トランスレーショナルアプローチを採用し、ペンシルバニア大学歯学部とジョージア工科大学の研究者は、虫歯を引き起こす細菌を、その自然環境、すなわち虫歯に侵された幼児の歯に形成される歯垢という粘着性のバイオフィルムの中で3次元的に画像化しました。

ジャーナル『Proceedings of the National Academy of Sciences』に掲載されたこの研究は、虫歯の原因となる主要な細菌種であるStreptococcus mutansが、他の細菌およびポリマーからなる保護用の多層コミュニティに包まれて、病気の発症場所と関連する独特の空間組織を形成していることを発見しました。 「私たちの頭に浮かんだ疑問は、これらの細菌がどのように組織化されているのか、また、その特定の構造が、それらが引き起こす病気について教えてくれるのか、ということでした」

この疑問を解決するために、ペンシルベニア大学歯科医学部の主任研究者Dongyeop Kimとジョージア工科大学の共同研究者Marvin Whiteleyら研究チームは、超解像共焦点顕微鏡および走査電子顕微鏡と計算論分析の組み合わせを用いて、歯の上にそのまま存在するバイオフィルムの S. mutans やその他の微生物の配置を解剖しています。 これらの技術により、研究チームは、バイオフィルムを1層ずつ調べ、特定の構造の3次元画像を得ることができました。

細菌の位置とパターンを理解するというこのアプローチは、ホワイトリー氏が他の疾患で追求しているものです。 「また、それらがどのように空間的に組織化されているかを知る必要があります。 これは、空間構造を維持した無傷のサンプルを得ることが困難なため、ほとんど研究されていません」

今回の研究で、研究者たちは、歯垢中のS. mutansが、歯の表面に対して山状に配置された、特定の方法で現れることが最も多いことを発見しました。 しかし、それは単独ではなかった。 S. mutansは丸みを帯びた構造の内核を形成していたが、S. oralisなどの他の常在菌は、さらに外側の層を形成し、王冠のような構造を正確に整えていたのだ。 これらの層を支え、分離しているのは、S. mutansが産生する糖でできた細胞外足場であり、病気を引き起こす細菌を効果的に包み込んで保護していたのです」

「S. mutansが中央に密集し、それをさまざまな細菌の『光輪』が囲むという、非常に秩序だった群集を発見し、これがどうして虫歯を引き起こすのかと考えました」とKoo氏は語ります。 「

研究チームは、構造がバイオフィルムの機能にどのように影響するかを知るために、S. mutans、S. oralis、および砂糖溶液を用いて、実験室で歯のような表面に形成された天然の歯垢を再現することを試みました。 1034>

「私たちが発見したこと、そして私たちにとって刺激的だったことは、丸みを帯びた部分が、エナメル質表面の脱灰や高い酸レベルに完全に一致することです」とKoo氏は言います。 これは、臨床医がう蝕を発見したときに見る、「ホワイトスポット」と呼ばれる脱灰の断続的な領域と同じものです。 このドーム状の構造は、虫歯がどのように発生するかを説明できるかもしれません」

最後の実験として、研究チームは、丸みを帯びたコミュニティをテストにかけ、抗菌処理を施して、細菌がどのように生き延びるかを観察しました。 その結果、円筒形の構造体をそのままにしておくと、内側のコアにいるS. mutansは抗菌処理による死滅をほとんど避けることができた。 1034>