Facteurs de risque en parodontologie et conséquences thérapeutiques 1re partie : le biofilm

Introduction

L'observation clinique des patients atteints de maladie parodontale et les données de la littérature médicale montrent que ces maladies et leur évolution sont en relation avec des facteurs de risque. Les maladies parodontales concernent de 5 à 30 % des adultes de 25 à 75 ans (^{Genco et al., 1999}) ; 15 % d'entre eux, dans presque toutes les populations, présentent une maladie parodontale progressive rapide ou agressive (^{Wikesjö et Selvig, 1999}). Une proportion importante de la population est susceptible à cette maladie, alors que certains sujets sont relativement résistants à ses formes sévères. Ceci conduit à l'hypothèse selon laquelle il existe des facteurs de risque ou de susceptibilité modulant résistance ou prédisposition à une parodontite destructive. Par facteur de risque, on entend « des caractéristiques comportementales ou environnementales associées à une maladie parodontale destructive » (^{Genco, 2000}). Ces facteurs de risque sont au nombre de neuf : un biofilm contenant certains pathogènes ou certaines associations pathogènes, des modifications significatives de la réponse de l'hôte, l'âge, le sexe, des facteurs socio-économiques, le tabac, le stress, des facteurs génétiques et, enfin, des facteurs endocriniens et systémiques, en particulier le diabète et les facteurs hormonaux. Réciproquement, la présence d'une maladie parodontale non traitée augmente de façon significative le risque de développement de certaines pathologies (cardio-vasculaires, respiratoires, hypotrophie du nourrisson).

La prise en compte de ces facteurs de risque donne des indications sur la probabilité d'évolution de la maladie mais aussi sur le choix thérapeutique à faire. S'il est facile de lutter contre le biofilm, il n'est pas aisé pour certains patients de le faire au long cours. La réponse de l'hôte est un facteur difficile à contrôler, en particulier s'il s'agit d'un déficit fonctionnel des cellules immunitaires. Certaines races peuvent présenter une susceptibilité accrue pour certaines bactéries, par exemple, Prevotella intermedia et maladie parodontale pour les Afro-Américains (^{Grossi et al., 1994} ; ^{Grossi et al., 1995}). Les facteurs comportementaux (tabac en particulier) peuvent se modifier avec le temps et constituent dans tous les cas un risque majeur d'évolution et de sévérité de la maladie parodontale (^{Ismail et al., 1983}). Un gène codant pour la production d'interleukine 1 (IL1) a été mis en évidence en tant que facteur de risque de la parodontite de l'adulte (^{Kornman et al., 1997}). Enfin, le stress semble être corrélé avec la présence plus fréquente de bactéries telles que Fusobacterium nucleatum et Actinobacillus actinomycetemcomitans.

L'attitude thérapeutique découlera du diagnostic et du nombre de facteurs de risque répertoriés. Il peut s'agir :

- du choix du traitement (non chirurgical, chirurgical) ;

- du but recherché (plus ou moins conservateur) ;

- du choix prothétique ou implantaire ;

- du rythme des visites de maintenance (plus ou moins rapprochées).

L'évaluation des facteurs de risque constitue bien un facteur déterminant dans les choix thérapeutiques en parodontologie.

Biofilm : données actuelles

De nombreuses études ont démontré que la plaque dentaire présentait toutes les caractéristiques d'un biofilm (^{Darveau et al., 1997}). Les biofilms bactériens peuvent être définis comme une matrice entourée de populations bactériennes adhérentes entre elles et/ou à des surfaces ou interfaces. Ces organismes s'installent et recherchent la sécurité et le confort en adhérant aux surfaces disponibles et forment des biofilms dans pratiquement tous les systèmes aquatiques (^{Costerton, 1995}). On peut donc définir le biofilm comme une accumulation hétérogène, adhérente à la surface des dents ou située dans l'espace gingivo-dentaire ; elle se retrouve aussi sur les différents matériaux de restauration dentaire ainsi que sur les prothèses. Elle est composée d'une communauté microbienne riche en bactéries aérobies et anaérobies, enrobées dans une matrice intercellulaire de polymères d'origine microbienne et salivaire (^{Mouton et Robert, 1994}). L'origine de la plaque, son développement, sa constitution et son adaptation aux conditions environnementales sont gouvernées par un équilibre dynamique en constante variation entre les multiples facteurs qui modifient la composition microbienne (^{Listgarten, 1994}). Ainsi, le biofilm dentaire apparaît comme une véritable unité écologique hautement organisée et non plus comme une simple accumulation de bactéries (^{Ramfjord et Ash, 1993}).

