Biofilmy bakteryjne to złożone, funkcjonalnie i strukturalnie zorganizowane społeczności mikroorganizmów, charakteryzujące się różnorodnością gatunków drobnoustrojów, które syntetyzują pozakomórkową, biologicznie aktywną matrycę polimerową1,2. Adhezja bakterii do powierzchni biotycznych lub abiotycznych jest poprzedzona tworzeniem się nabytej błonki, składającej się głównie z glikoprotein ślinowych1,3,4. Początkowo ustala się słabe oddziaływania fizykochemiczne między mikroorganizmami a błonką, a następnie następują silniejsze interakcje między adhezynami bakteryjnymi a receptorami glikoproteinowymi nabytej błonki. Różnorodność mikrobiologiczna stopniowo wzrasta poprzez koagregację wtórnych kolonizatorów do receptorów już przyłączonych bakterii, tworząc wielogatunkową społeczność1,3,4,5.
Homeostaza mikrobioty jamy ustnej i jej symbiotyczny związek z gospodarzem jest ważna dla utrzymania zdrowia jamy ustnej. Dysbioza w obrębie biofilmów jamy ustnej może zwiększać ryzyko rozwoju próchnicy i chorób przyzębia2,5. Badania kliniczne wykazują związek przyczynowo-skutkowy między gromadzeniem się biofilmu na zębach lub implantach dentystycznych a rozwojem zapalenia dziąseł lub zapalenia błony śluzowej wokół implantu6,7. Postęp procesu zapalnego prowadzi do peri-implantitis i w konsekwencji do utraty implantu8.
Implanty dentystyczne i ich elementy protetyczne są podatne na kolonizację bakteryjną i tworzenie się biofilmu9. Stosowanie materiałów o składzie chemicznym i topografii powierzchni zapewniającej niską adhezję mikrobiologiczną może zmniejszyć częstość występowania i postęp chorób okołoimplantowych9,10. Tytan jest najczęściej używanym materiałem do produkcji łączników protetycznych do implantów; Jednak materiały ceramiczne zostały wprowadzone niedawno i zyskują popularność jako alternatywa dla tytanu ze względu na ich właściwości estetyczne i biokompatybilność11,12. Co również ważne, materiały ceramiczne zostały powiązane z rzekomo zmniejszonym potencjałem przylegania mikroorganizmów, głównie ze względu na ich chropowatość powierzchni, zwilżalność i energię swobodną powierzchni10,13.
Badania in vitro przyczyniły się do znacznego postępu w zrozumieniu adhezji mikrobiologicznej do powierzchni zaczepów protetycznych9,14,15,16,17. Jednak dynamiczne środowisko jamy ustnej, charakteryzujące się zmienną temperaturą i pH oraz dostępnością składników odżywczych, a także obecnością sił ścinających, nie jest odtwarzalne w protokołach eksperymentalnych in vitro18,19. Aby przezwyciężyć ten problem, alternatywą jest zastosowanie modeli tworzenia biofilmu in situ, które korzystnie zachowują jego trójwymiarową strukturę do analizy ex vivo10,20,21,22,23,24.
Analiza złożonej struktury biofilmu utworzonego na podłożach doustnych wymaga użycia technik mikroskopowych zdolnych do wyświetlenia optycznie gęstej materii25. Wielofotonowa laserowa mikroskopia skaningowa to nowoczesna opcja do analizy strukturalnej biofilmu26. Charakteryzuje się zastosowaniem optyki nieliniowej ze źródłem oświetlenia zbliżonym do długości fali podczerwonej, pulsowanym do femtosekund27. Metoda ta jest wskazana do pozyskiwania obrazów materiałów autofluorescencyjnych lub materiałów oznaczonych fluoroforami, oprócz obrazów generowanych przez nieliniowe sygnały optyczne pochodzące ze zjawiska znanego jako generacja drugiej harmonicznej. Jedną z zalet mikroskopii wielofotonowej jest duża głębia obrazu uzyskana przy minimalnym uszkodzeniu komórek spowodowanym intensywnością światła wzbudzenia27.
Do analizy żywotności biofilmu na powierzchniach abiotycznych za pomocą mikroskopii wielofotonowej wymagane jest użycie fluorescencyjnych barwników kwasów nukleinowych o różnych charakterystyce widmowej i zdolności penetracji w komórkach bakteryjnych28. Fluorofory SYTO9 (zielono-fluorescencyjne) i jodek propidyny (czerwono-fluorescencyjne) mogą być używane do wizualnego rozróżniania żywych i martwych bakterii28,29,30. Jodek propidyny wnika tylko do bakterii z uszkodzonymi błonami, podczas gdy SYTO9 wnika do komórek bakteryjnych z nienaruszoną i naruszoną błoną. Gdy oba barwniki są obecne wewnątrz komórki, jodek propidyny ma większe powinowactwo do kwasów nukleinowych i wypiera SYTO9, oznaczając go na czerwono28,30.
Ze względu na złożoność środowiska jamy ustnej i niejednorodność biofilmu jamy ustnej, potrzebne są techniki mikroskopowe, które umożliwią analizę biofilmu powierzchni zębów i materiałów dentystycznych. W artykule opisano szereg protokołów stosowanych do porównywania tworzenia biofilmu w jamie ustnej na materiałach tytanowych i ceramicznych do łączników protetycznych, a także metody stosowane w analizie biofilmów w jamie ustnej na poziomie morfologicznym i komórkowym.