Biochimie des biofilms dentaires / Parodontologie

Biochimie des biofilms dentaires / Parodontologie

Introduction

Le milieu buccal se caractérise par une très grande hétérogénéité, par la diversité des origines des éléments qui le composent, et par un dynamisme qui complique considérablement son étude.

La composition bactérienne de ce domaine ouvert sur l’extérieur, qui se comporte comme un sas vis-à-vis du milieu buccal intérieur, joue un rôle déterminant dans l’écosystème.

Du fait que la survie des bactéries repose sur leur capacité à adhérer à un support, qu’il soit muqueux ou dentaire, ce qui les préserve d’une déglutition qui les entraînerait vers un milieu gastrique très défavorable, cette dernière révèle des interactions avec certains constituants salivaires qui privilégient certaines bactéries au détriment des autres.

Afin d’appréhender le mécanisme biologique qui conditionne cette adhésion, son étude biochimique s’avère nécessaire.

Généralités sur le biofilm dentaire

La communauté bactérienne vit au sein d’une niche écologique, d’un écosystème oral déposé sur la surface dentaire, prend le nom de biofilm dentaire ou plaque dentaire. Cette dernière évolue dans le temps, façonnée par son adaptation aux variations des différents facteurs environnementaux, qu’ils soient physico-chimiques (pH, température, pression d’oxygène, etc.), ou liés à l’hôte (inflammation, alimentation, etc.).

Un déséquilibre de cette flore résulte donc d’un stress écologique qui a pour effet de favoriser certaines espèces et peut mener à l’installation du processus pathologique.

Composition biochimique de la plaque dentaire

La composition de la matrice, ensemble des éléments intercellulaires, à l’exclusion des éléments bactériens, est comme suit :

• Saccharides : 30 à 40 %
• Protéines : 6 à 7 %
• Lipides : 25 à 30 %
• Eau et ions divers : Reste

Saccharides

On trouve essentiellement des dextranes et des levanes, polymères du glucose et du fructose, ainsi que des polysaccharides comme le glycogène et l’amylopectine, tous d’origine bactérienne. S’y ajoutent un certain nombre d’oses tels que le galactose, le fructose, le ribose, etc.

Lipides

Ils proviennent des bactéries, du fluide gingival et de la salive sous forme de glycérides, stérides et cholestérol libre, glycolipides et phospholipides. Ils sont fréquemment liés aux protéines en lipoprotéines.

Protéines

La provenance est salivaire avec de nombreuses glycoprotéines et des glycosaminoglycannes débarrassés de leur copule ou de leur chaîne glucidique. Leur rôle est important dans la phase précoce d’édification de la plaque.

Autres composants

• Eau.
• Ca²⁺ et PO₄³⁻ sous forme ionisée ou cristallisée, provenant de la salive et de l’émail.
• Oligoéléments : Mg, Ag, Co, Fe, Cu, Pb, Sn, qui contribuent au métabolisme bactérien.
• Fluor (F), dont la concentration dépend de la teneur des eaux de boisson.

Formation du biofilm dentaire

Pellicule acquise exogène

Adsorption du matériel salivaire à l’hydroxyapatite

Un certain nombre de protéines salivaires se lient en quelques minutes à la surface de l’émail préalablement mise à nu, pour former la pellicule acquise exogène (PAE). La cinétique d’adsorption adopte un profil hyperbolique pour l’α-amylase, les proline-rich glycoproteins (PRG) et la cystatine A.

L’anhydrase carbonique (CA) VI sécrétée s’absorbe à l’émail et enrichit la PAE. Cette CA VI produit au sein du biofilm du bicarbonate qui amortit les chutes de pH de la plaque. Dès lors qu’elles s’absorbent à l’émail, les protéines réagissent en établissant des liaisons croisées entre plusieurs d’entre elles. Cette réaction repose sur une transglutaminase sécrétée par les glandes salivaires.

Outre les protéines, on trouve aussi des oses dans la PAE.

La PAE, un film acellulaire, joue un rôle déterminant vis-à-vis de l’émail :

• En assurant une perméabilité sélective qui retarde la diffusion des acides.
• En protégeant l’émail de la déminéralisation.
• En conférant un caractère lubrifiant aux surfaces dentaires.
• En limitant la croissance cristalline à partir de la salive supersaturée en ions de calcium à la surface de l’émail.
• En modulant l’absorption précoce de la flore orale.
• En offrant un support pour les fluorures, le calcium et les phosphates qui pourront être rendus disponibles lors de la reminéralisation améliaire.

Plaque dentaire

La PAE n’est que transitoire dans le milieu buccal. Elle est très rapidement colonisée par les micro-organismes et se transforme en plaque en présence d’alimentation.

