también de las diferencias de textura. ²⁵⁸Se planteó la hipótesis de que el consumo de tubérculos fibrosos y no cultivados por parte de los habitantes de los arbustos ofrecía un mayor desafío masticatorio que era efectivo para ayudar a interrumpir la formación de la placa al eliminar mecánicamente las superficies dentoginales. ^258, 260Los beneficios de la textura dietética sobre la salud bucal se reconocen más comúnmente entre los estudios en animales. ^{23, 261, 262}Los animales salvajes tienen un estado de salud oral superior al de los animales que viven en cautiverio debido a la ausencia de desafío masticatorio entre los alimentos otorgados a animales domésticos y cautivos. ^{23, 261, 263– 265}Curiosamente, la enfermedad periodontal entre los animales cautivos se invirtió cuando sus dietas aumentaron en textura para proporcionar un desafío masticatorio a las superficies dentoginales y aliviar la formación de placa. ^264, 265Dutzan demostró recientemente un nuevo papel para la textura/dureza dietética en la inmunidad periodontal. et al . ⁵³Los ratones que consumen dietas blandas o duras demostraron respuestas inmunes diferenciales en los tejidos gingivales: las células T productoras de interleucina-17 acumuladas (de manera dependiente de interleucina 6) en el tejido periodontal de ratones alimentados con una dieta dura. ⁵³Además, el daño mecánico inducido por el consumo de alimentos con un aumento de la textura condujo a una expresión elevada de defensinas epiteliales y quimioatrayentes de neutrófilos y promovió un aumento de los recuentos de neutrófilos en los tejidos gingivales. ⁵³Aunque se encontró que el aumento del daño mecánico provocó una pérdida ósea periodontal, consistente con la destrucción de el tejido duro en la enfermedad periodontal, se especuló que las células T-Helper 17 inducidas mecánicamente pueden provocar protección de barrera en la gingiva. ^53, 54Estos hallazgos se aclararon aún más mediante un estudio adicional en el que las poblaciones periodontales de T-Helper 17 que rigen la salud y la enfermedad se diferenciaron: se encontró que las células T-Helper 17 homeostáticas eran inducidas por estímulos mecánicos de una manera independiente de microbioma y que requirieron tanto la acumulación de microbioma y para requerir tanto interleuas como para requerir interleuas como para requerir tanto interleuas como para requerir interleuas. interleucina-23. ^52, 54Acumulativamente, estos hallazgos ofrecen una mayor comprensión mecanicista de cómo la nutrición y la textura dietética alteran la microbiota oral y la respuesta inmune en la gingiva.

5.4 Fibra dietética y salud oral

Los cambios de macronutrientes totales como resultado del aumento del consumo de grano en la transición paleolítica neolítica son bien reconocidos. ²⁵³Sin embargo, el valor nutricional de los granos está dictado por múltiples factores, incluido el tamaño de partícula de grano (es decir, grado de procesamiento) y método de preparación (es decir, cocción). ^250, 266Dichos métodos de procesamiento y preparación afectan posteriormente la textura de los alimentos y la biodisponibilidad de los componentes internos de almidón. ^{248, 250, 267, 268}Las técnicas de procesamiento buscan eliminar la capa externa de salvado fibroso de granos para aislar los componentes de endospermo ricos en almidón interno. ^{248, 250, 269}La eliminación de esta capa de salvado exterior no solo agota el contenido de fibra sino que disminuye la textura dietética debido a una pérdida de integridad del grano. ^{249, 268– 272}El papel del consumo de fibra dietética en el estado de salud oral se ha reconocido predominantemente desde una perspectiva correlativa. ^{258, 259, 273, 274}En un estudio del consumo de fibra e incidencia de enfermedad periodontal entre los adultos estadounidenses, se determinó que el consumo de granos integrales disminuyó significativamente la incidencia de la enfermedad periodontal entre los adultos de 30 años y mayores. ²⁷⁴Por el contrario, el bajo consumo de grano completo se asoció con una mayor incidencia de periodontitis. ²⁷⁴También se ha demostrado que el consumo de granos integrales y fruta reduce la progresión de la enfermedad periodontal y mejora el estado de la enfermedad periodontal entre los sujetos de alto riesgo. ^273, 275El consumo reducido de carbohidratos también se ha determinado que disminuye los marcadores de inflamación gingival e periodontal. ^26, 276Dichos estudios correlativos han ofrecido una perspectiva clínica con respecto al papel de los carbohidratos dietéticos y/o la fibra dietética en el estado de enfermedad periodontal empeorada y mejorada, respectivamente. Sin embargo, el impacto del aumento del consumo de carbohidratos y el aumento del consumo de fibra aún no se ha entendido desde las perspectivas mecanicistas. La enfermedad periodontal es un estado de enfermedad multifacética que involucra una diafonía intrincada entre el microbioma oral y los sistemas inmunes periodontales y sistémicos. ¹⁰Si bien se ha observado el impacto de la dieta en los parámetros clínicos de la enfermedad periodontal, el impacto de la dieta en los parámetros microbianos e inmunológicos aún no se ha delineado por completo. A pesar de estas limitaciones, un puñado de estudios han identificado cambios en la microbiota oral y/o la inmunidad periodontal en respuesta a las intervenciones dietéticas. Por ejemplo, un estudio de Woelber y Tennert ²⁶descubrió que la reducción del consumo de carbohidratos procesados ​​alteró significativamente las proporciones de microbios en la placa supragera y las muestras salivales, de modo que el número de números de Granulicatella leve adyacente, Actinomyces especies y Fusobacterium Las especies se redujeron. ²⁷⁷Baumgartner et al ²⁵¹Además, identificó cambios significativos en las proporciones de microbios en la placa dental en respuesta a intervenciones dietéticas «de la edad de piedra»en ausencia de higiene oral, en las cuales los recuentos de los patógenos periodontales T Forsythia y Un actinomycetemcomitans, así como Estreptococo Las especies, de las muestras de lengua se redujeron después de 4 semanas de intervención en la dieta. ²⁵¹Aunque la cantidad de placa en los dientes fue mayor en el punto final del experimento que al inicio, se observó hemorragia disminuida en el sondeo y las profundidades de bolsillo periodontales y, a pesar de la abstinencia de la higiene oral, la inflamación gingival no aumentó. ²⁵¹El efecto de la textura dietética sobre el estado de salud oral es un área de investigación relativamente inexplorada; Sin embargo, estudios recientes han ofrecido información sobre este campo emergente. ^{273– 275, 278}Un estudio de Sedghi y colegas ²⁷⁸descubrió que la adición de la fibra dietética como influencia mecánica en la cavidad oral provocó cambios significativos en la microbiota dentoginga murina. ²⁷⁸Curiosamente, este estudio encontró que los cambios más significativos influenciados por la fibra dietética ocurrieron en presencia de azúcar en comparación con el azúcar solo. ²⁷⁸Cuando se combina con sacarosa, la fibra aumentó significativamente la riqueza de las especies, en comparación con una disminución en la relación Firmicutes a Bacteroides provocada por una dieta solo de sacarosa. ²⁷⁸Además, la adición de fibra condujo a una disminución en Corynebacterium especies, que son reconocidas como una piedra angular de la formación de biopelículas orales. ^61, 278Estos hallazgos tienen implicaciones para alterar la disbiosis microbiana provocada por las dietas modernas y, como tal, el papel de la fibra en el microbioma oral garantiza una mayor investigación.

6 Metabolismo alimentario en la cavidad oral

6.1 Metabolismo de digestión y macromolécula en la cavidad oral

La digestión del almidón se inicia en la cavidad oral a través de la acción de la alfa-amilasa salival que cataliza la hidrólisis del almidón al escindir los vínculos α-1,4 glucosídicos para producir restos de sacráridos más pequeños, como maltaza, maltotriosa y alfa-limites dextrinas,, ^279, 280que puede ser utilizado por los primeros colonizadores de biopelículas, así como por algunos patógenos periodontales. ^{8, 281, 282}Las revoluciones agrícolas (~ hace 10,000 años) e industriales (~ 200 años) dieron como resultado impulsos históricos de la ingesta de azúcar, y las tasas de ingesta de azúcar han aumentado desde entonces. ¹⁷Un estudio de 2014 estimó que el consumo de azúcar agregado entre los adultos en los EE. UU. Ha aumentado en más del 30% en las últimas 3 décadas. ²⁸³La incidencia de caries dental ha aumentado en paralelo con el aumento del consumo de azúcar. ²⁸⁴El exceso de carbohidratos, particularmente azúcares simples procesados, promueve el crecimiento de microbios sacriéticos de rápido crecimiento cuya ventaja de crecimiento permite la competencia fuera de especies de crecimiento más lento con requisitos nutricionales alternativos. ²⁸⁵Bacterias sacarolíticas, incluida Streptococcus, Actinomyces, y Veillonella Las especies, degradan los carbohidratos a través de las vías Embden-Meyerhof-Parnas para producir subproductos ácidos, incluidos lactato, acetato, etanol y formato, que causan desmineralización del esmalte dental y el desarrollo de lesiones cariñas. ^{22, 188, 286}Una dieta rica en la ingesta de carbohidratos promueve la acidogenicidad bacteriana y la acidancia al aumentar la permeabilidad de la membrana celular a los protones, la inducción de H ⁺-La actividad de la ATPasa y la estimulación de las vías metabólicas involucradas en la neutralización ácida y la alcalinización. Dichos procesos fomentan el crecimiento de las bacterias acidogénicas, como S mutans, lactobacilli y bifidobacterias que mejoran la carcinogenicidad de la placa dental. ⁸Las vías en las que se metaboliza el azúcar también se comparten entre algunos patógenos periodontales, como Fusobacterium y Prevotella , que también puede causar acidificación. ⁸

Uso de carbohidratos por S mutans es una característica bien reconocida en la patogenicidad de la caries dental. ^{22, 188, 286}Expansión del repertorio genético de S mutans Incluir una mayor absorción de carbohidratos y la estimulación de los genes involucrados en el metabolismo de los carbohidratos parece haber sido un punto de inflexión evolutivo clave, ya que los estudios de genómica de la población predicen que el S mutans La población comenzó a crecer exponencialmente hace 10,000 años, alrededor del advenimiento de la agricultura humana. ^24, 25 Estreptococcus cambiando Utiliza sacarosa en la dieta para producir matriz de exopolisacáridos a través de glucosiltransferasas y fructosiltransferasas. ¹⁸¹La matriz de exopolisacáridos y los componentes de glucano relacionados sintetizados por las glucosiltransferasas proporcionan sitios de unión para una colonización bacteriana adicional y contribuyen a la integridad de la resiliencia, a granel e física de las comunidades de biopelículas. ¹⁸⁸Además, los exopolisacáridos crean gradientes químicos y metabólicos dentro de las biopelículas que afectan el ciclo químico y de nutrientes, así como la difusión, alterando así el microambiente y el pH dentro del consorcio de biopelículas. ^{187, 287, 288}Para transportar mono y disacáridos, S mutans Utiliza principalmente el sistema de fosfoenolpiruvato: azúcar fosfotransferasa. Mientras que se prefieren los mono y los disacáridos fácilmente metabolizables, S mutans También transporta oligosacáridos a través de transportadores de cassette de unión a ATP, como el metabolismo múltiple del azúcar y los sistemas de complejos de transporte de maltosa. ²⁸⁹La represión del catabolito de carbohidratos es otro mecanismo importante por el cual las bacterias utilizan carbohidratos, y esto puede ofrecer una mayor condición física. ^290, 291La represión del catabolito de carbohidratos permite el metabolismo de los carbohidratos no preferidos si las fuentes preferidas, como la glucosa, no están disponibles. La represión del catabolito de carbohidratos funciona a través de un marco regulatorio complejo que se basa en la retroalimentación de la construcción de intermedios glucolíticos y mediante la regulación de la expresión de genes glucolíticos por permeas de EII. Esta adaptación habilita S mutans para optimizar la extracción de energía de los tipos de carbohidratos que pasan a través de la cavidad oral. El gen de represión de catabolitos de carbohidratos, proteína A de control de catabolitos A ( CCPA ), se encuentra aguas arriba del S mutans Regulon de producción de bacteriocina y se ha demostrado que regula la expresión de esto controlando la expresión de S mutans competencia estimulante del péptido. ²⁹²

Durante el desarrollo de la enfermedad periodontal, las presiones ambientales ricas en proteínas y neutral-alcalina promueven el crecimiento de los patógenos periodontales. Los procesos inflamatorios promueven el crecimiento de las bacterias infamofílicas a través de la producción de sustratos proteicos resultantes de la destrucción del tejido. ^8, 293La profundización de la grieta gingival y el aumento de la producción de fluido griegal gingival aumenta la abundancia relativa de bacterias degradantes de proteínas. ⁸Las proteínas pueden ser metabolizadas en péptidos y aminoácidos, como aspartato, serina y cisteína, por proteasas y peptidasas huéspedes. Los aminoácidos se fermentan para producir ácidos grasos de cadena corta, como propionato, butirato, succinato, acetato y formateado. ⁸La fermentación de aminoácidos neutraliza los ambientes ácidos, lo que hace que el medio ambiente sea más favorable para la consecuencia de los patógenos adicionales asociados a la periodontitis. ⁸Algunas bacterias, como Prevotella intermedia , existen como proteolítico y sacarolítico, dependiendo de las presiones ambientales. ²⁹⁴

6.2 Influencia de la microbiota en la percepción del gusto y la preferencia dietética

Ha habido una amplia investigación sobre cómo la nutrición y la dieta dan forma a la microbiota, pero comparablemente poca investigación sobre cómo la microbiota influye en los comportamientos y las preferencias dietéticas. Recientemente se han hecho ideas en relaciones entre la microbiota oral y la percepción del gusto. El gusto influye en los comportamientos alimenticios y, por lo tanto, tiene importantes implicaciones en la salud general. Existe una conocida variabilidad genética del huésped en la percepción del sabor que conduce a diferentes umbrales de sabor dulce, agrio, salado y amargado entre los individuos. El elemento de sabor genético variable más comúnmente estudiado es el miembro del receptor Taste 2 38 ( TAS2R38 ) gen, que codifica un receptor de sabor amargo. Existen tres haplotipos principales de este gen: prolina-alanina-valina/prolina-alanina-valina (PAV/PAV), o «superasters»; prolina-alanina-valina/alanina-valina-isoleucina (pav/avi) o «catadores medios»; y alanina-valina-isoleucina/alanina-valina-isoleucina (AVI/AVI) o «no». Los fenotipos generalmente están determinados por una prueba de sabor de la amargura percibida del compuesto 6- norte -Propiltiouracil. Se excluyó un estudio reciente de sujetos sanos definidos como no montosas o superasters (los catadores medianos) examinaron el vínculo potencial entre el sabor y la microbiota de la lengua. ²⁷Se observaron umbrales inferiores para los gustos dulces, agrios, salados y amargos para los superasters que para los catadores, y la densidad de las papilas fungiformes fue mayor en las superasteras. A través de la perfiles de genes de ARN ribosómico 16S, el estudio también encontró mayores abundancias relativas de Actinomyces , Oribacterio , Campylobacter , Solobacterio , y Gato, gato, gato, Especies en la lengua dorsum microbiotas de superasters que en la de las no de notas. Un estudio de seguimiento realizado por el mismo grupo mostró asociaciones preliminares entre algunos taxones bacterianos en el dorso de la lengua con funciones gustatorias. Se hicieron asociaciones adicionales entre los taxones bacterianos en el dorso de la lengua y las dietas ricas en vegetales (como Prevotella) o dietas ricas en proteínas y grasas (como Clostridia). ²⁹⁵Estos estudios presentan la posibilidad de que los microbios puedan influir en las preferencias dietéticas. Aunque la evidencia mecanicista concluyente en apoyo de esta hipótesis sigue siendo limitada, es plausible que los microbios puedan modular los niveles de expresión de los receptores de sabor en la boca o que puedan estimular o inhibir este tipo de receptores a través de la secreción de metabolitos. Los estudios futuros que utilizan técnicas funcionales de análisis de microbiomas pueden dilucidar cómo las interacciones genéticas de dieta-microbiota-huésped influyen en exceso, la alimentación poco saludable y las implicaciones dentales y periodontales de estos comportamientos.

