Hvordan dannes tannsten?

Antropologer har vært opptatt av at kostens betydning for tannstensdannelse, eksempelvis at proteinrik kost ved høyt kjøttkonsum ville gi et alkalisk munnhulemiljø som forsterker tannstensdannelsen (8). Andre forskere har påpekt betydningen av karbohydrater i denne sammenheng, og etter hvert er vekten blitt lagt på andre trinn i tannstensdannelsen ved at salivaproteiner danner et pellikkel på tannoverflaten der orale mikroorganismer fester seg og blir del av en sammenhengende biofilm. Biofilmen omfatter etter hvert også deskvamerte komponenter fra munnslimhinnen og mikroorganismer fra respirasjonsveiene sammen med organiske komponenter fra kostholdet, som samlet blir mineralisert til tannsten (9). Mineraliseringen gjør at mikrobene og de øvrige organiske komponentene holder seg godt over tid. Tannsten mangler kanaler og tubuli som i henholdsvis ben og dentin og er derfor mindre utsatt for forurensing av bakterier fra omgivelsene i arkeologisk materiale. Tannsten i arkeologisk materiale kan derfor inneholde informasjon om hvordan kosthold og oral helse har utviklet seg gjennom tidligere tidsperioder i samspill med det orale mikrobiom (10).

Tannsten og kosthold hos neandertalerne

Neandertalere befant seg i Europa i en epoke mellom 130 - 30 000 år før vår tidsregning, en del av denne tiden parallelt med homo sapiens. Blant antropologer har det lenge vært en debatt om hvorfor neandertalerne i sin tid ble utkonkurrert av mennesker. Mange forskere har ment at dette kunne skyldes at neandertalerne var avhengig av dyrejakt og, i motsetning til mennesker, unngikk proteinrik planteføde. Men Henry og medarbeidere (2011) påviste mikrofossiler fra plantekost i tannsten fra neandertalere både i Irak og Belgia (11). Det dreide seg om rester av skjelettmateriale som stammet fra 40 000 år før vår tidsregning. Stivelseskorn og fytolitter (silikakorn i planter) ble mikroskopert og fotografert og plantene bestemt etter sammenlikning med data fra National Herbarium i USA. Stivelsekornene fra Belgia stemte med ville former for hvete, bygg og rug, mens fytolittene i Irakmaterialet kom fra fruktene til daddelpalmen. Disse forskerne behersket også metodikk for å se om plantene hadde vært oppvarmet eller kokt. Samlet gav disse opplysningene grunnlag for å si at neandertalerne hadde tatt i bruk bestemte planter og hadde omdannet dem til spiselig føde, noe som tydet på et relativt høyt kunnskapsnivå når det gjaldt preparering av mat. Med andre ord gav ikke resultatene grunn til å støtte teorien om at neandertalerne manglet evne til å nyttiggjøre seg planteføde. I følge Henry (2012) er mikrorester av planter i tannsten og fekalt materiale en verdifull kilde for å rekonstruere fødeemner både hos mennesker og primater (12).

Tannsten og vegetabilsk kosthold ut fra arkeologisk materiale fra mennesker

Et eksempel på undersøkelse av plantekost ved hjelp av tannsten i humant skjelettmateriale ble presentert av Buckley og medarbeidere (2014). Dette materialet stammet fra en gravplass i Al Khiday i det sørlige Sudan og inneholdt materiale både fra pre-mesolittisk og neolittisk tidsalder (faktaboks 1). I tillegg fantes levninger fra en lokal kultur i tidsrommet 300 år fvt. til 400 år etter. Det forelå altså arkeologisk materiale både fra samler- og jaktkulturen og fra jordbrukskulturen i dette området. Tannsten var mest fremtredende på tenner fra den begynnende jordbrukskulturen i sen stenalder og fra den seneste perioden med utviklet jordbrukskultur. Tenner fra stenalderen viste også hyppige okklusale kariesangrep med ante mortem tanntap og periapikale lesjoner, noe som ble tolket som resultat av utpreget tannslitasje, mens tenner fra den siste jordbrukskulturen viste rikelig med tannsten og påfallende lite karies.

Tannstenen ble gjenstand for mikroskopiske, kjemiske og gasskromatografiske analysemetoder. Mikroskopering viste en er rekke organiske og uorganiske komponenter inklusiv stivelseskorn og plantefibrer. Den kjemiske profilen indikerte blant annet et kornliknende halvgrass (Cyperus rotundus, «starr»), der knollene var vanlig kost for jegere og samlere. Bortsett fra å være en karbohydratkilde var denne planten kjent for mange aromatiske og medisinske egenskaper som omfattet antibakteriell virkning, eksempelvis mot Streptococcus mutans. Det kunne forklare den lave kariesforekomsten man observerte under jordbrukskulturen i den siste perioden i Al Khiday. Samlet mente forskerne at tannstensanalyser gav innsikt i at planteføde var en viktig del av kostholdet og at forbehandling av føde ved oppvarming var vanlig også i tiden før jordbrukskulturen satte inn (13).

