07 Nov Le microbiote buccal – Chapitre 3
Les connaissances sur le microbiote buccal ont connu de grandes avancées récentes, grâce à des révolutions techniques et scientifiques. Ces progrès engendrent une révision complète des concepts expliquant les maladies parodontales. Nous proposons dans cette chronique un panorama des nouvelles découvertes, basé sur l’excellente publication Perio 2000 (volume 86, 2021). Les concepts sont tellement nouveaux que tout un vocabulaire spécifique a été créé pour décrire ces phénomènes, c’est pourquoi vous trouverez un lexique à la fin de la chronique, qui donne la définition des termes en gras dans le texte.
Chapitre 3 : la matrice du biofilm dentaire
Principalement tiré de l’article de Nicholas S. Jakubovics et collaborateurs, de l’université de Newcastle UK, paru dans le journal Perio 2000 en 2021. (86:32-56.)
Comme nous l’avons vu dans les chapitres précédents, la compréhension du microbiote buccal a bénéficié de la révolution technologique du séquençage génomique haute fréquence. Ces techniques génétiques ont permis de progresser dans la découverte des bactéries composant le microbiote buccal. Mais ces bactéries sont organisées en biofilm : cela signifie que les bactéries vivent dans un milieu qu’elles secrètent. Le biofilm est donc composé des bactéries du microbiote, et d’une matrice extracellulaire. La recherche sur cette matrice a progressé plus lentement, mais les progrès constants dans la caractérisation des molécules impliquées ont tout de même ouvert de nouvelles perspectives de recherche.
Le terme « biofilm » a été introduit en 1975 par Mack et collaborateurs. Il désigne une organisation spécifique des bactéries, qu’on retrouve dans la plaque dentaire. La microscopie conventionnelle a permis de mettre en évidence les sucres (polysaccharides), que les bactéries fabriquaient entre elles. Le biofilm bactérien est donc une colonie bactérienne, organisée dans une couche de polysaccharides. Cette couche est très similaire à celle entourant les cellules humaines : on parle d’ailleurs de matrice extracellulaire pour les cellules humaines, comme pour les bactéries organisées en biofilm.
Ces polysaccharides sont impliqués dans les pathologies buccodentaires les plus répandues. Ils sont un facteur de virulence important pour la carie. Mais le biofilm est aussi l’habitat naturel des bactéries responsables du déchaussement (parodontite). Ainsi, le biofilm est un champ de recherche primordial pour l’odontologie (science étudiant les dents), de même qu’une cible thérapeutique privilégiée, tant dans la lutte contre la carie que dans celle contre la parodontite.
La composition exacte de la matrice du biofilm reste aujourd’hui pour partie méconnue. Outre les polysaccharides initialement repérés, d’autres molécules ont été découvertes plus récemment, grâce à la microscope électronique à balayage. Cette technique permet de grossir jusqu’à 100 000 fois, alors que la microscopie optique conventionnelle permettait de grossir 1000 fois au maximum. Les nouvelles molécules découvertes sont des protéines, des lipides et des acides nucléiques.
Développement et composition du biofilm
Le biofilm est détectable sur l’émail 2 heures après tout nettoyage de l’émail. Le composé principal est le sucre (polysaccharides), il représente environ 20% du biofilm. Ces sucres (glucanes, fructanes) sont fabriqués par les bactéries pionnières du biofilm. Ils sont insolubles dans l’eau et promeuvent l’adhésion des bactéries. Ce mécanisme permet la colonisation du biofilm par de nouvelles bactéries au fil du temps, notamment les bactéries responsables des maladies carieuses et parodontales. Il explique également la modification de la composition du biofilm au fil du temps, le nombre d’espèces bactériennes croissant au fil de sa maturation.