6.3 Infección y disgeusia SARS-CoV-2

La pandemia de la enfermedad del coronavirus 2019 (Covid-19), causada por el nuevo síndrome respiratorio agudo severo coronavirus 2 (SARS-CoV-2), se asocia con muchos síntomas, incluida el dolor, la tos seca, los dolores musculares y los escalofríos, así como los síntomas entéricos, incluida la diabística, la náusea y el vómitos. ²⁹⁶Si bien muchos de estos síntomas se comparten con el resfriado y la influenza comunes, un síntoma más específico de la infección Covid-19 es la pérdida de sabor y olor, en el que la pérdida de sabor o disgeusia ocurre en aproximadamente el 88.8% de los casos. ^297, 298Dichos déficits quimiosensoriales experimentados en Covid-19 a menudo son de corta duración, y la mayoría de los síntomas se resuelven en 7-10 días, y el sentido del olfato a menudo regresa ligeramente antes que el sabor. ²⁹⁹La enzima convertidora de angiotensina 2, el receptor que media la entrada de SARS-CoV-2 en las células, se expresa en la mucosa oral y se enriquece en las células de la lengua humana entre el epitelio de la lengua gustible y no racustante. ^300, 301Si bien el mecanismo subyacente específico de la disgeusia en Covid-19 no se conoce completamente, varias hipótesis han surgido a medida que se desarrolla nueva información. Se ha sugerido un mecanismo neurológico, en el que el daño directo a las células no neurales en el epitelio olfativo a través de SARS-CoV-2 también puede dar lugar a la pérdida del sabor. ³⁰²Otra hipótesis incluye la alteración directa de las células que expresan la enzima convertidora de angiotensina 2 en las papilas gustativas y los quimiorreceptores neurosensoriales del gusto periférico, ³⁰³o daño a los nervios craneales involucrados en la sensación de ráfaga, incluidos los nervios craneales 7, 9 y 10. También se ha sugerido la participación de las vías de respuesta inflamatoria, en la que el virus se ha utilizado en los receptores de la enzima que se convierte en angiotensina. ^304, 305La entrada por SARS-CoV-2 en la mucosa oral a través de los receptores de enzima convertidora de angiotensina 2 puede provocar una respuesta inflamatoria. ³⁰⁶La hipoxia tisular y la lesión tisular resultante de la anemia y/o el transporte de oxígeno deteriorado existe como otro mecanismo potencial por el cual Covid-19 altera el gusto. ³⁰⁷La hipozincemia es otro posible mecanismo, en el que la quelación de zinc a través de mecanismos inmunes y moléculas relacionadas puede aumentar con los procesos inflamatorios implicados en Covid-19. Dichos cambios pueden inducir cambios localizados en la homeostasis del zinc y la hipozincemia de las células replatorias orales, lo que resulta en alteraciones del gusto que también son comunes en la deficiencia de zinc. ^298, 308

La importancia del microbioma oral en la coinfección con SARS-CoV-2 es un área de estudio en crecimiento. Covid-19 también se ha asociado con la coinfección por virus adicionales, hongos y bacterias, algunas de las cuales se derivan de la cavidad oral. Se sugiere que la higiene oral deficiente, la tos, la inhalación anormal y, en algunos casos, la ventilación mecánica es mecanismos por los cuales los microorganismos orales pueden ingresar al tracto respiratorio inferior. Por ejemplo, la secuenciación metagenómica del líquido de lavado broncoalveolar entre pacientes con COVID-19 demostró una mayor presencia de bacterias de extracción oral y superior. ³⁰⁹Bacterias orales oportunistas, incluida Meteorológico Forestagent , Capnocytophaga gingivalis, Leptotrichia buccalis, y Prevotella melaninogenia estaban sobrerrepresentados en el líquido de lavado broncoalveolar de pacientes con COVID-19, lo que sugiere que la cavidad oral puede servir como un depósito de bacterias implicadas en la coinfección con SARS-CoV-2 en Covid-19. ³¹⁰Tales hallazgos implican un posible papel para la coinfección por la microbiota oral y el SARS-CoV-2 en los pulmones de los pacientes con Covid-19, ³¹¹y resaltar la importancia de la microbiota oral en la infección de Covid-19 y, por lo tanto, justificar estudios futuros en esta área de investigación.

7 Higiene y terapias orales: implementación de aprendizaje de microbioma oral en medicina dental

7.1 cepillos de dientes

Los cepillos de dientes se han utilizado desde el siglo XIX para una variedad de fines relacionados con la salud oral. ³¹²El cepillo de dientes es la piedra angular de la mayoría de las rutinas de higiene oral en los países desarrollados. La American Dental Association recomienda cepillarse los dientes dos veces al día durante 2 minutos con un cepillo de dientes de cerdo suave, junto con hilo dental entre los dientes una vez al día. El cepillo de dientes desplaza mecánicamente bacterias y placa de la dentición y la gingiva para limitar el daño a largo plazo de sus subproductos metabólicos. La American Dental Association recomienda reemplazar el cepillo de dientes cada 3-4 meses, o una vez que las cerdas se desgastan. ³²Los cepillos de dientes están constantemente expuestos a microbios de la boca y del entorno en el que se almacenan. Una revisión anterior destaca que durante el uso normal, los cepillos de dientes se contaminan en gran medida de fuentes, incluidas la cavidad oral, el medio ambiente, las manos, el aerosol y los contenedores de almacenamiento. ²⁸Estudios anteriores han demostrado que los cepillos de dientes pueden inocular la cavidad oral con microorganismos, pero ha habido poca investigación sobre cómo los microbios que albergaban en el cepillo de dientes influyen en la microbiota oral en su conjunto. ⁵⁵Se examinó un estudio de 2020 en el que la diversidad microbiana en los cepillos de dientes y las cavidades orales de 20 participantes se examinó utilizando la secuenciación de alto rendimiento, encontró que la microbiota oral y del cepillo de dientes compartía índices de Shannon similares y que ciertas especies estaban enriquecidas en cepillos de dientes, incluidos Acinetobacter baumannii , Staphylococcus aureus , y Candida albicans . ³³Dichas especies han sido implicadas en enfermedades infecciosas, enfermedad neurodegenerativa, enfermedad cardiovascular y cáncer. Sin embargo, todavía no está claro cuán fácilmente estos patógenos y otras bacterias del cepillo de dientes pueden semillas y sobrevivir en la cavidad oral; No obstante, esto resalta que los cepillos de dientes pueden ser depósitos de bacterias, que se reintroducen al huésped a diario.

7.2 Pasta de dientes

Los efectos de la pasta de dientes en la microbiota oral se han investigado más a fondo que los efectos de los cepillos de dientes. En el mismo estudio que se describió anteriormente, ³³Los investigadores también compararon las microbiotas orales y del cepillo de dientes de los participantes que utilizaron pasta de dientes de medicina tradicional china o pasta de dientes antibacteriana. Si bien ambos tipos de pasta de dientes redujeron efectivamente el número de una selección de bacterias patógenas, también suprimieron S Salivarius y 50 Salivarius , los cuales se consideran beneficiosos. Las pastas de dientes redujeron los números bacterianos a diferentes grados: ingredientes en la pasta de dientes china, como la madreselva, el pseudo-ginseng y la menta, que reemplazan los ingredientes antibacterianos como el fluoruro de sodio, permitieron un crecimiento de un mayor número de bacterias. Se han desarrollado otras formulaciones de pasta de dientes formuladas para cambiar la ecología oral, en lugar de diezmar completamente la microbiota. Zendium ^TM Contiene proteínas diseñadas para promover la salud oral y limitar los organismos asociados a la enfermedad. La amiloglucosidasa, la glucosa oxidasa y la lactoperoxidasa se agregan para promover la producción de peróxido de hidrógeno e hipotiocianita, los cuales ejercen actividad antibacteriana contra especies formadoras de placa. Zendium también contiene lisozima, lactoferrina e IgG. Un estudio clínico aleatorizado que compara la pasta de dientes de zendio con una pasta de dientes de control que contiene fluoruro mostró que el cepillado con zendium aumentó la abundancia de organismos asociados con la salud de las encías y disminuyó el número de aquellos asociados con la enfermedad periodontal. Estos resultados demuestran un concepto importante, a saber, que la ecología oral puede manipularse mediante la introducción de mediadores bioquímicos. Los estudios futuros en esta área investigarán la producción metabólica de estas comunidades reestructuradas, proporcionando una imagen más completa de los beneficios potenciales que se muestran en estos resultados preliminares. ³⁴

7.3 enjuague bucal: teorías viejas y nuevas

Los enjuagues bucales antimicrobianos se han utilizado durante mucho tiempo como antisépticos debido a su capacidad para matar patógenos, como la meticilina resistente a S aureus , do  albicans , S mutans , P gingivalis y algunos virus. ³⁷Estos tratamientos son inespecíficos y pueden eliminar grandes franjas de la microbiota oral comensal. Los enjuagues bucales a menudo afirman matar al «99% de los gérmenes»en la boca, un título que la comprensión moderna de los microbios orales en la salud ya no aprueba debido a una mejor comprensión del papel crucial desempeñado por el microbioma oral para iniciar la digestión de los alimentos y mantener la salud oral y sistémica. ³⁵La mayoría de los enjuagues bucales contienen alcohol, peróxido de hidrógeno o clorhexidina, o una mezcla de estos ingredientes activos. El alcohol, aunque ampliamente utilizado en altas concentraciones como agente antiséptico para las superficies, en la mayoría de los enjuagues bucales en realidad tiene poca capacidad para matar microbios porque la cantidad de etanol presente es del 25% o menos. Además, los enjuagues bucales que contienen alcohol pueden exacerbar el mal aliento, un conductor común del uso de enjuague bucal, al reducir la producción de saliva en la boca. ^17, 71El digluconato de clorhexidina es uno de los agentes más utilizados para matar bacterias, especialmente en clínicas dentales, y tiene potentes propiedades antisépticas de amplio espectro contra bacterias Gram-positivas y gramnegativas. También es altamente adherente a las superficies orales, lo que lo convierte en un agente efectivo que disrita la placa. ³⁶

Las propiedades antimicrobianas de los agentes de lavado bucal han sido bien estudiadas. Hasta hace poco, sin embargo, sus efectos sobre la función de las comunidades microbianas orales apenas se han investigado. A recent 2020 study assessed the effects of repeated use of chlorhexidine mouthwash on the salivary microbiome and plasma biomarkers in 36 orally healthy patients: shifts in the proportions of oral microbes were found after 7 days of use of chlorhexidine mouthwash, most notably a greater abundance of species from the phyla Firmicutes and Proteobacteria, in conjunction with reductions of species from the genus Bacteroides , la sacaribacteria del Phylum (anteriormente TM7), la División de Candidatos SR1 y Fusobacteria. Estos cambios fueron acompañados por reducciones significativas en el pH salival y la capacidad de amortiguación de la saliva y un aumento del lactato salival. El pH salival reducido, el aumento del lactato salival y la reducción en la capacidad de amortiguación de la saliva están asociadas con caries dental y enfermedades periodontales. El enjuague bucal de clorhexidina también disminuyó las concentraciones de nitrito en la boca y el plasma. ³⁶El nitrito oral puede afectar las concentraciones de óxido nítrico (que es vasodilatorio) presentes en el torrente sanguíneo. ¹⁷³La investigación preliminar apunta a una reducción de la presión arterial sistólica mediante la producción de nitrito a partir de la microbiota oral a través de esta vía. ³¹³La capacidad de reducción de nitrato oral de las bacterias en la boca también se redujo significativamente en el grupo de enjuague bucal de clorhexidina en comparación con el grupo de control. El nitrito se forma en la boca mediante la reducción bacteriana del nitrato obtenido de la dieta o endógena (de la síntesis de óxido nítrico). ³¹⁴Especies de los géneros Veillonella y Actinomyces se cree que son los principales reductores de nitrato en la cavidad oral. ³¹⁵En el grupo de enjuague bucal de clorhexidina, la abundancia de Actinomyces disminuyó significativamente, posiblemente contribuyendo a la menor capacidad reductora observada. Si bien se necesitan más estudios para desarrollar las contribuciones de las bacterias orales a los parámetros clínicos asociados a óxido nítrico, la evidencia preliminar sugiere influencias significativas que deben considerarse en el uso de clorhexidina y otros lavados bucales antimicrobianos.