Colonisation

Interaction moléculaire entre l’adhésine et les récepteurs

Les bactéries sont transportées passivement vers la surface dentaire par la salive. Arrivées à proximité de la dent, les bactéries s’adhèrent réversiblement à la PAE par interaction de forces électrostatiques répulsives et de forces de Van der Waals attractives. L’adhésion irréversible des premières bactéries sur la PAE se fait par des interactions spécifiques de type protéine-protéine. Des adhésines, présentes à la surface des bactéries, sont appelées « fimbria » ou « pili » :

• Les fimbria de type I sont responsables de l’adhésion microbienne sur la PAE via les ligands constitués par certaines glycoprotéines en mucines salivaires, des oligosaccharides de membrane de cellules épithéliales ou encore par l’amylase salivaire.
• Les fimbria de type II semblent plutôt formées par des liaisons de type lectine (liaison entre résidu glucidique et une protéine), soit avec d’autres bactéries (co-agrégation).

Les bactéries s’incrustent dans la surface de la PAE dans de petites cupules ; elles métabolisent les résidus sucrés et s’entourent petit à petit d’une matrice protéique lâche. La faible quantité d’oses présents ne permet que la constitution de petites colonies dont la cohésion est assurée par les protéines de la matrice et les ions Ca²⁺.

Des constituants d’origine bactérienne semblent jouer un rôle important dans l’adhérence de la plaque à la surface dentaire : ce sont les acides lipotéichoïques, faits d’unités de glycérol reliées les unes aux autres par des groupes phosphate, le dernier glycérol du polymère fixant un ou deux acides gras. Par l’intermédiaire des groupes phosphates, les acides lipotéichoïques peuvent se lier à divers éléments.

À ce stade, la plaque précoce peut être décelée par des révélateurs colorants : fuchsine, érythrosine, ou fluorescents comme la fluorescéine.

Co-agrégation

Au fur et à mesure de la croissance de la plaque, seules les bactéries pouvant survivre en anaérobiose partielle, voire totale, vont pouvoir rester au contact des tissus dentaires minéralisés. Les bactéries peuvent participer à des liaisons spécifiques de type lectine avec des ligands d’origine salivaire de la PAE. De même, on peut observer des agrégations de bactéries de même espèce ou d’espèces différentes.

Épaississement

C’est essentiellement le fait de l’alimentation et de la qualité de la flore bactérienne. L’épaississement sera rapide si l’alimentation comporte du saccharose en présence de bactéries dites cariogènes, principalement Streptococcus mutans et sanguis. Une alimentation dépourvue de saccharose ne donnera qu’une plaque de faible épaisseur peu structurée.

L’analyse de la plaque épaissie fait apparaître deux polyosides, les dextranes et les levanes, issus du métabolisme bactérien du saccharose, qui forment l’essentiel de la matrice.

Saccharose

Sucre alimentaire classique que l’on trouve dans les fruits, la betterave et la canne. C’est un disaccharide du glucose et du fructose. Le saccharose n’est pas réducteur et la liaison entre glucose et fructose se fait donc entre les deux fonctions hémi-acétaliques α,→β₂. Les résidus glucose et fructose obtenus vont être utilisés par les bactéries cariogènes pour polymériser des polysaccharides extracellulaires de deux types :

Dextranes

Ce sont des polymères du glucose formant des chaînes α(1→6) linéaires avec des branchements multiples. Ils représentent environ 10 % du poids total de la plaque. L’enzyme polymérisante est la dextrane-sucrase, une glycosyl-transférase. C’est aussi un mélange d’enzymes polymérisantes α(1→6) et branchantes α(1→3), α(1→4), à spécificité élevée pour le saccharose.

L’énergie de liaison est peu élevée (ΔG₀ = -4 kcal/mole). L’énergie de la liaison hémiacétal (1→5) du glucose, récupérée lors de la saccharolyse (ΔG₀ = -7 kcal/mole), est suffisante pour assurer la polymérisation sans intervention d’un phosphonucléotide, comme c’est le cas pour la biosynthèse du glycogène (UDP-glucose).

La structure branchée confère aux dextranes une viscosité élevée qui donne une forte cohésion à la plaque. Celle-ci se trouve encore renforcée par les multiples liaisons ioniques qui se forment avec les protéines et les saccharides des membranes bactériennes.

Levanes

Polymères linéaires et parfois branchés du fructose. Ils sont synthétisés par la lévane-sucrase (fructosyl-transférase). La liaison osidique est β(2→6). Ils représentent environ 5 % du poids total de la plaque.

L’énergie de liaison est faible (ΔG₀ = -2 kcal/mole) et les chaînes sont très labiles. Le fructose est donc facilement mobilisé pour le métabolisme bactérien. On trouve parfois des branchements β(2→1).

