Human microbiome Veronika Holá Institute for Microbiology Faculty of Medicine, Masaryk University  and St. Anne´s Faculty Hospital in Brno TZKM, spring term 2021 1 Human microbiome • Microflora – Microbes, that are present on/in our body and have some relationship with it • Microbiome – Is the aggregate of all microbiota along with the corresponding anatomical sites – Includes: • skin • mammary glands • seminal fluid • uterus • ovarian follicles • saliva • oral mucosa • conjunctiva biliary tract • gastrointestinal tract 2 Development of microbiome • In uterus • Delivery, newborn • Breastfeeding   • Solid nutrition • First teeth – Ca 1 yr – adult‐like micorbiota • Necrobiota 3 GIT microbiome • Gastrointestinal tract – One of the largest microbiomes – 1150 different species, each individual  at least 160 different species  – About 1‐2 kilograms of cells – Bacteroides fragilis, Bacteroides melaninogenicus, Bacteroides oralis, Enterococcus faecalis, Escherichia coli,  Enterobacter sp., Klebsiella sp., Bifidobacterium bifidum, Staphylococcus aureus, Lactobacillus sp., Clostridium  perfringens, Proteus, Clostridium tetani, Clostridium septicum, Pseudomonas aeruginosa, Faecalibacterium prausnitzii, Peptostreptococcus sp., Peptococcus sp. • Most gut bacteria ‐ normal commensal colonists of the gut; some always pathogenic, some  opportunistic pathogens • Many functions  – Pathogen interactions – Modulation of immune system – Digestion and absorption of nutrients – Autoimmune diseases – Irritable Bowel Syndrome – Mood & depression – Obesity – Increasing cancer risk for the host 4 Functions of GIT microbiome • Pathogen interactions – Prevents colonization  • Modulation of immune system – Capable of modulating host immune systems – Required for tonic and reactive stimulation of the immune system • Effects of Microbiota on Immune Mechanisms – Innate immune system • Growth and maturation of intestinal lymphoid follicles • Production of mucus • Induction of neutrophil bactericidal activity • Induction of macrophages • Induction of innate lymphoid cells – Adaptive immune system • Growth and maturation of intestinal lymphoid follicles • Activate dendritic cells • Activate differentiation of T cells in the lamina propria • Activate B cells in the lamina propria 5 Functions of GIT microbiome • Digestion and absorption of nutrients – Vitamins (biotin and vitamin K), aminoacids (tryptophan), nutrients ‐ fermenting unused  energy substrates • Autoimmune diseases  – Systemic lupus erythematosus & an alteration of the intestinal flora  – Changes to the gut and periodontal disease & rheumatoid arthritis – Other autoimmune diseases ‐ also modifications of the microbiome • Irritable Bowel Syndrome – In IBS patients ‐ elevations in cortisol, postprandial serotonin levels etc.  6 Functions of GIT microbiome • Mood & depression  • Obesity • Therapeutic approaches – Probiotics ‐ live microorganisms – Prebiotics ‐ food compounds not digestible by the host – Symbiotic ‐ probiotics and prebiotics simultaneously – Faecal microbiota transplantation • Host Factors that affect microbiota composition and function – Antibiotic usage – Diet – Bowel preparations – Gut mucosal integrity – Expression of epithelial receptors – Functional immune cell populations – Expression of antimicrobial peptides… 7 UGT microbiota • Key role in the health of the UGT  • Lactobacilli – production of lactic acid  – antimicrobial agents – suppress infection • In women – most of microbes in vagina, but other  places, formerly believed to be sterile, also  colonized, and similarly in men – Vagina, uterus, ovarian follicles, seminal fluid in men 8 UGT microbiota • Vagina – Anaerobes:  • Lactobacillus, Peptostreptococcus, Clostridium, Propionibacterium,  Eubacterium, Bifidobacterium, Prevotella, Bacteroides, Fusobacterium,  Veillonella, diphtheroids, Actinomycetales – Aerobes: • Staphylococcus aureus, CoNS, Group B Streptococcus, Enterococcus  faecalis, Actinomyces israelii, Actinomyces neuii, Escherichia coli,  Klebsiella, Proteus, Enterobacter, Acinetobacter, Citrobacter,  Pseudomonas, Candida • Vaginal microbiota changes – Age of woman – Pregnancy – Antibiotic therapy – No link between taking oral probiotics and maintaining normal  microbiota populations of lactobacilli in vagina 9 UGT microbiota • Uterus – Over 278 genera • Ovarian follicle – Culture techniques – Lactobacilli sp., Propionibacterium, Actinomyces • Male reproductive tract – Acute prostatitis  – Chronic prostatitis – Infertility – Pseudomonas, Lactobacillus, Prevotella 10 Skin