Il est constitué de microcolonies de cellules enveloppées dans une matrice dense d'exopolysaccharides, ouverte à certains endroits par des ponts à eau. Le fluide de l'interface formée par la masse du biofilm et l'eau pénètre ce système de ponts et se déplace selon un flux à convection. Des perles de polystyrène (0,3 micron) peuvent se déplacer rapidement et sans à-coups à l'intérieur des différentes ramifications qui ne constituent donc pas une barrière à leur passage (^{Costerton et Lewandowski, 1997}). Ces canaux aqueux permettent également des échanges et des communications intercellulaires (^{Barbieri, 2000}), ce qui conduit à une organisation spatiale particulière des différentes espèces bactériennes les unes par rapport aux autres à l'intérieur du biofilm. Une des conséquences de cette répartition dans l'espace est le développement de dépendances entre les différentes espèces bactériennes (^{Gilbert et al., 1997}).

^{Auschill et al. (2001)} ont démontré que la plus grande partie de la flore bactérienne vivante était localisée autour et au-dessus des canaux aqueux.

Les bactéries peuvent adopter deux modes de vie radicalement différents, soit celui à l'état planctonique dans lequel les organismes isolés flottent dans le milieu buccal, soit celui où, dans un biofilm, les bactéries attachées à une surface dentaire vivent en communauté. Les cellules planctoniques deviennent sessiles quand les nutriments commencent à être limités, elles adhèrent alors à une surface et changent leur phénotype, ce qui les différencie de leurs homologues planctoniques (^{Veno Poulsen, 1999}). Certains auteurs ont également observé que les modes de croissance entre ces deux formes phénotypiques étaient différents (^{Loo et al., 2000}). Ainsi, le simple fait d'adhérer à une surface va changer le phénotype bactérien, ce qui différencie cette bactérie des autres micro-organismes de la même espèce flottant dans la salive. Ainsi, on assiste à l'apparition de différents processus de coopération bactérienne, ce qui permet d'affirmer que la physiologie bactérienne à l'intérieur du biofilm dentaire est profondément différente de celle rencontrée chez les bactéries planctoniques.

Le biofilm dentaire contribue également à la stabilité et à la continuité bactériennes au sein de cet écosystème car les micro-organismes vivant à l'intérieur du biofilm sont résistants aux agents antimicrobiens, alors que les bactéries planctoniques y sont extrêmement sensibles (^{Costerton et al., 1994}).

Structure du biofilm

Avec l'avènement du microscope à lumière confocale, on découvre que le biofilm dentaire a une structure en champignon et que son épaisseur peut dépasser 1 mm. Cette structure n'est pas compacte mais ouverte à certains endroits qui constituent l'entrée des canaux aqueux.

Le biofilm est organisé en microcolonies, ce qui lui donne des caractéristiques structurales particulières que ^{Costerton et al. (1994)} ont modélisées (^{fig. 1}).

Suivant leur localisation, certains micro-organismes peuvent être dépourvus d'oxygène, de nutriments ou d'espace nécessaire à leur division cellulaire. Les gradients d'oxygène se développent avec son utilisation rapide par les bactéries aérobies situées à l'interface entre la salive et le biofilm. Le défaut d'oxygène va conduire à la formation de zones dépourvues d'oxygène où les conditions anaérobies vont prévaloir dans les couches profondes comme l'illustre la ^{figure 2} . Des sondes chimiques montrent bien que le biofilm se développe dans un milieu aérobie et que le centre des microcolonies peut constituer des microniches anaérobies (^{Costerton et al., 1994}).

A côté de ce gradient en oxygène, on démontre l'existence d'autres gradients chimiques et physiques secondaires au métabolisme bactérien, nutriments, pH, produits métaboliques. Ils créent ainsi des îlots favorables à la croissance bactérienne (^{Marsh et Bradshaw, 1995}).

En conclusion, le biofilm dentaire apparaît comme un empilement de colonies bactériennes séparées par des canaux à eau à l'intérieur d'une matrice extracellulaire, avec l'existence de nombreux gradients entre les microcolonies (^{Pratten et al., 2000}).

Parmi les bactéries du biofilm dentaire, certaines ont un rôle prépondérant. C'est le cas de F. nucleatum qui joue le rôle de pont entre les bactéries colonisatrices du début de la formation du biofilm et celles qui adhèrent plus tardivement (^{fig. 3}). Elle agit aussi comme un pont physiologique, c'est-à-dire qu'elle va favoriser l'établissement de microenvironnements anaérobies, protégeant ainsi les bactéries anaérobies strictes vivant dans un milieu aérobie (^{Kolenbrander, 2000}).

