Med ett translationellt tillvägagångssätt har forskare vid University of Pennsylvania School of Dental Medicine och Georgia Institute of Technology avbildat de bakterier som orsakar karies i tre dimensioner i deras naturliga miljö, den klibbiga biofilm som kallas tandbeläggning och som bildas på småbarns tänder som drabbats av karies.
Arbetet, som publicerades i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences, visade att Streptococcus mutans, en av de viktigaste bakteriearterna som orsakar karies, är innesluten i ett skyddande flerskiktssamhälle av andra bakterier och polymerer som bildar en unik rumslig organisation som är kopplad till platsen för sjukdomsutbrottet.
“Vi började med dessa kliniska prover, extraherade tänder från barn med allvarlig karies”, säger Hyun (Michel) Koo från Penn Dental Medicine, som är en av huvudförfattarna till arbetet. “Frågan vi ställde oss var hur dessa bakterier är organiserade och om deras specifika arkitektur kan berätta om den sjukdom de orsakar.”
För att besvara denna fråga använde forskarna, inklusive huvudförfattaren Dongyeop Kim från Penn Dental Medicine och medförfattaren Marvin Whiteley från Georgia Tech, en kombination av konfokal mikroskopi och svepelektronmikroskopi med superupplösning och beräkningsanalys för att dissekera S. mutans och andra mikrober i den intakta biofilmen på tänderna. Dessa tekniker gjorde det möjligt för teamet att undersöka biofilmen lager för lager och få en tredimensionell bild av de specifika arkitekturerna.
Detta tillvägagångssätt, att förstå bakteriernas platser och mönster, är ett tillvägagångssätt som Whiteley har följt inom andra sjukdomar.
“Det är uppenbart att det inte räcker med att identifiera beståndsdelarna i människans mikrobiom för att förstå deras inverkan på människans hälsa”, säger Whiteley. “Vi måste också veta hur de är rumsligt organiserade. Detta är till stor del understuderat eftersom det är svårt att få intakta prover som bibehåller den rumsliga strukturen.”
I det aktuella arbetet upptäckte forskarna att S. mutans i tandplack oftast uppträdde på ett visst sätt: arrangerade i en hög mot tandens yta. Men den var inte ensam. Medan S. mutans bildade den inre kärnan i den ruttna arkitekturen, bildade andra kommensala bakterier, såsom S. oralis, ytterligare yttre lager som var exakt arrangerade i en kronliknande struktur. Dessa lager stöddes och skiljdes åt av en extracellulär ställning av socker som producerades av S. mutans, vilket effektivt omslöt och skyddade de sjukdomsframkallande bakterierna.
“Vi hittade detta mycket välordnade samhälle med en tät ansamling av S. mutans i mitten, omgiven av dessa “halos” av olika bakterier, och vi undrade hur detta skulle kunna orsaka karies”, säger Koo. “
För att lära sig mer om hur strukturen påverkade biofilmens funktion försökte forskargruppen återskapa de naturliga plackbildningarna på en tandliknande yta i labbet med hjälp av S. mutans, S. oralis och en sockerlösning. De lyckades odla fram en rundformad arkitektur och mätte sedan syra- och demineraliseringsnivåer som var förknippade med dem.
“Det vi upptäckte, och det som var spännande för oss, var att de rundformade områdena stämde perfekt överens med demineraliserade och höga syrenivåer på emaljytan”, säger Koo. “Detta speglar vad kliniker ser när de hittar karies: punktvisa områden med avkalkning som kallas “vita fläckar”. Den kupolliknande strukturen skulle kunna förklara hur karies uppstår.”
I en sista uppsättning experiment satte teamet det ruttna samhället på prov genom att applicera en antimikrobiell behandling och observera hur det gick för bakterierna. När de rotunda strukturerna var intakta undvek S. mutans i den inre kärnan i stort sett att dö av den antimikrobiella behandlingen. Endast genom att bryta upp det ställningsmaterial som håller ihop de yttre lagren kunde det antimikrobiella materialet tränga in och effektivt döda de kariesframkallande bakterierna.
Studieresultaten kan hjälpa forskare att på ett effektivare sätt rikta in sig på den sjukdomsframkallande kärnan i dentala biofilmer, men de kan också få konsekvenser för andra områden.
“Det visar att mikrobiomets rumsliga struktur kan förmedla funktion och sjukdomsutfall, vilket skulle kunna tillämpas på andra medicinska områden som behandlar polymikrobiella infektioner”, säger Koo.
“Det är inte bara vilka patogener som finns där, utan även hur de är strukturerade som säger något om den sjukdom som de orsakar”, tillägger Whiteley. “Bakterier är mycket sociala varelser och har vänner och fiender som dikterar deras beteende.”
Fältet för mikrobiell biogeografi är ungt, säger forskarna, men en utvidgning av denna demonstration som kopplar samman samhällets struktur med sjukdomsutbrottet öppnar upp ett stort antal möjligheter för framtida medicinskt relevanta insikter.
Dongyeop Kim var forskningsassistent vid avdelningen för ortodonti vid Penns School of Dental Medicine och är nu biträdande professor vid Jeonbuk National University (Korea).
Hyun (Michel) Koo är professor vid avdelningen för ortodonti vid Penns School of Dental Medicine och tillhör divisionerna för samhällets munhälsa och barntandvård.
Marvin Whiteley är professor i biologiska vetenskaper, Georgia Tech Bennie H. and Nelson D. Abell Chair in Molecular and Cellular Biology och Georgia Research Alliance Eminent Scholar co-director in Emory-Children’s CF Center at the Georgia Institute of Technology.
Koo, Kim och Whiteleys medförfattare var Penn Dental Medicine’s Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci och Evlambia Hajishengallis, Juan P. Barraza från Georgia Tech och Anderson Hara och Karl Lewis från Indiana University.
Arbetet stöddes delvis av National Institute for Dental and Craniofacial Research (bidrag DE025220, DE018023, DE020100 och DE023193).