7.4 probióticos

Los probióticos orales son un método de introducción directa de especies particulares en el microbioma oral para manipular la microbiota preexistente o provocar una respuesta bioquímica y/o fisiológica. Se han empleado algunos enfoques diferentes para generar formulaciones probióticas anti-caries. Un objetivo principal es aprovechar la alcalogenicidad de ciertas especies para combatir la acidificación y la desmineralización dental por organismos patógenos. Una fuente importante de alcalinidad en la cavidad oral es la descomposición de la arginina a la ornitina, el dióxido de carbono y 2 moléculas de amoníaco básico. Se ha demostrado que la administración de arginina sola es efectiva para inhibir el inicio de la caries dental, y recientemente se ha incluido arginina como suplemento en algunas pastas de dientes. ³¹⁵Muchos microbios orales comunes mantienen esta capacidad metabólica. El metabolismo microbiano de la arginina se logra principalmente por el sistema de arginina desaminasa, que consiste mínimamente en 3 enzimas diferentes. Los investigadores han estudiado los efectos de la introducción de cepas probióticas de bacterias con una capacidad arginolítica superior. Lactobacillus brevis se sabe que produce altos niveles de arginina desaminasa, y en un estudio en el que 50 cortos -Los que contienen pastillas se administraron a 21 pacientes con enfermedad periodontal, el tratamiento condujo a una mejora completa de todos los parámetros clínicos analizados en todos los pacientes. ⁴²Ahora se reconoce que el sistema de arginina desaminasa es importante en algo más que la modulación del pH; también influye en la respuesta inmune inflamatoria del huésped a los patógenos periodontales, lo que puede dañar el tejido del huésped. En el estudio anterior, de 50 cortos , actividad de los marcadores inflamatorios prostaglandina e ₂, interferón-gamma y metaloproteinasa de matriz se redujeron sustancialmente en pacientes tratados. Como la arginina también es un sustrato para la óxido nítrico sintasa, un mediador de múltiples vías inflamatorias, se plantea la hipótesis de que aumentar la competencia por este sustrato utilizando el sistema de arginina desaminasa disminuye la producción de óxido nítrico, reduciendo así la activación inflamatoria. ⁴²

Otro ángulo que se ha tomado en el diseño de probióticos es la orientación de bacterias patogénicas específicas que son potenciadores conocidos de la caries dental y la enfermedad periodontal. Estreptococcus cambiando es un contribuyente clave a las biopelículas dentales asociadas con la formación de caries dental, ⁴⁴y juega un papel importante en el desarrollo y el establecimiento de matrices de polisacáridos extracelulares, que aumentan la virulencia de la biopelícula y facilitan la persistencia de un entorno ácido en la boca. ³¹⁶Ciertas bacterias obtenidas de la placa de personas libres de caries han exhibido propiedades inhibitorias hacia los patógenos, como S mutans . Además de expresar fuertemente la vía arginina desaminasa, la nueva cepa de Estreptococo , llamado A12, produjo peróxido de hidrógeno en grandes cantidades junto con factores de virulencia específicos que podrían detener S mutans crecimiento e interrupción S mutans vías de señalización. ⁴⁵A12 también demostró la capacidad de prevenir S mutans de matar a otros productores del sistema de desiminasa de arginina (ADS) degradando el S mutans Señal del péptido inductor de bacteriocina, lograda mediante el secreto de una proteasa que bloqueó el sistema de señalización de péptidos estimulantes de la competencia. Esta proteasa, denominada challisin, se descubrió por primera vez en cierto S Gordonii tensión y se pensaba que era específico de este organismo. ³¹⁷Por lo tanto, estos resultados demuestran la existencia de organismos con fenotipos convincentes anti-caries que pueden aprovecharse para establecer microbiomas orales saludables. Sin embargo, estas cualidades son muy específicas en las especies y los niveles de deformación, y se necesitará garantía de calidad ajustada para la incorporación en formulaciones probióticas.

Durante la última década, la investigación de microbiomas humanos se ha centrado en el intestino y su conexión con varias enfermedades. El interés ahora ha cambiado a otras áreas del cuerpo humano con un mayor enfoque en el microbioma oral. La famosa cita de Hipócrates, «Toda la enfermedad comienza en el intestino»todavía es cierto hoy, pero debemos recordar que todo en el intestino debe pasar por la cavidad oral. Esto ha llevado a un mayor interés en el microbioma oral y su relación con la salud y la enfermedad. Los avances en las tecnologías de secuenciación combinadas con enfoques multimodales longitudinales han aumentado nuestra comprensión del papel del microbioma oral en la salud y en las enfermedades sistémicas. La evidencia que conecta la relación entre la disbiosis del microbioma oral y varias enfermedades sistémicas ha creado conciencia sobre la importancia del microbioma oral en la regulación de la salud. El pleno conocimiento del papel del microbioma oral en la salud, y los métodos para modular estos ecosistemas, puede proporcionar un enfoque alternativo para la prevención y el tratamiento de la enfermedad.

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States of oral health and disease reflect the compositional and functional capacities of, as well as the interspecies interactions within, the oral microbiota. The oral cavity exists as a highly dynamic microbial environment that harbors many distinct substrata and microenvironments that house diverse microbial communities. Specific to the oral cavity, the nonshedding dental surfaces facilitate the development of highly complex polymicrobial biofilm communities, characterized not only by the distinct microbes comprising them, but cumulatively by their activities. Adding to this complexity, the oral cavity faces near-constant environmental challenges, including those from host diet, salivary flow, masticatory forces, and introduction of exogenous microbes. The composition of the oral microbiome is shaped throughout life by factors including host genetics, maternal transmission, as well as environmental factors, such as dietary habits, oral hygiene practice, medications, and systemic factors. This dynamic ecosystem presents opportunities for oral microbial dysbiosis and the development of dental and periodontal diseases. The application of both in vitro and culture-independent approaches has broadened the mechanistic understandings of complex polymicrobial communities within the oral cavity, as well as the environmental, local, and systemic underpinnings that influence the dynamics of the oral microbiome. Here, we review the present knowledge and current understanding of microbial communities within the oral cavity and the influences and challenges upon this system that encourage homeostasis or provoke microbiome perturbation, and thus contribute to states of oral health or disease.

1 INTRODUCTION

The field of human microbiome research has undergone a revolution in its approach toward understanding how microorganisms influence the physiology of their host.¹ Development of culture-independent methods has resulted in increased detection and classification of microbial species within microbial communities.² technologies, biomarker sequencing, and shotgun metagenomics have become standard tools used to determine the composition and genetic makeup of the human microbiome.³ Other “-omics” technologies, such as proteomics and metabolomics, support mechanistic hypotheses involved in causal microbial pathways that are related to states of health and disease.^4, 5 Since Antonie van Leeuwenhoek first discovered the existence of microbes in the 1700s while analyzing dental plaque under a microscope, the composition of oral microbial communities has been extensively studied.⁶ Over 250 species from the oral cavity have been isolated in culture and characterized, including several key pathogens, such as Streptococcus mutans, Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia, and Aggregatibacter actinomycetemcomitans, involved in the etiology of dental caries and periodontal disease.^7–9 An integrated approach toward understanding states of oral disease from the polymicrobial perspective has emerged over time, attributing disease pathology not only to key pathogens but rather to networks of co-occurring microbes, the collective activities of which contribute to pathogenesis.^9–12 As such, the importance of understanding the divergences, between oral health and disease, in the microbes comprising the system as well as their relative abundance and functional activity, in addition to genetic factors and ecological pressures that drive such changes, is a primary focus of research within the field of oral health research.^9, 13–17 In recent decades, genetic approaches have shed light on the functional capacity of members of oral microbiomes, the mechanistic underpinnings of caries and periodontal disease pathogenesis, and the complex dynamics and fitness factors of key organisms in oral microbiomes.^3, 18

The oral microbial ecosystem is constantly exposed to exogenous foreign substances.¹⁷ Such circumstances are defining factors for founding microbes and their ability to persist in this environment, and make for distinct relationships between microbe and host that rely on selective pressures. Pioneer microbial colonizers of the oral cavity, such as Streptococcus mitis, Streptococcus sanguinis, Streptococcus gordonii, and Streptococcus salivarius, display core characteristics that make them well suited to this specific niche as they are able to bind selectively to tongue and cheek cells before the teeth emerge and can outcompete other microbial species.^17, 19 Emerging teeth acquire a protective glycoprotein coat, which sets in motion successional microbial colonization, resulting in the development of complex polymicrobial biofilm communities, namely dental plaque.²⁰ These complex dental plaque matrices create unique microenvironments that harbor acidic and anaerobic microenvironments, and thus select for organisms distinct from those growing directly on the tooth surface.²¹

Diet provides nutritional resources for the oral microbiota and also serves as a selective pressure by enriching for organisms best adapted to utilize specific host-derived dietary resources.²² Major historical dietary shifts throughout evolution are accompanied by significant changes in the oral microbiota.^4, 23 Lifestyle changes taking place at the Neolithic Revolution, and the later Industrial Revolution, resulted in development of the Westernized Diet, characterized by dietary staples such as farmed animal meats, dairy products, refined vegetable oils, and processed cereal grains that substantially diverged from pre-agricultural diets. Today, such dietary constituents are staples of the American diet, as well as in many developed and developing countries. Such changes in diet were paralleled by pathologic changes to the oral microbiota, including greater representation of acid-producing and acid-tolerant organisms and periodontal pathogens.^{17, 22, 24, 25} While diet influences the oral microbiome,^22, 24, 26 recent data indicate that the oral microbiome influences the dietary preferences of its host. Certain bacteria, such as some Clostridia and Prevotella species, have been associated with taste thresholds, such as sweet, sour, salty, and bitter, plausibly representing a mechanism by which the oral microbiota influences dietary preferences to sustain its membership and persistence in the oral cavity.^27, 28 Oral hygiene habits are another consistent source of influence on the oral microflora.^29–31 Toothbrushing and flossing can be powerful means to disrupt plaque, the microbial inhabitants of which can cause tooth demineralization and gingival inflammation long-term.³² Toothbrushes themselves, however, can also serve as reservoirs for pathogenic bacteria that can then inoculate the oral cavity, bringing into view the importance of properly sanitizing and storing personal dental hygiene equipment.^28, 33 Novel toothpastes have also entered the market to intentionally to shape the oral microbiota via proteins designed to foster species associated with healthy oral bacterial communities, while other products have more general antimicrobial properties.^33, 34 Mouthwashes are also designed to have the same effect as toothpaste in that they reduce microbial load via antimicrobial and bactericidal mechanisms.^35–37

The influence of the oral microbiota is not confined to this location.³⁸ Oral cavity-associated microbes have been detected in many distant organ sites, including the small intestines, lungs, heart, placenta, and brain.³⁹ Many associations between oral microbes, specifically those implicated in periodontal disease, and other common chronic conditions, such as cardiovascular disease and high blood pressure, have been established.⁴⁰ Data on the mechanistic connections involved in the development of disease at sites distant from the oral cavity remain sparse, but early research demonstrates that oral cavity-associated microbes can influence immune responses and disease pathogenesis outside the oral cavity, and that their ability to colonize ectopic sites depends on the current state of health of that site.^39, 41 These data suggest that the oral microbiome may serve as a reservoir for pathobionts that can either contribute to or exacerbate disease at remote body niches or organ systems. The oral microbiome has become an increasingly important component of recommendations and practices in dental medicine.⁴² New approaches to modulate oral microbiomes are being presented. For example, some oral probiotics are being designed to increase the alkalinity of the oral cavity and plaque and others are developed to target pathogenic species, such as S mutans.^43–45 Administration of supplements, such as arginine, can also substantially affect the composition and metabolic output of an oral microbial community and represents another modular handle.⁴³

2 RESEARCH TECHNIQUES

2.1 Sequence-based culture-independent approaches to assess the microbiome

The field of human microbiome research has revolutionized our view of the role of microbes on mammalian development and health. Traditional approaches revolved around culturing clinical samples in vitro, prior to testing their roles in pathogenesis using in vitro or in vivo assays. A major advancement in this domain has been the development of germ-free mice—animals bred, fed, and raised under sterile conditions—which offer a useful tool for studying the microbiome.⁴⁶ First conceptualized by Louis Pasteur in 1885 but with uses only fully appreciated in recent decades, this approach allows experimentation in mammals with either no pre-existing microbiome or a highly defined microbial background.⁴⁶ Seminal studies using germ-free mice confirmed the role of the gut microbiome in a number of diseases, including obesity,⁴⁷ Kwashiorkor,⁴⁸ and autism-spectrum disorder,⁴⁹ by inducing disease features in recipient animals following transfer of a patient-associated microbiome. Studies using germ-free mice have also been employed in the context of the oral microbiome, demonstrating the role of diabetes in disrupting the equilibrium of the oral microbiota⁵⁰ and confirming the role of the oral microbiota in periodontal disease pathogenesis.^51, 52 Studies in germ-free mice have also recently identified a novel role of masticatory forces in eliciting immune surveillance responses in the gingiva in a microbiota-independent manner, consistent with the role of gingival tissues as a physiological barrier in the face of ongoing masticatory challenges.^53, 54

In vitro biofilm culture systems using human saliva or defined media have served as a useful surrogate for oral biofilm research and have shed light on the mechanisms involved in microbial adherence, species interactions, antibiofilm treatments, and organization of the microbial community.^55–59 Biofilms, with anaerobic centers and aerobic peripheries, exhibit gradients of oxygenation.^60, 61 As oral bacteria can be fastidious, slow growing, or require specialized growth media, and many are strict anaerobes, samples should be collected and cultivated appropriately.^62, 63 Thus, in vitro models need to be designed to take into account selective pressures in the oral cavity, including salivary flow, species-mediated biofilm succession, and inflammatory substrates, in the development of subgingival biofilm communities.^56, 64, 65 In vivo and in vitro biofilm models have been combined in an ex vivo oral biofilm growth model to facilitate the complex interactions taking place in the oral cavity during microbial biofilm succession.⁶⁶ While powerful insights into oral biofilms have been obtained from in vitro biofilm studies, the difficulty of recapitulating the complexity of the oral cavity in vitro complicates the use of such approaches to investigate microbial communities and understand their holistic functional qualities in their entirety.

