Uma abordagem translacional, pesquisadores da Faculdade de Medicina Dentária da Universidade da Pensilvânia e do Instituto de Tecnologia da Geórgia fizeram imagens das bactérias que causam cáries em três dimensões em seu ambiente natural, o biofilme pegajoso conhecido como placa dentária formada nos dentes das crianças que eram afetadas por cáries.

O trabalho, publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, descobriu que o Streptococcus mutans, uma das principais espécies bacterianas responsáveis pela cárie dentária, está envolto em uma comunidade protetora multicamadas de outras bactérias e polímeros formando uma organização espacial única associada à localização do início da doença.

“Começamos com essas amostras clínicas, extraímos dentes de crianças com cárie dentária grave”, diz Hyun (Michel) Koo da Penn Dental Medicine, co-autor sênior do trabalho. “A pergunta que surgiu em nossas mentes foi, como essas bactérias estão organizadas e se sua arquitetura específica pode nos dizer sobre a doença que causam…”

Para abordar essa questão, os pesquisadores, incluindo o autor principal Dongyeop Kim da Penn Dental Medicine e o co-autor sênior Marvin Whiteley da Georgia Tech, usaram uma combinação de super-resolução confocal e microscopia eletrônica de varredura com análise computacional para dissecar o arranjo de S. mutans e outros micróbios do biofilme intacto nos dentes. Essas técnicas permitiram à equipe examinar o biofilme camada por camada, ganhando uma imagem tridimensional das arquiteturas específicas.

Essa abordagem, de entender os locais e padrões de bactérias, é uma que Whiteley tem buscado em outras doenças.

“É claro que identificar os constituintes do microbioma humano não é suficiente para entender seu impacto na saúde humana”, diz Whiteley. “Também temos que saber como eles estão organizados espacialmente”. No trabalho atual, os pesquisadores descobriram que S. mutans em placa dentária aparecem com mais frequência de uma forma particular: dispostos em um monte contra a superfície do dente. Mas não estava sozinho. Enquanto S. mutans formava o núcleo interno da arquitetura rotunda, outras bactérias comensal, como S. oralis, formavam camadas externas adicionais precisamente dispostas em uma estrutura semelhante a uma coroa. Suportando e separando essas camadas estava um andaime extracelular feito de açúcares produzidos por S. mutans, efetivamente enclausurando e protegendo as bactérias causadoras de doenças.

“Nós encontramos essa comunidade altamente ordenada com um acúmulo denso de S. mutans no meio cercado por esses ‘halos’ de diferentes bactérias, e nos perguntamos como isso poderia causar cáries dentárias”, diz Koo. “

Para saber mais sobre como a estrutura impactou a função do biofilme, a equipe de pesquisa tentou recriar as formações naturais da placa bacteriana em uma superfície semelhante a um dente no laboratório usando S. mutans, S. oralis, e uma solução de açúcar. Eles cresceram com sucesso na arquitetura em forma de rotunda e depois mediram os níveis de ácido e desmineralização associados a eles.

“O que descobrimos, e o que foi excitante para nós, é que as áreas de rotunda combinaram perfeitamente com os níveis desmineralizados e altos de ácido na superfície do esmalte”, diz Koo. “Isto espelha o que os clínicos vêem quando encontram cárie dentária: áreas pontuadas de descalcificação conhecidas como ‘manchas brancas'”. A estrutura domelike poderia explicar como as cáries começam”

Num conjunto final de experiências, a equipa colocou a comunidade rotunda à prova, aplicando um tratamento antimicrobiano e observando como as bactérias se saíam. Quando as estruturas rotundas estavam intactas, os S. mutans do núcleo interno evitaram em grande parte morrer devido ao tratamento antimicrobiano. Somente a quebra do material do andaime mantendo as camadas externas juntas permitiu que o antimicrobiano penetrasse e matasse efetivamente as bactérias causadoras da cavidade.

Os resultados do estudo podem ajudar o pesquisador a visar mais efetivamente o núcleo patogênico dos biofilmes dentários, mas também têm implicações para outros campos.

“Ele demonstra que a estrutura espacial do microbioma pode mediar a função e o resultado da doença, o que poderia ser aplicável a outros campos médicos que lidam com infecções polimicrobianas”, diz Koo.

“Não é apenas quais patógenos estão lá, mas como eles estão estruturados que lhe fala sobre a doença que eles causam”, acrescenta Whiteley. “As bactérias são criaturas altamente sociais e têm amigos e inimigos que ditam seus comportamentos”

O campo da biogeografia microbiana é jovem, dizem os pesquisadores, mas ampliar esta demonstração que liga a estrutura da comunidade com o início da doença abre uma vasta gama de possibilidades para futuras percepções medicamente relevantes”.

Dongyeop Kim foi pesquisador associado no Departamento de Ortodontia da Penn’s School of Dental Medicine e agora é professor assistente na Jeonbuk National University (Korea).

Hyun (Michel) Koo é professor no Departamento de Ortodontia da Penn’s School of Dental Medicine nas divisões de Saúde Bucal Comunitária e Odontologia Pediátrica.

Marvin Whiteley é professor de ciências biológicas, o Georgia Tech Bennie H. e Nelson D. Abell Chair in Molecular and Cellular Biology, e o Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-director no Emory-Children’s CF Center do Georgia Institute of Technology.

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

O trabalho foi apoiado em parte pelo Instituto Nacional de Pesquisa Dentária e Craniofacial (bolsas DE025220, DE018023, DE020100 e DE023193).