Într-o abordare translațională, cercetătorii de la Școala de Medicină Dentară a Universității din Pennsylvania și de la Institutul de Tehnologie din Georgia au imaginat în trei dimensiuni bacteriile care cauzează cariile dentare în mediul lor natural, biofilmul lipicios cunoscut sub numele de placă dentară format pe dinții copiilor mici care au fost afectați de carii.

Lucrarea, publicată în revista Proceedings of the National Academy of Sciences, a descoperit că Streptococcus mutans, o specie bacteriană majoră responsabilă de cariile dentare, este învelită într-o comunitate protectoare multistratificată de alte bacterii și polimeri care formează o organizare spațială unică asociată cu locul de apariție a bolii.

“Am început cu aceste probe clinice, dinți extrași de la copii cu carii dentare severe”, spune Hyun (Michel) Koo de la Penn Dental Medicine, co-autor principal al lucrării. “Întrebarea care ne-a venit în minte a fost cum sunt organizate aceste bacterii și dacă arhitectura lor specifică ne poate spune despre boala pe care o provoacă?”

Pentru a răspunde la această întrebare, cercetătorii, inclusiv autorul principal Dongyeop Kim de la Penn Dental Medicine și co-autorul principal Marvin Whiteley de la Georgia Tech, au folosit o combinație de microscopie confocală de super-rezoluție și microscopie electronică de scanare cu analiză computațională pentru a diseca aranjamentul S. mutans și al altor microbi din biofilmul intact de pe dinți. Aceste tehnici au permis echipei să examineze biofilmul strat cu strat, obținând o imagine tridimensională a arhitecturilor specifice.

Această abordare, de înțelegere a locațiilor și modelelor bacteriilor, este una pe care Whiteley a urmărit-o și în alte boli.

“Este clar că identificarea constituenților microbiomului uman nu este suficientă pentru a înțelege impactul lor asupra sănătății umane”, spune Whiteley. “Trebuie să știm, de asemenea, cum sunt organizați din punct de vedere spațial. Acest lucru este în mare parte insuficient studiat, deoarece obținerea de eșantioane intacte care păstrează structura spațială este dificilă.”

În lucrarea actuală, cercetătorii au descoperit că S. mutans din placa dentară apărea cel mai adesea într-un mod special: aranjat într-o movilă pe suprafața dintelui. Dar nu era singur. În timp ce S. mutans a format nucleul interior al arhitecturii rotunde, alte bacterii comensale, cum ar fi S. oralis, au format straturi exterioare suplimentare dispuse cu precizie într-o structură asemănătoare unei coroane. Susținând și separând aceste straturi era o schelă extracelulară formată din zaharuri produse de S. mutans, învelind și protejând în mod eficient bacteriile care cauzează boala.

“Am găsit această comunitate extrem de ordonată, cu o acumulare densă de S. mutans în mijloc, înconjurată de aceste “halouri” de bacterii diferite, și ne-am întrebat cum ar putea aceasta să cauzeze cariile dentare”, spune Koo. “

Pentru a afla mai multe despre modul în care structura a influențat funcția biofilmului, echipa de cercetare a încercat să recreeze în laborator formațiunile naturale de placă pe o suprafață asemănătoare unui dinte, folosind S. mutans, S. oralis și o soluție de zahăr. Ei au reușit să crească cu succes o arhitectură în formă de rotund și apoi au măsurat nivelurile de acid și de demineralizare asociate cu acestea.

“Ceea ce am descoperit, și ceea ce a fost interesant pentru noi, este că zonele rotunde se potriveau perfect cu nivelurile demineralizate și de acid ridicat de pe suprafața smalțului”, spune Koo. “Acest lucru oglindește ceea ce văd clinicienii atunci când găsesc carii dentare: zone punctate de decalcifiere cunoscute sub numele de “pete albe”. Structura asemănătoare unui dom ar putea explica modul în care cariile își fac debutul.”

Într-un set final de experimente, echipa a pus la încercare comunitatea rotundă, aplicând un tratament antimicrobian și observând cum se descurcă bacteriile. Atunci când structurile rotunde erau intacte, S. mutans din nucleul interior a evitat în mare măsură să moară din cauza tratamentului antimicrobian. Doar ruperea materialului de eșafodaj care ținea împreună straturile exterioare a permis antimicrobianului să pătrundă și să ucidă în mod eficient bacteriile care cauzează carii.

Constatările studiului pot ajuta cercetătorii să țintească mai eficient nucleul patogen al biofilmelor dentare, dar au implicații și pentru alte domenii.

“Demonstrează că structura spațială a microbiomului poate media funcția și rezultatul bolii, ceea ce ar putea fi aplicabil în alte domenii medicale care se ocupă cu infecții polimicrobiene”, spune Koo.

“Nu este vorba doar despre ce agenți patogeni sunt acolo, ci și despre modul în care sunt structurați care vă spune despre boala pe care o provoacă”, adaugă Whiteley. “Bacteriile sunt creaturi foarte sociale și au prieteni și dușmani care le dictează comportamentele.”

Domeniul biogeografiei microbiene este tânăr, spun cercetătorii, dar extinderea acestei demonstrații care leagă structura comunității de declanșarea bolii deschide o gamă vastă de posibilități pentru viitoare cunoștințe relevante din punct de vedere medical.

Dongyeop Kim a fost cercetător asociat la Departamentul de Ortodonție al Școlii de Medicină Dentară de la Penn și este acum profesor asistent la Universitatea Națională Jeonbuk (Coreea).

Hyun (Michel) Koo este profesor la Departamentul de Ortodonție al Școlii de Medicină Dentară de la Penn, în cadrul diviziilor de Sănătate Orală Comunitară și Stomatologie Pediatrică.

Marvin Whiteley este profesor de științe biologice, Catedra de Biologie Moleculară și Celulară Bennie H. și Nelson D. Abell de la Georgia Tech și co-director al Georgia Research Alliance Eminent Scholar în cadrul Emory-Children’s CF Center de la Institutul de Tehnologie din Georgia.

Coautorii lui Koo, Kim și Whiteley au fost Rodrigo A. de la Penn Dental Medicine. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci și Evlambia Hajishengallis; Juan P. Barraza de la Georgia Tech; și Anderson Hara și Karl Lewis de la Universitatea Indiana.

Lucrarea a fost sprijinită parțial de Institutul Național pentru Cercetare Dentară și Craniofacială (granturile DE025220, DE018023, DE020100 și DE023193).