Culture-independent methods have improved our understanding of microbial diversity in the oral cavity. Advances in sequencing and mass spectrometry technologies have permitted assessment of microbial community membership, their functional activities, and molecular products.^{9, 14, 67–70} Sequence-based approaches to assess microbial composition include biomarker approaches that focus on a single kingdom-specific ubiquitous microbial gene or region that exhibits sequence hypervariability (eg, the 16S ribosomal RNA gene in bacteria or the interspacer region in fungi).⁷¹ Such hypervariable genes or regions permit identification of microbial community members but can be limited in their capacity to resolve phylogenetically related species or strains and do not provide information on functional gene content of the microbial members present.⁷² As such, they are useful for cataloging differences in microbiota composition, particularly in large studies, because the approach is relatively inexpensive compared with other, more highly resolving, sequence-based approaches.^72, 73 Newer approaches have developed strategies to assess the presence of bacteria in environments with a low-burden microbial signal.^74, 75 One such application is depletion of abundant sequences by hybridization, in which the nonmicrobial DNA burden is depleted via CRISPR-associated endonuclease Cas9 targeting to enhance bacterial signals in samples with a low bacterial burden.^74, 76

Unlike 16S ribosomal RNA sequencing, shotgun metagenomics sequences permit a parallel assessment of all microbial kingdoms (bacterial, fungal, viral) in a given sample.^77, 78 This approach employs random fragmentation and adapter ligation sequence in an unbiased manner all extracted DNA, enabling more in-depth analyses of the pan-genomic gene content in microbiomes.³ Whole genomes of organisms, in addition to strain tracking, can be extracted from the data, allowing for evolutionary analysis of specific organisms associated with a particular disease or environment.^79–81 The usefulness of these techniques has been greatly accelerated by the advent of next-generation sequencing technologies, which provide increased read-depth, improved accuracy, and are higher throughput than older methods, such as Sanger sequencing. Three prominent companies have dominated this field so far, with Illumina MiSeq offering shorter-read sequencing, and PacBio and Oxford Nanopore technologies providing longer read lengths.⁷⁷ There are pros and cons of both short- and long-read lengths: short-read technology provides abundant sequencing data that is less error prone than long-read technology; however, it can be difficult to assemble complete genomes using short read-lengths due to limitations in the technology to distinguish repetitive elements. By contrast, long-read technology provides more read-length but at the cost of higher error rates.⁸² The generation of high-molecular-weight DNA was a limitation that prevented long-read technology from demonstrating its full potential in advancing shotgun metagenomic methodologies; however, recent improvements in sample preparation have resulted in increased interest for use of this technology in metagenomic studies.^83–85 Using shotgun metagenomic sequencing, it is now possible to study members of the microbiome other than bacteria, including the oral virome, in the context of oral diseases, together with periodontal disease.⁸⁶ Results obtained from the small number of studies performed using shotgun metagenomic sequencing suggest that the oral virome may be as significant in disease pathogenesis as the oral bacteriome.^87, 88 Metatranscriptomics, or sequencing of mRNA in a sample, provides a snapshot of transcriptionally active microbes.⁸⁹ RNA has low stability and thus a short half-life. Hence, the ability of transcriptomic approaches to detect RNA from functionally active and viable bacteria overcomes the limitations of metagenomic approaches. Advances in RNA sequencing, such as random hexamer priming, permit assessment of microbial and host transcriptomes in parallel and are now being explored to assess the interactome.⁹⁰ Single-cell sequencing was developed initially for immune-profiling purposes but has been adapted to permit assessments of single microbial cells.⁹¹ Assessing individual cells from environmental samples increases the detection rate of unculturable organisms while providing the opportunity to ask more novel questions related to the functional capacities and significant roles of single organisms within complex microbial communities.^92, 93 Application of transcriptomic approaches has proved extremely significant for delineating both microbial and host gene expression in the context of oral health and pathology.^14, 68, 94

The field faces some key hurdles, namely the challenge of separating out the highly complex mixtures that are typical of clinical samples while simultaneously visualizing many molecules of a diverse chemical nature. In periodontal disease, there is a characteristic shift in the composition of oral bacteria that is in part mediated by bacterial metabolites.⁹⁵ Despite its drawbacks, use of metabolomics could provide valuable mechanistic insights into how and why this shift occurs, and may offer clues to critical time points at which therapeutic or lifestyle interventions may be beneficial. Ultimately, longitudinal, integrated multimodal analyses, involving a range of high-resolution profiling techniques, represent, together with clinical data, the next frontier to understanding microbial host interactions from species level to the molecular level and the implications of these on oral health.

2.2 Metabolomics and proteomics

Recent developments in high-resolution profiling techniques have additionally focused on the profile of small molecules, such as metabolites and proteins, that are detected via liquid or gas chromatography-mass spectrometry or nuclear magnetic resonance spectroscopy. Metabolomics represents the study of molecules in biological samples, which, in the case of human samples, may be produced by the host or its microbiome.⁵ Metabolomics provides insight into the metabolic and functional activities of the host and its microbiome and intricate interspecies interactions encoded within this pangenome.⁸⁹ Metabolite production is influenced by the availability of energy sources, environmental stressors, and competition among microbes within a system.⁵ Metabolomics provides important information related to changes in functional and metabolic pathways via analysis of divergent metabolite profiles presented in the context of health or disease.^96, 97 In periodontal disease, there is a characteristic shift in the profile of oral bacteria that is in part mediated by bacterial metabolites, which comprise a chemical communication network. Despite its drawbacks, metabolomics could provide valuable mechanistic insights into how and why this shift occurs, and offer clues to potential therapeutic or lifestyle interventions. Longitudinal, integrated multimodal analyses are ideal for investigating the species that are present, active, and that interact with host cells over time. By contrast, proteomics seeks to analyze the proteome, namely, the profile of all proteins within an organism, tissue, cell, or biological fluid, or subcomponent of any of these.⁹⁸ Such applications provide insight related to expression and modulation of proteins under specific conditions, such as in health or disease.⁹⁹ These analyses present the opportunity to identify proteins present within a sample, as well as the abundance, post-translational modifications, isoforms, and molecular interactions of proteins.¹⁰⁰ Such technologies use 1- or 2-dimensional gel electrophoresis/mass spectrometry or liquid chromatography/mass spectrometry.¹⁰⁰ Proteomic applications have been applied to understand changes in the proteome that diverge states of periodontal health from disease and to further characterize various periodontal disease states, including gingivitis, mild, moderate, chronic, and aggressive periodontitis.^{70, 101–104}

3 COMMUNITY ASSEMBLY OF THE ORAL MICROBIOME

3.1 Oral colonization in early life

The oral cavity is a site of first encounters. As the gatekeeper of the alimentary canal, the oral cavity is the first organ to encounter ingested food and drink, exogenous microbes, allergens, and antigens before they pass further into the gastrointestinal and/or respiratory tracts.⁵⁴ These direct environmental exposures in the absence of keratinized epithelium pose the oral cavity as a highly susceptible site for infection.¹⁰⁵ Regardless, specialized immune-cell networks in the oral cavity respond to the challenges of this fluctuating environment via tissue-specific cues and exclusive immunologic responses that are tailored to the oral cavity.^{53, 106–108} In line with the role of oral mucosa as a physiological barrier, the functions of immune networks within this mucosa reflect the site-specific challenges faced within the oral cavity. For example, they contribute to homeostasis in response to masticatory forces and trigger immune responses to the development of pathologic microbial communities.^52, 53

Oral immune ontogeny, as with the gut, develops by 11 weeks of gestation, at which point cellular components related to the prenatal secretary immune system demonstrate organization of tissue into Peyer’s patches.¹⁰⁹ Current research findings suggest that the prenatal oral cavity is sterile until birth after which colonization with microorganisms occurs upon exposure to the external environment.¹¹⁰ However, oral bacteria have been detected at various sites within the uterus.^110, 111 Interestingly, in a study of 12 mother-neonate pairs, it was found that the microbiota of the neonatal oral cavity displayed clear associations with that of the placenta and was not significantly altered by the birth canal or maternal microbiotas, suggesting that the neonatal microbiota may have a prenatal origin.¹¹² As such, studies pertaining to this question warrant future investigation. Pathogenic bacteria from the oral cavity found at various sites within the uterus are associated with adverse pregnancy outcomes, such as preterm delivery and preeclampsia.^113–115 Studies investigating the placental microbiome to understand its role in preterm pregnancies have identified bacteria associated with periodontal disease, suggesting a relationship between the oral and placental microbiomes.^113–116 Oral microbes from genera including Streptococcus, Fusobacterium, Neisseria, Prevotella, and Porphyromonas have been recovered from placenta.¹¹¹ Interestingly, the placental microbiota more closely resembles that of the maternal oral microbiome than that of the gut.¹¹⁶ Animal studies have helped to confirm the direct role of the oral microbiota, and more specifically periodontal disease-related pathogens, in adverse pregnancy outcomes.¹¹⁷ Similarly, bacteria of oral origin, namely Fusobacterium nucleatum, were identified in samples of amniotic fluid and cord blood from women with pregnancy complications, suggesting oral translocation via hematogenous mechanisms.¹¹⁵ Fusobacterium nucleatum has also been associated with stillbirth.¹¹⁸

Following birth, overt colonization of the oral cavity with microbes occurs within 8-16 hours as a result of transmission of microbes vertically (through exposure to maternal skin and vaginal microbiomes), from the diet via oral fixation by the infant, and horizontally (from human interactions additional to those already mentioned).^119, 120 The infant mouth becomes colonized by early oral colonizers associated with the infant’s mode of delivery,¹²¹ demonstrated by finding distinct differences in the bacterial phyla predominant in the oral cavities of babies delivered vaginally compared with those delivered by Cesarean section.¹²¹ Firmicutes, Bacteroides, and Actinobacteria were found to be most abundant, respectively, in babies delivered vaginally, while Bacteroides, Proteobacteria, and Firmicutes were most abundant in babies delivered by Cesarean section. Regarding mode of delivery, vast differences in relative abundance at the genus level have been observed for most phyla, with the most marked increases being observed for Lactobacillus species in children delivered vaginally and for Petrimonas species in children delivered by Cesarean section. Lactobacillus species are common constituents of the vaginal microbiome, with strong consistency found between lactobacilli in the microbiota of the vagina and those in the oral cavity of infants delivered vaginally after a natural labor and birth.

The composition of the oral microbiome is shaped throughout life by factors including host genetics and maternal transmission, as well as by environmental factors, such as dietary habits, oral hygiene practice, medications, stress levels, and systemic factors (Figure 1).^24, 129 Rather than being fixed, the composition of the oral microbiota changes throughout life, consistent with the oral cavity being a dynamic microbial environment. Eruption of primary deciduous dentition introduces new substrata for microbial colonization, thus introducing ecological shifts within the oral microbiome.^130, 131 Additional changes throughout one’s life, including to dietary habits, age, hygiene regimens, and behaviors (such as tobacco and alcohol use), also influence changes to the oral microbiome.¹³² A 2020 study of crowd-sourced oral microbial swabs, taken from a large sample representative of the general population, showed that bacterial diversity of oral microbiomes seems to decline with age,¹³³ an observation that has also been made in lower gastrointestinal microbiomes in relation to diet and health status.¹³⁴ As children age, their oral microbiomes tend to stabilize, a feature attributed to the establishment of independent oral-hygiene maintenance habits, acquisition of permanent dentition, and consumption of an adult diet with more-or-less defined dietary patterns.¹³⁵

The relative importance, on the oral microbiota, of host genetics versus environmental factors has been debated.^{123, 135–139} In a large study of many sets of young and middle-aged Swedish twins, the effect of host genetic factors on the salivary microbiota, predicted metabolic functions, and immune responses to oral bacteria were explored.¹⁰⁸ Here, the use of young and middle-aged twins granted an understanding of genetics versus environment, as the young twins in the study were living together and exposed to similar environmental backgrounds, whereas the middle-aged twins shared genetic factors but had lived apart for many years. The presence and relative abundance of all species identified were influenced by environmental factors, and thus differed according to the environmental factors to which they had been exposed. Conversely, the influence of host genetic factors on these parameters were variable at the species level, mainly demonstrating strong effects on the presence and relative abundance of 27 bacterial species. The bacteria associated with host genetic factors were caries-associated species, including S mutans, Scardovia wiggisae, and Stomatobaculum longum. Genetic factors were also associated with predicted metabolic pathways among the salivary microbiota, most specifically in relation to carbohydrate metabolism. In support of this, a different study found that heritability of microbial functions related to acid production was nearly 76%.¹²² Moreover, heritability of caries is nearly 50% among Swedish twins.¹⁴⁰ In terms of immune responses, genetic factors were more strongly associated with serum antibody responses to the putative periodontal pathogen P gingivalis. Notably, strong host genetic factors existed for several taxa and microbial metabolic functions relevant to caries development in the younger cohort, while strong host genetic factors on serum antibody levels against known periodontal pathogens existed in the older age group.¹⁰⁸

3.2 Biofilm colonization

The mucosal surfaces serve as the chief substrata available for microbial colonization in the infant oral cavity.¹⁴¹ The most frequently detected early colonizers of the predental oral cavity include Streptococcus, Staphylococcus, and Fusobacterium species.^142, 143 Streptococci are capable of adhering to epithelial cells and are a dominant bacterial group in breast milk.¹⁴⁴ As such, streptococcal species constitute the majority of the infant oral microbiota. Streptococcus salivarius demonstrates the highest relative abundance among newborns and shows a steady decrease after 3 months of age.¹¹⁹ Additional early colonizers, such as Gemella, Rothia, Granulicatella, and Haemophilus, present at 3-6 months of age and increase in abundance with time.^141, 142 In a cross-sectional study on acquisition of the oral microbiota by infants, Mason and colleagues found that in 85% of infants, the composition of the oral microbial community was similar to that of their mothers, suggesting a significant role of the mother in introducing oral microbial communities to their children. Moreover, maternal smoking was associated with increased levels of F nucleatum and Campylobacter conscisus among infants. The eruption of deciduous teeth creates additional niches, such as nonshedding enamel surfaces, dentogingival borders, and a subgingival environment, for colonization of microbes.^143, 145 The eruption of teeth leads to divergence of the infant oral microbiota from the maternal microbiota, and such changes persist among mixed and permanent dentition states.

