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Oral Microbiology and Immunology Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 1 7/12/12 11:21 AM Oral Microbiology and Immunology Gunnar Dahlén Nils-Erik Fiehn Ingar Olsen Ulf Dahlgren (contributor) MUNKSGAARD DANMARK Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 3 7/12/12 11:21 AM Oral Microbiology and Immunology 1st e-book edition, 2014 © Munksgaard Danmark and the authors, Copenhagen 2012 ISBN: 978-87-628-1371-7 Publishing editor: Britta Østergaard Copy editor: Daniel Robert Andersen [email protected] munksgaard.dk Linguistic revision: James Robinson Typesetting: Grafisk SIGNS Illustrations: Birgitte Lerche Cover design: Imperiet e-book production: Marketsquare A/S Printed edition: 1. edition, 1. print run 2012 Printing: Ednas Printed in Slovenia ISBN: 978-87-628-1089-1 This publication may only be reproduced in accordance with agreement with Copy-Dan and the Danish Ministry of Education. Contents Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1 Basic microbiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Domains of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 General bacteriology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Cell size of bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Cell forms of bacteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Interrelationships between bacterial cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Cell components of bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Transfer of genes between bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Breakdown of sugars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Breakdown of proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Growth of bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Cell architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Bacterial taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 16S rRNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 16S rRNA, cloning and sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Pyrosequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Whole genome sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Quantitative PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 DNA-DNA hybridization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Microarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Metagenomics, proteomics and metabolomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 The human oral microbiome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Phenotypic methods for taxonomy of cultivable bacteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Bacteriology in practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 General virology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 General mycology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2 The immune system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 The innate immune system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 The complement system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Acute-phase proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Macrophages and granulocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 NK cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 5 7/12/12 11:21 AM The adaptive immune system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Development of leukocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Myeloid cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Lymphoid cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Transplantation molecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Genetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Class I molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Class II molecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 T lymphocyte development and the thymus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 The T cell receptor (TCR). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Genetic recombination and creation of different TCR specificities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Positive selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Negative selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Mature T cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Autoreactive T cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 B cell development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Somatic mutations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Recognition of intact antigen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 LeuKocyte circulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Lymph nodes and spleen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 B lymphocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 T lymphocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Activation of CD4+ and CD8+ T lymphocytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 CD4+ T helper cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 CD8+ cytotoxic T lymphocytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Immunoglobulins and antibodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 The antigen binding sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 κ- and λ-light chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Immunoglobulin isotypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Immunoglobulin isotypes in humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 IgG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 IgM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 IgA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 IgE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 IgD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Allergy and autoimmune diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Regulatory cells and tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Immunological adverse type reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Autoimmune diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Allergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 HLA dependencies of diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Infection and the immune system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 The innate defence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Complement and acute-phase proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Engagement of the adaptive immune system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Protection against virus infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Vaccination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 6 7/12/12 11:21 AM Types of vaccines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Contemporary vaccines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Passive vaccination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Oral immunology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Mucosa associated lymphoid tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Migration of cells from the intestine to other mucosal membranes and exocrine glands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Leukocytes in the oral mucosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Periodontal tissue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 The pulp tissue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 3 Host-microbial relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 The human resident microflora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 The host defence – general considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Microbial pathogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Bacterial pathogenesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Colonisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Multiplication and invasion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Activation and evasion of the immune response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Cell and tissue destruction – toxins and enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Bacterial evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Bacteria living in biofilm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Viral pathogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Adhesion and penetration of viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Replication and local spread of viruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Dissemination of viruses to end (target) organs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Evasion of host defences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Negative effects on end organs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Fungal pathogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 4 The oral microbiota and oral ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 General concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 The resident oral microbiota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 The indigenous oral microbiota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 The supplemental oral microbiota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 The transient oral microbiota. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Host defence in the oral cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 The oral microbiota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 The physical-chemical barrier (The oral mucosa) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 The immune system of the oral cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Microbial homeostasis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Ecosystems in the oral cavity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 7 7/12/12 11:21 AM Saliva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Buccal mucosal surfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Dorsum of the tongue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Tooth surface (Dental plaque formation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 The gingival/periodontal pocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 The dental biofilm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Calculus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Regulation of the microbiota and the oral ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Adhesion and mechanical retention. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Nutrients and energy supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Oxygen metabolism and the redox-potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Nitrogen metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Sulphur metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Inhibiting factors on the bacterial metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 Individual factors and variation in oral microflora between individuals . . . . . . . . . . . . 165 Age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 Gender and race . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Food/diet and habits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Medicine and general diseases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Population (geographical/cultural/socio-economic factors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Destruction of the dental plaque/biofilm homeostasis – dental diseases . . . . . . . . . . . 169 Etiology of dental diseases – plaque hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 5 Anaerobic bacteria and anaerobic infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Sampling and cultivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Most important anaerobic genera in the clinic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Sources of anaerobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Predisposing factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Spore formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Toxins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Most affected tissues and sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Clinical signs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Prophylaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Laboratory characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6 Dental Caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 Bacterial groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Streptococci. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 8 7/12/12 11:21 AM Lactobacilli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Actinomyces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Dental caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Enamel and root caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Dentinal caries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Caries-promoting characteristics of bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Physico-/chemical events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Caries vaccine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Antiseptics for caries prevention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Other substances with possible anticarious effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Prevention of caries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 Diagnostic tests based on caries microbiota and saliva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7 Gingivitis, periodontitis, and peri-implantitis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Selected disease associated microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Porphyromonas gingivalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Prevotella intermedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Aggregatibacter actinomycetemcomitans. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Tannerella forsythia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Fusobacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Motile bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Other microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Periodontal diseases in brief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 Gingivitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Periodontitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 Plaque complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Chronic and aggressive periodontitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 General aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Selected studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Transmission of microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Genetic aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Life style . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 Bacterial virulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Diagnostic methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Bacterial identification and clinical diagnostics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Treatment, antimicrobial agents and risk assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Microbial treatment goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Chlorhexidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Use of antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 Risk assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Peri-implantitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 9 7/12/12 11:21 AM 8 Endodontic infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221 Microbiology in teeth with vital pulps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 Microbiology in teeth with necrotic pulps. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 The acute infection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 The chronic infection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 Treatment aspects on the root canal infection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 Persisting infections at root-filled teeth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 9 Oral mucosal infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 The microbial ecosystem of the mucosal surface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Dorsum of the tongue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Buccal mucosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Palatal mucosa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 Gingiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Lips and angle of the mouth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Destruction of the microbial homeostasis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Microbial colonisation versus infection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Systemic factors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Local factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 Clinical manifestations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 Bacterial infections of the oral mucosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 General aspects of mucosal bacterial infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Laboratory diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248 Specific bacteriology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 Oral fungal infections (mycoses) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Oral candidosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Oral virus infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Herpes virus infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 Oral parasitic infections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 10 Orofacial infections and deep infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Dento-alveolar abscess and phlegmon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Osteomyelitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 Actinomycosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Pericoronitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 “Dry socket” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 11 Infectious diseases in the respiratory system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 10 7/12/12 11:21 AM Upper respiratory tract infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Pharyngeal infections and tonsillitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 Nasal infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Sinusitis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Middle ear infection (Otitis media) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Infections of the lower respiratory system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Trachea and bronchial infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 Pneumonia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 Oral bacteria and lung infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 12 Systemic infections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 Bacteraemia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Sepsis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Bacterial endocarditis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Atherosclerosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 Diabetes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 Preterm low birth-weight babies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Oral infections related to systemic disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 13 Antimicrobial agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Use of antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Main principles for the use of antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 Bactericidal, bacteriostatic actions and therapeutic principles . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 Prophylactic treatment principles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Antibiotic policy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 Antimicrobial resistance and susceptibility testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Antibiotic agents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Mechanisms of action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 Inhibition of cell wall synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Inhibition of protein synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 Inhibition of cytoplasmic membrane functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Inhibition of nucleic acid synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Antifungal agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Mechanisms of action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 Cytoplasmic membrane damaging agents. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 Inhibition of cell wall synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Nucleotide analogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Antiviral agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Mechanisms of actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 Agents against herpes viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 Agents against HIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 11 7/12/12 11:21 AM Agents against influenza viruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 Agents against hepatitis viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Oral antiseptics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Chlorhexidine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Listerine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Triclosan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Probiotics and prebiotics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 14 Infection control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Pre-reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317 Spread of infections in the practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318 Factors of importance for antimicrobial measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Physical measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 Chemical agents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Intensity and concentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 Microbial factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 Other microbial factors important for the effectiveness of antimicrobial measures. . 326 The recycling process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Cleaning of equipment and instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 Care of special equipments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 Personal protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Vaccination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Vaccination against tuberculosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 Hepatitis B vaccine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 12 7/12/12 11:21 AM Preface This textbook, Oral Microbiology and Immunology, is based on the curricula for dental students in the Nordic countries, and the authors teach the subject at three universities in Denmark, Norway and Sweden. Although primarily for undergraduates, the book may also appeal to Ph.D. students and general practitioners. In addition, dental assistants and trainees may find it a useful source of reference. The contents are based on general microbiology and immunology. Oral microbiology is given particular attention, with examples relevant to oral infectious diseases. Each chapter opens with a relatively short pre-reading section, followed by a fact box containing most of the relevant basic definitions concerning the particular chapter. The body of the text is supplemented with more fact boxes and the essentials of each section are summarised in main points. Chapters 1, 2, 3 and 13 present general topics. In chapter 1, fundamentals of bacteriology, virology and mycology are examined. Chapter 2 describes the immune system, and in chapter 3 both favourable and damaging relationships between microorganisms and the human body are discussed. In chapter 13 the main principles for the use of antimicrobial agents are discussed, together with an examination of relevant drugs in dental practice. Based on the general principles given in chapter 3, ecological interactions and the formation of oral biofilms are a focus in chapter 4. In subsequent chapters on infectious diseases in the oral cavity, the interactions between the oral microorganisms and the oral tissues are major topics, starting with an introduction to anaerobic bacteria and infections, which are of great importance in the oral cavity (chapter 5). The descriptions in the following chapters, concerning the understanding of caries (chapter 6), periodontitis (chapter 7), endodontic infections (chapter 8), mucosal and orofacial infections (chapters 9 and 10), are all based upon ecological changes in biofilms. As the dentist must have a thorough knowledge of general infectious diseases, particularly infections in the respiratory system and systemic infections of importance for oral diseases, chapters 11 and 12 are reserved for these topics. Infections may be spread in connection with dental treatment in the dental surgery, and therefore chapter 14, concerning control of infection, is addressed to the whole dental team. It has been the authors’ intention that each chapter should be read as a self contained unit. This has resulted in deliberate repetition and cross-reference within and between chapters. Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 13 7/12/12 11:21 AM Special thanks are given to professor Ulf Dahlgren, Sahlgrenska Academy, Gothenburg University, for his valuable contribution of chapter 2 on the Immune system, written especially for our textbook. We are also grateful to James Robinson, Cornwall, for being our English linguistic advisor. He applied energy and dedication in forming his advice and piloted us through a maze of linguistic problems. June 2012 Gunnar Dahlen, Nils-Erik Fiehn & Ingar Olsen Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 14 7/12/12 11:21 AM Chapter 1 Basic microbiology Contents Pre-reading. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Domains of life. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 General bacteriology . . . . . . . . . . . . . . . .17 Cell size of bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Cell forms of bacteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Interrelationships between bacterial cells . . . 18 Cell components of bacteria . . . . . . . . . . . . 19 Transfer of genes between bacteria . . . . . . . 27 Breakdown of sugars . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Breakdown of proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Growth of bacteria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Cell architecture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Bacterial taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . .36 16S rRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 16S rRNA, cloning and sequencing . . . . . . . 39 Pyrosequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Whole genome sequencing . . . . . . . . . . . . . PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantitative PCR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DNA-DNA hybridization. . . . . . . . . . . . . . . . Microarray . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metagenomics, proteomics and metabolomics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . The human oral microbiome . . . . . . . . . . . . Phenotypic methods for taxonomy of cultivable bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bacteriology in practice . . . . . . . . . . . . . . . . 40 40 41 41 41 42 43 43 44 45 General virology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47 General mycology . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 PRE-READING. Only 10% of our cells are our own. The rest is microorganisms. Actually, there are thousands of different microorganisms living on us or in us and in our surroundings. Despite this, relatively few cause human disease. Van Leeuwenhoek was probably the first to get a visual impression of microorganisms by analysing dental plaque in his home made microscope. After that, oral microbiology has developed tremendously and with new molecular methods we have started to perceive the complexity of microorganisms in the mouth, (see Chapter 4-10). Astonishingly, we do not need to go to hot springs or deep seas to detect new species. They are right there in our own mouth waiting to be discovered. It is necessary to have a deep knowledge about basic microbiology to understand how microorganisms are built to survive on or in our body without causing disease and, conversely, why it occasionally is not so favourable to host them. Basic microbiology 15 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 15 7/12/12 11:21 AM Domains of life otes possess a number of organelles and Until 1970, the idea was that there were subcellular structures such as mitochon- only two main groups of living organ- dria, Golgi apparatus and endoplasmatic isms in life: prokaryotes and eukaryotes. reticulum. These structures are lacking This idea was challenged by Woese and in prokaryotes (Fig. 1.1). For simplicity, Fox who claimed that there are two types when we deal with bacteria in this text- of prokaryotes – Archaea and Bacteria in book we mean organisms belonging to addition to eukaryotes (Eucarya). Archaea the Bacteria. Archaea can also be present provide an evolutionary bridge in the in the oral cavity but generally only in evolution between prokaryotes and eu- small numbers. A significant oral mem- karyotes. ber of eukaryotes is fungi. In the healthy A characteristic feature of prokaryotes mouth these organisms can also be pre- is their lack of nuclear membrane, while sent in small numbers, which increase eukaryotes have one. In addition eukary- during fungal infection. Also several spe- Fig. 1.1. Major features of prokaryotes and eukaryotes. (Redrawn from Murray PR, Rosenthal KS, Pfaller MA. Medical Microbiology. Sixth edition. Mosby Elsevier 2009). 16 Basic microbiology Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 16 7/12/12 11:21 AM cies of protozoa, which are quite complex organisms, can be present orally in minor General bacteriology amounts together with intracellular vi- Cell size of bacteria ruses. Most bacteria of medical/dental interest are between 0.6-4 µm in diameter. The smallest bacteria (rickettsiae, chlamydiae Main points and mycoplasmas) have approximately • Living organisms can be divided into the size of the largest virus (poxvirus) prokaryotes (Bacteria, Archaea) and (0.1-0.2 µm in diameter). On the other eukaryotes (Eukarya) hand, the largest bacteria overlap the Eukaryotes have a nuclear membrane smallest eukaryotic cells in size (Fig. 1.2). and cytoplasmic organelles A newly described bacterium is a hun- • • Prokaryotes have neither nuclear membrane nor cytoplasmic organelles and comprise both Bacteria and Archaea dred times larger than the average bacterial cell and can be seen with the naked eye. Fig. 1.2. Relative sizes of DNA and RNA viruses and bacteria. (Redrawn from Murray PR, Rosenthal KS, Pfaller MA. Medical Microbiology. Sixth edition. Mosby Elsevier 2009). Basic microbiology 17 Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 17 7/12/12 11:21 AM like ends. Normally cells within a bacte- Main points • Bacteria are so small (0.6-4 µm) that a microscope is needed to see them • Rickettsiae, chlamydiae and mycoplasmas (0.1-0.2 µm) are the smallest ones rial colony are identical. In anaerobic bacteria, however, cells in the same colony can vary in morphology between coccus- and rod-like forms (pleomorphism) (Fig. 1.4). Cell forms of bacteria Main points A number of different morphological • shaped – straight, curved or spiral forms of bacteria exist (Fig. 1.3). Cocci are round to oval, while rods are cylindrical. Bacteria can be spherical, or rod • Pleomorphism exists in anaerobes Some cocci are elongated (enterococci). A cocco-bacillary rod (e.g. Aggregatibacter between a coccus and a rod. Some rods Interrelationships between bacterial cells are straight (e.g. Escherichia coli), others The interrelationship between bacterial are bent (Campylobacter) or spiral formed cells in culture is caused by their mode (spirochete, spirillum). Certain rods can of division. Monoform: cells are single. be branched (Actinomyces). Rods with Diploform: cells are located in pairs. The pointed ends can be fusiform (Fusobacte- diploform is seen particularly in cocci, rium). Corynebacteria are rods with club- but also certain rods can appear in pairs, actinomycetemcomitans) is an intermediate Fig. 1.4. Pleomorphism of the anaerobic bacterium Fusobacterium mortiferum. (From Summanen P, Fig. 1.3. Morphology of bacterial cells. (Redrawn Baron EB, Citron DM, Strong CA, Wexler HM, from Murray PR, Rosenthal KS, Pfaller MA. Medi- Finegold SM. Wadsworth Anaerobic Bacteriology cal Microbiology. Sixth edition. Mosby Elsevier Manual. Fifth edition, p. 61, Star Publishing Com- 2009). pany, Belmont, California 1993). 18 Basic microbiology Oral_Microbiology_and_Immunology_mat_0101.indd 18 7/12/12 11:21 AM