Comparative Evaluation of Subgingival Bacteria as Diagnostic Biomarkers for Periodontal Disease in Dogs and Cats = 개와 고양이에서 치은염 및 치주염의 진단적 바이오마커로서 치은연하 세균의 비교 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Periodontal disease (PD) is one of the most prevalent oral conditions affecting dogs, cats, and humans. It begins as gingivitis, a reversible inflammatory state, and can progress to periodontitis, an irreversible condition. Although the etiology of PD is well established in humans, research in dogs and cats remains limited. Several studies suggest that bacteria strongly associated with human periodontitis may also contribute to the disease in companion animals. A recent study examined 336 subgingival plaque samples from dogs to determine the prevalence of 11 suspected periodontal pathogens, and assess their individual and combined correlations with PD stages. The study identified Treponema denticola (Td) as a key prognostic biomarker for canine periodontitis. However, a limitation was the classification of samples based solely on the periodontal status of the target tooth without a comprehensive assessment of oral health. Moreover, the study emphasized the need for validation with a larger sample size. Further research in cats is crucial to clarify species-specific pathogenesis, microbial profiles, and the clinical relevance of key periodontal pathogens. This study addressed those limitations by ensuring consistent overall oral health assessments across all sampled groups of dogs (under 20 kg) and cats, thereby minimizing environmental variability. A total of 1,054 subgingival plaque samples from dogs and 435 from cats were analyzed using quantitative real-time polymerase chain reaction (qPCR) to detect 12 bacterial species. These included the same 11 suspected periodontopathic bacteria-Aggregatibacter actinomycetemcomitans (Aa), Porphyromonas gingivalis (Pg), Tannerella forsythia (Tf), Td, Fusobacterium nucleatum (Fn), Prevotella nigrescens (Pn), Prevotella intermedia (Pi), Parvimonas micra (Pm), Eubacterium nodatum (En), Campylobacter rectus (Cr), and Eikenella corrodens (Ec)-along with Porphyromonas gulae (P. gulae), proposed as a primary etiological agent of canine and feline periodontitis based on prior statistical analyses. This study identified a robust association between Fn and gingivitis, reaffirming the significant correlation between Td and periodontitis in dogs. In cats, Fn showed a strong association with PD. Conversely, Aa in dogs, and Aa, Pg, Pn, Pi, and En in cats exhibited no substantial association with PD. Furthermore, P. gulae did not show a statistically significant association with periodontal disease in either species. These findings indicate that Fn and Td may serve as reliable biomarkers for assessing the severity of PD in dogs under 20 kg; Fn may be a potential biomarker in cats.

국문 초록 (Abstract)

치주질환은 개, 고양이, 사람 모두에서 가장 흔한 구강 질환 중 하나이다. 이 질환은 가역적인 염증 상태인 치은염으로 시작하여, 비가역적인 상태인 치주염으로 진행된다. 사람의 치주질환에 대한 병인론은 광범위하게 연구되어 왔지만, 반려동물인 개와 고양이에 대한 연구는 아직 제한적이다. 여러 연구들은 사람의 치주염과 강하게 관련된 세균들이 개와 고양이의 질환에도 관여할 수 있음을 시사하고 있다. 최근 한 연구에서는 개의 치은연하치태(subgingival plaque) 336개를 분석하여, 11종의 치주병원균의 유병률과 이들이 치주질환 단계와의 연관성을 개별적으로 그리고 복합적으로 평가하였다. 그 결과 Treponema denticola (Td)가 개의 치주염 예후를 위한 주요 바이오마커임을 확인하였다. 그러나 해당 연구는 대상 치아의 치주상태만으로 분류를 진행하였고, 구강 전체에 대한 평가가 이뤄지지 않았다는 제한점이 있으며, 더 큰 표본으로의 검증이 필요하다는 점을 강조하였다. 또한 고양이에서의 같은 주제에 대한 연구 확대는 고양이 종 특이적인 병인 기전, 미생물 양상, 그리고 핵심 병원균의 임상적 의의를 밝히는 데 필수적이다.