Tannsten og animalsk kosthold ut fra arkeologisk materiale

En annen tilnærming har vært å påvise animalsk kosthold og dyrehold ut fra tannsten i arkeologisk skjelettmateriale. Warinner og medarbeidere (2014, A) undersøkte rester av beta laktoglobulin (BLG) i arkeologisk tannsten fra mange verdensdeler og tidsepoker helt fra bronsealderen til 1900-tallet. Dette globulinet finnes i mysedelen av melk fra dyrearter som storfe, geit, sau, bøffel etc., men finnes ikke hos mennesker. Man hadde tidligere forsøkt å påvise kalsiumisotoper fra melk i benmateriale og i rester fra stentøy, men med tvilsomt resultat. Proteomisk analyse ved såkalt tandem massespektrometri av BLG i tannsten gav sikrere indikasjoner, fordi det bare forekommer i dyremelk og er mer resistent overfor enzymatisk degradering enn andre melkeprodukter. Dette globulinet har dessuten ingen bakterielle paralleller. I tillegg er en del aminosyresekvenser i laktoglobulin ulik i forskjellige dyr og åpner derfor for resonnementer om hvilke dyrearter som er aktuelle. Forskerne fant BLG i tannsten helt tilbake til bronsealderen i Europa og Sydvest-Asia, men ikke Vest-Afrika. På dette og annet grunnlag kunne man trekke konklusjoner om kulturforskjeller og levekår til ulike tider og steder. Og på samme bakgrunn analyserte de samme forskerne også tannsten fra gravplasser på Grønland som stammet fra perioden 950 - 1250 år e.K., dvs. en periode der klimaet gradvis forverret seg. Etter hvert forsvant laktoglobulin i materialet, noe som ble tolket som tegn på at befolkningen var tvunget over fra husdyrhold til marint kosthold før de måtte gi helt opp (14).

Tannsten og det orale mikrobiom

«Mikrobiom» er betegnelsen for alle mikrober, eller for den samlede arvemasse av mikrober, det såkalte metagenom, som normalt finnes på bestemte steder av kroppen og har funksjon relatert til helse og sykdom (15). Det orale mikrobiom er beskrevet som det samfunn av kommensale, symbiotiske og patogene mikroorganismer som holder til i munnhulen. Det omfatter habitat som tenner, gingiva, gingivallommer, tunge, leppe og gane. I tillegg kommer tilstøtende områder i hals, strupe, spiserør, luftrør, lunge, øreganger, neseganger og sinus. De fleste studier av det orale mikrobiom er fra selve munnhulen. I 2010 var omtrent 280 forskjellige bakterielle arter isolert, kultivert og satt navn på. Dette representerer sannsynligvis ikke halvparten av de orale bakteriene, de fleste lar seg vanskelig dyrke (16). I dag regner mikrobiologene med at det finnes ca. 700 arter av bakterier i munnhulen, derav mange som ikke lar seg dyrke (17).

For å identifisere hvilke bakterier som er til stede, har man tatt i bruk molekylære, DNA-baserte identifiseringsteknikker som for eksempel oppkopiering og sekvensering av 16S rRNA genet og metagenomisk sekvensering med haglemetoden, som gjør det mulig å sekvensere den samlede mengde bakterier i samme prøve (7) (faktaboks 2). I stedet for tradisjonelle morfologiske dyrkingsdata kan forskerne sammenlikne resultatet av sekvenseringen med referansedata som for eksempel finnes i den såkalte Human Oral Microbiome Database, som er resultat av et omfattende arbeid med å klassifisere orale bakterier og relatere dem til hverandre (18). I tillegg finnes metoder for å karakterisere tilhørende proteiner direkte (19).

Arkeologisk tannsten og det orale mikrobiom

Siden det orale mikrobiomet avspeiles i tannsten blir de DNA-baserte analysemetodene av mikrober i fossil tannsten et verdifullt middel både til å følge utviklingen av patogenitet og antibiotikaresistens og til å rekonstruere det helsefremmende mikrobiom i forhistorisk tid (20). Forbedret kontamineringskontroll fra det ytre mijlø har også bidratt til sikrere mikrobiologiske data fra arkeologisk tannsten .

Adler og medarbeidere (2013) studerte bakterier i tannsten fra levninger som stammet fra forskjellige steder i Europa i midlere og nyere stenalder (7 500 - 5 450 år fvt.), fra bronsealderen (1800 - 700 år fvt.), fra middelalderen (500 - 1500 e. Kr.) og fra nyere tid ved hjelp av 16 S rRNA sekvensering. Kontroller var prøver fra det indre av tenner og fra omgivelsene. På slektsnivå (fylum) var den bakterielle sammensetningen i den arkeologiske tannstenen lik nåtidens og svært ulik kontrollene fra det ytre miljø, altså ingen kontaminasjon (21). Med sekvenseringsmetodikk kunne forskerne identifisere oralpatogene bakterier som Steptococcus mutans og Pophyromonas gingivalis med relasjon til henholdsvis karies og periodontal sykdom. Det viste seg at tannsten fra samle- og jaktkulturen i de tidligste tidsperiodene hadde færre bakteriearter med relasjon til karies og periodontitt enn tannsten fra senere tidsperioder. Et skifte skjedde da jordbrukskulturens diett forandret det orale økosystemet og forårsaket en økning i periodontale patogener. Dette forhold holdt seg gjennom middelalderen, mens nyere tids tannsten hadde mindre mikrobiell variasjon og større innslag av kariogene bakterier. Det siste ble satt i sammenheng med inntak av industrielt behandlet mel og sukker i nyere tid (22).

