In Silico Modeling of Hyposalivation and Biofilm Dysbiosis in Root Caries

In Silico Modeling of Hyposalivation and Biofilm Dysbiosis in Root Caries.

• D Head
• P D Marsh
• D A Devine
• L M A Tenuta

抄録

歯根部齲蝕の進行は唾液分泌低下により促進される。唾液分泌低下により、歯のバイオフィルムが宿主との共生関係（非酸性種が優勢）から、酸性種が優勢の異生物関係に変化することがある。我々は、バイオフィルムの異生物化に関連する要因を調べるために以前使用した数学的モデルを用いて、唾液分泌低下がバイオフィルムの組成と根面象牙質の脱灰リスクに及ぼす悪影響を系統的に調べた。糖質（易発酵性の食物炭水化物）のクリアランス半減期を変化させることで、唾液分泌低下をシミュレートし、1）バイオフィルムのpHが象牙質やエナメル質の脱灰に必要な最低値を下回る時間、2）バイオフィルムの組成が共生から異生物へと変化することへの影響を調べた。バイオフィルムのpHが脱灰のための閾値以下になる時間に対する糖のクリアランス半減時間の増加の効果は、エナメル質よりも象牙質の方が顕著であった（例えば、クリアランス半減時間を2分から6分に増加させると、バイオフィルムのpHが象牙質の脱灰のための閾値以下になる時間が2倍になった）。また、50日後のバイオフィルムの組成に及ぼす影響を調べたところ、共生バイオフィルムから異生物バイオフィルムへの転換は、クリアランス半減時間が2分の場合は1日あたり6回の砂糖摂取の頻度で起こるが、クリアランス半減時間が6分の場合は1日あたり3回の砂糖摂取で済むことがわかった。これらの結果から、クリアランス時間の延長が、歯のバイオフィルムの組成や根面齲蝕のリスクに大きな影響を与えることが確認された。このin silicoモデルは，唾液中のクリアランスを変化させたり，バイオフィルムのpHを変化させたりするような介入が，根面齲蝕などの臨床症状にどのような影響を与えるかを研究するために応用されるべきである．

Root caries progression is aggravated by hyposalivation, which can accelerate the conversion of a dental biofilm from having a symbiotic microbial relationship with the host (predominance of nonaciduric species) to a dysbiotic one (dominated by aciduric species). Using a mathematical model previously employed to investigate factors associated with biofilm dysbiosis, we systematically explored the deleterious effect of hyposalivation on the composition of the biofilm and the risk of root dentin demineralization. By varying the clearance half-times of sugar (i.e., readily fermented dietary carbohydrates), we simulated hyposalivation and investigated its effect on 1) the time that the biofilm pH spends below the minimum for dentin or enamel demineralization and 2) the conversion of the biofilm from a symbiotic to dysbiotic composition. The effect of increasing sugar clearance half-times on the time that the biofilm pH is below the threshold for demineralization was more pronounced for dentin than for enamel (e.g., increasing the clearance half-time from 2 to 6 min doubled the time that the biofilm pH was below the threshold for dentin demineralization). The effect on biofilm composition assessed at 50 d showed that the conversion from a symbiotic to a dysbiotic biofilm happened around a frequency of 6 sugar intakes per day when the clearance half-time was 2 min but only 3 sugar intakes per day when the clearance half-time was 6 min. Taken together, the results confirm the profound effect that prolonged sugar clearance has on the dynamics of dental biofilm composition and the subsequent risk of root caries. This in silico model should be applied to study how interventions that alter salivary clearance rates or modify biofilm pH can affect clinical conditions such as root caries.