Con un approccio traslazionale, i ricercatori della University of Pennsylvania School of Dental Medicine e del Georgia Institute of Technology hanno fotografato i batteri che causano la carie in tre dimensioni nel loro ambiente naturale, il biofilm appiccicoso noto come placca dentale formato sui denti dei bambini affetti da carie.

Il lavoro, pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, ha scoperto che Streptococcus mutans, una delle principali specie batteriche responsabili della carie, è racchiuso in una comunità multistrato protettiva di altri batteri e polimeri che formano un’organizzazione spaziale unica associata alla posizione dell’insorgenza della malattia.

“Abbiamo iniziato con questi campioni clinici, denti estratti da bambini con carie grave”, dice Hyun (Michel) Koo di Penn Dental Medicine, un autore co-senior sul lavoro. “La domanda che è saltato nella nostra mente era, come questi batteri sono organizzati e se la loro architettura specifica può dirci circa la malattia che causano?”

Per affrontare questa domanda, i ricercatori, tra cui l’autore principale Dongyeop Kim di Penn Dental Medicine e co-autore senior Marvin Whiteley di Georgia Tech, utilizzato una combinazione di super-risoluzione confocale e microscopia elettronica a scansione con analisi computazionale per sezionare la disposizione di S. mutans e altri microbi del biofilm intatto sui denti. Queste tecniche hanno permesso al team di esaminare il biofilm strato per strato, ottenendo un quadro tridimensionale delle architetture specifiche.

Questo approccio, di comprendere le posizioni e i modelli di batteri, è uno che Whiteley ha perseguito in altre malattie.

“È chiaro che identificare i costituenti del microbioma umano non è sufficiente per capire il loro impatto sulla salute umana,” dice Whiteley. “Dobbiamo anche sapere come sono organizzati spazialmente. Questo è in gran parte sotto studiato come ottenere campioni intatti che mantengono la struttura spaziale è difficile.”

Nel lavoro attuale, i ricercatori hanno scoperto che S. mutans nella placca dentale più spesso appariva in un modo particolare: organizzato in un mucchio contro la superficie del dente. Ma non era solo. Mentre S. mutans formava il nucleo interno dell’architettura rotonda, altri batteri commensali, come S. oralis, formavano ulteriori strati esterni disposti con precisione in una struttura simile a una corona. A sostenere e separare questi strati c’era un’impalcatura extracellulare fatta di zuccheri prodotti da S. mutans, che racchiudeva e proteggeva efficacemente i batteri che causavano la malattia.

“Abbiamo trovato questa comunità altamente ordinata con un denso accumulo di S. mutans al centro circondato da questi ‘aloni’ di batteri diversi, e ci siamo chiesti come questo potesse causare la carie”, dice Koo. “

Per saperne di più su come la struttura ha avuto un impatto sulla funzione del biofilm, il team di ricerca ha cercato di ricreare le formazioni di placca naturale su una superficie simile a un dente in laboratorio utilizzando S. mutans, S. oralis e una soluzione di zucchero. Hanno fatto crescere con successo un’architettura a forma rotondeggiante e poi hanno misurato i livelli di acido e demineralizzazione associati ad essi.

“Quello che abbiamo scoperto, e che è stato eccitante per noi, è che le aree rotonde corrispondevano perfettamente ai livelli di demineralizzazione e di alto acido sulla superficie dello smalto”, dice Koo. Questo rispecchia ciò che i medici vedono quando trovano la carie: aree punteggiate di decalcificazione conosciute come “macchie bianche”. La struttura a cupola potrebbe spiegare come le carie iniziano”.”

In un’ultima serie di esperimenti, il team ha messo alla prova la comunità rotonda, applicando un trattamento antimicrobico e osservando come i batteri se la sono cavata. Quando le strutture rotonde erano intatte, gli S. mutans nel nucleo interno evitavano ampiamente di morire a causa del trattamento antimicrobico. Solo rompendo il materiale di impalcatura che tiene insieme gli strati esterni ha permesso all’antimicrobico di penetrare e uccidere efficacemente i batteri che causano la cavità.

I risultati dello studio possono aiutare i ricercatori a colpire più efficacemente il nucleo patogeno dei biofilm dentali ma hanno anche implicazioni per altri campi.

“Dimostra che la struttura spaziale del microbioma può mediare la funzione e l’esito della malattia, che potrebbe essere applicabile ad altri campi medici che si occupano di infezioni polimicrobiche”, dice Koo.

“Non è solo quali patogeni sono lì, ma come sono strutturati che ti dice la malattia che causano”, aggiunge Whiteley. “I batteri sono creature altamente sociali e hanno amici e nemici che dettano i loro comportamenti.”

Il campo della biogeografia microbica è giovane, dicono i ricercatori, ma estendere questa dimostrazione che collega la struttura della comunità con l’insorgenza della malattia apre una vasta gamma di possibilità per future intuizioni rilevanti dal punto di vista medico.

Dongyeop Kim è stato ricercatore associato presso il Dipartimento di Ortodonzia della Scuola di Medicina Dentale della Penn e ora è professore assistente presso la Jeonbuk National University (Corea).

Hyun (Michel) Koo è professore presso il Dipartimento di Ortodonzia della Scuola di Medicina Dentale della Penn nelle divisioni di Salute Orale Comunitaria e Odontoiatria Pediatrica.

Marvin Whiteley è un professore di scienze biologiche, il Georgia Tech Bennie H. e Nelson D. Abell Chair in Biologia Molecolare e Cellulare, e il Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-direttore in Emory-Children’s CF Center presso il Georgia Institute of Technology.

Koo, Kim, e Whiteley coautori erano Penn Dental Medicine di Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci e Evlambia Hajishengallis; Juan P. Barraza del Georgia Tech e Anderson Hara e Karl Lewis dell’Indiana University.

Il lavoro è stato sostenuto in parte dall’Istituto nazionale per la ricerca dentale e craniofacciale (sovvenzioni DE025220, DE018023, DE020100 e DE023193).