Forscher der University of Pennsylvania School of Dental Medicine und des Georgia Institute of Technology haben die Karies verursachenden Bakterien in ihrer natürlichen Umgebung, dem klebrigen Biofilm, der sich auf den von Karies befallenen Zähnen von Kleinkindern bildet, dreidimensional abgebildet.

Die Arbeit, die in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, ergab, dass Streptococcus mutans, eine der Hauptbakterienarten, die für Karies verantwortlich sind, von einer schützenden, mehrschichtigen Gemeinschaft anderer Bakterien und Polymere umgeben ist, die eine einzigartige räumliche Organisation bilden, die mit dem Ort des Ausbruchs der Krankheit zusammenhängt.

“Wir begannen mit diesen klinischen Proben, extrahierten Zähnen von Kindern mit schwerer Karies”, sagt Hyun (Michel) Koo von Penn Dental Medicine, einer der Co-Autoren der Arbeit. “Die Frage, die uns in den Sinn kam, war, wie diese Bakterien organisiert sind und ob ihre spezifische Architektur etwas über die von ihnen verursachte Krankheit aussagen kann.”

Um diese Frage zu beantworten, verwendeten die Forscher, darunter der Hauptautor Dongyeop Kim von der Penn Dental Medicine und der Co-Autor Marvin Whiteley von der Georgia Tech, eine Kombination aus superauflösender konfokaler und Rasterelektronenmikroskopie mit Computeranalyse, um die Anordnung von S. mutans und anderen Mikroben im intakten Biofilm auf den Zähnen zu analysieren. Diese Techniken ermöglichten es dem Team, den Biofilm Schicht für Schicht zu untersuchen und so ein dreidimensionales Bild der spezifischen Architekturen zu erhalten.

Diesen Ansatz, die Standorte und Muster von Bakterien zu verstehen, hat Whiteley auch bei anderen Krankheiten verfolgt.

“Es ist klar, dass es nicht ausreicht, die Bestandteile des menschlichen Mikrobioms zu identifizieren, um ihre Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verstehen”, sagt Whiteley. “Wir müssen auch wissen, wie sie räumlich organisiert sind. Dies ist noch weitgehend unerforscht, da es schwierig ist, intakte Proben zu erhalten, die die räumliche Struktur beibehalten.”

In der aktuellen Arbeit entdeckten die Forscher, dass S. mutans in Zahnbelag am häufigsten auf eine bestimmte Art und Weise auftrat: in einer Anhäufung an der Zahnoberfläche angeordnet. Aber er war nicht allein. Während S. mutans den inneren Kern der runden Architektur bildete, bildeten andere kommensale Bakterien, wie S. oralis, zusätzliche äußere Schichten, die präzise in einer kronenartigen Struktur angeordnet waren. Diese Schichten wurden durch ein extrazelluläres Gerüst aus von S. mutans produzierten Zuckern gestützt und voneinander getrennt, das die krankheitsverursachenden Bakterien wirksam einhüllte und schützte.

“Wir fanden diese hochgradig geordnete Gemeinschaft mit einer dichten Ansammlung von S. mutans in der Mitte, umgeben von diesen ‘Halos’ verschiedener Bakterien, und fragten uns, wie dies Karies verursachen könnte”, sagt Koo. “

Um mehr darüber zu erfahren, wie sich die Struktur auf die Funktion des Biofilms auswirkt, versuchte das Forscherteam, die natürlichen Plaqueformationen auf einer zahnähnlichen Oberfläche im Labor mit S. mutans, S. oralis und einer Zuckerlösung nachzubilden. Sie züchteten erfolgreich rundliche Strukturen und maßen dann den Säuregehalt und die Demineralisierung, die mit ihnen verbunden waren.

“Was wir entdeckten und was für uns aufregend war, ist, dass die rundlichen Bereiche perfekt mit den demineralisierten und hohen Säurewerten auf der Schmelzoberfläche übereinstimmten”, sagt Koo. “Dies spiegelt das wider, was Kliniker sehen, wenn sie Karies finden: punktierte Bereiche der Entkalkung, die als ‘weiße Flecken’ bekannt sind. Die kuppelartige Struktur könnte erklären, wie Karies entsteht.”

In einer letzten Reihe von Experimenten stellte das Team die runde Gemeinschaft auf die Probe, indem es eine antimikrobielle Behandlung anwandte und beobachtete, wie es den Bakterien erging. Wenn die runden Strukturen intakt waren, vermieden die S. mutans im inneren Kern weitgehend das Absterben durch die antimikrobielle Behandlung. Erst das Aufbrechen des Gerüstmaterials, das die äußeren Schichten zusammenhält, ermöglichte es dem antimikrobiellen Mittel, einzudringen und die kariesverursachenden Bakterien wirksam abzutöten.

Die Ergebnisse der Studie könnten Forschern dabei helfen, den pathogenen Kern von Zahnbiofilmen wirksamer anzugehen, haben aber auch Auswirkungen auf andere Bereiche.

“Sie zeigt, dass die räumliche Struktur des Mikrobioms die Funktion und den Krankheitsverlauf beeinflussen kann, was auch für andere medizinische Bereiche gelten könnte, die sich mit polymikrobiellen Infektionen befassen”, sagt Koo.

“Es geht nicht nur darum, welche Krankheitserreger vorhanden sind, sondern auch darum, wie sie strukturiert sind, was Aufschluss über die Krankheit gibt, die sie verursachen”, fügt Whiteley hinzu. “

Das Feld der mikrobiellen Biogeographie ist noch jung, sagen die Forscher, aber die Ausweitung dieses Nachweises, der die Struktur der Gemeinschaft mit dem Auftreten von Krankheiten in Verbindung bringt, eröffnet eine breite Palette von Möglichkeiten für zukünftige medizinisch relevante Erkenntnisse.

Dongyeop Kim war wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Abteilung für Kieferorthopädie der Penn’s School of Dental Medicine und ist jetzt Assistenzprofessor an der Jeonbuk National University (Korea).

Hyun (Michel) Koo ist Professor an der Abteilung für Kieferorthopädie der Penn’s School of Dental Medicine in den Abteilungen Community Oral Health und Pediatric Dentistry.

Marvin Whiteley ist Professor für Biowissenschaften, Inhaber des Bennie H. und Nelson D. Abell-Lehrstuhls für Molekular- und Zellbiologie an der Georgia Tech und Co-Direktor der Georgia Research Alliance Eminent Scholar im Emory-Children’s CF Center am Georgia Institute of Technology.

Koo, Kim und Whiteleys Koautoren waren Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci und Evlambia Hajishengallis von der Penn Dental Medicine, Juan P. Barraza von der Georgia Tech und Anderson Hara und Karl Lewis von der Indiana University.

Die Arbeit wurde zum Teil vom National Institute for Dental and Craniofacial Research (Zuschüsse DE025220, DE018023, DE020100 und DE023193) unterstützt.