본 연구는 개와 고양이의 전반적인 구강 건강 평가를 기반으로 샘플을 분류하여 기존 연구의 제한점을 보완하였으며, 환경적 영향을 최소화하고자 모든 샘플은 체중 20kg 이하의 개와 고양이에서 수집되었다. 총 1,054개의 개 subgingival plaque 샘플과 435개의 고양이 subgingival plaque 샘플을 대상으로, 정량적 실시간 중합효소연쇄반응(qPCR)을 이용하여 12종의 세균을 분석하였다. 이들 세균은 기존의 11종 치주병원성 의심 세균—Aggregatibacter actinomycetemcomitans (Aa), Porphyromonas gingivalis (Pg), Tannerella forsythia (Tf), Td, Fusobacterium nucleatum (Fn), Prevotella nigrescens (Pn), Prevotella intermedia (Pi), Parvimonas micra (Pm), Eubacterium nodatum (En), Campylobacter rectus (Cr), Eikenella corrodens (Ec)—과 함께, 개와 고양이 치주염의 주요 원인균으로 제안된 Porphyromonas gulae (P. gulae)를 포함하였다.
이번 연구에서는 Fn이 개에서 치은염과 강한 연관성을 가지며, Td는 비가역적 단계인 치주염과 유의한 상관성을 보임을 확인하였다. Fn은 고양이에서도 치주질환과 강한 연관성을 보였다. 반면, 개에서는 Aa가, 고양이에서는 Aa, Pg, Pn, Pi, En이 치주질환과 유의한 관련이 없는 것으로 나타났다. 또한 P. gulae는 개와 고양이 모두에서 치주질환과 통계적으로 유의한 연관성을 보이지 않았다.
이러한 결과는 Fn과 Td가 체중 20 kg 이하의 개에서 치주질환의 중증도를 평가할 수 있는 신뢰할 만한 바이오마커가 될 수 있음을 시사한다. 또한 Fn은 고양이에서도 바이오마커로 활용될 수 있을 가능성을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• Introduction 1
• Part I. Comparative evaluation of subgingival bacteria as diagnostic biomarkers for periodontal disease in dogs 3
• Materials and methods 3
• 1. Study population and grouping 3
• 2. Sample collection 4
• 3. Classification of target teeth by periodontal disease stage 4
• 4. DNA extraction and storage 7
• 5. Quantitative real-time PCR analysis 7
• 6. Statistical analysis 9
• Results 10
• 1. Characteristics of dogs undergoing subgingival plaque sampling 10
• 2. Prevalence of presumed periodontal disease-associated bacteria in dogs 12
• 3. Comparison of bacterial prevalence between reversible and irreversible groups 12
• 4. Mean bacterial load of suspected periodontal disease-associated bacteria 12
• 5. Comparison of mean bacterial counts between reversible and irreversible groups 12
• 6. Correlation between periodontal disease severity and age, weight, BOP, mean PPD, and bacterial count 16
• 7. Lack of correlation between Aa and periodontal disease 18
• 8. Combined association of age, weight, and bacterial count between reversible and irreversible groups 20
• 9. Combined association of age, weight, and bacterial count across periodontal disease stages 22
• Part Ⅱ. Comparative evaluation of subgingival bacteria as diagnostic biomarkers for periodontal disease in cats 24
• Materials and methods 24
• 1. Study population and grouping 24
• 2. Sample collection 25
• 3. Classification of target teeth by periodontal disease stage 25
• 4. DNA extraction and storage 28
• 5. Quantitative real-time PCR analysis 28
• 6. Statistical analysis 28
• Results 30
• 1. Characteristics of cats undergoing subgingival plaque sampling 30
• 2. Prevalence of presumed periodontal disease-associated bacteria in cats 32
• 3. Comparison of bacterial prevalence between reversible and irreversible groups 32
• 4. Mean bacterial load of suspected periodontal disease-associated bacteria 32
• 5. Comparison of mean bacterial counts between reversible and irreversible groups 32
• 6. Correlation between periodontal disease severity and age, weight, BOP, mean PPD, and bacterial count 36
• 7. Correlation of Aa, Pg, Pn, Pi and En across all possible group comparisons 38
• 8. Combined association of seven bacterial species between reversible and irreversible groups 40
• 9. Combined association of seven bacterial species across PD stages 42
• Discussion 44
• Conclusion 51
• References 52
• Abstract in Korean 61