L’ADN extracellulaire, assemblé comme un Légo, permet de lier tout type de bactéries dans la matrice du biofilm
Le deuxième composé essentiel de la matrice du biofilm est l’ADN des bactéries. Nous avons vu que le microbiote buccal était composé d’environ 700 espèces bactériennes dans chaque bouche. Mais les bactéries sont très différentes d’une bouche à l’autre, à tel point que la composition d’un microbiote oral est spécifique à chaque individu (voir chapitre 1). Certains auteurs ont isolé jusqu’à 5000 souches bactériennes pouvant entrer dans la composition des différents microbiotes oraux, grâce au séquençage génomique haute fréquence (KOTSAKIS & OLMEDO 2021 Peri-implantitis is not periodontitis : scientific discoveries shed light on microbiome-biomaterial interactions that may determine disease phenotype. Perio 2000. 2021;86:231–240.) Pour pouvoir lier de telles combinaisons différentes de bactéries, il faut un élément commun à toutes.
En 2002, Whithchurch et collaborateurs ont fait une importante découverte : l’ADN extracellulaire des bactéries est un élément structurel important pour l’élaboration du biofilm bactérien. L’acide désoxyribonucléique, ou ADN, est un élément ubiquitaire, c’est-à-dire partagé par toutes les formes de vie sur terre. Cette molécule a habituellement une fonction génétique : elle sert à coder les gènes qui donnent forme aux êtres vivants. Étonnamment, dans le biofilm, cet ADN est utilisé par les bactéries pour ses propriétés mécaniques, et non pour ses propriétés génétiques. Liés entre eux, ces brins d’ADN forment des structures secondaires complexes, un peu à la manière d’un échafaudage. Le fait que l’ADN soit ubiquitaire (c’est-à-dire commun à toutes les espèces vivantes, et donc à toutes les bactéries) fait que cet échafaudage peut être assemblé comme un lego, et réunir des espèces bactériennes très différentes.
La composition du biofilm est dépendante de son environnement et des molécules disponibles. Il est donc différent selon qu’il se trouve au-dessus ou en-dessous de la gencive. La salive est un substrat essentiel pour les premiers stades de développement, car elle fournit des molécules favorisant l’attachement des bactéries sur l’émail. Elle fournit également les nutriments de la plupart des bactéries du microbiote buccal (les mucines). Ceci explique pourquoi l’accumulation de plaque dentaire et de tartre est souvent plus importante au niveau des glandes salivaires (derrières les incisives du bas et sur le côté externe des molaires du haut).
Dans la cadre de la maladie parodontale (déchaussement des dents), la plaque dentaire se développe dans la poche parodontale, c’est-à-dire entre la gencive et la dent. Ce biofilm est coupé de ses sources de nutriments salivaires. Il se développe toutefois, grâce au glucose contenu dans le fluide gingival. Le fluide gingival est une sorte de salive, excrétée par le sillon gingivo-dentaire. De même, certaines molécules dérivées des vaisseaux sanguins sont intégrées au biofilm. Le tartre sous-gingival est donc plus noir, car coloré par l’emprisonnement d’érythrocytes (globules rouges).
Les protéines entrent ensuite dans la composition du biofilm, pour 50% environ. On y trouve de très nombreuses protéines, avec des fonctions très diverses. Certaines sont directement secrétées par les bactéries, comme les adhésines, qui permettent de renforcer l’adhérence des bactéries à leur substrat (en l’occurrence l’émail pour le biofilm intrabuccal). On trouve ensuite des lipoprotéines (graisses) et des pili : ces dernières protéines garantissent une certaine mobilité aux bactéries, fonction essentielle pour la colonisation de nouveaux espaces.
La calprotectine, une protéine de la matrice du biofilm oral impliquée dans de très nombreuses pathologies
La calprotectine est une protéine retrouvée dans le fluide gingival. Plus les gencives sont inflammatoires, et plus le taux de calprotectine est élevé dans le fluide gingival. Cette protéine entre spécifiquement dans la composition de la matrice du biofilm sous-gingival, et rend le tartre sous-gingival plus dur et plus adhérent que le tartre supra-gingival. La parodontite (déchaussement des dents) est donc un cercle vicieux : l’inflammation permet une plus grande accumulation de tartre et ce tartre engendre une augmentation de l’inflammation.