microbiome • pH of the skin ‐ pH 4‐4.5 • Salinity • Antimicrobial peptides – Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus haemolyticus, Staphylococcus  hominis, Staphylococcus aureus, alpha‐haemolytic Streptococcus sp.,  Acinetobacter sp., Bacillus sp., Corynebacterium sp., Cutibacterium acnes,  Micrococcus sp., Peptostreptococcus sp., Propionibacterium sp., Sarcina sp.,  Candida albicans, Candida parapsilosis • Acne vulgaris • Atopic dermatitis • Psoriasis vulgaris • Rosacea 11 • One of the largest microbial communities • Resident & transient • Ecological system with many niches • Biofilm formation • Important for health • Relation to etiology of dental caries,  parodontitis, halitosis… Oral microbiome 12 • Aterosclerosis of coronary vessels • Stroke • Diabetes mellitus • Pre‐term delivery • Low birth weight • Aesophagal carcinoma Oral health consequences 13 • Very specific environment by its composition • Mucosal surfaces  • Sulcar liquid • Communicates with outer environment Ecosystem of oral cavity 14 • Lips • Buccal mucosa & soft palate • Tongue • Supragingival teeth surfaces • Sulci gingivales Oral cavity as microbial biotop 15 • Lips • Buccal mucosa & soft palate • Surface of the tongue  • Teeth  • Artificial teeth and dental implantates  • Mucous membrane of sulcus gingivalis  Particular surfaces in oral cavity  16 Sulcus gingivalis 17 • Mix of aerobic and anaerobic species – SRSP,  Actinobacillus, Fusobacterium, Treponema sp.,  Wollinella sp., RED COMPLEX bacteria… • Α‐haemolytic streptococci  • S. mutans group – S. mutans, less frequent S. sobrinus, rare S.  cricetus and S. rattus • S. salivarius group – S. salivarius, S. vestibularis – Can cause endocarditis Streptococci in the oral cavity I. 18 • S. mitis group – S. mitis , S. oralis, S. peroris – S. sanguinis and S. gordonii – Subacute bacterial endocarditis • S. anginosus group  – S. anginosus (S. milleri), S. constellatus – S. c.  constellatus and S. c. pharyngis, and S.  intermedius Streptococci in the oral cavity II. 19 • Spirochaetae  • Close relationship to P. gingivalis • Adhesins, invasins • Haemolysins Treponema denticola 20 wikipedia.org/wiki/Treponema • Inflammatory starters – starts secretion of cytokins &  chemokins • Protease – degradation of barriers, cells and protective  macromolecules • Highly proteolytic  • Proteolytic microorganism – quickly resides sulcus  gingivalis Porphyromonas gingivalis 21 • Crossfeeding  • Releases outer membrane vesicles • Fimbriae • Vesicles • Contains black pigment • Interaction between T. forythia and P. gingivalis • Implicated in periodontal diseases  • Red complex Invasion of T. forsythia into cells, Inagaki 2006, confocal laser microscopy Tannerella forsythia 22 • N. subflava, N. sicca, N. mucosa • Staphylococci, micrococci • Eikenella • Veillonella • Other genera – Propionibacter, Enterococcus Other G+ and G‐ bacteria 23 • Actinomyces sp.  • Lactobacillus sp. • Mycoplasma pneumoniae, M. hominis, M.  salivarium Mycoplasmas, actinomyces,  lactobacilli 24 • Products of metabolism  • P. gingivalis X • Fusobacterium nucleatum • Bacteriocins Interactions of microorganisms 25 • Susceptibility to phagocytosis • Rescue before immune response • A. actinomycetemcomitans and bacteria of  red‐complex more resistant • Microbes from oral cavity can cause  metastatic infections Protection against immunity system 26 • Entamoeba gingivalis, Trichomonas tenax  • Candida sp.   Parasites and fungi in oral cavity 27 • Dental plaque is an adherent microbial layer  on the tooth surface = live and dead bacteria  + their products + host compounds (from  saliva) • Can not be washed • According to the location • Sometimes also classified as coronary, fissural,  supragingival and subgingival Dental plaque 28 • Sessile microbial community • Its cells are irreversibly attached to a  substratum or interface or to each other • They are embedded in a matrix of  extracellular polymeric substances that they  have produced Definition of biofilm 29 • It is composed of numerous bacteria • Change in disease • Dental plaque has open architecture similar to  other biofilms, with channels and voids Dental plaque 30 • Microcolonies embedded in extracellular  matrix form fungus‐like structures interwowen  with system of channels and voids Biofilm architecture 31 (a) channel (b) fungoid structure Oral microflora 32 • Bacteria in plaque communicate mutually – Through coaggregation and coadhesion – Through conventional metabolic interactions – Via small diffusible signalling molecules Mutual relations between