Dans la plaque jeune déjà, les bactéries sont capables de transformer le saccharose en polymères extracellulaires solubles et insolubles. Ces interactions glycaniques contribuent à consolider la plaque, à la rendre plus dense et donc à mettre les bactéries les plus proches de la surface dentaire en état d’anaérobiose, tout en limitant la sortie des acides produits in situ, accroissant le potentiel cariogène de cette plaque dentaire.

Maturation de la plaque

L’épaississement de la plaque résulte donc de l’accumulation des dextranes qui forment un enduit visqueux, très homogène, truffé de bactéries, devenant difficilement pénétrable et maillé de protéines. Les levanes, facilement métabolisables, sont utilisés comme réserves hydrocarbonées par les bactéries.

À partir d’une certaine épaisseur, le développement s’arrête et la plaque devient mature avec un métabolisme propre qui relève de ses composants et de sa structure. Elle se comporte alors comme un système filtre :

• Les bactéries du milieu buccal et les grosses molécules polypeptidiques d’origine salivaire ne pénètrent plus.
• Les protéines présentes dans la matrice se comportent comme un véritable « gel filtration » vis-à-vis des grosses molécules et comme un « filtre échangeur d’ions » dont le potentiel d’ionisation dépend du pH environnant.
• Les petites molécules neutres, telles que le saccharose et l’urée, diffusent par contre facilement et fournissent le substrat nécessaire à la survie bactérienne.

Métabolismes de la plaque

C’est le métabolisme de l’ensemble des micro-organismes qui vivent au sein de la matrice, consomment des sucres et des produits azotés, et rejettent des déchets acides ou basiques. Il dépend des conditions aérobies ou anaérobies dans lesquelles se trouvent placées ces bactéries (plaque jeune ou mature) et varie aussi en fonction des métabolites présents dans le milieu buccal (alimentation).

Métabolisme glucidique

L’hydrolyse du saccharose est catalysée par une saccharase spécifique, qui a été isolée chez Streptococcus mutans et Streptococcus sanguis. Elle est constitutive chez le premier, mais inductible chez le second et inhibée par le fructose et l’ion PO₄³⁻.

Le glucose et le fructose entrent directement dans le métabolisme bactérien. Le glucose peut aussi provenir du catabolisme de l’amidon, du maltose, du lactose ou de l’interconversion des oses. Les chaînes de dextranes peuvent donner du glucose, mais il faut une enzyme, la dextranase, que ne possèdent pas tous les éléments microbiens. Les levanes, par contre, fournissent aisément des molécules de fructose.

En anaérobiose, la glycolyse, de rendement énergétique faible, va aboutir à la formation d’acide lactique à partir du pyruvate. C’est le cas des bactéries anaérobies situées en profondeur, dans la plaque mature, au contact de l’émail.

En aérobiose, le cycle de Krebs, beaucoup plus énergétique, peut permettre la synthèse d’un certain nombre d’acides organiques à partir du pyruvate. Ils seront évidemment moins nombreux si le cycle tricarboxylique passe par le shunt de l’acide glyoxylique.

• Acétyl CoA → acétate et acide butyrique.
• Succinate → acide propionique.
• Pyruvate → acide formique.

Le métabolisme des sucres par les bactéries de la plaque aboutit par conséquent à la formation d’acides, dont le plus abondant est l’acide lactique en condition anaérobie. Cette production provoque un abaissement du pH qui a une incidence directe sur le potentiel cariogène de la plaque.

Métabolisme des acides aminés

Pour synthétiser les acides aminés nécessaires à leur croissance, les bactéries ont besoin d’une source ammoniée qui leur est fournie essentiellement par l’urée salivaire et le fluide gingival.

Activité uréase

La plaque a une forte activité uréase qui va fournir les radicaux NH₃. Ceux-ci peuvent être utilisés directement pour la synthèse d’un certain nombre d’acides aminés à partir de molécules du métabolisme intermédiaire comme le pyruvate.

Des synthèses du même type seront obtenues à partir de :

• Acide α-céto-glutarique → Acide glutamique
• Acide fumarique → Acide L-aspartique

Des réactions de transamination, complétées par l’hydrolyse des protéines diverses présentes dans la plaque ou provenant de débris cellulaires, assurent la synthèse de tous les acides aminés indispensables.

Lorsque la croissance bactérienne est limitée, c’est-à-dire au sein d’une plaque mature, la production de radicaux ammoniés dépasse largement les besoins des micro-organismes et leur accumulation fait augmenter le pH de la plaque, facilement pénétrable par l’urée.

