Pennsylvanian yliopiston hammaslääketieteen laitoksen ja Georgian teknillisen instituutin tutkijat kuvasivat kolmiulotteisesti hampaiden reikiintymistä aiheuttavia bakteereja niiden luonnollisessa ympäristössä, joka on hampaiden reikiintymisestä kärsivien pikkulasten hampaisiin muodostunut tahmea biofilmi eli hammasplakki.
Työssä, joka julkaistiin Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä, havaittiin, että Streptococcus mutans, yksi tärkeimmistä hampaiden reikiintymistä aiheuttavista bakteerilajeista, on koteloitunut suojaavaan monikerroksiseen yhteisöön, joka koostuu muista bakteereista ja polymeereistä, jotka muodostavat ainutlaatuisen avaruudellisen organisaation, joka on yhteydessä taudin puhkeamispaikkakuntaan. “Kysymys, joka ponnahti mieleemme, oli, miten nämä bakteerit ovat järjestäytyneet ja voiko niiden erityinen arkkitehtuuri kertoa meille niiden aiheuttamasta taudista?”
Tutkijat, mukaan lukien johtava kirjoittaja Dongyeop Kim Penn Dental Medicine -yliopistosta ja toisena kirjoittajana toiminut Marvin Whiteley Georgia Tech -yliopistosta, käyttivät superresoluutio- eli supertarkkuuskonfokaali- ja pyyhkäisyelektronimikroskoopin yhdistelmää, johon oli liitetty myös tietokoneanalyysejä, S. mutans -bakteerin ja muiden hampaiden koskemattoman biokalvon mikroskooppisten mikrobien järjestäytyneisyystavan paljastamiseen. Näiden tekniikoiden avulla tutkimusryhmä pystyi tutkimaan biofilmiä kerros kerrokselta, jolloin saatiin kolmiulotteinen kuva erityisistä arkkitehtuureista.
Tätä lähestymistapaa, bakteerien sijainnin ja mallien ymmärtämistä, Whiteley on jatkanut muiden sairauksien kohdalla.
“On selvää, että ihmisen mikrobiomin ainesosien tunnistaminen ei riitä ymmärtämään niiden vaikutusta ihmisen terveyteen”, Whiteley sanoo. “Meidän on myös tiedettävä, miten ne ovat alueellisesti järjestäytyneet. Tämä on suurelta osin tutkimatta, sillä on vaikeaa saada ehjiä näytteitä, jotka säilyttävät alueellisen rakenteensa.”
Tässä työssä tutkijat havaitsivat, että hammasplakissa olevat S. mutansit esiintyivät useimmiten tietyllä tavalla: ne olivat järjestäytyneet hampaan pintaa vasten olevaan kumpuun. Mutta se ei ollut yksin. Vaikka S. mutans muodosti pyöreän arkkitehtuurin sisemmän ytimen, muut vierasperäiset bakteerit, kuten S. oralis, muodostivat ylimääräisiä ulompia kerroksia, jotka olivat tarkasti järjestäytyneet kruunun kaltaiseen rakenteeseen. Näitä kerroksia tuki ja erotti toisistaan S. mutansin tuottamista sokereista valmistettu solunulkoinen teline, joka koteloi ja suojasi tehokkaasti tautia aiheuttavia bakteereja.
“Löysimme tämän erittäin järjestäytyneen yhteisön, jonka keskellä oli tiheä S. mutans -bakteerin kerääntymä, jota ympäröivät nämä eri bakteerien “halot”, ja ihmettelimme, miten tämä voisi aiheuttaa hampaiden reikiintymistä”, Koo sanoo. “
Tietääkseen lisää siitä, miten rakenne vaikutti biofilmin toimintaan, tutkimusryhmä yritti luoda uudelleen luonnolliset plakkimuodostumat hampaan kaltaiselle pinnalle laboratoriossa käyttäen S. mutansia, S. oralista ja sokeriliuosta. He kasvattivat menestyksekkäästi pyöreän muotoista arkkitehtuuria ja mittasivat sitten niihin liittyviä happo- ja demineralisaatiotasoja.
“Se, mitä havaitsimme, ja mikä oli meille jännittävää, oli se, että pyöreät alueet sopivat täydellisesti yhteen kiilteen pinnan demineralisoituneiden ja korkeiden happotasojen kanssa”, Koo sanoo. “Tämä peilaa sitä, mitä kliinikot näkevät, kun he löytävät hammaskariesta: pistemäisiä kalkinpoistoalueita, jotka tunnetaan nimellä ‘valkoiset täplät’. Kupolimainen rakenne voisi selittää, miten reikiintyminen saa alkunsa.”
Viimeisessä koesarjassa työryhmä laittoi pyöreän yhteisön koetukselle soveltamalla antimikrobista hoitoa ja tarkkailemalla, miten bakteerit pärjäsivät. Kun rotundirakenteet olivat ehjiä, sisemmässä ytimessä olevat S. mutans -bakteerit välttyivät suurelta osin kuolemalta mikrobilääkekäsittelyn vaikutuksesta. Vasta ulkokerroksia koossa pitävän telinemateriaalin murtaminen mahdollisti mikrobilääkkeen tunkeutumisen ja tehokkaan tappamisen reikiä aiheuttaville bakteereille.
Tutkimuksen havainnot voivat auttaa tutkijoita kohdentamaan tehokkaammin hampaiden biofilmien patogeenisen ytimen, mutta niillä on vaikutuksia myös muille aloille.
“Se osoittaa, että mikrobiomin tilallinen rakenne voi välittää toimintaa ja taudin lopputulosta, mikä voisi olla sovellettavissa muille lääketieteen aloille, jotka käsittelevät polymikrobisia infektioita”, sanoo Koo.
“Ei ole vain se, mitä patogeenejä siellä on, vaan se, miten ne ovat rakenteeltaan, kertoo niiden aiheuttamasta taudista”, Whiteley lisää. “Bakteerit ovat erittäin sosiaalisia olentoja, ja niillä on ystäviä ja vihollisia, jotka sanelevat niiden käyttäytymistä.”
Mikrobien biogeografian ala on tutkijoiden mukaan nuori, mutta tämän demonstraation laajentaminen, joka liittää yhteisön rakenteen ja taudin puhkeamisen toisiinsa, avaa laajan kirjon mahdollisuuksia tuleviin lääketieteellisesti merkityksellisiin oivalluksiin.
Dongyeop Kim toimi tutkimusapulaisena Pennin hammaslääketieteellisen tiedekunnan oikomishoidon laitoksella ja on nyt apulaisprofessori Jeonbukin kansallisessa yliopistossa (Korea).
Hyun (Michel) Koo on professori Pennin hammaslääketieteellisen tiedekunnan oikomishoidon laitoksella yhteisöllisen suunterveyden ja pediatrisen hammaslääketieteen osastoilla.
Marvin Whiteley on biologisten tieteiden professori, Georgia Techin Bennie H. ja Nelson D. Abellin molekyyli- ja solubiologian professuuri ja Georgia Research Alliancen Eminent Scholar -tutkijan apulaisjohtaja Emory-Children’s CF Centerissä Georgian teknologiainstituutissa.
Koo:n, Kimin ja Whiteley:n apukirjoittajina olivat Pennin hammaslääketieteellisen osaston hammaslääkäri Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci ja Evlambia Hajishengallis, Georgia Techin Juan P. Barraza sekä Indianan yliopiston Anderson Hara ja Karl Lewis.
Työtä tuki osittain National Institute for Dental and Craniofacial Research (apurahat DE025220, DE018023, DE020100 ja DE023193)
.