biofilm  bacteria 33 Relations of bacteria in the plaque 34 http://dentalplaque.wikispaces.com/Formation • E.g. anaerobic Fusobacterium nucleatum – Early colonizers of the tooth surface  and  – Anaerobic late colonizers Coaggregation in plaque 35 • Starts by a thin layer – pellicula • Receptors for adhesion of G+ cocci and rods • Exopolysaccharid production • Bacterial metabolism in plaque • Plaque development is accelerated by sucrose Dental plaque development  mechanisms I. 36 • In bottom layers the plaque is mineralised  • Influence of bacterial metabolism • Subgingival calculus (concrement) • Calculus porous Dental plaque development  mechanisms II. 37 http://www.intelligentdental.com/2011/12/03/what‐are‐the‐causes‐of‐tartar‐on‐human‐teeth/ Dental tartar 38 • Less than 24 hours: Streptococci of groups  mutans, sanguis, and mitis • Days: G+ rods and filamentous microorganisms  (lactobacilli, actinomycetes) • Week: Columns/microcolonies of coccoid  microbes • Three weeks: filamentous  microbes are prevalent,  „corn‐cob“ formation Development of dental plaque 39 Confocal laser mikroscopy – two-species biofilm, Kolenbrander et al., 2002 • Actinomyces sp. in both • Supragingival plaque – Actinomyces sp.,  neisseriae, streptococci, "green" and "purple"  complex • Subgingival plaque – Prevotella sp., Tannerella forsythia and Porphyromonas gingivalis ("red„), and "orange" complex • Supragingival plaque ‐ reservoir Distribution of microorganisms 40 Bacterial complexes in the oral cavity 41 source: Socransky et al. 1998 • Adherent plaque  • Non‐adherent plaque Subgingival plaque 42 Subgingival plaque 43 Adherent part Non-adherent part Rather Gram- positive Rather Gram- negative Rather non-motile Rather motile Rather facultative anaerobes Rather strict anaerobes Supragingival plaque 44 • Actinomyces sp.  • Supragingival plaque – significantly higher  amount of some Actinomyces sp., neisseriae,  streptococci, and bacteria of "green" and  "purple" complex  • Periodontal pathogens Supragingival plaque 45 46 • Different and fluctuating composition • Area close to the mucous membranes • Candida sp.  • Anaerobes G+ rods incl. Actinomyces  israelii , but also G‐ cocci ‐ Veillonella sp. • Commonly also staphylococci, mostly  STAU Dental plaque on dental plates 47 • Most common civilisation illness  • Bounded destruction of tooth tissue • Multifactorial illness – Endogenous factors – Nutrition – Microbial factors • Affection  – Demineralization by acids  – Microbial metabolism of saccharides Microbiology of dental caries 48 • Tooth profile • Structure of enamel • Saliva Endogenous factors 49 • Saccharides intake  x  caries formation • Saccharose • Consumption • Also glucose, galactose, lactose, soluble amyls Nutrition 50 • Specific plaque hypothesis • Unspecific plaque hypothesis • Most of microbes present have biochemically  cariogenic potential Microbial factors 51 • Most commonly S. mutans c, e & f and S. sobrinus d & g • Some of them more cariogenic • Correlation of their numbers and progression of caries lesion • Glucans formation • Animal models • Survive and multiply in low pH • Create low pH environment very rapidly ‐ deminalization • Form glycogen for time with low or no saccharide intake • Immunization of animals S. mutans group 52 • High numbers in caries lesions • Correlation with caries activity • Multiply in low pH • Form lactic acid • Animal models • In plaque of healthy teeth low numbers BUT • In the initial caries lesions commonly not present Lactobacilli 53 • Esp. A. viscosus relation to dental root caries • Role not clear Actinomycetes 54 • In most of supragingival plaques • Lactate from other microbes for their growth Veillonela • A. naeslundii, A. odontolyticus, A.  gerensceriae • Low numbers of S. mutans group & lactobacilli • Higher ratio of G‐ species (P. nigrescens,  Capnocytophaga sp., Campylobacter sp.,  Leptotrichia sp.)  