牙周病是发生在牙周支持组织的慢性炎症性疾病，主要临床特征为牙龈炎症、出血、牙周袋形成、牙槽骨高度降低，最终可导致牙齿松动脱落。牙菌斑生物膜是诱发牙周炎的始动因子。堆积在牙龈下方牙齿表面和龈沟内的牙菌斑生物膜菌群可合成/分泌多种大分子物质（如鞭毛、蛋白水解酶、内外毒素等）。这些大分子物质与细菌的代谢产物一方面可直接对牙周组织造成损伤，另一方面可通过激活宿主的免疫炎症反应间接引起组织破坏。
长期以来，对牙周微生物致病机制的认识主要是通过研究从病患部位分离培养的纯细菌中获得。一些革兰氏阴性菌，特别是牙龈卟啉单胞菌、福赛斯坦纳菌和齿垢密螺旋体等被认为是牙周的主要致病菌而受到广泛关注。然而，牙周炎是多细菌感染性疾病，并非由一种或者几种微生物所引起，而是牙菌斑生物膜中所有细菌的群落行为。因而，采用宏组学手段，包括宏基因组学（metagenomics）、宏转录组学（metatranscriptomics）、宏蛋白质组学（metaproteomics）和宏代谢组学（metabolomics），从牙菌斑生物膜群落整体出发，是当前研究这一疾病涉及的复杂调控网络的热点及趋势。
目前，宏组学技术已经在牙周疾病的病因及机制研究中有了示范性作用并取得了一定研究成果。本文将就宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学、宏代谢组学在牙周病研究中的进展作一综述，以期为后续研究提供参考及思路。
1.宏基因组学与牙周病研究
1.1宏基因组学概况
宏基因组是指样本中可培养及不可培养微生物基因组的总和，而宏基因组学是指以运用功能基因筛选和测序分析研究微生物群体基因组成及微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及微生物-环境关系的方法。宏基因组学克服了传统培养方法的限制性，可研究微生物种群生态分布、群体遗传特征和基因相互作用。
目前宏基因组在口腔微生物群落研究的常用手段为使用二代高通量测序仪进行DNA测序。基因微阵列在口腔微生物宏基因组研究中也有一定的运用，如美国福赛斯牙科研究中心研制开发了人类口腔微生物基因芯片（http：//mim．forsyth．org/），而美国俄克拉荷马大学开发研制了人类微生物基因功能芯片。
1.2宏基因组学与牙周病研究
牙周微生物宏基因组学的研究包括：揭示龈下菌群微生物群落多样性、种群结构及其变化以及影响因素；通过筛查功能基因，探讨疾病状态下微生物群落功能基因组成、结构及多样性改变。从严格意义上讲，牙周基宏因组学研究层面尚不深入，绝大多数研究仅限于牙周微生物群落的多样性改变，微生物群落功能基因相关研究仅有少数几项成果发表。
1.2.1牙周病患者龈下菌群多样性的改变
多项对牙周病患者及健康人群进行比较的队列研究显示，牙周炎患者的龈下菌斑的α多样性及均匀度较健康人群显著性升高。牙周炎患者龈下菌斑中微生物的组成变化极其复杂，Griffen等发现了牙周炎患者龈下菌斑中有123种细菌在群落中的比重上升而53种细菌的比重下调。
Wang等探讨了健康人群和牙周炎患者牙周细菌的群落构成，发现牙周炎患者样本中拟杆菌、放线菌、变形菌和厚壁菌属丰度高于健康人。除红色复合体及上述微生物外，其他多种细菌被认为与牙周炎的发生密切相关，如消化链球菌、龈沟产线菌、脱硫球茎菌、嗜血菌和棒状菌等，而韦荣菌属、贫养菌、弯曲菌、二氧化碳噬纤维菌、孪生球菌及奈瑟菌被认为是牙周有益菌。
1.2.2牙周病危险因素对于牙周微生物群落多样性的影响
