Podejmując podejście translacyjne, badacze z University of Pennsylvania School of Dental Medicine i Georgia Institute of Technology zobrazowali bakterie powodujące próchnicę zębów w trzech wymiarach w ich naturalnym środowisku, lepkim biofilmie znanym jako płytka nazębna utworzona na zębach maluchów dotkniętych ubytkami.

Praca ta, opublikowana w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, wykazała, że Streptococcus mutans, główny gatunek bakterii odpowiedzialny za próchnicę zębów, jest zamknięty w ochronnej wielowarstwowej społeczności innych bakterii i polimerów tworzących unikalną organizację przestrzenną związaną z lokalizacją początku choroby.

“Zaczęliśmy od tych próbek klinicznych, ekstrakcji zębów od dzieci z ciężką próchnicą”, mówi Hyun (Michel) Koo z Penn Dental Medicine, współstarszy autor pracy. “Pytanie, które pojawiło się w naszych głowach było, jak te bakterie są zorganizowane i czy ich specyficzna architektura może nam powiedzieć o chorobie, którą powodują?”

Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy, w tym główny autor Dongyeop Kim z Penn Dental Medicine i współstarszy autor Marvin Whiteley z Georgia Tech, użyli kombinacji super-rozdzielczej mikroskopii konfokalnej i skaningowej mikroskopii elektronowej z analizą obliczeniową, aby rozebrać układ S. mutans i innych mikrobów nienaruszonego biofilmu na zębach. Techniki te pozwoliły zespołowi zbadać biofilm warstwa po warstwie, uzyskując trójwymiarowy obraz specyficznej architektury.

Takie podejście, zrozumienia lokalizacji i wzorców bakterii, jest jednym z tych, które Whiteley realizował w innych chorobach.

“Jest jasne, że identyfikacja składników ludzkiego mikrobiomu nie wystarczy, aby zrozumieć ich wpływ na zdrowie człowieka” – mówi Whiteley. “Musimy również wiedzieć, jak są one zorganizowane przestrzennie. Jest to w dużej mierze niezbadane, ponieważ uzyskanie nienaruszonych próbek, które zachowują strukturę przestrzenną, jest trudne.”

W obecnej pracy badacze odkryli, że S. mutans w płytce nazębnej najczęściej pojawiał się w szczególny sposób: ułożony w kopiec przy powierzchni zęba. Ale nie był on sam. Podczas gdy S. mutans tworzył wewnętrzny rdzeń tej rotundowej architektury, inne bakterie komensalne, takie jak S. oralis, tworzyły dodatkowe warstwy zewnętrzne, precyzyjnie ułożone w strukturę przypominającą koronę. Wsparciem i separacją tych warstw było pozakomórkowe rusztowanie wykonane z cukrów produkowanych przez S. mutans, skutecznie osłaniające i chroniące bakterie chorobotwórcze.

“Znaleźliśmy tę wysoce uporządkowaną społeczność z gęstym nagromadzeniem S. mutans w środku, otoczoną tymi ‘aureolami’ różnych bakterii, i zastanawialiśmy się, jak to może powodować próchnicę”, mówi Koo. “

Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak struktura wpływa na funkcję biofilmu, zespół badawczy próbował odtworzyć w laboratorium naturalne formacje płytki nazębnej na powierzchni podobnej do zęba, używając S. mutans, S. oralis i roztworu cukru. Udało im się wyhodować architekturę w kształcie rotundy, a następnie zmierzyć związane z nią poziomy kwasu i demineralizacji.

“To, co odkryliśmy i co było dla nas ekscytujące, to fakt, że obszary rotundowe doskonale pasowały do zdemineralizowanych i wysokich poziomów kwasu na powierzchni szkliwa”, mówi Koo. “Odzwierciedla to to, co klinicyści widzą, gdy stwierdzają próchnicę: punktowe obszary odwapnienia, znane jako ‘białe plamy’. Struktura przypominająca kopułę mogłaby wyjaśnić, jak zaczynają się ubytki.”

W ostatnim zestawie eksperymentów zespół poddał próbie społeczności rotundowe, stosując leczenie przeciwbakteryjne i obserwując, jak radziły sobie bakterie. Kiedy struktury rotundowe były nienaruszone, S. mutans w rdzeniu wewnętrznym w dużej mierze unikały śmierci z powodu leczenia przeciwdrobnoustrojowego. Jedynie rozbicie materiału rusztowania trzymającego razem zewnętrzne warstwy umożliwiło przeniknięcie środka przeciwdrobnoustrojowego i skuteczne zabicie bakterii powodujących ubytki.

Wyniki badań mogą pomóc badaczom skuteczniej celować w patogenny rdzeń biofilmów dentystycznych, ale mają również implikacje dla innych dziedzin.

“Pokazuje, że struktura przestrzenna mikrobiomu może pośredniczyć w funkcji i wyniku choroby, co może mieć zastosowanie w innych dziedzinach medycyny zajmujących się infekcjami polimikrobiologicznymi” – mówi Koo.

“Nie chodzi tylko o to, jakie patogeny tam występują, ale o to, jak są zorganizowane, co mówi o chorobie, którą wywołują” – dodaje Whiteley. “Bakterie są bardzo społecznymi stworzeniami i mają przyjaciół i wrogów, którzy dyktują ich zachowania.”

Pola biogeografii mikrobiologicznej jest młoda, mówią naukowcy, ale rozszerzenie tej demonstracji, która łączy strukturę społeczności z początkiem choroby otwiera szeroki wachlarz możliwości dla przyszłych medycznie istotnych spostrzeżeń.

Dongyeop Kim był pracownikiem naukowym w Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics, a obecnie jest adiunktem na Jeonbuk National University (Korea).

Hyun (Michel) Koo jest profesorem w Penn’s School of Dental Medicine’s Department of Orthodontics w działach Community Oral Health i Pediatric Dentistry.

Marvin Whiteley jest profesorem nauk biologicznych, Georgia Tech Bennie H. and Nelson D. Abell Chair in Molecular and Cellular Biology, and the Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-director in Emory-Children’s CF Center at the Georgia Institute of Technology.

Koo, Kim, and Whiteley’s coauthors were Penn Dental Medicine’s Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci i Evlambia Hajishengallis; Georgia Tech’s Juan P. Barraza; oraz Indiana University’s Anderson Hara i Karl Lewis.

Praca była wspierana częściowo przez National Institute for Dental and Craniofacial Research (granty DE025220, DE018023, DE020100, i DE023193).