Pendant la phase de colonisation du biofilm dentaire, les bactéries adhérentes synthétisent des polymères extracellulaires qui contribuent à l'intégrité structurale du biofilm (^{fig. 4}).

Conséquences de la vie communautaire

Les bactéries du biofilm dentaire ont la possibilité d'exclure des organismes exogènes en empêchant leur colonisation, organismes souvent pathogènes pour l'hôte. Cette résistance à la colonisation est dépendante de différents facteurs microbiens, qui sont la compétition pour les récepteurs de l'adhésion, la compétition pour les nutriments endogènes essentiels et les différents cofacteurs, la création de micro-environnements défavorables à la croissance des espèces exogènes et, enfin, la production de substances inhibitrices (^{Marsh et Martin, 1999}). D'autres facteurs inhibiteurs produits par les bactéries du biofilm dentaire incluent des acides organiques, du peroxyde d'hydrogène et des enzymes (^{Marsh, 1994}). En conclusion, on constate que cet antagonisme bactérien exercé par les bactéries du biofilm dentaire à l'encontre de bactéries pathogènes peut jouer un rôle protecteur contribuant à l'état de santé de l'hôte (^{Mouton et Robert, 1994}).

Coopération métabolique

Une des conséquences de la croissance bactérienne au sein du biofilm dentaire est la possibilité d'établir des coopérations métaboliques à l'intérieur d'un consortium de cellules bactériennes d'espèces différentes (^{Costerton, 1995}). Ainsi, des échanges nutritionnels sont possibles entre bactéries, certaines libérant dans le milieu leurs déchets métaboliques qui seront utilisés par d'autres bactéries voisines (^{Coghlan, 1996} ; ^{Bowden et Li, 1997}). Les produits du métabolisme deviennent alors la principale source de nutriments pour certaines bactéries. Il en résulte que la croissance de certaines espèces devient dépendante du métabolisme d'autres organismes. On voit aussi apparaître d'autres interactions synergiques notamment lorsque les bactéries coopèrent de façon concertée pour casser des macromolécules endogènes, macromolécules que des organismes individuels auraient difficilement dégradées.

La coadhésion et la coagrégation bactériennes interviennent aussi dans les phénomènes de synergie métabolique car elles facilitent les échanges nutritionnels entre les bactéries (^{Kolenbrander, 2000}). De plus, ces phénomènes de coagrégation et de coadhésion interviennent dans l'organisation spatiale de la communauté. En effet, on voit très vite se mettre en place, à la suite du catabolisme des nutriments, des gradients nutritionnels qui conduisent au développement de stratifications bactériennes verticales et horizontales à l'intérieur du biofilm. Ceci permet alors à des organismes différemment équipés de croître, ce qui assure la coexistence d'espèces qui aurait été incompatible dans un habitat homogène (^{Marsh et Martin, 1999}).

Protection contre les attaques antibiotiques et contre les défenses de l'hôte

L'organisation des micro-organismes au sein du biofilm dentaire leur confère des propriétés que l'on ne trouve pas chez les espèces individuelles grandissant indépendamment. Les bactéries protégées dans le biofilm sont ainsi jusqu'à 1 500 fois plus résistantes aux antibiotiques que leurs homologues planctoniques (^{Coghlan, 1996}). Bien que certains aspects de la résistance au sein du biofilm soient encore mal expliqués, les principaux mécanismes relatant cette moindre susceptibilité aux attaques antibiotiques vont être ici décrits.

Différence de métabolisme et de croissance

Les variations et limitations de nutriments, à l'origine de gradients physicochimiques à travers le biofilm dentaire, peuvent réduire le taux de croissance bactérienne (^{Bowden et Hamilton, 1998}). Les bactéries ne se divisent donc plus, ce qui les rend résistantes aux agents antibiotiques qui n'attaquent que les bactéries en division (^{Potera, 1999}). La résistance apparaît alors comme le reflet de l'environnement nutritionnel généré à l'intérieur du biofilm dentaire (^{Gilbert et Martin, 1997}).

^{Marsh et Martin (1999)} affirment que la résistance augmentée des biofilms aux agents antimicrobiens pourrait être en rapport avec la structure et l'âge du biofilm. ^{Bowden et Hamilton (1998)} ont étudié la résistance bactérienne des biofilms de 4 et 7 jours et leurs résultats s'opposent à ceux de Marsh. De plus, les cellules à croissance rapide meurent car elles sont la cible des différents agents antibactériens et ne consomment alors plus de nutriments. Par la suite, les cellules situées en dessous des premières ont plus de nourriture, elles se divisent alors plus vite et deviennent par conséquent plus susceptibles. On assiste ainsi à un déplacement de la zone létale au sein du biofilm dentaire, ce qui en retarde la destruction. Toutefois, ce retardement ne peut pas protéger complètement le biofilm. Les bactéries mortes qui fournissent un substrat aux bactéries situées en dessous d'elles peuvent aussi agir en tant que barrière physique aux antibiotiques, augmentant ainsi la résistance du biofilm dentaire aux agents antimicrobiens (^{Auschill et al., 2001}).

