Med en translationel tilgang har forskere fra University of Pennsylvania School of Dental Medicine og Georgia Institute of Technology afbildet de bakterier, der forårsager huller i tre dimensioner i deres naturlige miljø, den klæbrige biofilm, der er kendt som tandplak, og som er dannet på småbørns tænder, der er ramt af huller.
Arbejdet, der er offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences, viste, at Streptococcus mutans, en vigtig bakterieart, der er ansvarlig for huller i tænderne, er indkapslet i et beskyttende flerlagssamfund af andre bakterier og polymerer, der danner en unik rumlig organisation, der er forbundet med placeringen af sygdomsudbruddet.
“Vi begyndte med disse kliniske prøver, udtrukne tænder fra børn med alvorlige huller i tænderne”, siger Hyun (Michel) Koo fra Penn Dental Medicine, der er medforfatter på arbejdet. “Det spørgsmål, der dukkede op i vores hoveder, var, hvordan disse bakterier er organiseret, og om deres specifikke arkitektur kan fortælle os om den sygdom, de forårsager?”
For at løse dette spørgsmål brugte forskerne, herunder hovedforfatter Dongyeop Kim fra Penn Dental Medicine og medforfatter Marvin Whiteley fra Georgia Tech, en kombination af superopløsende konfokal og scanningelektronmikroskopi med beregningsanalyse til at dissekere arrangementet af S. mutans og andre mikrober i den intakte biofilm på tænderne. Disse teknikker gjorde det muligt for holdet at undersøge biofilmen lag for lag og få et tredimensionelt billede af de specifikke arkitekturer.
Denne tilgang med at forstå bakteriernes placering og mønstre er en tilgang, som Whiteley har forfulgt i forbindelse med andre sygdomme.
“Det er klart, at det ikke er nok at identificere bestanddelene i det menneskelige mikrobiom for at forstå deres indvirkning på menneskers sundhed,” siger Whiteley. “Vi er også nødt til at vide, hvordan de er rumligt organiseret. Dette er stort set ikke undersøgt, da det er vanskeligt at få intakte prøver, der bevarer den rumlige struktur.”
I det aktuelle arbejde opdagede forskerne, at S. mutans i tandplak oftest optrådte på en bestemt måde: arrangeret i en høj mod tandens overflade. Men det var ikke alene. Mens S. mutans dannede den indre kerne af den roterende arkitektur, dannede andre kommensale bakterier, såsom S. oralis, yderligere ydre lag, der var præcist arrangeret i en kronelignende struktur. Disse lag blev understøttet og adskilt af et ekstracellulært stillads af sukkerstoffer produceret af S. mutans, som effektivt omsluttede og beskyttede de sygdomsfremkaldende bakterier.
“Vi fandt dette meget velordnede samfund med en tæt ophobning af S. mutans i midten omgivet af disse “haloer” af forskellige bakterier, og vi undrede os over, hvordan dette kunne forårsage huller i tænderne”, siger Koo. “
For at lære mere om, hvordan strukturen påvirkede biofilmens funktion, forsøgte forskerholdet at genskabe de naturlige plakdannelser på en tandlignende overflade i laboratoriet ved hjælp af S. mutans, S. oralis og en sukkeropløsning. Det lykkedes dem at dyrke en rundformet arkitektur og derefter måle de syre- og demineraliseringsniveauer, der var forbundet med dem.
“Det, vi opdagede, og som var spændende for os, var, at de runde områder passede perfekt sammen med de demineraliserede og høje syreniveauer på emaljeoverfladen,” siger Koo. “Dette afspejler det, som klinikere ser, når de finder tandkaries: punkterede områder med afkalkning, kendt som ‘hvide pletter’. Den kuppelagtige struktur kunne forklare, hvordan huller starter.”
I et sidste sæt eksperimenter satte holdet det rundhåndet samfund på prøve ved at anvende en antimikrobiel behandling og observere, hvordan bakterierne klarede sig. Når de rotunde strukturer var intakte, undgik S. mutans i den indre kerne i vid udstrækning at dø af den antimikrobielle behandling. Kun ved at bryde det stilladsmateriale, der holder de ydre lag sammen, kunne det antimikrobielle middel trænge ind og effektivt dræbe de bakterier, der forårsager hulrum.
Undersøgelsens resultater kan hjælpe forskerne med at målrette mere effektivt mod den patogene kerne i dental biofilm, men har også betydning for andre områder.
“Det viser, at mikrobiomets rumlige struktur kan formidle funktionen og sygdomsresultatet, hvilket kan anvendes på andre medicinske områder, der beskæftiger sig med polymikrobielle infektioner,” siger Koo.
“Det er ikke kun, hvilke patogener der er der, men hvordan de er struktureret, der fortæller dig om den sygdom, de forårsager,” tilføjer Whiteley. “Bakterier er meget sociale væsener og har venner og fjender, der dikterer deres adfærd.”
Feltet mikrobiel biogeografi er ungt, siger forskerne, men en udvidelse af denne demonstration, der forbinder samfundsstruktur med sygdomsudbrud, åbner op for en lang række muligheder for fremtidige medicinsk relevante indsigter.
Dongyeop Kim var forskningsmedarbejder ved Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics og er nu assisterende professor ved Jeonbuk National University (Korea).
Hyun (Michel) Koo er professor ved Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics i afdelingerne for Community Oral Health og Pediatric Dentistry.
Marvin Whiteley er professor i biologiske videnskaber, Georgia Tech Bennie H. and Nelson D. Abell Chair in Molecular and Cellular Biology og Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-director i Emory-Children’s CF Center ved Georgia Institute of Technology.
Koo, Kim og Whiteley’s medforfattere var Penn Dental Medicine’s Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci og Evlambia Hajishengallis; Juan P. Barraza fra Georgia Tech; og Anderson Hara og Karl Lewis fra Indiana University.
Arbejdet blev delvist støttet af National Institute for Dental and Craniofacial Research (bevillinger DE025220, DE018023, DE020100 og DE023193).