Используя трансляционный подход, исследователи из Школы стоматологической медицины Университета Пенсильвании и Технологического института Джорджии визуализировали бактерии, вызывающие кариес, в трех измерениях в их естественной среде обитания, липкую биопленку, известную как зубной налет, образовавшийся на зубах малышей. пораженный полостями.
Работа, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показала, что Streptococcus mutans, основной вид бактерий, ответственных за разрушение зубов, заключен в защитное многослойное сообщество других бактерий и полимеров, образующих уникальную пространственную организацию, связанную с местоположением. начала болезни.
«Мы начали с этих клинических образцов, удаленных зубов у детей с тяжелым кариесом», – говорит Хюн (Мишель) Ку из Penn Dental Medicine, соавтор работы. "У нас возник вопрос, как организованы эти бактерии и может ли их конкретная архитектура рассказать нам о вызываемом ими заболевании?"
Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи, включая ведущего автора Донгёпа Кима из Penn Dental Medicine и соавтора Марвина Уайтли из Технологического института Джорджии, использовали комбинацию конфокальной и сканирующей электронной микроскопии сверхвысокого разрешения с вычислительным анализом для анализа расположения S. mutans и другие микробы неповрежденной биопленки на зубах.
Эти методы позволили команде исследовать биопленку слой за слоем, получая трехмерное изображение конкретных архитектур.
Этот подход к пониманию местоположения и структуры бактерий – тот, который Уайтли применял при других заболеваниях.
«Ясно, что идентификации составляющих микробиома человека недостаточно, чтобы понять их влияние на здоровье человека», – говорит Уайтли. «Мы также должны знать, как они пространственно организованы. Это в значительной степени недостаточно изучено, поскольку получение неповрежденных образцов, сохраняющих пространственную структуру, затруднено."
В текущей работе исследователи обнаружили, что S. mutans в зубном налете чаще всего проявлялся особым образом: располагался бугорком на поверхности зуба. Но это было не только. В то время как S. mutans сформировали внутреннее ядро округлой архитектуры, другие комменсальные бактерии, такие как S. оральный, образует дополнительные внешние слои, точно расположенные в виде коронообразной структуры. Эти слои поддерживал и разделял внеклеточный каркас из сахаров, продуцируемых S. mutans, эффективно покрывая и защищая болезнетворные бактерии.
"Мы обнаружили это высокоупорядоченное сообщество с плотным скоплением S. mutans в центре, окруженный этими «ореолами» различных бактерий, и задавался вопросом, как это могло вызвать кариес », – говорит Ку. "
Чтобы узнать больше о том, как структура влияет на функцию биопленки, исследовательская группа попыталась воссоздать естественные образования зубного налета на зубной поверхности в лаборатории, используя S. mutans, S. оральный и сахарный раствор. Они успешно вырастили округлую архитектуру, а затем измерили уровни кислоты и деминерализации, связанные с ними.
«Что мы обнаружили, и что нас порадовало, так это то, что округлые области идеально сочетаются с деминерализованной и высокой кислотностью на поверхности эмали», – говорит Ку. "Это отражает то, что врачи видят, когда обнаруживают кариес зубов: точечные участки декальцификации, известные как" белые пятна ".’Куполообразная структура может объяснить, как зарождаются полости."
В заключительной серии экспериментов команда проверила пухлое сообщество, применив противомикробное лечение и наблюдая, как живут бактерии.
Когда округлые конструкции были целы, S. mutans во внутреннем ядре в значительной степени избежали смерти от противомикробного лечения. Только разрушение материала каркаса, удерживающего внешние слои вместе, позволило антимикробному веществу проникнуть и эффективно убить бактерии, вызывающие кариес.
Результаты исследования могут помочь исследователям более эффективно воздействовать на патогенное ядро зубных биопленок, но также имеют значение для других областей.
«Это демонстрирует, что пространственная структура микробиома может опосредовать функцию и исход заболевания, что может быть применимо к другим областям медицины, имеющим дело с полимикробными инфекциями», – говорит Ку.
«Не только то, какие патогены существуют, но и то, как они устроены, говорит вам о болезни, которую они вызывают», – добавляет Уайтли. "Бактерии – очень социальные существа, у них есть друзья и враги, которые определяют их поведение."
Исследователи говорят, что область микробной биогеографии молода, но расширение этой демонстрации, которая связывает структуру сообщества с началом болезни, открывает широкий спектр возможностей для будущих медицинских исследований.
Донгёп Ким был научным сотрудником отделения ортодонтии Школы стоматологической медицины Пенна, а сейчас является доцентом в Национальном университете Чонбук (Корея).
Хён (Мишель) Ку – профессор кафедры ортодонтии Школы стоматологической медицины Пенсильвании в отделениях общественного здоровья полости рта и детской стоматологии.
Марвин Уайтли – профессор биологических наук Технологического института Джорджии Бенни Х. и Нельсон Д. Председатель кафедры молекулярной и клеточной биологии Абелла и соруководитель выдающегося научного сотрудника Исследовательского альянса Джорджии в Детском центре МВ Эмори Технологического института Джорджии.
Соавторами Ку, Ким и Уайтли были Родриго А. Артур, Юань Лю, Элизабет Л. Scisci и Evlambia Hajishengallis; Хуан П. из Технологического института Джорджии. Барраза; и Андерсон Хара из Университета Индианы и Карл Льюис.
Работа частично поддержана Национальным институтом стоматологических и черепно-лицевых исследований (гранты DE025220, DE018023, DE020100 и DE023193).