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Wissenschaft und Forschung 26.02.2013

Zahnstein gewährt Einblick in die Evolutionsgeschichte

Zahnstein gewährt Einblick in die Evolutionsgeschichte

Die aktuelle Studie eines internationalen Forscherteams zeigt, dass sich die Mundflora seit der Jungsteinzeit der veränderten Ernährung angepasst hat und ihre verringerte Diversität Ursache für systemische Krankheiten bei Zahnstein ist.

Der Mann, den wir unter dem Namen 12011 kennen, lebte vor 5.450 und 7.500 Jahren in Polen. Er war ein Jäger und Sammler und starb mit ungefähr 40 Jahren. Viel wissen wir nicht über ihn. Nur soviel, dass auch in seinem Mund und auf seinen Zähnen Mikroben lebten. Wie beim modernen Menschen erzeugen sie eine Plaqueschicht, die zu Zahnstein aushärtet und die Bakterien in Kalziumphosphat einschließt. Professor Alan Cooper von der Universität von Adelaide nutzte in Zusammenarbeit mit einem Forscherteam – bestehend aus Wissenschaftlern aus Australien, Großbritannien, Polen und Deutschland – diese eingeschlossenen Bakterien, um zu untersuchen, wie sich die Mundflora im Laufe von Jahrtausenden verändert hat.

Es ist wichtig zu wissen, dass Plaque und Zahnstein vermehrt mit systemischen Krankheiten, darunter auch Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Frühgeburten, Arthritis und Diabetes, in Verbindung gebracht werden. So gelangen zum Beispiel Bakterien aus der Plaque über entzündetes Zahnfleisch in den Blutkreislauf, wo sie eine permanente Antwort auf die Entzündung hervorrufen und sich als Gerinnsel an den Wänden von Koronararterien ablagern. Mundbakterien sind jedoch auch zu einem wesentlichen Teil für gute Gesundheit verantwortlich und sind gleichermaßen daran beteiligt, Schäden an Zähnen zu reparieren und die Kolonialisierung von Pathogenen zu verhindern.

Professor Cooper: „Das Problem ist, dass sich die natürliche menschliche  Mundflora erheblich durch die Anpassung an die moderne Ernährungsweise, die einen hohen Anteil an Kohlenhydraten und industriell hergestellten Zucker beinhaltet, verändert hat.“ Um sicherzustellen, dass die mikrobakteriellen Befunde tatsächlich vom Zahnstein herrühren und nicht von anderen Bakterien im Boden oder Wasser aus der unmittelbaren Umgebung des Probenexemplars, analysierte das Forscherteam die mikrobakterielle Diversität innerhalb des Zahnes, dem sie auch den Zahnstein entnommen hatten. Sollten Bakterien aus dem Boden oder Wasser in das Probenexemplar gelangt sein und die Resultate kompromittiert haben, dann müssten die DNS-Sequenzen innerhalb des Zahnes denen des entnommenen Zahnsteins gleichen. Dies war aber nicht der Fall und die DNS innerhalb des Zahns unterschied sich grundsätzlich von der des Zahnsteins und entsprach eher der DNS der Kontrollproben aus der Umgebung.

Die Idee zu dem Projekt kam Professor Cooper vor 17 Jahren, als er den Archäologen Professor Keith Dobney (derzeit an der Universität zu Aberdeen) zum ersten Mal traf. In vorherigen Studien von Professor Dobney und anderen wurden Mikroskope benutzt, um den Bereich und die Anzahl von Bakterien in Zahnstein zu bestimmen sowie die beträchtliche Menge von Nahrung, die zwischen ihnen konserviert wurde. Es war allerdings bisher nicht möglich, die Art der Bakterien zu bestimmen. „Während der letzten zehn Jahre haben wir mehrfach versucht, DNS aus den Bakterien von altem Zahnstein zu gewinnen. Verunreinigte DNS in den Enzymen und Bestandteilen beeinträchtigten die Experimente, sodass wir auf verbesserte Produktionsmethoden warten mussten“, so Professor Cooper. „Zudem mussten wir als Labore Reinsträume am Australian Centre for Ancient DNA (ACAD) einrichten, um einen bakterienfreien Arbeitsplatz zu gewährleisten.“ Zusammen mit einem Team von Zahnärzten an der Adelaide Dental School entnahmen die Wissenschaftler Proben bei sich selbst und Labormitarbeitern, um einen Überblick über die aktuelle mikrobiologische Diversität sowie die Verbindung von Bakterien in der Plaque und Zahnstein zu gewinnen.