The human oral microbiota is markedly diverse among individuals.²⁹ However, despite dissimilar phylogeny, functional signatures among the oral microbiota are often conserved from one individual to another.^13, 14 Among infants, phylogenetic divergences across individuals are observed prior to eruption of deciduous teeth¹⁴³; however, functional signatures remain conserved.¹⁴³ Marked expansion of oral microbial phylogenetic and functional diversity is observed with the eruption of deciduous teeth, suggesting the significance of related microbial ecosystems and parallel changes in dietary habits (solid foods) to oral microbiome diversity.¹⁴³ Interestingly, salivary microbial communities from oral cavities of primary teeth-only cohorts demonstrate greater microbial diversity than do pre-dentate, mixed dentition, and permanent teeth cohorts. Tooth eruption introduces the relative abundance of Streptococcus, Gemella, Granulicatella, and Veillonella species.¹⁴³ Expansion of microbial functions at the time of tooth eruption reflect changes in the oral ecosystem, including increased expression of genes related to adhesion, biofilm formation, membrane transport, cell mobility, secretion systems, chemotaxis, flagella assembly, and oxidative phosphorylation.¹⁴³ Exfoliation of primary dentition, the presence of mixed dentition, and the emergence of permanent teeth continue to alter the oral microbiome in early life and childhood.¹⁴³

Although the oral microbiome in infants evolves with advancing age, initial colonizers of the oral cavity remain as permanent colonizers that influence this colonization trajectory into adulthood.¹⁴⁶ The significance of primary colonizers suggests that such pioneer organisms play a key role in determining development of the oral microbiome and thus the long-term oral health status of individuals.¹⁴⁶ Not only does the composition of one’s oral microbiome locally impact oral health, it may also affect systemic health throughout life.³⁸ This is demonstrated by the association of various disease states with the oral microbiome, including not only caries and periodontal disease but also oral, esophageal, pancreatic, and colorectal cancers, cardiovascular disease, and inflammatory bowel disease.^147–153 In line with the associations suggested between oral health and systemic health later in life, disruptions in the oral microbiota early in life have been suggested to play a role in systemic disease states among children. Such conditions include tooth decay and abscess formation among young children, child weight gain, pediatric appendicitis, and pediatric inflammatory bowel diseases.^154–158 Together, such associations between the oral microbiome and systemic health, in line with the role of the maternal oral microbiome in establishing intrauterine and infant microbial communities, encourage future studies that provide insight into the underlying mechanisms of such correlations.

3.3 Composition in adult life

After the colon, the oral microbiome represents the second most diverse microbiota in the human host, with over 700 bacterial species presently identified.³⁵ The NIH Human Microbiome Project assessed the microbial compositions, encompassing both relative abundance and representative microbes, in 9 intraoral sites from 200 participants and found that, compared with other colonized body sites (such as the gut and the skin), the oral microbiome has the largest core set of microbes that are shared among unrelated individuals.^130, 159 Moreover, the Human Microbiome Project found that the main genus among intraoral sites, at greater than 10% abundance and present in more than 75% of samples, was Streptococcus, specifically Streptococcus oralis, S mitis, and Streptococcus peroris. Other core members with greater than 1% abundance across at least 80% of samples from 1 or more sites, included those from the family Pasteurellaceae, those from the genera Gemella, Veillonella, Prevotella, Fusobacterium, Porphyromonas, Neisseria, Capnocytophaga, Corynebacterium, and Actinomyces, and those from the orders Lactobacillales and Lachnospiraceae.¹⁶⁰ However, specifically identifying the exact composition of the oral microbiota among individuals is difficult because of the nature of the oral cavity: an open system that is regularly exposed to food, drink, exogenous microbes, air, and human contact.⁹

3.4 The commensal microbiota and oral health

The commensal oral microbiota is important in maintaining oral health. One such mechanism by which commensals promote oral health is via resistance to colonization by pathogens, in which commensals outcompete pathogenic species for colonization substrata, thus allowing few opportunities for integration by exogenous pathogens.¹⁶¹ Some oral commensals, such as S sanguinis, demonstrate direct antagonism against oral pathogens. Streptococcus sanguinis, Streptococcus cristatus, S salivarius, S mitis, Actinomyces naeslundii, and Haemophilus parainfluenzae have been shown to decrease the ability by P gingivalis to adhere to substrate.^162, 163 Moreover, clinical isolates from individuals with good oral health status contained strains of Streptococcus, Actinomyces, and Bifidobacterium, all of which were shown to inhibit growth of P gingivalis.¹⁶⁴ Lactococcus lactis, a commensal of the oral microbiota, produces nisin, a bacteriocin that has been shown to reduce oral tumorigenesis and extend the life span of mice with tumors.^165, 166 In addition, nisin was recently demonstrated in vitro to mitigate pathogen-mediated oral tumorigenesis, cancer cell migration, and cell invasion of oral squamous cell carcinoma in vitro, thus suggesting an anti-cancer role for commensal species.¹⁶⁷ The oral microbiome is also involved in systemic nutrient cycling in relation to nitrate metabolism.^168–170 Nearly 25% of ingested nitrate is transported, via the enterosalivary circuit, to the oral cavity: here, oral microbes reduce nitrate to nitrite, which is taken into the bloodstream during digestion and converted to nitric oxide. Nitric oxide is important to cardiovascular health as it exerts vasodilation and antihypertensive effects.^{9, 168, 170} Such findings demonstrate the importance of the commensal oral microbiome in maintaining oral health and promoting systemic health. Dysfunction of nitric oxide signaling is associated with pulmonary hypertension, obesity, and cardiovascular disease.¹⁷¹ Studies have found that the use of antibacterial mouthwash can increase blood pressure as a result of its inhibitory effect on the oral microbiome.^172–174 Some commensal organisms are able to buffer the acid produced by caries-associated bacteria by raising the pH of saliva through the production of alkaline metabolic by-products.¹⁷⁵ The Stephan Response describes the re-establishment of pH homeostasis following pulses of carbohydrate in the oral cavity: in this reaction, pathways generating alkali, including those producing arginine, ornithine, citrulline, glutamate, serine, threonine, and urea, are stimulated following glucose intake.¹⁷⁶ Organisms involved in re-establishing pH homeostasis include S gordonii, S sanguinis, and Lactobacillus casei.¹⁷⁷

3.5 Microbial dysbiosis and oral disease

Conversely, states of oral disease are induced by dysbiosis of the oral microbiome.^178, 179 Such dysbiosis is prompted by various factors, including host diet, inflammatory responses, systemic disruptions, and habits such as alcohol intake, smoking tobacco and consuming alcohol.^{50, 180–186} Dental caries is attributed to high dietary intake of carbohydrates, leading to increased production of acid by microbes (which reduces the buffering capabilities of saliva), reductions in salivary pH, increased production of biofilm exopolysaccharide matrix (that entraps and concentrates acids on enamel surfaces), and induction of positive-feedback loops that encourage outgrowth of aciduric and acidogenic species, including S mutans and Lactobacillus species.^{8, 9, 22, 181, 187–189} Carious lesions, if left untreated, may lead to more advanced oral pathologies, such as abscess formation or pulpal involvement.¹⁹⁰ Untreated dental caries is the most common reason for hospitalization of youth.¹⁵⁵ Fleming and Afful found that untreated carious lesions among adolescents comprise nearly 15% of the total cases of caries among adolescents aged 12-19 years, with untreated carious lesions primarily occurring in non-Hispanic black youth (17.1%), followed by Hispanic (13.5%), non-Hispanic white (11.7%), and non-Hispanic Asian (10.5%) youth.¹⁹¹ Moreover, the prevalence of untreated caries decreased from 18.6% for youths living below the federal poverty line to 7% among youths in families with incomes 300% above the federal poverty line.¹⁹¹

Periodontal disease is caused by dysbiosis of subgingival microbial communities that adversely affects the host immune system such that it creates and maintains unmitigated inflammation in gingival and periodontal tissues, thus preventing immune subversion and tissue recovery.¹⁰ Key species in oral biofilm are recognized as etiological agents in the development of periodontal disease: these species include the red complex bacteria—T forsythia, Treponema denticola, and P gingivalis—that exhibit the capacity to drive the processes involved in periodontal disease pathogenesis by orchestrating restructure of the microbiota and promoting inflammation.¹⁷⁸ Inflammatory and immune-mediated processes, directly instigated by the microbes in the local plaque environment, mediate the development of gingivitis and periodontal disease.²¹ Early inflammatory processes, such as gingivitis, can be mitigated through oral hygiene and removal of the bacterial biofilm. Stable plaque, which can also acquire opportunistic pathogens, can cause long-term inflammation that leads to periodontal disease.²¹ While the inflammation characteristics of gingivitis are mostly reversible, periodontitis results in long-term, irreversible damage to the periodontal tissues and alveolar bone that manifests as tissue detachment from the tooth, formation of a pocket wherein pathogenic bacteria can proliferate further, and eventual tooth loss in advanced stages of the disease.^192–195

3.6 Oral microbiome in systemic disease

In addition to causing local (periodontal) disease, oral infection has implications in systemic disease. Three primary mechanisms linking oral infection to systemic pathology have been identified: spread of infection from the oral cavity as a result of transient bacteremia; circulation of microbial toxins; and systemic inflammation caused by adverse immunologic responses to oral microbes.¹⁹⁶ Saliva contains 10⁹ bacteria per milliliter, with the bacteria present in saliva being shed from the tongue, cheeks, and dental and gingival plaque.¹⁹⁷ Between 0.75 and 1.5 L of saliva are produced per day by the oral cavity and the majority is swallowed either alone or with food or drink.¹⁹⁸ Oral bacteria are therefore frequently transferred to the gut. Most oral bacteria are not well adapted to survive in a healthy lower gastrointestinal tract; however, increased levels of oral-associated microbes are found in the gut of patients with inflammatory bowel disease, HIV, liver cirrhosis, and colon cancer.^39, 41 These diseases are often associated with a perturbed gut microbiota, suggesting an increased ability of oral microbes to colonize ectopically in the context of immune dysregulation. For instance, Klebsiella species isolated from the oral cavities of patients with Crohn’s disease have been shown to be effective colonizers of the gut of germ-free mice.³⁹ Oral Klebsiella species can also stimulate T-helper-cell induction and cause severe colonic inflammation in genetically susceptible mouse models through upregulating interferon-inducible genes in host dendritic cells and colonic epithelial cells, demonstrating stimulation of the gut-associated lymphoid tissue. It is hypothesized that disease states, such as chronic bowel inflammation, may enable aerotolerant species from the oral cavity to colonize distant sites more effectively.³⁹

Periodontal disease shares many associative and causative links with systemic disease, and it increases susceptibility to systemic diseases via shared risk factors, such as by harboring pathogenic gram-negative anaerobes in subgingival biofilms, and by fashioning the periodontium as a reservoir for pro-inflammatory mediators.¹⁹⁹ Subgingival biofilms have a large bacterial load and, because of their close proximity to deeper periodontal tissues, may serve as reservoirs of lipopolysaccharide and gram-negative pathogens for systemic circulation. When present in systemic circulation, lipopolysaccharide induces pathologic outcomes in the vasculature, including production of inflammatory infiltrate within vessel walls and intravascular coagulation.^200, 201 Moreover, lipopolysaccharide induces secretion of inflammatory factors that promote platelet aggregation and adhesion, formation of lipid foam cells, and accumulation of cholesterol deposits.¹⁹⁶ Diseased periodontal tissues additionally stores pro-inflammatory mediators associated with periodontitis.^{51, 183, 202} Such pro-inflammatory molecules can directly access the circularity (cardiovascular) system and induce systemic effects, such as coagulation and thrombosis, platelet aggregation and adhesion, and accumulation of cholesterol deposits.¹⁹⁶ As such, cardiovascular disease demonstrates a close association with oral infection.^203, 204 Periodontal disease predisposes humans to cardiovascular pathologies, such as atherosclerosis and myocardial infarction, as a result of inducing increased levels of systemic pro-inflammatory cytokines, inflammatory cells and infiltrates, and white blood cell counts.¹⁹⁹

Rheumatoid arthritis is a chronic autoimmune disease characterized by synovial inflammation that can result in damage to articular cartilage and bone.²⁰⁵ Studies have revealed a link between rheumatoid arthritis and dysbiosis of the gut and oral cavity microbiomes, and a long-term correlation between periodontal disease and rheumatoid arthritis exists.²⁰⁶ When rheumatoid arthritis is treated, the oral microbiome is partially restored, and vice versa.^207, 208 Antibodies against P gingivalis virulence factors are elevated in patients with rheumatoid arthritis in a way that correlates with disease severity.^209, 210 Recently, significant progress has been made in uncovering the mechanistic underpinning of this association. Development of rheumatoid arthritis occurs largely through a loss of tolerance for proteins that have undergone citrullination (ie, posttranslational modification of a positively charged arginine into a neutral citrulline group).²⁰⁵ Citrullination of arginine occurs via the action of peptidyl arginine deiminase, an enzyme found in both humans and P gingivalis.²¹¹ Infection with P gingivalis and the subsequent development of microbial dysbiosis stimulates a pro-inflammatory immune response in the gingiva in response to the lipopolysaccharides and endotoxins produced by increased bacterial pathogens.²¹² This response is characterized by increased activation of pathologic T cell populations by antigen-presenting complexes and production of pro-inflammatory cytokines.⁵² Porphyromonas gingivalis also expresses peptidyl arginine deaminase, which citrullinates gingival proteins and bacterial peptides, and also undergoes autocitrullination.²⁰⁸ Citrullination of local proteins in the gingiva stimulates production of antibodies to both citrullinated peptidyl arginine deiminase and P gingivalis. Local protein citrullination in the gingiva promotes production of anti-citrullinated peptidyl arginine deaminase, and antibodies against P gingivalis. Human peptidyl arginine deaminase induces the same action in joints. Porphyromonas gingivalis peptidyl arginine deaminase citrullinated α-enolase can also generate antibodies that cross react with similar host-citrullinated α-enolaseyes, eliciting autoantibody activity through molecular mimicry. Ultimately, long-standing inflammation evolves into chronic rheumatoid arthritis.