Certains auteurs ont proposé d’utiliser le taux de calprotectine comme indicateur diagnostic de la parodontite. De la même façon, la calprotectine a été proposée comme marqueur de plusieurs maladies inflammatoires : la polyarthrite rhumatoïde, la maladie de Crohn et la spondylarthrite ankylosante. Cette protéine est également retrouvée dans les calculs rénaux : ces sédimentations de tartre obstruent les canaux des reins, et peuvent aboutir aux coliques néphrétiques, ces crises extrêmement douloureuses bien connues. Certains traitements des calculs rénaux font d’ailleurs appel aux ultrasons, comme pour le traitement de la parodontite. On appelle ces traitements des séances de lithotritie, littéralement en grec casser les cailloux, terme qui a aussi été utilisé en parodontologie par le passé. Les ultrasons utilisés pour désorganiser le tartre sous-gingival sont puissants et spécifiques, afin de garantir un traitement efficace en toute sécurité (voir ci-dessous la partie thérapeutique).
Les protéines ont des fonctions de fabrication (anabolisme) ou de dégradation (catabolisme) de différents éléments. La fabrication d’éléments est assez réduite dans le biofilm dentaire, car le milieu est pauvre en source d’énergies. Les bactéries comprises dans ce biofilm spécifique fabriquent essentiellement les glucanes et les fructanes (sucres) nécessaires à la croissance de la plaque dentaire. Les protéines produites par les bactéries du biofilm jouent également toute une série de rôles sur la structure d’ADN : elles induisent l’assemblage des brins, stabilisent la structure ou la dégradent quand c’est nécessaire.
En revanche, les fonctions de dégradations des protéines retrouvées dans le biofilm oral sont plus nombreuses. Elles assurent différentes fonctions, comme le renouvellement de la matrice, la récupération de nutriments ou la modulation de la réponse de l’hôte. Certaines sont bien connues des cliniciens, car ces enzymes provoquent la destruction du parodonte dans le cadre des maladies parodontales (déchaussement des dents) : les protéases produites par les bactéries parodontopathogènes Porphiromonas Gingivalis, Treponema Denticola ou Tanerella Forsythia (trois espèces de bactéries impliquées dans la parodontite) ciblent et détruisent les protéines de l’hôte comme les cytokines, bloquant ainsi la réponse de défense de l’organisme hôte.
Maladie d’Alzheimer et biofilm dentaire
Un autre exemple d’enzyme hébergé par la matrice du biofilm est de plus en plus discuté dans la littérature scientifique : les protéases produites par Prophyromonas Gingivalis ont été retrouvées dans les plaques amyloïdes dans le cerveau de patients atteints de la maladie d’Alzheimer. Ainsi, il pourrait y avoir un lien entre le déchaussement des dents et la maladie d’Alzheimer. La prévention et le traitement de la parodontite pourrait limiter les risques de voir apparaître une maladie neurodégénérative. C’est pourquoi le dépistage et la prise en charge des parodontites est vivement recommandée chez les sujets âgés.
Pour en savoir plus : https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35244967/
Implications et perspectives thérapeutiques
Le biofilm bactérien est une cible thérapeutique privilégiée dans le traitement des maladies parodontales. Désorganiser le biofilm permet d’éviter sa maturation jusqu’à un état pathologique. Cette désorganisation aboutit à l’élimination de l’effet protecteur du biofilm pour les bactéries responsables de ces maladies, à leur dispersion dans le milieu buccal, et même à une modification de l’expression de leurs gènes, les rendant plus susceptibles aux antiseptiques.
Aujourd’hui, la désorganisation du biofilm est réalisée mécaniquement, par le brossage, le détartrage ou le surfaçage si nécessaire. Cette désorganisation mécanique se heurte à une propriété de la matrice extracellulaire du biofilm : les exopolysaccahrides lui confèrent une certaine viscoélasticité, qui rend insuffisante les effets des brosses à dents ultrasoniques par exemple. C’est pourquoi l’hygiène méticuleuse à la maison doit être complétée par des contrôles professionnels, des détartrages voire des surfaçages réguliers.
