En adoptant une approche translationnelle, des chercheurs de l’école de médecine dentaire de l’Université de Pennsylvanie et de l’Institut de technologie de Géorgie ont imagé les bactéries responsables de la carie dentaire en trois dimensions dans leur environnement naturel, le biofilm collant connu sous le nom de plaque dentaire formé sur les dents des tout-petits atteints de caries.

Les travaux, publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, ont révélé que Streptococcus mutans, une espèce bactérienne majeure responsable de la carie dentaire, est enfermée dans une communauté protectrice multicouche d’autres bactéries et de polymères formant une organisation spatiale unique associée à la localisation de l’apparition de la maladie.

“Nous avons commencé avec ces échantillons cliniques, des dents extraites d’enfants atteints de caries sévères”, explique Hyun (Michel) Koo de Penn Dental Medicine, coauteur principal des travaux. “La question qui a surgi dans notre esprit était de savoir comment ces bactéries sont organisées et si leur architecture spécifique peut nous renseigner sur la maladie qu’elles provoquent ?”

Pour répondre à cette question, les chercheurs, dont l’auteur principal Dongyeop Kim de Penn Dental Medicine et le coauteur principal Marvin Whiteley de Georgia Tech, ont utilisé une combinaison de microscopie confocale à super-résolution et de microscopie électronique à balayage avec une analyse informatique pour disséquer l’arrangement de S. mutans et d’autres microbes du biofilm intact sur les dents. Ces techniques ont permis à l’équipe d’examiner le biofilm couche par couche, obtenant une image tridimensionnelle des architectures spécifiques.

Cette approche, qui consiste à comprendre les emplacements et les schémas des bactéries, est celle que Whiteley a poursuivie dans d’autres maladies.

“Il est clair que l’identification des constituants du microbiome humain ne suffit pas pour comprendre leur impact sur la santé humaine”, déclare Whiteley. “Nous devons également savoir comment ils sont organisés dans l’espace. Cet aspect est largement sous-étudié car il est difficile d’obtenir des échantillons intacts qui conservent la structure spatiale.”

Dans le travail actuel, les chercheurs ont découvert que S. mutans dans la plaque dentaire apparaissait le plus souvent d’une manière particulière : disposé en un monticule contre la surface de la dent. Mais il n’était pas seul. Alors que S. mutans formait le noyau interne de l’architecture rotative, d’autres bactéries commensales, telles que S. oralis, formaient des couches externes supplémentaires précisément disposées en une structure semblable à une couronne. Ces couches étaient soutenues et séparées par un échafaudage extracellulaire composé de sucres produits par S. mutans, ce qui a permis d’enfermer et de protéger efficacement les bactéries pathogènes.

“Nous avons trouvé cette communauté très ordonnée avec une accumulation dense de S. mutans au milieu, entourée de ces “halos” de différentes bactéries, et nous nous sommes demandés comment cela pouvait provoquer des caries dentaires”, explique Koo. “

Pour en savoir plus sur l’impact de la structure sur la fonction du biofilm, l’équipe de recherche a tenté de recréer en laboratoire les formations naturelles de la plaque dentaire sur une surface ressemblant à une dent en utilisant S. mutans, S. oralis et une solution sucrée. Ils ont réussi à faire pousser des architectures de forme rotonde et ont ensuite mesuré les niveaux d’acide et de déminéralisation qui y étaient associés.

“Ce que nous avons découvert, et ce qui était passionnant pour nous, c’est que les zones rotondes correspondaient parfaitement aux niveaux de déminéralisation et d’acide élevés sur la surface de l’émail”, explique Koo. Cela reflète ce que les cliniciens voient lorsqu’ils découvrent des caries dentaires : des zones ponctuées de décalcification appelées “taches blanches”. La structure en forme de dôme pourrait expliquer comment les caries prennent naissance.”

Dans une dernière série d’expériences, l’équipe a mis la communauté rotonde à l’épreuve, en appliquant un traitement antimicrobien et en observant comment les bactéries se comportaient. Lorsque les structures rotondes étaient intactes, les S. mutans du noyau interne ont largement évité de mourir du traitement antimicrobien. Seule la rupture du matériau d’échafaudage maintenant les couches externes ensemble a permis à l’antimicrobien de pénétrer et de tuer efficacement les bactéries responsables de la cavité.

Les résultats de l’étude peuvent aider les chercheurs à cibler plus efficacement le noyau pathogène des biofilms dentaires, mais ont également des implications pour d’autres domaines.

“Cela démontre que la structure spatiale du microbiome peut médier la fonction et le résultat de la maladie, ce qui pourrait être applicable à d’autres domaines médicaux traitant des infections polymicrobiennes”, dit Koo.

“Ce n’est pas seulement quels agents pathogènes sont présents, mais comment ils sont structurés qui vous renseigne sur la maladie qu’ils causent”, ajoute Whiteley. “Les bactéries sont des créatures hautement sociales et ont des amis et des ennemis qui dictent leurs comportements.”

Le domaine de la biogéographie microbienne est jeune, disent les chercheurs, mais étendre cette démonstration qui lie la structure de la communauté avec l’apparition de la maladie ouvre un vaste éventail de possibilités pour de futures connaissances médicalement pertinentes.

Dongyeop Kim était associé de recherche au département d’orthodontie de la Penn’s School of Dental Medicine et est maintenant professeur adjoint à l’Université nationale de Jeonbuk (Corée).

Hyun (Michel) Koo est professeur au département d’orthodontie de la Penn’s School of Dental Medicine dans les divisions de la santé bucco-dentaire communautaire et de la dentisterie pédiatrique.

Marvin Whiteley est professeur de sciences biologiques, titulaire de la chaire de biologie moléculaire et cellulaire Bennie H. et Nelson D. Abell de Georgia Tech, et co-directeur du Georgia Research Alliance Eminent Scholar au Emory-Children’s CF Center de Georgia Institute of Technology.

Les coauteurs de Koo, Kim et Whiteley étaient Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci et Evlambia Hajishengallis de Penn Dental Medicine, Juan P. Barraza de Georgia Tech et Anderson Hara et Karl Lewis de l’Université de l’Indiana.

Ces travaux ont été soutenus en partie par le National Institute for Dental and Craniofacial Research (subventions DE025220, DE018023, DE020100 et DE023193).

La recherche a été soutenue en partie par le National Institute for Dental and Craniofacial Research (subventions DE025220, DE018023, DE020100 et DE023193).