Porphyromonas gingivalis and periodontal disease have also been identified as significant risk factors for the development of amyloid beta plaques, dementia, and Alzheimer’s disease.²¹³ Gingipains, another virulence factor of P gingivalis, are implicated in Alzheimer’s disease pathology. A diagnosis of Alzheimer’s disease correlates with the gingipain load in the brain and also with other P gingivalis-specific virulence factors, including P gingivalis lipopolyaccharide. Gingipains colocalize with tau protein, a protein in the brain which becomes misfolded and insoluble in patients with Alzheimer’s disease. It has now been demonstrated that gingipains cleave tau protein and contribute to tau tangle formation resulting disease. Studies in mice have shown that oral P gingivalis consistently invades the brain in a gingipain-assisted manner, and that injection of gingipains into the brain increases neuronal degeneration to a level higher than that found in controls.²¹³

Periodontitis is also associated with increased risk of oral squamous cell carcinoma.^214, 215 A recent study by Kamarajan and colleagues investigated the mechanisms by which T denticola, P gingivalis, and F nucleatum promote oral carcinogenesis. Their findings demonstrate that T denticola, P gingivalis, and F nucleatum enhance cell migration, invasiveness, stemness, and oral tumorigenesis of oral squamous cell carcinomas but have little effect on cell proliferation and apoptosis.¹⁶⁷ Moreover, a mechanistic understanding of this was attributed to crosstalk between oral pathogens and integrin/focal adhesion kinase and toll-like receptor/Myd88 signaling pathways. Interestingly, these interactions were reversed by treatment with the bacteriocin, nisin.¹⁶⁷

The relationship of the oral microbiome with systemic health is bidirectional, meaning that systemic disease may also influence the oral microbiome. Type 2 diabetes mellitus, and the hyperglycemia related to this disease, are associated with increased risk of periodontitis as a result of the vascular complications of diabetes and increased levels of pro-inflammatory molecules.^216–218 Differences in the composition of subgingival plaque have been found among patients with periodontitis, with or without type 2 diabetes; specifically, patients with diabetes harbor higher proportions of Capnocytophaga species, F nucleatum, Eikenella corrodens, and A actinomycetemcomitans than patients without diabetes.²¹⁹ Capnocytophaga species are saccharolytic organisms that have been shown to demonstrate increased proteolytic potential in the presence of elevated glucose levels.²²⁰ Fusobacterium nucleatum and A actinomycetemcomitans are well recognized in periodontal disease,^220, 221 and F nucleatum is noted for its role in the development of anaerobic microenvironments that facilitate the outgrowth of anaerobic periodontal pathogens.²²² Moreover, E corrodens is associated with chronic and aggressive periodontitis. Interestingly, increased proportions of saccharolytic bacteria, including Streptococcus, Neisseria, and Veillonella, are speculated to occur among patients with diabetes as a result of the increased glucose contents in serum and gingival crevicular fluid of such patients, which selects for the outgrowth of these organisms.^219, 223 Chronic psychological stress is also classified as a risk indicator for periodontal disease and may serve as an early sign of increased risk for development of periodontal disease. Emerging evidence suggests that chronic stress and related diseases, such as depression and anxiety, may be significant factors contributing to the development of oral dysbiosis, progression of periodontal/peri-implant disease, and inconsistent wound healing following periodontal therapy.^{125, 224–226} Moreover, the stress hormone, cortisol, has been shown to directly induce shifts in the composition of the oral microbial community and in its gene expression profiles in vitro, which reproduces results found for the gene expression profiles of the oral microbial community in periodontal disease and during its progression.⁹⁴

4 PLAQUE FORMATION AND PERIODONTAL DISEASE

4.1 Biogeography and ecology of the oral cavity

Many distinct microenvironments exist in the oral cavity, and these are used as distinct niches for microbial colonization. The nonshedding enamel surfaces, the gingival crevice, the mucosal epithelium of the cheeks, the tongue dorsum, and tonsillar crypts, together present the oral cavity as a complex microbial environment with wide-ranging topography.^227, 228 The hard, nonshedding dental enamel surfaces present a unique opportunity for formation of mature microbial biofilm. The enamel surfaces are coated by an acquired salivary pellicle, composed of proteins, lipids, glycoproteins, and glycolipids that permit initial adherence by primary colonizers.^229, 230 The oral cavity as a microbial environment is further complicated by spatial gradients created by salivary flow, nutrient availability, oxygen concentration, saliva, and gingival crevicular fluids,^{61, 227, 231, 232} in addition to regular environmental disturbances caused by eating and mastication, facial movement related to speaking and expression, and oral hygiene practices.²²⁷ Variation in the amount and velocity of salivary flow experienced by these sites, dictated by proximity to salivary glands, affects the composition of microbial communities harbored in distinct niches.²³¹ Within the biofilm, chemical and nutritional spatial gradients are created as a result of microbial colonization patterns, microbial succession, microbial metabolism, and nutrient cycling. For example, colonization by Corynebacterium provides long filaments on which distinct microenvironments are created, and streptococci at the periphery of oral biofilms produce lactate, which serves as a preferred substrate for catabolism by Veillonella, Corynebacterium, and Eubacterium species.^61, 233 Moreover, aerobic streptococci create an anaerobic environment via the production of carbon dioxide, lactate, and acetate, facilitating the growth of anaerobic Fusobacterium, Leptotrichia, and Capnocytophaga species.⁶¹

Many microbial subtypes are specialized to reside in either dental plaque, on the dorsum of the tongue, or on keratinized gingiva.²³⁴ For example, among Streptococcus species in the oral cavity, S salivarius and Streptococcus parasanguinis are specialized for colonization on tongue dorsal surfaces, whereas S sanguinis and S gordonii instead reside in dental plaque communities.²³⁴ Strong site preference is additionally observed among several Actinomyces species, as well as in Corynebacterium, Fusobacterium, and Prevotella species. Alternatively, some species, such as S mitis, H parainfluenzae, and Porphyromonas pasteri do not demonstrate site specialization and are found in a variety of habitats. However, most microbes in the mouth demonstrate site specialization. Site specialization is dictated by the ability of a microbe to adhere, colonize, grow, and divide at that site.^227, 234

4.2 Oral biofilm colonization

Primary colonizers of dental biofilm with specific adhesion factors form weak, long-range physicochemical interactions with the pellicle to facilitate receptor-mediated binding.^235, 236 Primary colonizers are primarily gram-positive cocci and rods, especially Streptococcus species, such as S salivarius.²³⁷ Traditional models of microbial biofilm succession follow a sequential process in which the initial attachment of primary colonizers, namely Streptococcus, Actinomyces, Gemella, Veillonella, Rothia, and Neisseria species, bind to dental pellicle and facilitate subsequent colonization by F nucleatum, which functions as a bridging species between early and late colonizers.²³⁵ From approximately 18 hours to 4 days following colonization of dental biofilm, primary colonizers remain the predominant species among biofilm communities.²³⁸ However the proportions of anaerobes, such as Porphyromonas, Fusbobacterium, Prevotella, and Capnocytophaga, gradually increase.²³⁵ Spectral imaging and fluorescence in situ hybridization offer a different perspective of biofilm structure, in which a radially arranged consortium of bacteria forms along the annulus of filamentous Corynebacteria.⁶¹ This model shows that microbial localization is organized in such a way that position reflects functional and metabolic capacities, with anaerobic taxa toward the interior and aerobic organisms at the periphery.⁶¹ While traditional models recognize Fusobacterium as critical for connecting early and late biofilm successors, findings from this study instead found Cornybacterium as the cornerstone of biofilm development.^61, 236 Once established, the new community of bacteria then begins the process of replication, maturation, and formation of a complex biofilm that can contain hundreds of species.^20, 239

4.3 Microbial and immunologic involvement in periodontal disease

Biofilms become more pathologic as maturation progresses, with the proportion of pathogenic species increasing over time as the maturing biofilm selects for anaerobic species through metabolic and physical interactions.^232, 240 Biofilm communities maintained at the dentogingival border stimulate immunologic responses at the gingiva, further driving dysbiosis and reinforcing inflammation.²⁴¹ Sustained inflammatory responses induce tissue destruction and deepening of the gingival crevice, leading to formation of an anaerobic subgingival pocket. Homeostatic immune responses in the gingiva are disturbed following the integration of keystone pathogens, such as P gingivalis. The direct interactions of keystone pathogens with members of the microbial community, combined with their ability to elicit, yet also to subvert, host immune responses, result in the creation of a dysbiotic microbial community that thrives under inflamed conditions. The integration of periodontal pathogens, even at low abundance, is able to alter the composition of the microbiota and results in destruction of periodontal tissues by inflammatory processes that they induce.⁵¹ Via its interactions with the commensal microbiota, P gingivalis is able to promote disease by exploiting the pro-inflammatory responses of the host, through which the dysbiotic microbiota induces the pathologic bone loss characteristic of periodontitis. Crosstalk between complement and pattern recognition receptors in response to dysbiosis further reinforces the immunomicrobial nature of periodontitis, in which these factors permit dysbiosis via inflammatory destruction of periodontal tissues and the provision of proteinaceous metabolic by-products that further drive dysbiosis and tissue destruction.²⁴¹ Microbial dysbiosis is also necessary for additional inflammatory responses characteristic of periodontal disease, including local expansion of pathologic interleukin-17⁺/CD4⁺ T-helper (T-helper 17) cells.⁵² High T-helper 17 cell and neutrophil populations are maintained in inflamed gingival tissues via reciprocal reinforcement, mediated primarily via the action of the inflammatory cytokines interleukin-6, interleukin-17, interleukin-23, tumor necrosis factor-alpha, interferon-gamma, and granulocyte-colony stimulating factor, as well as by interleukin-8, C-C motif chemokine ligand 2, and C-C motif chemokine ligand 20 chemokines,²⁴¹ further driving reciprocal reinforcement of microbial dysbiosis and pathologic inflammation in periodontal tissues.

The development of pathologic subgingival biofilms is largely dependent on the organisms present in homeostatic biofilm communities.²⁴⁰ A study by Thurnheer and colleagues sought to define microbial succession during the transition of from supragingival to subgingival plaque by recapitulating, in vitro, the environmental pressures faced during the transition of biofilm from aerophilic to microaerophilic and then to anaerobic conditions.⁶⁴ At the end of the microaerophilic phase, at which point primary and secondary colonizers had been introduced, biofilm thickness doubled relative to the biofilm thickness at the end of the aerobic phase in which only primary colonizers were present in the system. Moreover, biofilm viability increased during the transition to the anaerobic phase. Interestingly, a novel role for aerobic exopolysaccharide synthesis in subgingival biofilm formation was identified, in which treatment with dextranase reduced bacterial numbers in subgingival communities,⁶⁴ thus highlighting the importance of supragingival biofilms in the formation of subgingival biofilm.⁶⁴ The importance of commensal species to pathogenesis is further demonstrated by the requirement for commensal microbial communities in the instigation of disease by periodontal pathogens.^51, 52 Moreover, S gordonii has been shown to increase the virulence of A actinomycetemcomitans by producing lactate via streptococcal carbon metabolism.²⁴² Pathogenic species may also enhance the outgrowth of other pathogens through symbiotic relationships. For example, P gingivalis stimulates the growth of T denticola via the production of isobutyric acid, and T denticola produces succinic acid that enhances the growth of P gingivalis.²⁴³ Such interactions demonstrate the role of microbial interactions in promoting disease via multifaceted physical and metabolic interactions that are the cornerstone of the polymicrobial synergy and dysbiosis model.¹⁷⁸

5 DIET AND THE ORAL MICROBIOME

5.1 Paleolithic-Neolithic transition: the introduction of grains

The introduction of agriculture ~ 10,000 years ago at the Mesolithic-Neolithic transition drastically changed dietary composition, such that grain-derived carbohydrates emerged as a main staple of the human diet.²⁴⁴ Increased consumption of cereal grains at this transition was accompanied by the emergence of dental and periodontal diseases, which is further reflected by distinct shifts in the oral microbiota.^245–247 Little evidence of dental and periodontal disease exists for pre-Neolithic hunter-gatherer societies.²⁴⁵ Changes in the proportions and representation of oral microbial species at the Mesolithic-Neolithic transition are evident in samples of preserved dental calculus from the Mesolithic that demonstrate a compositionally distinct microbial profile from samples of dental calculus collected from the Neolithic, Bronze Age, and Medieval periods, and modern times.²⁴ Interestingly, the microbial profiles of plaque samples from the Neolithic onward largely cluster together in terms of proportions and species of microbes present, despite additional dietary changes over time: compared with the proportions and species of oral microbes present in pre-agriculture plaque samples, such samples from farming populations of the Neolithic onward are dominated by caries-associated species, such as those from the family Veillonellaceae, as well as taxa associated with periodontal disease, including P gingivalis, T forsythia, and T denticola.²⁴ The distinction between the microbial profiles found in Mesolithic and post-Mesolithic eras suggests that increased carbohydrate consumption introduced profound effects on the composition of the oral microbiota that have been maintained over time.²⁴ Such changes in the pre-Neolithic oral microbiota have been further exacerbated by the evolution of food-processing techniques that emerged during the Industrial Revolution, ~ 200 years ago, consistent with the invention of mechanical steel roller mills in the 19th century, in which the nutritive properties of grains were significantly altered by the isolation of starch-rich components (flour) and removal of the outer bran layer that provides micronutrients and dietary fiber.^248–250 Moreover, processed carbohydrate consumption has been associated with increased incidence of periodontal disease.^{8, 24, 26, 181, 188, 251} Processing of grains further impacted several additional aspects of diet, including total nutritive content, starch bioavailability, and texture. Current World Health Organization guidelines recommend that starch-derived carbohydrates constitute > 55% of daily energy intake. This encompasses cereal grains, starchy tubers, whole grains, legumes, etc., in which complex carbohydrate consumption is favored widely over processed carbohydrate consumption in regard to health. In the United States, carbohydrates constitute > 50% of total energy intake, with refined cereal grains representing > 85% of total cereal grains consumed. Moreover, refined sugars constitute approximately 20% of caloric intake.^252–254