En conclusion, les modifications de l'environnement nutritionnel et le taux de croissance bactérien favorisent une résistance augmentée des bactéries du biofilm aux antibiotiques locaux et systémiques, aux différents agents antimicrobiens et aux défenses de l'hôte (^{Page et al., 1997}).

Rôle de la matrice

Dans le biofilm dentaire, les bactéries fabriquent elles-mêmes leur propre matrice d'exopolymères dont le rôle consiste, entre autres, à protéger les bactéries contre les agressions extérieures, contre le système de défense de l'hôte et contre les agents antimicrobiens (^{Barbieri, 2000}). De nombreux auteurs s'accordent pour dire que la matrice extracellulaire, encore appelée glycocalyx, tient un rôle de barrière contre la diffusion (^{Freney et al., 2000} ; ^{Costerton, 1995}). En fait, la matrice peut être assimilée à un gel difficile à dissoudre, à travers lequel les agents antimicrobiens sont incapables de diffuser pour atteindre les bactéries (^{Carranza et Newman, 1996}). De plus, ces bactéries vont pouvoir développer des résistances en produisant plus de polysaccharides pour former une couche plus épaisse, ce qui accroît la résistance mécanique de la matrice extra-cellulaire. En conséquence, la résistance d'un biofilm dentaire s'avère plus importante face aux antiseptiques lorsque le biofilm est mature (^{DuPont, 1997}). On voit donc que la matrice intervient dans la préservation de l'unité structurale du biofilm dentaire. Toutefois, la présence de canaux aqueux à l'intérieur du biofilm nous amène à penser que la matrice ne peut que limiter la diffusion des antibiotiques, elle n'agit donc pas comme une barrière contre la diffusion empêchant toute pénétration d'agents antimicrobiens, mais plutôt comme une barrière la limitant. La matrice extracellulaire peut aussi servir d'amarrage aux enzymes excrétées par les bactéries ou produites par la mort de celles-ci. Certaines de ces enzymes sont capables de dégrader, voire de détruire des antibiotiques (^{Wilson et al., 2000}).

Le glycocalyx peut également limiter l'accès des agents antimicrobiens par l'intermédiaire d'interactions ioniques. En effet, il ne laissera pénétrer des antibiotiques que si ces derniers sont cationiques. Ainsi, leur accès sera empêché s'ils sont chargés positivement, de même ils diffuseront peu à travers le biofilm dentaire s'ils sont hydrophiles (^{Gilbert et al., 1997}).

Enfin, les bactéries ont la capacité d'excréter certaines molécules en faisant intervenir une pompe. Ce système, appelé efflux, est plus marqué à l'intérieur du biofilm dentaire, là où les cellules bactériennes ont une croissance plus lente qu'ailleurs (^{Gilbert et al., 1997}).

Conséquences thérapeutiques

La santé dentaire et parodontale peut être considérée comme un état d'équilibre dans lequel la population bactérienne coexiste avec l'hôte et où aucun dommage irréparable n'apparaît dans les tissus de ce dernier (^{Carranza et Newman, 1996}). Toutefois, la maladie peut apparaître quand la composition et les activités métaboliques des communautés du biofilm sont perturbées. Ce changement écologique résulte d'une augmentation des proportions des micro-organismes pathogéniques qui possèdent des déterminants enzymatiques et structuraux pouvant les rendre plus virulents que ceux associés à la santé de l'hôte (^{Burne, 1998}). C'est alors que différents groupes de bactéries pathogènes coopèrent et entraînent la maladie, tandis que, seules, ces bactéries sont incapables de nuire.

De nombreuses données ont été publiées sur le biofilm dentaire, mais les effets des thérapeutiques, notamment ceux des ultrasons, restent encore mal connus. Les données issues de la littérature médicale aussi bien que des observations démontrent l'intérêt d'une désorganisation précoce du biofilm afin de le maintenir en grande partie à l'état planctonique. Des moyens mécaniques et chimiques simples permettent, dans la majorité des cas, le contrôle de ce premier facteur de risque important qu'est le biofilm dentaire.

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