吸烟是牙周病公认的高危因素之一，大量研究证实吸烟与牙周病的发生、发展有密切关系。牙周病患者龈下菌斑细菌多样性高于健康受试者，可能与疾病条件下微生态系统中营养更丰富或机体免疫能力降低相关。吸烟不仅可使牙周炎患者龈下菌斑内细菌的相对比例发生改变、增加牙周致病菌，同时还可引起微生物之间共存关系的改变。例如，不吸烟的牙周病患者龈下菌斑中链球菌可减少微单胞菌属的比重。然而，吸烟患者的龈下菌斑中，链球菌和微单胞菌属的检出水平均高。此外，戒烟可引起患者龈下菌斑中的牙周致病菌比例下降而有益菌如小韦荣菌比例升高。
糖尿病可显著影响人体的牙周炎易感。目前认为，除该疾病对牙周组织的直接破坏外，糖尿病还可通过影响牙周龈下菌群间接促进牙周病的发生与发展。糖尿病伴慢性牙周炎的龈下菌群中厌氧菌总数、口腔链球菌总数、口腔乳杆菌及核梭杆菌数量均少于非糖尿病慢性牙周炎者。
与非糖尿病牙周炎患者相比，糖尿病伴牙周炎患者龈下菌群的整体群落结构发生显著改变，例如兼性双球菌、艾肯菌、月形单胞菌、放线菌和梭杆菌在糖尿病伴牙周炎患者牙周微生物群落中的比例均有显著升高。动物实验进一步证实，糖尿病可通过IL-17对牙周微生物群落进行重塑，导致糖尿病小鼠龈下菌群表现出更强的致病性。
1.2.3以牙周病为模型探究口腔微生物组多样性改变在疾病风险预测、诊断、预后评估中的作用
通过监测牙龈炎康复、发展和再康复过程牙菌斑菌群组成变化，研究人员发现根据牙周微生物组成可将志愿者划分为牙龈炎“敏感型”和“耐受型”。通过筛查牙菌斑微生物群落内的细菌，研究人员选定了8个重要菌属构建“牙龈炎微生物易感指数”（MiG-sensitivity），该指数在区分人群属于牙龈炎“敏感型”还是“耐受型”的准确率高达74%，示范了口腔菌群组成变化在疾病风险预测中的重要作用。该课题组还构建了一种基于微生物群落组成的新型牙龈炎严重程度诊断方法，即“牙龈炎的菌群指数”（microbial index of gingivitis，MiG），该指数在诊断牙龈炎严重程度上的准确率高达95%。
此外，这些研究人员比较了洁牙、使用含有抑菌成分的牙膏和漱口水、常规口腔护理牙膏3种不同的口腔清洁方法导致的菌斑微生物组成动态变化，发现每一种方法均有特征性的牙龈菌群变化图谱。基于上述研究成果，研究人员以洁牙后牙周菌群变化特征为参照，构建了各种牙龈健康护理方案的“相对菌群恢复程度指数”，该指数不仅可横向比较不同口腔清洁方式的优劣，还可纵向评估对治疗效果。
1.3牙周菌群的功能基因组成改变
除对微生物多样性改变进行探究外，研究者开始对牙周微生物群落的功能基因进行了初探。然而，从严格意义上讲，宏基因组这一层面的研究在牙周病研究领域的运用尚不深入。Li等采用功能基因组芯片从牙周宏基因组中首次挖掘了与牙周炎发病相关的功能基因，发现龈下菌斑微生物组成改变导致了群落功能基因结构的改变，包括毒力因子、糖胺聚糖代谢及嘌呤代谢相关的编码基因，在牙周炎患者龈下菌斑中丰度显著增高而氨基酸合成相关基因呈现相反趋势，这些差异性富集的基因可能是诱发、促进疾病的重要因素。
2.宏转录组学与牙周病研究
宏转录组学兴起于宏基因组学之后，主要研究特定环境、特定时期群体细胞在某功能状态下转录的所有mRNA和非编码RNA的类型、拷贝数。与宏基因组学相比，宏转录组学能从转录水平研究复杂微生物群落变化，能更好地挖掘潜在的基因。若联合运用宏基因组学及宏转录组学，可将特定条件下的生物群落及其功能联系到一起，有利于对群体整体进行各种功能的研究。宏转录组学技术在牙周病研究领域的运用之一是探究微生物组成多样性的改变。