5.2 Ancestral diets and oral health

Dietary staples and processing techniques that emerged during the Neolithic and Industrial Revolution periods significantly changed several central components of the human diet, including total macronutrient content, glycemic load, fatty acid composition, sodium and potassium levels, micronutrient levels, dietary pH, and fiber content.^{253, 255, 256} The pre-agricultural diet was largely limited to nonprocessed, wild fruits and vegetables, legumes, nuts, and wild animals.²⁵³ Staples of the modern diet, including dairy products, refined carbohydrates, vegetable oils, and alcohol, that were not nutritional features of the pre-agricultural diet, now constitute ~ 70% of the total daily energy intake by people in the US.²⁵⁵ The transition from hunter-gatherer lifestyles to farming societies is associated with a decline in oral health as well as several additional disease states, including (but not limited to) cardiovascular disease, inflammatory bowel diseases, rheumatic diseases, many cancers, and obesity.^{24, 245, 253, 257} Modern day hunter-gatherer societies, although scarce, offer a unique opportunity to observe the impact of ancestral diets on human health in the absence of Westernized dietary influences. An oral health study among the Hadza hunter-gatherers of Tanzania offered a rare opportunity to study the impact of ancestral diets among “bush dwellers” and increasingly Westernized diets on the oral health status among “villagers.”²⁵⁸ The findings from this study were consistent with the hypothesis that agricultural societies demonstrate poorer dental health than hunter-gatherer societies: women who lived in village settings and consumed a primarily agricultural diet had significantly greater incidences of caries and periodontal disease than those who lived in a bush setting and consumed a wild-food diet including legumes, wild game, berries, and uncultivated tubers.^{24, 258, 259} However, men living in the bush did not uphold the same oral health status as their female counterparts, predictively because of cultural influences, including high consumption of honey and tobacco use.²⁵⁸

5.3 Dietary texture and oral health

The low rates of periodontitis among bush-dwelling women compared with women who lived in village settings was suggested to result not only from compositional differences in their diets, but also from textural differences.²⁵⁸ It was hypothesized that consumption of fibrous, uncultivated tubers by bush dwellers offered increased masticatory challenge that was effective in helping to interrupt plaque formation by mechanically abrading dentogingival surfaces.^258, 260 The benefits of dietary texture on oral health are more commonly recognized among animal studies.^{23, 261, 262}Wild animals have an oral health status superior to that of animals living in captivity because of the absence of masticatory challenge among foods given to domestic and captive animals.^{23, 261, 263–265} Interestingly, periodontal disease among captive animals was reversed when their diets were increased in texture to provide masticatory challenge to dentogingival surfaces and alleviate plaque formation.^264, 265 A novel role for dietary texture/hardness in periodontal immunity was recently demonstrated by Dutzan et al.⁵³ Mice consuming soft or hard diets demonstrated differential immune responses in gingival tissues: interleukin-17-producing T cells accumulated (in an interleukin-6-dependent manner) in periodontal tissue of mice fed a hard diet.⁵³ In addition, mechanical damage induced by consumption of foods with increased texture led to elevated expression of epithelial defensins and neutrophil chemoattractants and promoted increased neutrophil counts in gingival tissues.⁵³ Although it was found that increased mechanical damage prompted periodontal bone loss, consistent with destruction of hard tissue in periodontal disease, it was speculated that mechanically induced T-helper 17 cells may elicit barrier protection at the gingiva.^53, 54 These findings were further elucidated by an additional study in which the periodontal T-helper 17 populations governing health and disease were differentiated: homeostatic T-helper 17 cells were found to be induced by mechanical stimuli in a microbiome-independent manner, whereas periodontitis-associated T-helper 17 cells were found to accumulate in a microbiome-dependent manner and to require both interleukin-6 and interleukin-23.^52, 54 Cumulatively, these findings offer a greater mechanistic understanding of how dietary nutrition and texture alike alter the oral microbiota and immune response at the gingiva.

5.4 Dietary fiber and oral health

Total macronutrient shifts as a result of increased grain consumption at the Paleolithic-Neolithic transition are well recognized.²⁵³ However, the nutritional value of grains is dictated by multiple factors, including grain particle size (ie, degree of processing) and preparation method (ie, cooking).^250, 266 Such processing and preparation methods subsequently affect food texture and the bioavailability of inner starch components.^{248, 250, 267, 268} Processing techniques seek to remove the outer, fibrous bran layer of grains to isolate the inner starch-rich endosperm components.^{248, 250, 269} Removal of this outer bran layer not only depletes fiber content but decreases dietary texture due to a loss of grain integrity.^{249, 268–272} The role of dietary fiber consumption in oral health status has been recognized predominantly from a correlative perspective.^{258, 259, 273, 274} In a study of fiber consumption and periodontal disease incidence among US adults, it was determined that consumption of whole grains significantly decreased periodontal disease incidence among adults aged 30 years and older.²⁷⁴ Conversely, low whole grain consumption was associated with increased incidence of periodontitis.²⁷⁴ Consumption of whole grains and fruit has also been shown to reduce periodontal disease progression and improve periodontal disease status among high-risk subjects.^273, 275 Lowered consumption of carbohydrates has additionally been determined to decrease markers of gingival and periodontal inflammation.^26, 276 Such correlative studies have offered a clinical perspective regarding the role of dietary carbohydrates and/or dietary fiber on worsened and improved periodontal disease status, respectively. The impact of increased carbohydrate consumption and increased fiber consumption, however, has yet to be understood from mechanistic perspectives. Periodontal disease is a multifaceted disease state involving intricate crosstalk between the oral microbiome and the periodontal and systemic immune systems.¹⁰ While the impact of diet on the clinical parameters of periodontal disease has been noted, the impact of diet on microbial and immunologic parameters has yet to be fully delineated. Despite these limitations, a handful of studies have identified changes to the oral microbiota and/or periodontal immunity in response to dietary interventions. For example, a study by Woelber and Tennert²⁶ found that reduced consumption of processed carbohydrate significantly altered the proportions of microbes in supragingival plaque and salivary samples, such that the numbers of S mitis, Granulicatella adiacens, Actinomyces species, and Fusobacterium species were reduced.²⁷⁷ Baumgartner et al²⁵¹ additionally identified significant shifts in the proportions of microbes in dental plaque in response to “stone-age” dietary interventions in the absence of oral hygiene, in which counts of the periodontal pathogens T forsythia and A actinomycetemcomitans, as well as Streptococcus species, from tongue samples were reduced following 4 weeks of dietary intervention.²⁵¹ Although the amount of plaque on teeth was higher at the experiment endpoint than at baseline, decreased bleeding on probing and periodontal pocket depths were noted and, despite abstinence from oral hygiene, gingival inflammation did not increase.²⁵¹ The effect of dietary texture on oral health status is a relatively unexplored area of research; however, recent studies have offered insight to this emerging field.^{273–275, 278} A study by Sedghi and colleagues²⁷⁸ found that the addition of dietary fiber as a mechanical influence in the oral cavity prompted significant changes to the murine dentogingival microbiota.²⁷⁸ Interestingly, this study found that the most significant changes influenced by dietary fiber occurred in the presence of sugar compared with sugar alone.²⁷⁸ When combined with sucrose, fiber significantly increased species richness, compared with a decrease in the Firmicutes to Bacteroides ratio prompted by a sucrose-only diet.²⁷⁸ Moreover, the addition of fiber led to a decrease in Corynebacterium species, which are recognized as a cornerstone of oral biofilm formation.^61, 278 These findings have implications for altering microbial dysbiosis elicited by modern-day diets and, as such, the role of fiber on the oral microbiome warrants further investigation.

6 FOOD METABOLISM IN THE ORAL CAVITY

6.1 Digestion and macromolecule metabolism in the oral cavity

Digestion of starch is initiated in the oral cavity through the action of salivary alpha-amylase that catalyzes the hydrolysis of starch by cleaving α-1,4-glycosidic linkages to yield smaller saccharide moieties, such as maltose, maltotriose, and alpha-limit dextrins,^279, 280 which can be utilized by early biofilm colonizers as well as by some periodontal pathogens.^{8, 281, 282} The Agricultural (~10,000 years ago) and Industrial (~200 years ago) Revolutions resulted in historic boosts of sugar intake, and the rates of sugar intake have been rising ever since.¹⁷ A 2014 study estimated that added sugar consumption among adults in the US has increased by more than 30% over the last 3 decades alone.²⁸³ The incidence of dental caries has increased in parallel with rising sugar consumption.²⁸⁴ Excess carbohydrate, particularly processed simple sugars, promotes the growth of rapidly growing saccharolytic microbes whose growth advantage permits out-competition of slower-growing species with alternative nutritional requirements.²⁸⁵ Saccharolytic bacteria, including Streptococcus, Actinomyces, and Veillonella species, degrade carbohydrates via the Embden-Meyerhof-Parnas pathways to produce acidic by-products, including lactate, acetate, ethanol, and formate, which cause demineralization of dental enamel and the development of carious lesions.^{22, 188, 286} A diet rich in carbohydrate intake promotes bacterial acidogenicity and acidurance by increasing the permeability of the cell membrane to protons, induction of H⁺-ATPase activity, and stimulation of metabolic pathways involved in acid neutralization and alkalination. Such processes encourage the outgrowth of acidogenic bacteria, such as S mutans, lactobacilli, and bifidobacteria that enhance the carcinogenicity of dental plaque.⁸ Pathways in which sugar is metabolized are also shared among some periodontal pathogens, such as Fusobacterium and Prevotella, which can likewise cause acidification.⁸

Carbohydrate use by S mutans is a well-recognized feature in the pathogenicity of dental caries.^{22, 188, 286} Expansion of the genetic repertoire of S mutans to include increased uptake of carbohydrate and stimulation of genes involved in carbohydrate metabolism appears to have been a key evolutionary turning point, as population genomics studies predict that the S mutans population started growing exponentially 10,000 years ago, around the advent of human agriculture.^24, 25 Streptococcus mutans uses dietary sucrose to produce exopolysaccharide matrix via glucosyltransferases and fructosyltransferases.¹⁸¹ The exopolysaccharide matrix and related glucan constituents synthesized by glucosyltransferases provide binding sites for further bacterial colonization and contribute to the resilience, bulk, and physical integrity of biofilm communities.¹⁸⁸ Furthermore, exopolysaccharides create chemical and metabolic gradients within biofilms that affect chemical and nutrient cycling as well as diffusion, thus altering the microenvironment and pH within biofilms consortium.^{187, 287, 288} For transporting mono- and disaccharides, S mutans primarily uses the phosphoenolpyruvate:sugar phosphotransferase system. While readily metabolizable mono- and disaccharides are preferred, S mutans also transports oligosaccharides through ATP-binding cassette transporters, such as the multiple sugar metabolism and maltose transport complex systems.²⁸⁹ Carbohydrate catabolite repression is another important mechanism by which bacteria utilize carbohydrates, and this may offer increased fitness.^290, 291 Carbohydrate catabolite repression enables metabolism of nonpreferred carbohydrates if preferred sources, such as glucose, are not available. Carbohydrate catabolite repression functions through a complex regulatory framework that relies on feedback from the build up of glycolytic intermediates and through regulating expression of glycolytic genes by EII permeases. This adaptation enables S mutans to optimize extraction of energy from carbohydrate types that pass through the oral cavity. The carbohydrate catabolite repression gene, catabolite control protein A (ccpA), is located upstream of the S mutans bacteriocin production regulon and has been shown to regulate the expression of this by controlling the expression of S mutans competence stimulating peptide.²⁹²

During the development of periodontal disease, protein-rich and neutral-alkaline environmental pressures promote the outgrowth of periodontal pathogens. Inflammatory processes promote the outgrowth of inflammophilic bacteria via the production of proteinaceous substrates resulting from tissue destruction.^8, 293 Deepening of the gingival crevice and increased production of gingival crevicular fluid increases the relative abundance of protein-degrading bacteria.⁸ Proteins can be metabolized into peptides and amino acids, such as aspartate, serine, and cysteine, by both host proteases and peptidases. Amino acids are fermented to produce short-chain fatty acids, such as propionate, butyrate, succinate, acetate, and formate.⁸ Amino acid fermentation neutralizes acidic environments, making the environment more favorable for outgrowth of additional periodontitis-associated pathogens.⁸ Some bacteria, such as Prevotella intermedia, exist as both proteolytic and saccharolytic, depending on environmental pressures.²⁹⁴

6.2 Influence of microbiota on taste perception and dietary preference

There has been extensive research on how nutrition and diet shape the microbiota, but comparably little research on how the microbiota influences dietary behaviors and preferences. Recently insights have been made into relationships between the oral microbiota and taste perception. Taste influences eating behaviors and therefore has major implications in overall health. There is well-known host genetic variability in taste perception that leads to different thresholds of sweet, sour, salty, and bitter taste between individuals. The most commonly studied variable genetic taste element is the taste 2 receptor member 38 (TAS2R38) gene, which encodes a bitter taste receptor. Three major haplotypes of this gene exist: proline-alanine-valine/proline-alanine-valine (PAV/PAV), or “supertasters”; proline-alanine-valine/alanine-valine-isoleucine (PAV/AVI), or “medium tasters”; and alanine-valine-isoleucine/alanine-valine-isoleucine (AVI/AVI), or “nontasters.” The phenotypes are generally determined by a taste test of perceived bitterness of the compound 6-n-propylthiouracil. A recent study of healthy subjects defined as nontasters or supertasters (medium tasters were excluded) examined the potential link between taste and the tongue microbiota.²⁷ Lower thresholds for sweet, sour, salty, and bitter tastes were observed for supertasters than for tasters, and the density of fungiform papillae was higher in supertasters. Through 16S ribosomal RNA gene profiling, the study also found higher relative abundances of Actinomyces, Oribacterium, Campylobacter, Solobacterium, and Catonella species in the tongue dorsum microbiotas of supertasters than in that of nontasters. A follow-up study by the same group showed preliminary associations between some bacterial taxa on the tongue dorsum with gustatory functions. Additional associations were made between the bacterial taxa on the tongue dorsum and vegetable-rich diets (such as Prevotella) or diets rich in proteins and fats (such as Clostridia).²⁹⁵ These studies present the possibility that microbes may influence dietary preferences. Although conclusive mechanistic evidence in support of this hypothesis remains limited, it is plausible that microbes may modulate the expression levels of taste receptors in the mouth or that they may stimulate or inhibit these types of receptors through metabolite secretion. Future studies using functional microbiome analysis techniques can elucidate how diet-microbiota-host genetic interactions influence overeating, unhealthy eating, and the dental and periodontal implications of these behaviors.

