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バイオフィルムとは?

バイオフィルム、菌膜(きんまく、 Biofilm)とは、微生物により形成される構造体。

概要

身近な例としては、歯垢や台所のヌメリなどがある。自然界にも広く存在し、基質と水があれば、あらゆる場所に存在する。たとえば、水中の石の表面についている膜状のものなどが当てはまる。バイオフィルム内では嫌気性菌から好気性菌まで様々な種類の微生物が存在し、その中で様々な情報伝達を行いながらコミュニティを形成していると考えられている。異種微生物間の情報伝達物質としてクオルモンが注目されている。

医療におけるバイオフィルム

医療においては、カテーテル内に黄色ブドウ球菌などがバイオフィルムを形成することが問題となる。これは、バイオフィルム内の細菌は、抗生物質や免疫に対する抵抗性が高くなるからである。
歯科医療では、口腔二大疾患のう蝕と歯周病が共にバイオフィルム感染症であることから、予防、治療、予後のどの場面においても、抗生物質の効かない厄介なバイオフィルムにどう対処するかが大きな課題である。歯は固体で液体の唾液に囲まれており、口腔内は温度的にも栄養的にもバイオフィルムの繁殖に最適である。さらに歯は皮膚や粘膜のように剥落しないため、バイオフィルムが定着、成長しやすい。

生態系におけるバイオフィルム

石や植物の表面など、あらゆる場所に存在している。バイオフィルムの内部と外部では、微生物の生息密度が異なる。たとえば水中では、生息密度に数百〜数千倍の差があるという。バイオフィルム内には、細菌はもちろん、原生動物、藻類など、多種多様な生物が生息している。自然界における物質の転換、浄化作用などにも深く関与していると考えられている。

バイオフィルムの構造

バイオフィルムの構造の簡略図

基質に付着した細菌が、細胞外多糖(EPS, extracellular polysaccharide)を分泌する。 EPSはバリアーや運搬経路の役割を果たし、環境変化や化学物質から内部の細菌を守る。 そういった作用により、生息密度の高い閉鎖的なコロニーが形成され、恒常性が保たれる。

構造の詳細

栄養状態、温度、光など様々な条件により、規模や形態が異なる。フィルムと名にあるが、多くは立体的な構造を持つ。コロニー内にも環境条件の違いが存在し、種の棲み分けもみられる。ここでは、下図「微生物とそのコロニーの変遷」にある、キノコ型のコロニーを説明する。このコロニーでは、いくつかの孤立したバイオフィルムが密集し、部分的にバイオフィルム同士が融合している。フィルムの下部には、隙間が多く形成され、水や養分を通す経路となる。

バイオフィルムの成り立ち

基質とバイオフィルムの変遷

1. 裸の基質
2. 有機物やイオンが付着し、コンディショニングフィルムという膜が出来る。
3. 細菌が付着し始める。定着と脱離を繰り返しながら、徐々に生息数を増やす。
4. EPSによるコロニーが形成される。

微生物とそのコロニーの変遷

1. 細菌付着
2. EPSを分泌しはじめる
3. バイオフィルムが形成される
4. バイオフィルムは厚みを増し、コロニーが巨大化する
5. 内部が過密になると、コロニーが破壊され、細菌が放出される

細菌が付着と脱離を繰り返しながら、徐々にバイオフィルムが形成される。バイオフィルムのコロニーには、複数種の微生物が生息し、動的平衡を保つ。棲む微生物は、環境により異なるが、細菌類以外の微生物が生息している場合も多い。単一種のみで形成されるコロニーは、自然界には稀である。形成後のバイオフィルムも、常に脱離や溶菌が起こっているため、安定したものではない。バイオフィルムという呼び名は、極相林のような変遷の終着点というより、形成された後に変化する形態すべてを指している。ある程度大きくなると、コロニーが崩壊し、細菌が放出される。

コロニー内での細菌の生活

コロニー内に、細菌が高密度に生息しているため、生活型はコロニー外と異なる。EPSや構造の隙間を利用して物質のやり取りを行う、と考えられている。EPSは、構造の支持体や防護膜として機能するだけではなく、養分の運搬・保持、酵素の伝達など、内部環境の恒常性を保つ役割も担う。また、バイオフィルム内に暮らす細菌は、EPSを通じて情報伝達物質のやり取りを行うと考えられている。こういった作用により、バイオフィルム内の環境は外部と大きく異なる。そのため、バイオフィルムの内部では、細菌の形態が相変異により異なる場合がある。細菌の構成種にも違いがみられる。たとえば、バイオフィルム内の奥部で嫌気性細菌が活動している場合がある。

口腔バイオフィルム(こうくうばいおふぃるむ, Oral Biofilm)とは、口腔内微生物によって固相面を足場に、膜状に構成されるバイオフィルム (微生物により形成される構造体)のこと

デンタルプラークと口腔バイオフィルムの違い

デンタルプラーク(歯垢)とバイオフィルムは細かな定義において異なる。デンタルプラーク=う蝕・歯周病の原因となる細菌の凝集塊という考えが基本であるが、一方の口腔バイオフィルムは、口腔内細菌の塊という意味では類似しているが、バイオフィルム内では構成細菌が様々な情報伝達を行いながら生活しているコミュニティである点で異なる。

バイオフィルム感染症としてのう蝕・歯周病

口腔内の2大疾患であるう蝕・歯周病は細菌感染症であることは既に広く認知されているが、バイオフィルム感染症としてのう蝕・歯周病の概念は、1999年、J.W.Costertonによってアメリカの科学雑誌、サイエンス上のレビュー中で提唱されて以降、口腔バイオフィルムの概念が世界に発信されていった。

バイオフィルム感染症としてのう蝕の病態

Streptococcus mutans(ミュータンス連鎖球菌の一種)などのう蝕原因菌によって硬組織表面にバイオフィルムが形成され、バイオフィルム内に深在性に生息する細菌が糖を代謝することによって、硬組織が溶解されう蝕が進行すると考えられている。

バイオフィルム感染症としての歯周病の病態

Porphyromonas gingivalisなどの歯周病関連細菌は、歯周ポケット内でバイオフィルム状態で生息するものとポケット内を浮遊して生息するものとがおり、バイオフィルムからは浅在性細菌が放出され、ポケット内を浮遊したり歯肉上皮へ付着・侵入したりする。これら細菌の刺激が持続することで、歯周局所の免疫系が破壊され、歯周病が進行すると考えられている。

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