Jorth等收集快速进展性牙周炎患者及健康对照的牙周微生物群落，提取样本中的全部RNA并对核糖体rRNA进行了测序和分析，用以比较两者的微生物群落的差异。其研究结果发现，虽然健康人和侵袭性牙周炎患者口腔中共同含有的微生物种类较多，但核糖体含量丰富的微生物例如福塞斯坦纳菌、普氏菌属、密螺旋体、卟啉单胞菌属在疾病组总的含量更多，提示此类微生物与侵袭性牙周炎的发生有密切的关系。该研究还发现患有牙周炎的牙体组织中的微生物菌落多样性较健康组织的菌落多样性小，所含有的微生物种类更少。
此外，有研究者构建体外多菌种生物膜，并在该模型中探索了牙周致病菌入侵对生物膜宏转录组的影响，提出宏转录组研究在口腔疾病机制研究中具有重要作用。此后，该学者将宏转录组学成功运用于体内实验，探索了牙周炎患者与健康人群龈下菌斑生物膜群落的功能性差异，其研究结果显示牙周炎患者龈下菌斑中的摄铁、合成脂多糖及鞭毛相关基因转录活跃；在牙周炎患者中上调的绝大多数毒力因子来自传统意义上的非牙周病原体。
与Jorth等研究不同的是，该两项研究真正实现了对牙周微生物样本中所有的RNA进行测序而非仅针对rRNA。
3.宏蛋白质组学与牙周病研究
2004年，在宏基因组和蛋白质组基础之上，Rodríguez-Valera等进一步提出了宏蛋白质组的概念，是指环境混合微生物群落中所有生物的蛋白质组总和，而宏蛋白质组学则是对某一特定环境中的细胞所产生的全部蛋白质同时进行大规模研究的方法。虽然现在已经开展的研究极少，但宏蛋白质组学已经初步展示了其强大的功能。
Belstrom等分别选取了10名牙周炎患者、患龋者和口腔健康者，将提取的宏蛋白质经过变性缓冲和胰蛋白酶、LsyC的消化后，从4161种不同蛋白质中获得了35664种独特的肽；其中，1946种肽来自细菌，2090种是宿主来源。通过对不同宿主的蛋白质表达谱进行比较，发现相比于健康个体，牙周病患者补体系统和炎症标记物中的有关蛋白含量过度表达，而微生物的蛋白质表达谱在患者和健康个体之间无太大差别。以上结果提示补体系统和炎症过程中过量表达的蛋白与口腔疾病有密切联系，而唾液中微生物群落主要处于浮游状态，没有表达出与疾病发生相关的代谢活性特征。
4.宏代谢组学与牙周病研究
宏代谢组学是在宏基因组学和宏蛋白质组学之后新发展起来的领域。宏代谢组学通过对相对分子质量1000Da以内的小分子代谢物进行定性定量分析，寻找代谢物与生理病理变化的关系。由于宏代谢组检测物质为生物最终代谢产物，故能够精确表现机体应答的结果。宏代谢组学技已经被运用在分析牙周病患者与健康人群唾液、血清、龈沟液等方面。
Aimetti等将22名健康受试者和32名牙周病患者唾液样本进行核磁共振分析（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR），发现慢性牙周炎患者唾液中含有更高浓度的醋酸、γ-氨基丁酸、琥珀酸、三甲胺丙酸、苯丙氨、缬氨酸和较低浓度的丙酮酸，而Barnes等发现牙周病患者唾液中含有较高水平的单糖、低聚糖、半胱氨酸、单酰甘油、亚麻酸、花生四烯酸、二十二碳五烯酸、二十二碳六烯酸、对甲酚硫酸盐、肉毒碱，表明牙周炎症与氧化应激、组织降解、细菌代谢等有一定关联。
一项比较侵袭性牙周炎患者和健康对照组的血清代谢组的研究发现，侵袭性牙周炎患者血清中不饱和脂肪酸代谢产物浓度有所增加，提示脂质介质可能与牙周病发病过程有关。Elabdeen等亦比较分析了侵袭性牙周炎患者和健康对照组的龈沟液，其中n6-PUFAs和n3-PUFAs等脂肪酸在侵袭性牙周炎患者组的水平显著升高。以上研究提示可通过分析牙周炎患者龈沟液的成分获得早期牙周病的相关生化指征。
5.结语
多组学技术能使研究者能够更加深入地理解牙周病的发生机理，为研究牙周病的发病机制带来更多的方向，为牙周病的治疗提供新的思路。如今，多组学技术还有很大的研究空间，很多方面依旧不够成熟，亟待完善、发展，探索更多未知领域。