Des recherches thérapeutiques ont été réalisées pour diminuer les besoins en brossage, détartrage et surfaçages. Une des cibles thérapeutiques envisagées a été les enzymes permettant aux bactéries de former le biofilm : les glycosyltransférases des streptocoques ont été étudiées depuis plusieurs années. Plus récemment, une molécule émerge de la recherche scientifique, la Dispersin B. Cette petite molécule produite par une bactérie inhibe la croissance du biofilm en ciblant les liens glycosidiques de celui-ci. La Dispersin B est en étude préclinique. Mais les écueils pour tirer une application clinique de ces recherches sont encore nombreux. Les liens qui établissent le biofilm sont des polysaccharides de très nombreux types, et une seule molécule a peu de chance d’inhiber efficacement la croissance du biofilm chez différents patients.
La découverte de l’ubiquité de l’ADN dans les biofilms a ouvert la voie à de nombreuses recherches in vitro sur des enzymes capables d’inhiber l’assemblage de ces ADN, la désoxyribonucléase. Ces enzymes ont montré des résultats intéressants dans d’autres applications cliniques, comme des fibroses dans des kystes, ou des infections vaginales. Cependant, les applications cliniques de ces enzymes, dans le cadre de la désorganisation du biofilm bactérien buccal, sont loin d’être atteintes, car il reste de nombreux problèmes, comme leur pouvoir de provoquer une réaction immunitaire (fabrication d’anticorps). En outre, leur efficacité diminue à mesure que le biofilm gagne en maturité.
Une autre famille de médicaments a été testée : les anticorps dirigés contre l’ADN extracellulaire. L’action de ces molécules n’est pas diminuée par un biofilm mature. Les bactéries relâchées dans le milieu sont alors 4 à 8 fois plus sensibles aux antiseptiques et aux antibiotiques (Brockson et collaborateurs 2014). En effet le biofilm protège les bactéries des antibiotiques et des antiseptiques (bain de bouche par exemple) : c’est pourquoi l’utilisation des antibiotiques en parodontie est toujours associée à une désorganisation mécanique du biofilm, le plus souvent par détartrage et surfaçage.
Toutes ces molécules ne ciblent pas directement les bactéries, mais leur capacité de fabriquer le biofilm. Elles ne créent donc pas de résistances. La résistance bactérienne est la capacité des bactéries à s’adapter aux médicaments antibiotiques, et provoque une diminution de l’efficacité des médicaments antibiotiques. Selon Santé Publique France, la résistance bactérienne a provoqué 125 000 infections et 5 500 décès en France en 2015, et pourrait devenir une des premières causes de décès en France en 2050 (https://www.santepubliquefrance.fr/maladies-et-traumatismes/infections-associees-aux-soins-et-resistance-aux-antibiotiques/resistance-aux-antibiotiques).
Pourtant, la consommation d’antibiotiques française reste 30% supérieure à la moyenne européenne. Un effort doit donc être fait, dans la recherche thérapeutique en trouvant des alternatives, dans la pratique clinique en limitant les prescriptions, et dans l’acceptation des patients en faisant confiance aux praticiens lorsqu’ils estiment que les antibiotiques ne sont pas nécessaires. En parodontie, comme nous l’avons vu, le biofilm diminue l’efficacité des antibiotiques : certains auteurs parlent d’une diminution de leur efficacité par un facteur 1000. En outre, la prescription d’antibiotiques sur un biofilm mature non désorganisé peut aboutir à la dispersion de faibles concentrations d’antibiotiques dans les couches profondes du biofilm : ces doses faibles sont inefficaces pour tuer les bactéries, mais suffisantes pour créer des résistances bactériennes.