Dental root caries 55 • Sulcus gingivalis I. • Anaerobic environment • Sulcar fluid • Rich in nutrients • Bacteria are important for  development of  parodontic illness Microbiology of parodontitis 56 • Mix of aerobic and anaerobic species – SRSP,  Actinobacillus, Fusobacterium, Treponema sp.,  Wollinella sp., RED COMPLEX bacteria… Red complex bacteria 57 Tannerella forsythia Porphyromonas gingivalis Treponema denticola feed, coaggregation support of adhesion and invasion RED COMPLEX adherence + FUSOBACTERIA Responsibility for parodontitis Sulcus gingivalis II. 58 ANAEROBES Aggregatibacter (Actinobacillus) actinomycetemcomitans Actinomyces – A. gerencseriae, A. georgiae Fusobacterium – F. nucleatum, F. alocis, F. sulci Prevotella nigrescens Porphyromonas gingivalis, P. endodontalis Treponema denticola, T. vincentii, pectinovarum, socranskii Tannerella forsythia Wolinella succinogenes Selenomonas sputigena AEROBES Streptococcus anginosus, Streptococcus constellatus subsp. constellatus, Streptococcus constellatus subsp. pharyngis, Streptococcus intermedius Relationship of bacterial communities  in parodontitis 59source: Socransky et al. 1998 • The red complex  – Porphyromonas gingivalis – Tannerella forsythia – Treponema denticola • Association with severe forms of periodontal  disease  • Very strong relationship with pocket depth • Sites with none of the species exhibited the  shallowest mean pocket depth, while sites  harboring all 3 showed the deepest Subgingival microbial complexes I. 60 • The orange complex  – Fusobacterium nucleatum ‐ Eubacterium nodatum – Prevotella intermedia ‐ Campylobacter showae – Prevotella nigrescens ‐ Campylobacter gracilis – Peptostreptococcus micros ‐ Campylobacter rectus – Streptococcus constellatus • Appears related to the red complex • Closely associated with one another • P. intermedia + F. nucleatum ‐ deep pockets  • Significant association with increasing pocket depth • MTZ decreased their levels Subgingival microbial complexes II. 61 • The yellow complex – Streptococcus sanguis – Streptococcus oralis – Streptococcus mitis – Streptococcus gordonii – Streptococcus intermedius • Not directly associated with periodontal  disease Subgingival microbial complexes III. 62 • The purple and green complexes  • Not significantly associated with periodontal  diseases • The purple complex  – Not directly associated with gingivitis or  periodontitis • Prepares the way • The blue complex • Not associated with progression of  periodontal diseases Subgingival microbial complexes IV. 63 • Affection of many systemic illnesses – Metastatic infections – Metastatic injury  – Metastatic inflammation Systemic infections related to the oral  microflora 64 Metastatic infection  65 • Metastatic infection from oral cavity via  transient bacteremia – Subacute infective endocarditis – Acute bacterial myocarditis – Brain abscess – Cavernous sinus thrombosis – Sinusitis – Lung abscess/infection Metastatic injury  66 • Metastatic injury from circulation of oral  microbial toxins  – Cerebral infarction – Acute myocardial infarction – Abnormal pregnancy outcome – Persistent pyrexia Metastatic inflammation  67 • Metastatic inflammation caused by  immunological injury from oral organisms  – Behçet's syndrome – Chronic urticaria – Uveitis – Inflammatory bowel disease – Crohn's disease – Propionibacterium acnes – Peptostreptococcus prevotii – Fusobacterium nucleatum – Prevotella intermedia – Saccharomyces cerevisiae – Actinomyces israelii – Streptococcus intermedius  – Streptococcus sanguis Bacteraemia 68 • P. gingivalis has been linked to rheumatoid  arthritis • T. forsythia has been identified in  atherosclerotic lesions Other consequences 69 • Endocarditis  – Besides presence of microbe in blood stream – Also more narrow relationship to the  endocardium, especially in damage by previous  disease or treatment • Commonly ‐ S. sanguis and S. gordonii, S.  oralis, S. peroris,  • Rarely ‐ S. salivarius, S. vestibularis • Difficult and long‐term treatment Subacute infectious endocarditis 70 Risk of IE I. • Low – Defect of heart atrium septum – Implantation of pacemaker – After bypass surgery • Medium – Other congenital heart defects – Provisional surgery of heart defects – Rheumatoid valve defects – Prolaps MI valve with MI insufficiency – Hypertrophic obstruction cardiomyopathy (HOCM) – After surgical correction of cardiovascular defect (later than ca 6 mths) 71 Risk of IE II. • High – Heart valve replacement – After IE – After surgical correction of cardiovascular deffect (until ca 6 mths) 72 Therapy recommendation • Consultation and cooperation with dentists & other specialists • ATB prophylaxis • Medium risk – Adults: AMC 2g in 1 dose 1 hr prior to intervention – Children: AMC 50mg/kg, max. 3g in 1 dose 1 hr prior to intervention • High risk – Adults: AMC 2g in 1 dose 1 hr prior to intervention, followed by 750 mg/6 hrs (7 doses) – Children: AMC 50mg/kg, max. 3g in 1 dose 1 hr prior to intervention, followed by 15 mg/kg/6 hrs (7 doses) 73 Therapy recommentation • In PNC allergy alternatively CLI (600mg, children 15 mg/kg 1 hr prior to intervention) • In high risk continue with 300 mg/6hrs (7 doses), children 7,5 mg/kg/6hrs (7 doses) 74 75