Foto: Dieses Kieferskelett stammt aus Hinxton, Cambridge. Es wurde während Erdarbeiten für das Sanger Centre gefunden. © Alan Cooper

Frühere Studien des Zahnsteins aus Skeletten der letzten Jäger und Sammler sowie der ersten Bauern offenbaren eine beträchtliche Veränderung von Mundbakterien mit einer grundsätzlichen Verringerung der Diversität und einer Erhöhung der Anzahl von Bakterien, die mit Zahnfleischerkrankungen (Parodontitis) und Karies in Verbindung gebracht werden. Wissenschaftler erklären das mit dem Aufkommen des Ackerbaus während des Neolithikums (Jungsteinzeit). Damit einher ging eine Veränderung von der vielfältigen Ernährung der Jäger und Sammler zu einer Ernährung, die vor allem auf Kohlenhydraten aus der Ernte von zum Beispiel Weizen, Gerste und Roggen basiert. „Der Verzehr dieser weichen und kohlenhydratreichen Nahrung führt dazu, dass sich vermehrt Speisereste zwischen den Zähnen ablagern und pathogene Mikroben einen dauerhaften Nährboden finden“, meint Cooper.

Eine wesentlich größere und schädlichere Veränderung erfolgte jedoch vor erst 150 Jahren, als die industrielle Revolution raffinierten Zucker und Mehl verfügbar machte. Die Studie zeigt, dass ab diesem Zeitpunkt die Diversität der Mundflora in europäischen Skeletten einbrach und von krankheitserregenden Bakterien dominiert wurde, wie den Streptococcus mutans, dem Hauptverursacher von Karies. Professor Cooper beschreibt die neuzeitliche Mundflora als permanenten Krankheitsherd, in dem die reduzierte Diversität und große Mengen von Kohlenhydraten (insbesondere Zucker) dazu führen, dass Pathogene sich kolonisieren können.

Coopers Kollege Professor Corey Bradshaw sagt als Ökologe, dass dasselbe Prinzip sowohl auf bakterielle als auch auf größere Ökosysteme zutrifft und dass verringerte Diversität mit einer reduzierten Widerstandsfähigkeit gegenüber Umweltveränderungen, wie invasive Arten, in Verbindung zu bringen ist.

„Mundbakterien wurden mit einer Reihe von Krankheiten in Verbindung gebracht, einschließlich Diabetes, Herz- und Krebserkrankungen“, so Dr. Christina Adler vom ACAD. „Eine der Hauptursachen von Zahnfleischerkrankungen, Porphyromonas gingivalis, wurde als ein Grund für den kürzlich verzeichneten Anstieg von Herzerkrankungen angenommen. Allerdings konnten wir auch zeigen, dass sein Vorkommen über die vergangenen 7.000 Jahre nicht zugenommen hat, was vermuten lässt, dass es nicht ursächlich ist. Es könnte die Krankheiten jedoch begünstigen, indem es eine permanente Entzündung hervorruft.“

Originalveröffentlichung: „Sequencing ancient calcified dental plaque shows changes in oral microbiota with dietary shifts of the Neolithic and Industrial revolutions“, Christina J. Adler et al.; Nature Genetics, DOI: 10.1038/ng.2536


Quelle: Prof. Alan Cooper – University of Adelaide, Australia; Ed Yong' blog – Phenomena: Not exactly rocket science

Foto: © Alan Cooper
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