Ainsi, malgré des recherches prometteuses, le remplacement du brossage des dents par un médicament inhibant la croissance du biofilm reste de la science-fiction. Ces recherches sont à un stade embryonnaire et de nombreuses questions restent sans réponse. La réalité des biofilms bactériens buccaux est beaucoup plus complexe que les modèles que nous en avons aujourd’hui, car les espèces bactériennes impliquées sont très nombreuses et variables d’une bouche à l’autre, et avec elles les molécules impliquées dans la matrice extracellulaire. De plus, ces médicaments pourraient avoir de nombreux effets secondaires, encore inconnus, notamment sur la réponse immunitaire qu’ils engendrent. Enfin, le biofilm héberge de nombreuses bactéries qui ont toutes des interactions spécifiques avec l’hôte, dont la plupart ne sont pas encore élucidées.
À retenir
La recherche sur la matrice extracellulaire du biofilm est moins avancée que la recherche sur les bactéries du microbiote oral.
Cette recherche vise notamment à diminuer les besoins en hygiène dentaire, détartrages et surfaçages de la population, mais elle est trop peu avancée pour envisager de pouvoir se passer de ces traitements bientôt.
Au contraire, l’hygiène mécanique, les détartrages et les surfaçages sont des solutions d’avenir, car les effets négatifs des antiseptiques et des antibiotiques sont de plus en plus dangereux.
Les résistances aux antibiotiques pourraient devenir la cause de mortalité numéro 1 en France en 2050, et l’inefficacité des antibiotiques en parodontie sans désorganisation mécanique concomitante du biofilm est désormais bien documentée.
En revanche, cette matrice du biofilm oral et des autres biofilms renferme probablement des pistes de recherche pour plusieurs pathologies : la carie et la parodontite bien sûr, mais aussi un certain nombre de maladies comme la polyarthrite rhumatoïde, la maladie de Crohn, la spondylarthrite ankylosante, la maladie d’Alzheimer ou encore les calculs rénaux.
Lexique
ADHÉSINES : protéines fabriquées par les bactéries pionnières du biofilm, qui leur permettent d’adhérer sur des tissus aussi lisses que l’émail.
ADN : acide désoxyribonucléique, macromolécule ubiquitaire, c’est-à-dire présente dans toutes les cellules des êtres vivants, dont la fonction principale est génétique, car contenant les informations nécessaires au développement des êtres vivants.
BIOFILM : organisation des bactéries, qui consiste en une matrice extracellulaire dans laquelle elles s’enchâssent, afin d’être protégée de toute agression extérieure. La plaque dentaire est l’ensemble du biofilm et des bactéries présentes en son sein.
DÉSOXYRIBONUCLÉASES : enzyme capable de découper l’ADN.
ENZYMES : petites protéines produites par les cellules ou les bactéries, et permettant d’initier ou de faciliter une réaction chimique, comme la métabolisation de nutriments. Ont fréquemment un suffixe en -ase.
EXOPOLYSACCHARIDES : polysaccharides relargués dans le milieu environnant par les bactéries.
GLYCOSIDIQUE : se dit d’une liaison chimique entre deux polysaccharides.
LIPOPROTÉINES : molécule associant lipide et protéine.
MICROBIOTE : ensemble des bactéries vivant dans une niche écologique donnée.
PARODONTITE : maladie aussi appelée déchaussement des dents, d’origine bactérienne, et qui aboutit à la destruction du parodonte, c’est-à-dire des tissus de soutien des dents au premier rang desquels la gencive et l’os de soutien des dents.
PILI : appendice se trouvant sur la paroi de certaines bactéries et leur permettant de se déplacer.
POLYSACCHARIDES : sucres qui sont la base de la matrice extracellulaire du biofilm, mais qui sont aussi indispensables à la matrice extracellulaire des cellules humaines.
PROTÉASES :
SÉQUENÇAGE GÉNOMIQUE HAUTE FRÉQUENCE : technique récente d’identification des bactéries en présence dans un milieu biologique.
STREPTOCOQUES : bactéries très répandues, à Gram +, responsables de nombreuses pathologies (pharyngites, endocardites, pneumonies…)