Warinner og medarbeidere (2014, B) tok i bruk DNA-sekvenserende metoder og metaproteomiske metoder for å analyse mikrobiomet i tannsten fra tysk middelalder (ca. 950 - 1200 år e.Kr.) sammenliknet med tilsvarende fra vår tid. De dominerende bakterieartene var de samme som i dagens orale biom. Det ble lagt vekt på å påvise patogene bakterier og å avdekke virulens- og resistensgener i orale mikrober. Blant mengden av bakterier ble det identifisert 40 potensielt opportunistiske patogener i middelaldertannstenen. Tre av disse, Tannerella forsythia, Porphyromonas gingivalis og Treponema denticola, som assosieres med periodontal sykdom, ble påvist med større frekvens i middelaldertannstenen enn i det moderne referansematerialet fra friske mennesker. Den gamle tannstenen innholdt også orale bakterier med kjent relasjon til kardiovaskulære sykdommer, dentale infeksjoner, karies, gonorré og sykdommer i respirasjonsveiene (23).

Ved å sammenlikne med registreringer i det nasjonale bioteknologisenteret i USA (NCBI) ble det påvist flere mulige virulensgener med tilhørende proteiner i patogene mikrober fra arkeologisk tannsten, noe som kunne gi virulensfaktorer eksempelvis assosiert med adhesjon, parasittisme eller horisontal genoverføring mellom mikrober.

Også bakterielle DNA-sekvenser med homologi til resistensgener mot antibiotika, ble påvist i den gamle tannstenen. Dette ble tolket som at det biomolekylære maskineriet for antibiotikaresistens har vært til stede i det orale mikrobiomet lenge. Det ble lagt særlig vekt på metaproteomiske analyser av den Gram negative, anaerobe bakterien T. forsythia, som assosieres til periodontitt og har vært påvist i tilknytning til aterosklerose. Analysene viste at både virulens- og antigenrelaterte faktorer var til stede. Liknende analyser påviste også humane, proteinbaserte inflammatoriske og antiinflammatoriske faktorer knyttet til immunsystemet, noe som sammen med visuelle observasjoner av skjelettmaterialet, tydet på en aktiv periodontal inflammasjon.

Forskerne konkluderte med at de periodontalpatogene bakterieartene har holdt seg uforandret gjennom store forandringer i levekår, hygiene og diett siden middelalderen. De påpeker også at opportunistiske bakterier med relasjon til kardiovaskulær patologi lenge har holdt til i munnhulen. Det samme har potensielle resistensgener mot antibiotika. Forfatterne peker også på at forekomsten av visse bakterielle overflateproteiner knyttet til aggregeringsevne og evne til å unngå vertens immunapparat kan være nyttig for å studere hvordan periodontal patogenese har utviklet seg (23).

Avsluttende bemerkninger

Eldre forskning på arkeologisk skjelettmateriale som omfattet tenner, trakk slutninger om levekår og kosthold på grunnlag av slitasjemønstre, hypoplasier og spor av karies og periodontitt, mens nyere forskning har kunnet gjenskape kosthold og det orale biom etter analyse av fossile rester i tannsten. Et gjennomgående trekk er at eldre og yngre forskning bekrefter hverandre: Der hvor karies registreres, finnes også spor av kullhydratrik kost sammen med potensielt kariesfrembringende bakterier, og der hvor det er spor etter i dental patologi i benvevet, finnes også periodontittrelaterte bakterier i tannsten.

For en tannlege er det interessant å følge botanikere, antropologer, mikrobiologer og andre forskningsdisipliner i deres resonnementer for å rekonstruere tidligere tiders levekår på grunnlag av et hverdagslig fenomen som tannsten. Like interessant og nærmere odontologisk forskning er det å få et innblikk i hvordan det orale biom har utviklet seg ved hjelp av moderne, DNA-baserte og metaproteomiske analyseteknikker anvendt på arkeologisk tannsten, uavhengig av tradisjonell bakteriedyrkning. Med slike teknikker er mikrobiologene i stand til å følge opptreden av bakterielle virulensfaktorer og resistensgener lang tilbake i tid, noe som bl.a. kan bidra til å forstå den antibiotiske resistensproblematikken bedre (24).

Samlet representerer tannsten i arkeologisk materiale en slags tidskapsel som inneholder både ekstraorale og intraorale spor.