Dental plaque-Exisiting Perspective

지난 수십년간의 연구결과 현재 biofilm에 대해 확고한 연구기초가 다져졌다. 여러 연구결과 건강한 사람과 질병을 가지고 있는 사람에서 세균은 종과 속 차원에서의 차이점이 있다는 것이 증명되었다.

치태의 발생에 대한 여러 연구가 이루어졌는데, 그 내용으로 (a) 깨끗한 치면에서 시간의 흐름에 따라 증가하는 변화 (b) 연령, 국적, 식습관, (후천적, 선천적)면역 상태에 따른 차이점 (c) 여러 가지 치료법에 따른 차이 등에 대한 내용이었다.

또한 치아의 여러 부위(소와, 치간, 평활면, 치은열구, 의치)에 따라 각각 다른 세균들이 존재했는데, 이는 각 세균이 선호하는 부분에 차이가 있기 때문이다.

치태는 제거가 잘되지 않는 구석진 부위에서 일반적으로 잘 생기며 증가하는 단계는 다음과 같이 분류 된다.

(a) 구강 세척 후 즉시 conditioning film (치구)이 발생하여 초기 세균 군집 형태에 영향을 준다. 흡착 후 즉시 구조적인 변화가 일어나는데, 현재 이에 대한 연구가 진행 중이다.

(b) 구강내 세균은 치면과 한 종류이상의 결합을 하며 이것은 치면과 세포내의 receptor간의 상호 관계에 대한 정보를 제공해준다.

(c) 초기에 부착된 군락과 결합하는 이주종(colonizer). 이 시기에 박테리아간 adhesin-receptor 상호작용이 생기며, 박테리아간 거리가 긴밀할 경우 그들 사이 영양분의 교환은 활발히 증가하게 되고, 이와 같은 원리로 공기 중에 노출된 혐기성 세균도 주변의 호기성 세균과 결합하여 생존할 수 있다.

(d) 부착된 미생물의 증가. 세포분화에 의해 삼차원적인 다양한 기능의 biofilm을 이루게 된다.
다량체 생산물은 복잡한 세포외 기질을 형성하는데, 세균이 저항성을 가지도록 하며, 내부에 물과 양분을 저장하는 역할을 하기도 한다.

기존의 광학현미경이나 전자현미경 사진에서 치태는 내부가 빽빽하게 막혀져있는 조직으로 보였지만, 최근의 현미경사진 연구결과 그보다는 좀 더 열린 구조를 가지고 있음이 밝혀졌다.

(타액이나 치은열구에서 배출된) 내분비 물질이 세균의 주요 양분이라는 것이 밝혀졌으며, 그들의 대사과정에는 일련의 좀 더 복잡한 과정이 필요하다는 것이 알려졌다.

(e) 능동적인 탈부착. 박테리아는 외부의 자극에 반응하여 치면에서 떨어져 다른 곳에 군락을 형성할 수도 있다.

일단 한번 형성된 치태 내 세균총은 긴 시간동안 안정적으로 유지되며 숙주에 도움을 준다.

상주하는 세균총은 외부에서 들어온 세균에 의해 발생되어지는 염증을 예방함으로써 숙주의 건강을 지켜주게 된다.

세균의 colonization을 방지하는 방법은 부착을 방해하는 방법과 영양분을 줄여주는 방법을 생각할 수 있고, 치태내의 세균총은 제거하는 것이 아니라 조절하는 방향으로 치료의 방향이 바뀌어야 한다.

Dental Plaque-Paradigm shifts

새로운 현미경의 개발, 세균 유전자 정보의 발견, 분자생물학 기구의 발전 등은 치태의 생리에 대한 우리들의 이해를 바꾸고 있다. 최근에 이루어지고 있는 각광받고 있는 연구 분야는 다음과 같다.

치태의 구조

Confocal laser scanning 현미경으로 관찰한 결과, 치태는 이전에 알려진 것에 비해 좀더 열린 구조로 이루어져 있으며, biofilm 외부로부터 치면까지 채널이 존재한다.

여러 가지 염색법을 사용하여 조사한 결과, 미생물의 생활성은 다양하며 가장 생명력 있는 세균이 치태의 가장 깊은 곳에 위치하게 된다는 것을 알았다.

생물의 대사를 연구한 결과, 매우 가까운 거리에 있는 두 세균사이에서도 서로 다른 환경을 만들어 생활하기 때문에 동일한 장소에서 세균들 사이의 공존이 가능하다고 할 수 있다.

치태세균의 구성

치태내의 세균 중 약 50% 가량은 실험실 배지에서 배양하지 못하였지만, 염기서열분석에 의한 분자 분석법에 의해 치태 내 세균의 다양성을 알 수 있었다.

깊은 치주낭에서 연구한 결과 가장 깊은 부위에는 spirochete나 그램음성균(G(-))이 존재했으며 얕은 부위에는 그램양성균(G(+)) cocci가 존재하였다.

유전자 발현의 Biofilm Regulation

Biofilm내의 유전자 발현은 액체배지에서 배양한 세균과 다르다. 특정한 수용체에 부착하는 세균은 숙주와 세균 모두에서 염색체 발현의 변화를 일으킨다.

부착 후에 biofilm 내부 세균 단백질에 변화가 발생하여 액체배지에서는 관찰되지 않았던 아직 그 기능이 알려지지 않은 새로운 단백질이 발현되게 된다.

