Mundflora und Immunreaktionen von mittelalterlichen Bewohnern des Klosters Dalheim

Ergänzende Informationen zu Adler et al.; auch diese Zusammenfassung ist noch nicht allgemein verständlich aufbereitet:

Warinner C et al. (2104): Pathogens and host immunity in the ancient human oral cavity. Nature Genetics 46, 336,344, doi:10.1038/ng.2906

Zahnstein enthält viele verwertbare Informationen (DNA, Proteine) und ist in vielen alten Schädeln zu finden. Die Autoren haben (1) die Mundflora von mittelalterlichen Menschen mit leichter bis schwerer Parodontitis analysiert, (2) 40 opportunistische Pathogene charakterisiert, (3) alte mutmaßliche Atibiotikaresistenzgene identifiziert, (4) das Genom des Parodontitis-assoziierten Keims Tannerella forsythia rekonstruiert und (5) 239 bakterielle sowie 43 menschliche Proteine identifiziert, die einen historisch alten Zusammenhang zwischen Faktoren unseres Immunsystems, Pathogenen des „roten Komplexes“ und Parodontitis belegen.

Die humane Mundflora umfasst über 2000 Bakterien-Taxa, darunter viele Keime, die an Parodontitis, Atemwegs-, kardiovaskulären und systemischen Erkrankungen beteiligt sind. Zahnstein = komplexer, mineralisierter Biofilm, der aus Zahnbelag (Plaque), Speichel und der Flüssigkeit in Zahnfleischtaschen entsteht.

Adler et al. haben die alte Mundflora nur auf Phylumebene analysiert und gezielt nach einigen Arten gesucht. Zur Charakterisierung des Gesundheitszustands wurden hier nun an vier Skeletten aus dem mittelalterlichen Kloster Dalheim (Deutschland, etwa 950-1200 n. Chr.) genauere Analysen durchgeführt. 2699 mikrobielle OTUs (operational taxonomic units) identifiziert. Dominant: 1 Archäen- und 9 Bakterien-Phyla (mit absteigenden Anteilen: Firmicutes, Actinobacteria, Proteobacteria, Bacteroidetes, Synergistetes, Chloroflexi, Fusobacteria, Spirochetes, Euryarchaeota), die alle auch moderne Mundflora dominieren. Bemerkenswert selten: Bodenbakterien wie Acidobacteria -> kaum Verunreinigung der Proben.  

Neben 40 opportunistischen Pathogenen wurden auch Phagen nachgewiesen, darunter SM1, der die Anhaftung von Streptococcus mitis an Blutplättchen und damit die bakterielle Virulenz im Endokard (Herzinnenhaut) vermittelt.

DNA und Proteine aus Parodontitis-Pathogenen Tannerella forsythia, Porphyromonas gingivalis und Treponema denticola besonders häufig. Diese Bakterien aus dem „roten Komplex“ waren offenbar schon im Mittelalter stark mit Parodontitis assoziiert. Außerdem mehrere orale Taxa, die mit kardiovaskulären Erkrankungen (Endokarditis usw.), Karies, anderen Zahnerkrankungen und opportunistischen Infektionen der oberen wie unteren Atemwege assoziiert sind, sowie Meningitis- und Gonorrhoe-Erreger (Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhea). Alle Zahnsteinproben enthielten zudem Spuren von Holzkohle, die die Atemwege reizt.

Nachgeweisen wurde auch ein breites Spektrum an Virulenzfaktoren, die mit Anhaftung und Aggregation (Adhäsine, Lektine), mit Parasitismus sowie mit horizontalem Gentransfer (Pilin, konjugative Transposons, Phagensequenzen) einhergehen.

Antibiotikaresistenzgene in den mittelalterlichen oralen und pathogenen Bakterien: Gene für Effluxpumpen und für spezifische Resistenz gegen Aminoglykoside, β-Lactame, Bacitracin, Bacteriocine und Makrolide. Die Maschinerie für eine breit angelegte Low-Level-Antibiotikaresistenz ist also schon lange im humanen Mikrobiom vorhanden.

Rekonstruktion des Genoms des Pathogens Tannerella forsythia (anaerobes, gramnegatives Bakterium aus dem Phylum Bacteroidetes, das mit fortgeschrittener Parodontitis assoziiert ist und auch in Atherosklerose-Läsionen nachgewiesen wurde): Im Mittelalter fehlte (zumindest bei den untersuchten Individuen) noch ein komplettes konjugatives Transposon mit 53 Genen, v. a. mutmaßlichen Tetracyclin-Resistenzgenen. Gene für andere Virulenzfaktoren (Hämagglutination, Adhäsion, Gewebsinvasion) wurden dagegen nachgewiesen.

Mindestens 43 humane Proteine in den alten Zahnsteinproben, darunter 25, die zum angeborenen Immunsystem gehören – z. B. 8 antimikrobielle Substanzen. Einige davon sind zellspezifisch und weisen z. B. Beteiligung von Neutrophilen an der Immunantwort auf orale Pathogene nach. Außerdem schwere Ketten von IgA und IgG, α-Amylase. IgG lockt Neutrophile an den Ort einer Infektion; Neutrophile haben Lebensdauer unter 24 Stunden -> Nachweis ihrer Proteine in Zahnstein belegt aktive Infektion/Entzündung. Wenig zelluläre humane Proteine im Zahnstein -> Immunzellen wandern nicht in mineralisierte Plaques ein, sondern setzen ihre antimikrobiellen Substanzen aus dem Zahnfleisch-Epithel heraus frei. Passt zu NETose und „frustrierten Phagozytose“ von Neutrophilen.

P. gingivalis regt Neutrophile zur Freisetzung von Resistin an, das Insulinresistenz/Typ-2-Diabetes verstärken kann. Resistin im alten Zahnstein nachgewiesen.

Ernährung der mittelalterlichen Indidivuen: Mitochondrien-Sequenzen von Schweinen, Kohl und Weichweizen sowie Kuhmilchprotein nachgewiesen.

Zahnstein-Schichtung: appositionelles Wachstum; abwechselnd Bänder mit grampositiven und mit gramnegativen Bakterien.

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