In een translationele benadering hebben onderzoekers van de University of Pennsylvania School of Dental Medicine en het Georgia Institute of Technology de bacteriën die tandbederf veroorzaken in drie dimensies afgebeeld in hun natuurlijke omgeving, de kleverige biofilm bekend als tandplaque gevormd op de tanden van peuters die waren aangetast door gaatjes.
Het werk, gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences, ontdekte dat Streptococcus mutans, een belangrijke bacteriesoort die verantwoordelijk is voor tandbederf, is ingekapseld in een beschermende meerlagige gemeenschap van andere bacteriën en polymeren die een unieke ruimtelijke organisatie vormen die geassocieerd is met de locatie van het begin van de ziekte.
“We begonnen met deze klinische monsters, geëxtraheerde tanden van kinderen met ernstig tandbederf,” zegt Hyun (Michel) Koo van Penn Dental Medicine, een mede-senior auteur van het werk. “De vraag die bij ons opkwam was hoe deze bacteriën georganiseerd zijn en of hun specifieke architectuur ons iets kan vertellen over de ziekte die ze veroorzaken.”
Om deze vraag te beantwoorden, gebruikten de onderzoekers, waaronder hoofdauteur Dongyeop Kim van Penn Dental Medicine en co-senior auteur Marvin Whiteley van Georgia Tech, een combinatie van super-resolutie confocale en scanning-elektronenmicroscopie met computationele analyse om de rangschikking van S. mutans en andere microben van de intacte biofilm op de tanden te ontleden. Met deze technieken kon het team de biofilm laag voor laag onderzoeken, waardoor een driedimensionaal beeld ontstond van de specifieke architecturen.
Deze benadering, van het begrijpen van de locaties en patronen van bacteriën, is er een die Whiteley heeft nagestreefd bij andere ziekten.
“Het is duidelijk dat het identificeren van de bestanddelen van het menselijk microbioom niet genoeg is om hun impact op de menselijke gezondheid te begrijpen,” zegt Whiteley. “We moeten ook weten hoe ze ruimtelijk georganiseerd zijn. Dit is grotendeels onderbestudeerd omdat het verkrijgen van intacte monsters met behoud van ruimtelijke structuur moeilijk is.”
In het huidige werk ontdekten de onderzoekers dat S. mutans in tandplaque het vaakst op een bepaalde manier voorkwam: gerangschikt in een hoop tegen het tandoppervlak. Maar het was niet alleen. Terwijl S. mutans de binnenste kern van de rotundimensionele architectuur vormde, vormden andere commensale bacteriën, zoals S. oralis, extra buitenste lagen die precies in een kroonachtige structuur waren gerangschikt. Ondersteunend en scheidend tussen deze lagen was een extracellulaire steiger gemaakt van suikers geproduceerd door S. mutans, effectief omhullend en beschermend voor de ziekteveroorzakende bacteriën.
“We vonden deze zeer geordende gemeenschap met een dichte opeenhoping van S. mutans in het midden omgeven door deze ‘halo’s’ van verschillende bacteriën, en vroegen ons af hoe dit tandbederf kon veroorzaken,” zegt Koo. “
Om meer te weten te komen over hoe de structuur de functie van de biofilm beïnvloedt, probeerde het onderzoeksteam de natuurlijke plaqueformaties op een tandachtig oppervlak in het lab na te bootsen met behulp van S. mutans, S. oralis, en een suikeroplossing. Met succes kweekten zij een rotund-vormige architectuur en maten vervolgens de zuur- en demineralisatieniveaus die daarmee samenhingen.
“Wat we ontdekten, en wat spannend voor ons was, is dat de rotund-vormige gebieden perfect overeenkwamen met de gedemineraliseerde en hoge zuurniveaus op het glazuuroppervlak,” zegt Koo. “Dit komt overeen met wat artsen zien wanneer ze cariës vinden: onderbroken gebieden van ontkalking die bekend staan als ‘witte vlekken’. De koepelachtige structuur zou kunnen verklaren hoe gaatjes ontstaan.”
In een laatste reeks experimenten stelde het team de rotund community op de proef, door een antimicrobiële behandeling toe te passen en te observeren hoe de bacteriën het er vanaf brachten. Wanneer de rotundstructuren intact waren, vermeden de S. mutans in de binnenste kern grotendeels te sterven door de antimicrobiële behandeling. Alleen het breken van het steigermateriaal dat de buitenste lagen bij elkaar houdt, stelde het antimicrobiële middel in staat door te dringen en effectief de holte-veroorzakende bacteriën te doden.
De bevindingen van de studie kunnen onderzoekers helpen effectiever de pathogene kern van tandheelkundige biofilms aan te pakken, maar hebben ook implicaties voor andere gebieden.
“Het toont aan dat de ruimtelijke structuur van het microbioom de functie en het ziekteverloop kan beïnvloeden, wat van toepassing zou kunnen zijn op andere medische gebieden die te maken hebben met polymicrobiële infecties,” zegt Koo.
“Het is niet alleen welke pathogenen er zijn, maar hoe ze gestructureerd zijn, dat vertelt je over de ziekte die ze veroorzaken,” voegt Whiteley toe. “Bacteriën zijn zeer sociale wezens en hebben vrienden en vijanden die hun gedrag dicteren.”
Het veld van microbiële biogeografie is jong, zeggen de onderzoekers, maar het uitbreiden van deze demonstratie die gemeenschapsstructuur koppelt aan het ontstaan van ziekten, opent een enorme reeks mogelijkheden voor toekomstige medisch relevante inzichten.
Dongyeop Kim was onderzoeksmedewerker aan Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics en is nu assistent-professor aan de Jeonbuk National University (Korea).
Hyun (Michel) Koo is professor aan Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics in de divisies van Community Oral Health en Pediatric Dentistry.
Marvin Whiteley is hoogleraar biologische wetenschappen, de Georgia Tech Bennie H. en Nelson D. Abell Chair in Molecular and Cellular Biology, en de Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-directeur in Emory-Children’s CF Center aan het Georgia Institute of Technology.
Koo, Kim, en Whiteley’s coauteurs waren Penn Dental Medicine’s Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci, en Evlambia Hajishengallis; Georgia Tech’s Juan P. Barraza; en Indiana University’s Anderson Hara en Karl Lewis.
Het werk werd gedeeltelijk ondersteund door het National Institute for Dental and Craniofacial Research (subsidies DE025220, DE018023, DE020100, en DE023193).