Biofilm은 세균에 의한 유전형질 표현에 직접적, 간접적으로 영향을 미친다.

세포간의 정보교환

Biofilm내의 세균들은 서로서로 작은 확산형 분자들을 이용하여 정보를 주고받는 것으로 알려졌다. 많은 세균종들은 세포 간 정보교환방법을 터득하여 여러 가지 환경적인 스트레스에 대해 저항 할 수 있는 방법을 발전시켜왔고, 질병을 일으킬 수 있는 유전형질의 발현법을 가지게 되었다.

S.mutans의 경우 CSP를 사용하는데, 이는 세포간의 경쟁을 유발시키기도 하여 일반 액체배지에 비해 biofilm내에서 S.mutans의 수는 10～600배정도 많기도 하다. CSP는 biofilm의 형성에 직접 관여하기도 한다.

CSP는 산에 저항할 수 있게도 해주는 것으로 알려졌는데, 낮은 pH에 노출된 S.mutans는 CSP를 방출하여 주변에 있는 세균과 함께 그러한 외부의 스트레스에 저항할 수 있도록 협력하는 것으로 알려졌다.

유전자 이동

세포들은 biofilm내에서 서로 horizontal gene transfer를 한다. 위에서 예를 든 CSP는 세포의 DNA흡수를 더욱 증진시킨다. 모델 biofilm 내에서 연구한 결과 streptococci 끼리 tetracycline 저항성을 서로 공유하는 것으로 알려졌다.

치태는 전이가 가능한 작은 요소들, 유전자들을 가지고 있는 `유전형질의 창고'와 같은 역할을 수행함으로써 구강 내 병원균들이 발생하는데 중요한 역할을 수행한다.

항균제의 저항

어떤 물체의 표면에서 세균이 성장한다는 것은 세균성장을 저해하는 물질에 대한 저항성을 가지고 있다는 것을 의미한다. 일반적으로 항생제에 대한 내성을 측정하는 방법은 액체배지내의 최소의 살균농도나 제한농도를 넣었을 때 세균의 상태를 가지고 측정한다.

물체 표면에서의 항생제에 대한 민감도를 측정하는 방법에 대해서는 󰡒biofilm inhibitory concentration󰡓, 󰡒biofilm eradication concentration󰡓, 또는 󰡒biofilm killing concentration󰡓과 같은 용어를 사용해야 할 것이지만, 이런 용어가 일반적으로 받아들여지고 있지 않으며, 방법에 대한 표준화도 아직 이루어지고 있지 않다.

치태내에 존재하는 세균들의 경우도 치약이나 양치액에 들어있는 항세균제에 대한 저항성이 증가하고 있다는 연구 결과가 있다. Biofilm내에 있던 S.sanguis를 24시간이내에 제거하기위한 최소농도는 10-50배 이상이 더 필요하다.

형성된 지 얼마 안 된 Biofilm보다 오래전에 형성된 Biofilm이 높은 저항성을 가진다. Biofilm내의 세균들은 아목시실린, 독시사이클린, 메트로니다졸과 같은 항생제에도 높은 내성을 가진다.

항세균 약제는 biofilm내부로 침입하지 못하고 외부에 있는 세균만을 죽이고 biofilm의 구조와 결합하게 된다. 그리고 앞에서 언급했던 것처럼 가장 외부에 있는 세균은 새로운 표현형질을 나타내게 되고, 그 정보를 주변의 세포에게 전달함으로써 항세균제에 대한 내성이 발생하게 된다.

치태의 군락

앞에서 언급한 세균간의 상호작용은 세균이 각각 개별적으로 작용하는 것이 아니라, 서로 공간을 공유하며 기능적으로도 결합하는 세균들의 집단을 이룬다는 것을 의미한다.

이러한 세균 집단은 다음과 같은 이점을 가지게 된다. (a) 더 넓은 부위에서의 생존이 가능하다. 호기성 세균은 혐기성 세균의 성장에 도움을 준다. (b) 더 효율적인 대사가 가능하다. 타액내의 거대 분자는 여러 세균들에 의해 작게 나누어 질 수 있다. (c) 스트레스나 항세균제에 대한 저항성이 증가한다. (d) 세포독성이 증가한다.

Future Developments

여러 세균이 혼합된 biofilm으로서의 치태를 이해하는 것은 임상 치료에 커다란 도움을 줄 것으로 생각하며, 앞으로 더 연구되어져야 할 사항은 다음과 같다.

(a) 표면에 붙어 있는 세균을 죽일 수 있는 항세균제에 대한 연구가 이루어져야하겠고, 내부에 있는 세균에 영향을 줄 수 있는 약제를 개발해야 한다. 이는 약제의 살균성 증진뿐만 아니라 치태의 표면에 부착하지 않고 내부로 침투할 수 있도록 개발되어져야 할 것이다.

(b) Biofilm내부에서 세균간의 정보 공유를 막음으로써 세균을 죽여야 한다.

(c) 독성을 가진 세균의 군락을 막아야 한다.

(d) 치태의 기질을 형성하는 exopolymer를 감소시킬 수 있는 효소를 이용하여 biofilm의 구조를 바꾼다.

(e) 질병을 일으키는 세균이 좋아하는 pH를 유지하지 못하도록 중화시키도록 한다.

■참고문헌
P.D.Marsh. Dental Plaque as a Microbial Biofilm. Caries Res 2004;38:204-211.