Décarboxylation

Les extraits de plaque contiennent des bioamines qui résultent de la décarboxylation des acides aminés en présence de décarboxylases spécifiques. Les décarboxylases, inductibles par les acides aminés correspondants, ont un pH d’activité optimum qui se situe autour de 5. En milieu acide, elles vont participer à la synthèse des bioamines de caractère basique qui vont faire remonter lentement la valeur du pH. On a donc là un effet de régulation du pH de la plaque qui en explique les variations.

Le métabolisme des acides aminés dans son ensemble tend à faire augmenter le pH.

Métabolisme des acides nucléiques

Un certain nombre de nucléases bactériennes dégradent les acides nucléiques (phosphodiestérases, ribonucléases, désoxyribonucléases), libérant des pentoses-phosphates et des bases puriques et pyrimidiques. Le catabolisme des purines et pyrimidines aboutit à la formation d’urée, source d’ammoniaque. L’ensemble tend à faire remonter le pH de la plaque.

Métabolisme des lipides

Les bactéries assurent le métabolisme complet de toutes les catégories de lipides, en particulier la β-oxydation des acides gras qui alimente le cycle de Krebs par la formation de molécules d’acétyl CoA en aérobiose et contribue à la formation d’acides dérivés (acétate, propionate, etc.).

En anaérobiose, la cétogénèse est favorisée pour donner naissance à l’acide hydroxybutyrique et à l’acétone.

Dans l’ensemble, le métabolisme des lipides fait baisser le pH de la plaque.

Pathogénicité de la plaque dentaire sous-gingivale

Inactivation des défenses de l’hôte

Les mécanismes moléculaires et cellulaires qui conduisent à la colonisation de l’épithélium de jonction participent au pouvoir pathogène de la plaque dentaire sous-gingivale. Ces mécanismes sont des facteurs importants de la colonisation bactérienne, car ils déterminent les sites de colonisation et la densité bactérienne sur ces sites. Néanmoins, ils sont insuffisants pour produire une infection.

Le couplage spécifique d’adhésines bactériennes avec leurs récepteurs sur les cellules épithéliales est nécessaire pour que les bactéries s’établissent avec succès sur la surface épithéliale et pénètrent dans l’organisme. Cet événement peut induire une transduction transmembranaire du signal et provoquer la libération de cytokines (interleukines). Ce processus n’est pas limité aux cellules épithéliales, il touche aussi les cellules inflammatoires (macrophages, polynucléaires, etc.). Une libération excessive de cytokines inflammatoires peut avoir des effets délétères sur les défenses de l’hôte.

Dans les conditions de santé parodontale, il y a une absence relative de protéases bactériennes dans le sillon gingivo-dentaire. Avec l’accumulation de la plaque sous-gingivale, l’environnement devient protéolytique aux dépens des tissus environnants, et la plaque peut prospérer en raison de hautes concentrations de peptides et d’acides aminés.

Dégradation tissulaire

À côté des mécanismes qui leur permettent d’obtenir les nutriments à partir du fluide gingival, de nombreuses bactéries sous-gingivales sont également capables de dégrader des protéines de structure et des glycoprotéines des tissus parodontaux environnants en produisant des enzymes comme la chondroïtine sulfatase, la hyaluronidase et d’autres collagénases.

La stabilité des tissus parodontaux dépend de l’intégrité de l’épithélium de jonction et du sillon, relativement perméable aux bactéries et aux produits bactériens. La persistance de la plaque dentaire dans le sillon peut initier une cascade de réponses inflammatoires.

Conclusion

La bactériologie parodontale nous a beaucoup éclairés sur les populations susceptibles de coloniser le sillon gingivo-dentaire. Tandis que la biochimie et la biologie cellulaire nous ont fourni des éléments de compréhension des mécanismes physiologiques qui prévalent dans cet espace restreint mais si fragile.

Par ailleurs, l’étude du métabolisme bactérien nous a permis de révéler des maladies, tant par le contrôle des médiateurs par l’hôte que par des actions sur les tissus parodontaux.

Références bibliographiques

1. Bouchard P. : Odontologie, Parodontologie Dentisterie implantaire, Tome 1 : Édition Lavoisier Médecine Science, Paris, 2015.
2. Chardin H. et al. : Microbiologie en odontostomatologie. Édition Maloine, Paris, 2006.
3. Pellat B. et al. : Le milieu buccal : Un écosystème. De l’équilibre au déséquilibre. Édition Information Dentaire, Paris, 2021.
4. Pellat B. et al. : Plaques bactériennes dentaires : approche biochimique. Potentiels cariogène et parodontopathogène. Encycl Med Chi. Édition Elsevier, Paris, 23-010-A-5, 2002, 12 p.
5. Pellerin C., Pellat B. : Biochimie odonto-stomatologique. Édition Masson, Paris, 1986.

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