Vědci z University of Pennsylvania School of Dental Medicine a Georgia Institute of Technology využili translační přístup a trojrozměrně zobrazovali bakterie způsobující zubní kazy v jejich přirozeném prostředí, lepkavém biofilmu známém jako zubní plak, který se tvoří na zubech batolat postižených zubním kazem.

Práce, publikovaná v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences, zjistila, že Streptococcus mutans, hlavní bakteriální druh zodpovědný za zubní kaz, je uzavřen v ochranném vícevrstvém společenství dalších bakterií a polymerů, které tvoří jedinečnou prostorovou organizaci spojenou s místem vzniku onemocnění.

“Začali jsme s těmito klinickými vzorky, extrahovanými zuby dětí s těžkým zubním kazem,” říká Hyun (Michel) Koo z Penn Dental Medicine, spoluautor práce. “Napadla nás otázka, jak jsou tyto bakterie uspořádány a zda nám jejich specifická architektura může napovědět o onemocnění, které způsobují?”

K řešení této otázky použili vědci, včetně hlavního autora Dongyeopa Kima z Penn Dental Medicine a spoluautora Marvina Whiteleyho z Georgia Tech, kombinaci superrozlišovací konfokální a skenovací elektronové mikroskopie s výpočetní analýzou, aby rozčlenili uspořádání S. mutans a dalších mikrobů neporušeného biofilmu na zubech. Tyto techniky umožnily týmu prozkoumat biofilm vrstvu po vrstvě a získat trojrozměrný obraz specifické architektury.

Tento přístup, tedy pochopení rozmístění a vzorců bakterií, Whiteley uplatnil i u jiných onemocnění.

“Je jasné, že identifikace složek lidského mikrobiomu nestačí k pochopení jejich vlivu na lidské zdraví,” říká Whiteley. “Musíme také vědět, jak jsou prostorově uspořádány. To je do značné míry nedostatečně prozkoumáno, protože získat neporušené vzorky, které si zachovávají prostorovou strukturu, je obtížné.”

V současné práci vědci zjistili, že S. mutans se v zubním plaku nejčastěji objevují určitým způsobem: uspořádané v kopečku proti povrchu zubu. Nebyl však sám. Zatímco S. mutans tvořil vnitřní jádro rotundové architektury, další komenzální bakterie, například S. oralis, tvořily další vnější vrstvy přesně uspořádané do struktury podobné korunce. Podporou a oddělením těchto vrstev bylo extracelulární lešení z cukrů produkovaných S. mutans, které účinně obalovalo a chránilo bakterie způsobující onemocnění.

“Našli jsme toto vysoce uspořádané společenství s hustým nahromaděním S. mutans uprostřed, obklopené těmito ‘halami’ různých bakterií, a zajímalo nás, jak by to mohlo způsobit zubní kaz,” říká Koo. “

Aby se výzkumný tým dozvěděl více o tom, jak struktura ovlivňuje funkci biofilmu, pokusil se v laboratoři znovu vytvořit přirozené útvary plaku na povrchu podobném zubu pomocí S. mutans, S. oralis a roztoku cukru. Úspěšně vypěstovali architekturu ve tvaru rotund a poté měřili úrovně kyselin a demineralizace s nimi spojené.

“Zjistili jsme, a co pro nás bylo vzrušující, že rotundové oblasti dokonale odpovídaly demineralizovaným a vysokým úrovním kyselin na povrchu skloviny,” říká Koo. “To odráží to, co vidí kliničtí lékaři při nálezu zubního kazu: přerušované oblasti dekalcifikace známé jako ‘bílé skvrny’. Tato kopulovitá struktura by mohla vysvětlit, jak vzniká zubní kaz.”

V poslední sadě experimentů tým podrobil rotundové společenství zkoušce, aplikoval antimikrobiální léčbu a sledoval, jak si bakterie vedou. Když byly rotundové struktury neporušené, S. mutans ve vnitřním jádru se do značné míry vyhnuly odumírání v důsledku antimikrobiální léčby. Teprve rozbití lešenářského materiálu, který držel vnější vrstvy pohromadě, umožnilo proniknutí antimikrobiální látky a účinné usmrcení bakterií způsobujících zubní kazy.

Zjištění studie mohou výzkumníkům pomoci účinněji zasáhnout patogenní jádro zubních biofilmů, ale mají také význam pro další oblasti.

“Ukazuje to, že prostorová struktura mikrobiomu může zprostředkovávat funkci a výsledek onemocnění, což by se mohlo uplatnit i v jiných lékařských oborech zabývajících se polymikrobiálními infekcemi,” říká Koo.

“Nejde jen o to, které patogeny tam jsou, ale jak jsou strukturované, což vypovídá o onemocnění, které způsobují,” dodává Whiteley. “Bakterie jsou vysoce sociální tvorové a mají přátele a nepřátele, kteří diktují jejich chování.”

Obor mikrobiální biogeografie je podle vědců mladý, ale rozšíření této ukázky, která spojuje strukturu společenstva se vznikem onemocnění, otevírá širokou škálu možností pro budoucí medicínsky relevantní poznatky.

Dongyeop Kim působil jako výzkumný pracovník na katedře ortodoncie Penn’s School of Dental Medicine a nyní je docentem na Jeonbuk National University (Korea).

Hyun (Michel) Koo je profesorem na katedře ortodoncie Penn’s School of Dental Medicine v odděleních komunitního ústního zdraví a dětského zubního lékařství.

Marvin Whiteley je profesorem biologických věd, vedoucím katedry molekulární a buněčné biologie na Georgijské technice Bennieho H. a Nelsona D. Abellových a spoluředitelem Georgia Research Alliance Eminent Scholar v Emory-Children’s CF Center na Georgijském technologickém institutu.

Spolupracovníky Kooa, Kima a Whiteleyho byli na Penn Dental Medicine Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci a Evlambia Hajishengallis, Juan P. Barraza z Georgijské techniky a Anderson Hara a Karl Lewis z Univerzity v Indianě.

Práce byla částečně podpořena Národním institutem pro zubní a kraniofaciální výzkum (granty DE025220, DE018023, DE020100 a DE023193).