6.3 SARS-CoV-2 Infection and Dysgeusia

The coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic, caused by the novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), is associated with many symptoms including sore throat, dry cough, muscle aches, and chills, as well as enteric symptoms including diarrhea, nausea, and vomiting.²⁹⁶ While many of these symptoms are shared with the common cold and influenza, a symptom more specific to COVID-19 infection is loss of taste and smell, in which loss of taste, or dysgeusia, occurs in approximately 88.8% of cases.^297, 298 Such chemosensory deficits experienced in COVID-19 are often short-lived, with most symptoms resolving in 7-10 days, with sense of smell often returning slightly earlier than taste.²⁹⁹ Angiotensin-converting enzyme 2, the receptor that mediates entry of SARS-CoV-2 into cells, is expressed in the oral mucosa and is enriched in human tongue cells among both gustatory and nongustatory tongue epithelium.^300, 301 While the specific underlying mechanism of dysgeusia in COVID-19 is not completely known, various hypotheses have emerged as new information continues to unfold. A neurologic mechanism has been suggested, in which direct damage to nonneural cells in the olfactory epithelium via SARS-CoV-2 may also result in loss of taste.³⁰² Another hypothesis includes the direct disturbance of angiotensin-converting enzyme 2-expressing cells in the taste buds and peripheral taste neurosensory chemoreceptors,³⁰³ or damage to cranial nerves involved in gustatory sensation, including cranial nerves 7, 9, and 10. Involvement of inflammatory response pathways has also been suggested, in which the angiotensin-converting enzyme 2 receptors lining the oral mucosa are used by the virus to enter epithelial cells.^304, 305 Entry by SARS-CoV-2 into the oral mucosa via angiotensin-converting enzyme 2 receptors may elicit an inflammatory response.³⁰⁶ Tissue hypoxia and tissue injury resulting from anemia and/or impaired oxygen transport exists as another potential mechanism by which COVID-19 alters taste.³⁰⁷ Hypozincemia is another possible mechanism, in which zinc chelation via immune mechanisms and related molecules may increase with the inflammatory processes implicated in COVID-19. Such changes may induce localized changes in zinc homeostasis and hypozincemia of oral gustatory cells, thus resulting in taste disturbances that are also common in zinc deficiency.^298, 308

The significance of the oral microbiome in coinfection with SARS-CoV-2 is a growing area of study. COVID-19 has also been associated with coinfection by additional viruses, fungi, and bacteria, some of which are derived from the oral cavity. Poor oral hygiene, cough, abnormal inhalation, and in some cases mechanical ventilation are suggested to be mechanisms by which oral microorganisms may gain entry to the lower respiratory tract. For example, metagenomic sequencing of bronchoalveolar lavage fluid among patients with COVID-19 demonstrated an increased presence of oral and upper-respiratory-tract bacteria.³⁰⁹ Opportunistic oral bacteria, including Veillonella parvula, Capnocytophaga gingivalis, Leptotrichia buccalis, and Prevotella melaninogenia were overrepresented in bronchoalveolar lavage fluid of patients with COVID-19, suggesting that the oral cavity may serve as a reservoir of bacteria implicated in coinfection with SARS-CoV-2 in COVID-19.³¹⁰ Such findings implicate a possible role for co-infection by the oral microbiota and SARS-CoV-2 in the lungs of COVID-19 patients,³¹¹ and highlight the importance of the oral microbiota in COVID-19 infection and thus justify future studies in this area of research.

7 ORAL HYGIENE AND THERAPIES: IMPLEMENTING ORAL MICROBIOME LEARNINGS IN DENTAL MEDICINE

7.1 Toothbrushes

Toothbrushes have been used since the 19th century for a variety of oral health-related purposes.³¹² Toothbrushing is the cornerstone of most oral hygiene routines in developed countries. The American Dental Association recommends brushing one’s teeth twice a day for 2 minutes with a soft-bristled toothbrush, along with flossing between teeth once per day. Toothbrushing mechanically displaces oral bacteria and plaque from the dentition and gingiva in order to limit long-term damage from their metabolic by-products. The American Dental Association recommends replacing one’s toothbrush every 3-4 months, or once bristles become worn out.³² Toothbrushes are consistently exposed to microbes from the mouth and from the environment in which they are stored. A previous review highlights that during normal use, toothbrushes become heavily contaminated from sources including the oral cavity, environment, hands, aerosol, and storage containers.²⁸ Previous studies have demonstrated that toothbrushes can inoculate the oral cavity with microorganisms, but there has been little research on how the microbes harbored on the toothbrush influence the oral microbiota as a whole.⁵⁵ A 2020 study in which the microbial diversity in toothbrushes and oral cavities of 20 participants was examined using high-throughput sequencing, found that the oral and toothbrush microbiota shared similar Shannon Indices and that certain species were enriched in toothbrushes, including Acinetobacter baumannii, Staphylococcus aureus, and Candida albicans.³³ Such species have been implicated in infectious disease, neurodegenerative disease, cardiovascular disease, and cancer. However, it is still unclear how readily these pathogens and other toothbrush bacteria can seed and survive in the oral cavity; nonetheless, this highlights that toothbrushes may be reservoirs of bacteria, which are reintroduced to the host on a daily basis.

7.2 Toothpaste

The effects of toothpaste on the oral microbiota have been investigated more thoroughly than the effects of toothbrushes. In the same study as previously described,³³ the researchers also compared the oral and toothbrush microbiotas of participants who used either traditional Chinese medicine toothpaste or antibacterial toothpaste. While both types of toothpaste effectively reduced the numbers of a selection of pathogenic bacteria, they also suppressed oral S salivarius and L salivarius, both of which are considered beneficial. The toothpastes reduced bacterial numbers to differing degrees: ingredients in the Chinese toothpaste, such as honeysuckle, pseudo-ginseng, and mint, which replace antibacterial ingredients like sodium fluoride, permitted growth of higher numbers of bacteria. Other toothpaste formulations have been developed formulated to shift oral ecology, rather than to completely decimate the microbiota. Zendium^TM contains proteins designed to promote oral health and limit disease-associated organisms. Amyloglucosidase, glucose oxidase, and lactoperoxidase are added to promote production of hydrogen peroxide and hypothiocyanite, both of which exert antibacterial activity against plaque-forming species. Zendium also contains lysozyme, lactoferrin, and IgG. A randomized clinical study comparing Zendium toothpaste with a control toothpaste containing fluoride showed that brushing with Zendium increased the abundance of organisms associated with gum health and decreased the numbers of those associated with periodontal disease. These results prove an important concept, namely that oral ecology can be manipulated via the introduction of biochemical mediators. Future studies in this area will probe the metabolic output of these restructured communities, providing a more complete picture of the potential benefits shown in these preliminary results.³⁴

7.3 Mouthwash: old and new theories

Antimicrobial mouthwashes have long been used as antiseptics because of their ability to kill pathogens, such as methicillin-resistant S aureus, C albicans, S mutans, P gingivalis, and some viruses.³⁷ These treatments are nonspecific and can wipe out large swathes of the commensal oral microbiota. Mouthwashes often claim to kill “99% of germs” in the mouth, a title that the modern understanding of oral microbes in health no longer condones due to improved understanding of the crucial role played by the oral microbiome in initiating food digestion and maintaining oral and systemic health.³⁵ Most mouthwashes contain alcohol, hydrogen peroxide, or chlorhexidine, or a mixture of these active ingredients. Alcohol, although widely used in high concentrations as an antiseptic agent for surfaces, in most mouthwashes actually has little capacity to kill microbes because the amount of ethanol present is 25% or less. Furthermore, alcohol-containing mouthwashes can exacerbate bad breath, a common driver of mouthwash use, by reducing production of saliva in the mouth.^17, 71 Chlorhexidine digluconate is one of the most frequently used agents to kill bacteria, especially in dental clinics, and has potent broad-spectrum antiseptic properties against gram-positive and gram-negative bacteria. It is also highly adherent to oral surfaces, making it an effective plaque-disrupting agent.³⁶

The antimicrobial properties of mouthwashing agents have been well studied. Until recently, however, their effects on the function of oral microbial communities have been scarcely investigated. A recent 2020 study assessed the effects of repeated use of chlorhexidine mouthwash on the salivary microbiome and plasma biomarkers in 36 orally healthy patients: shifts in the proportions of oral microbes were found after 7 days of use of chlorhexidine mouthwash, most notably a greater abundance of species from the phyla Firmicutes and Proteobacteria, in conjunction with reductions of species from the genus Bacteroides, the phylum Saccharibacteria (formerly TM7), Candidate Division SR1, and Fusobacteria. These changes were accompanied by significant reductions in salivary pH and saliva buffering capacity and increased salivary lactate. Reduced salivary pH, increased salivary lactate, and reduction in the buffering capacity of saliva are associated with tooth decay and periodontal diseases. Chlorhexidine mouthwash also decreased the concentrations of nitrite in the mouth and plasma.³⁶ Oral nitrite can affect the concentrations of nitric oxide (which is vasodilatory) present in the bloodstream.¹⁷³ Preliminary research points to a reduction of systolic blood pressure by the production of nitrite from oral microbiota through this pathway.³¹³ The oral nitrate-reducing capacity of bacteria in the mouth was also significantly reduced in the chlorhexidine mouthwash group compared with the control group. Nitrite forms in the mouth by bacterial reduction of nitrate obtained either from the diet or endogenously (from the synthesis of nitric oxide).³¹⁴ Species of the genera Veillonella and Actinomyces are thought to be the major reducers of nitrate in the oral cavity.³¹⁵ In the chlorhexidine mouthwash group, the abundance of Actinomyces decreased significantly, possibly contributing to the lower reductive capacity observed. While more studies are needed to flesh out the contributions of oral bacteria to nitric oxide-associated clinical parameters, preliminary evidence suggests meaningful influences that should be considered in the use of chlorhexidine-containing and other antimicrobial mouthwashes.

7.4 Probiotics

Oral probiotics are a method of direct introduction of particular species into the oral microbiome to manipulate the pre-existing microbiota or elicit a biochemical and/or physiological response. A few different approaches have been employed to generate anti-caries probiotic formulations. One primary target is to harness the alkalogenicity of certain species to combat acidification and tooth demineralization by pathogenic organisms. A major source of alkalinity in the oral cavity is the breakdown of arginine to ornithine, carbon dioxide, and 2 molecules of basic ammonia. Administration of arginine alone has been shown to be effective at inhibiting the initiation of dental caries, and arginine has recently been included as a supplement in some toothpastes.³¹⁵ Many common oral microbes maintain this metabolic capacity. Microbial metabolism of arginine is accomplished primarily by the arginine deaminase system, which consists minimally of 3 different enzymes. Researchers have studied the effects of introducing probiotic strains of bacteria with superior arginolytic capacity. Lactobacillus brevis is known to produce high levels of arginine deaminase, and in a study in which L brevis-containing lozenges were administered to 21 patients with periodontal disease, the treatment led to complete amelioration of all clinical parameters analyzed in all patients.⁴² It is now recognized that the arginine deaminase system is important in more than just pH modulation—it also influences the inflammatory immune response of the host to periodontal pathogens, which can damage host tissue. In the study above, of L brevis, activity of the inflammatory markers prostaglandin E₂, interferon-gamma, and Matrix metalloproteinase were substantially decreased in treated patients. As arginine is also a substrate for nitric oxide synthase, a mediator of multiple inflammatory pathways, it is hypothesized that increasing the competition for this substrate using the arginine deaminase system decreases nitric oxide production, thus reducing inflammatory activation.⁴²

Another angle that has been taken in designing probiotics is the targeting of specific pathogenic bacteria that are known potentiators of dental caries and periodontal disease. Streptococcus mutans is a key contributor to dental biofilms associated with the formation of dental caries,⁴⁴ and plays a major role in the development and establishment of extracellular polysaccharide matrices, which increase the virulence of the biofilm and facilitate persistence of an acidic environment in the mouth.³¹⁶ Certain bacteria obtained from plaque of caries-free persons have exhibited inhibitory properties toward pathogens, such as S mutans. In addition to strongly expressing the arginine deaminase pathway, the novel strain of Streptococcus, called A12, produced hydrogen peroxide in large quantities along with specific virulence factors that could arrest S mutans growth and interrupt S mutans signaling pathways.⁴⁵ A12 also demonstrated the capacity to prevent S mutans from killing other arginine deiminase system (ADS) producers by degrading the S mutans bacteriocin-inducing peptide signal— accomplished through secreting a protease that blocked the competence-stimulating peptide signaling system. This protease, termed challisin, was first discovered in a certain S gordonii strain and was thought to be specific to this organism.³¹⁷ These results thus demonstrate the existence of organisms with convincing anti-caries phenotypes that may be leveraged to establish healthy oral microbiomes. However, these qualities are very specific at the species and strain levels, and tight quality assurance will be needed for incorporation into probiotic formulations.

Throughout the last decade, human microbiome research has focused on the gut and its connection with various diseases. Interest has now shifted to other areas of the human body with an increased focus on the oral microbiome. Hippocrates’ famous quote, “All disease begins in the gut” still holds true today, but we must remember that everything in the gut must pass through the oral cavity. This has led to an increased interest in the oral microbiome and its relationship to health and disease. Advancements in sequencing technologies combined with longitudinal multimodal approaches have increased our understanding of the role of the oral microbiome in health and in systemic diseases. Evidence connecting the relationship between dysbiosis of the oral microbiome and various systemic diseases has raised awareness of the importance of the oral microbiome in regulating health. Full knowledge of the role of the oral microbiome in health, and methods to modulate these ecosystems, can provide an alternative approach to disease prevention and treatment.