Tomando un enfoque traslacional, investigadores de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania y del Instituto de Tecnología de Georgia obtuvieron imágenes de las bacterias causantes de la caries en tres dimensiones en su entorno natural, la pegajosa biopelícula conocida como placa dental que se forma en los dientes de los niños pequeños afectados por caries.
El trabajo, publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences, descubrió que el Streptococcus mutans, una de las principales especies bacterianas responsables de la caries, está encerrado en una comunidad protectora de varias capas de otras bacterias y polímeros que forman una organización espacial única asociada a la ubicación del inicio de la enfermedad.
“Empezamos con estas muestras clínicas, dientes extraídos de niños con caries graves”, dice Hyun (Michel) Koo, de Penn Dental Medicine, coautor del trabajo. “La pregunta que se nos ocurrió fue: ¿cómo se organizan estas bacterias y si su arquitectura específica puede informarnos sobre la enfermedad que causan?”
Para abordar esta cuestión, los investigadores, entre los que se encontraban el autor principal, Dongyeop Kim, de Penn Dental Medicine, y el coautor principal, Marvin Whiteley, de Georgia Tech, utilizaron una combinación de microscopía confocal y electrónica de barrido de súper resolución con análisis computacional para diseccionar la disposición de S. mutans y otros microbios de la biopelícula intacta en los dientes. Estas técnicas permitieron al equipo examinar la biopelícula capa por capa, obteniendo una imagen tridimensional de las arquitecturas específicas.
Este enfoque, de entender las localizaciones y patrones de las bacterias, es uno que Whiteley ha perseguido en otras enfermedades.
“Está claro que identificar los componentes del microbioma humano no es suficiente para entender su impacto en la salud humana”, dice Whiteley. “También tenemos que saber cómo están organizados espacialmente. Esto está muy poco estudiado, ya que es difícil obtener muestras intactas que mantengan la estructura espacial”.
En el trabajo actual, los investigadores descubrieron que el S. mutans en la placa dental aparecía con más frecuencia de una forma particular: dispuesto en un montículo contra la superficie del diente. Pero no estaba solo. Mientras que S. mutans formaba el núcleo interno de la arquitectura rotunda, otras bacterias comensales, como S. oralis, formaban capas externas adicionales dispuestas con precisión en una estructura similar a una corona. Estas capas estaban apoyadas y separadas por un andamiaje extracelular hecho de azúcares producidos por S. mutans, lo que encapsulaba y protegía eficazmente a las bacterias causantes de la enfermedad.
“Encontramos esta comunidad altamente ordenada con una densa acumulación de S. mutans en el centro rodeada por estos ‘halos’ de diferentes bacterias, y nos preguntamos cómo podría esto causar caries”, dice Koo. “
Para saber más sobre el impacto de la estructura en la función de la biopelícula, el equipo de investigación intentó recrear en el laboratorio las formaciones naturales de placa en una superficie similar a un diente utilizando S. mutans, S. oralis y una solución de azúcar. Cultivaron con éxito una arquitectura de forma rotunda y luego midieron los niveles de ácido y desmineralización asociados a ella.
“Lo que descubrimos, y lo que fue emocionante para nosotros, es que las zonas rotundas coincidían perfectamente con los niveles de desmineralización y de ácido elevado en la superficie del esmalte”, dice Koo. “Esto refleja lo que los clínicos ven cuando encuentran caries dentales: zonas punteadas de descalcificación conocidas como ‘manchas blancas’. La estructura en forma de cúpula podría explicar el inicio de las caries”.
En un último conjunto de experimentos, el equipo puso a prueba a la comunidad rotunda, aplicando un tratamiento antimicrobiano y observando el comportamiento de las bacterias. Cuando las estructuras rotundas estaban intactas, el S. mutans del núcleo interno evitaba en gran medida morir a causa del tratamiento antimicrobiano. Sólo la ruptura del material de andamiaje que mantiene unidas las capas exteriores permitió que el antimicrobiano penetrara y matara eficazmente a las bacterias causantes de la caries.
Los hallazgos del estudio pueden ayudar a los investigadores a atacar más eficazmente el núcleo patógeno de las biopelículas dentales, pero también tienen implicaciones para otros campos.
“Demuestra que la estructura espacial del microbioma puede mediar en la función y el resultado de la enfermedad, lo que podría aplicarse a otros campos de la medicina que se ocupan de las infecciones polimicrobianas”, dice Koo.
“No se trata sólo de qué patógenos hay, sino de cómo están estructurados, lo que nos habla de la enfermedad que causan”, añade Whiteley. “Las bacterias son criaturas muy sociales y tienen amigos y enemigos que dictan sus comportamientos”.
El campo de la biogeografía microbiana es joven, dicen los investigadores, pero la ampliación de esta demostración que vincula la estructura de la comunidad con la aparición de la enfermedad abre un amplio abanico de posibilidades para futuros conocimientos médicamente relevantes.
Dongyeop Kim fue investigador asociado en el Departamento de Ortodoncia de la Facultad de Medicina Dental de Pennsylvania y ahora es profesor asistente en la Universidad Nacional de Jeonbuk (Corea).
Hyun (Michel) Koo es profesor del Departamento de Ortodoncia de la Facultad de Medicina Dental de Pennsylvania en las divisiones de Salud Oral Comunitaria y Odontología Pediátrica.
Marvin Whiteley es profesor de ciencias biológicas, titular de la cátedra Bennie H. y Nelson D. Abell de Biología Molecular y Celular de Georgia Tech, y codirector de la Georgia Research Alliance Eminent Scholar en el Centro Emory-Children’s CF del Instituto de Tecnología de Georgia.
Los coautores de Koo, Kim y Whiteley fueron Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci y Evlambia Hajishengallis; Juan P. Barraza, de Georgia Tech; y Anderson Hara y Karl Lewis, de la Universidad de Indiana.
El trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (subvenciones DE025220, DE018023, DE020100 y DE023193).