Oral Actinomyces Species in Health and Disease: Identification, Occurence and Importance of Early Colonization

The genus Actinomyces consists of a heterogeneous group of gram-positive, mainly facultatively anaerobic or microaerobic rods showing various degrees of branching. In the oral cavity, streptococci and Actinomyces form a fundamental component of the indigenous microbiota, being among initial colonizers in polymicrobial biofilms. The significance of the genus Actinomyces is based on the capability of species to adhere to surfaces such as on teeth and to co-aggregate with other bacteria. Identification of Actinomyces species has mainly been based on only a few biochemical characteristics, such as pigmentation and catalase production, or on the use of a single commercial kit. The limited identification of oral Actinomyces isolates to species level has hampered knowledge of their role both in health and disease. In recent years, Actinomyces and related organisms have attracted the attention of clinical microbiologists because of a growing awareness of their presence in clinical specimens and their association with disease. This series of studies aimed to amplify the identification methods for Actinomyces species. With the newly developed identification scheme, the age-related occurrence of Actinomyces in healthy mouths of infants and their distribution in failed dental implants was investigated. Adhesion of Actinomyces species to titanium surfaces processed in various ways was studied in vitro. The results of phenotypic identification methods indicated a relatively low applicability of commercially available test kits for reliable identification within the genus Actinomyces. However, in the study of conventional phenotypic methods, it was possible to develop an identification scheme that resulted in accurate differentiation of Actinomyces and closely related species, using various different test methods. Genotypic methods based on 16S rRNA sequence analysis of Actinomyces proved to be a useful method for genus level identification and further clarified the species level identification with phenotypic methods. The results of the study of infants showed that the isolation frequency of salivary Actinomyces species increased according to age: thirty-one percent of the infants at 2 months but 97% at 2 years of age were positive for Actinomyces. A. odontolyticus was the most prominent Actinomyces colonizer during the study period followed in frequency by A. naeslundii and A. viscosus. In the study of explanted dental implants, Actinomyces was the most prevalent bacterial genus, colonizing 94% of the fixtures. Also in the implants A. odontolyticus was revealed as the most common Actinomyces species. It was present in 84% of Actinomyces -positive fixtures followed in frequency by A. naeslundii, A. viscosus and A. israelii. In an in vitro study of titanium surfaces, different Actinomyces species showed variation regarding their adhesion to titanium. Surface roughness as well as albumin coating of titanium had significant effects on adhesion. The use of improved phenotypic and molecular diagnostic methods increased the accuracy of the identification of the Actinomyces to species level. This facilitated an investigation of their occurrence and distribution in oral specimens in both health and disease.

Syntymähetkellä suuontelo on steriili, mutta jo ensimmäisten syntymää seuraavien tuntien aikana vastasyntyneen iholle, limakalvoille ja suolistoon alkaa syntyä harmittomien mikrobien muodostamia elinyhteisöjä. Terveen ja tasapainoisen suuontelon mikro-organismit muodostavat suun normaalin mikrobiston, joka muuttuu sekä määrällisesti että laadullisesti iän myötä vallitsevien anatomisten ja fysiologisten tekijöiden, sekä ulkoisen bakteeritarjonnan vaikutuksesta. Aktinomykes-bakteerit ovat tärkeitä säätelytekijöitä sekä normaalin bakteeriston että infektioiden kannalta toimien streptokokkien ohella ensivaiheen tarttuja-bakteereina suun eri pehmyt- ja kovakudospinnoille muodostuvissa biofilmeissä. Niiden merkitys kehittyvän biofilmin tärkeänä rakenneosana perustuu ns. ko-aggregaatiokykyyn eri bakteerilajien välillä sekä myös erityisiin adhesiineihin, joiden avulla ne pystyvät vaikuttamaan tarttumiseen. Aktinomykesten tunnistus kliinisissä laboratorioissa on aiemmin perustunut miltei yksittäisiin biokemiallisiin reaktioihin. Kiinnostus aktinomykeksiä kohtaan on kuitenkin lisääntynyt viime aikoina huomattavasti, koska Aktinomykes-lajeja on esiintynyt kliinisissä näytteissä yhä enemmän ja aiemmasta kirjallisuudesta poiketen niiden on havaittu olevan osallisena myös useissa erilaisissa infektioissa. Viimeaikaisten taksonomisten muutosten myötä Aktinomykes-lajien tunnnistaminen kliinisissä laboratorioissa on kuitenkin edelleen vaikeutunut huomattavasti. Tässä väitöskirjatyössä kehitetty kattava fenotyyppisiin menetelmiin perustuva identifiointiohjeisto on mahdollistanut eri lajien esiintyvyyden ja merkityksen selvittämisen väitöskirjan muissa osatöissä, joissa selvitimme eri lajien ilmaantumista ja kolonisaation pysyvyyttä vastasyntyneen lapsen suun kehittyvässä bakteeristossa; tutkimme aktinomykesten merkitystä epäonnistuneiden hammasimplanttien pinnan kolonisoitujina ja eri lajien esiintymistä implantin menetykseen johtavassa tulehduksessa; selvitimme, tarttuvatko aktinomykekset implanttirakenteen ts. titaanin pintaan, ja voiko tähän tarttuvuuteen vaikuttaa biomateriaalien pinta-ominaisuuksia muuttamalla. Tutkimustulokset osoittivat aktinomykesten esiintyvyyden lapsilla nousevan kolmasosasta jopa 97 %:iin kahden ensimmäisen elinvuoden aikana. Ylivoimaisesti yleisin Aktinomykes-löydös jokaisella näytteenottokerralla oli A. odontolyticus, jota esiintyi yleisesti jo kahden kuukauden ikäisillä lapsilla. A. naeslundii oli seuraavaksi yleisin Aktinomykes-laji, mutta sitä löytyi ensimmäisen kerran vasta vuoden iässä, mikä on mahdollisesti yhteydessä hampaallisuuteen. Tutkimustulosten mukaan aktinomykekset muodostivat yleisimmän bakteeriryhmän (94% näytteistä) epäonnistuneiden implanttien kolonisoitujina. Myös näissä näytteissä A. odontolyticus osoittautui yleisimmäksi Aktinomykes-lajiksi. Tutkimus titaanin pintaominaisuuksien vaikutuksesta eri Aktinomykes-lajien tarttumiseen osoitti, että elektronimikroskoopissa tarkasteltuna eri lajeilla on erilainen affiniteetti titaanin pintaan proteiinipinnoitteen sekä pinnan karheusasteen vaikuttaessa solumääriin. Tämän väitöskirja-tutkimuksen myötä kehitetyt fenotyyppiset identifiointi-ohjeistot mahdollistivat eri Actinomyces-lajien tunnistamisen kliinisistä näytteistä yhä luotettavammin. Luotettava laji-tason identifiointi loi edelleen perustan tutkimukselle, jossa selvitettiin eri Actinomyces-lajien osuutta ja merkitystä suun kehittyvässä bakteeristossa sekä terveyden että infektioiden kannalta. Tutkimustulokset eri lajien osuudesta biomateriaalien pinnalle kehittyvän bakteeri-biofilmin koostumukseen tuovat uutta tietoa implanttitulehdusten vielä heikosti tunnetusta mikrobiologiasta. Kokeellisia tutkimustuloksia lajien tarttuvuudesta eri tavoin käsitellyille titaanipinnoille voidaan hyödyntää implantologiassa käytettävien biomateriaalien kehittämisessä bakteerikasvua suosimattomaksi.