导致蛀牙的细菌在人类牙齿上组成了一支保护性微生物大军

在培养皿或试管中研究细菌已经深入了解了它们是如何发挥作用的，在某些情况下，是如何导致疾病的。但这种方法忽略了细菌在现实世界中如何行动的关键细节。

宾夕法尼亚大学牙科医学院和乔治亚理工学院的研究人员采用了一种转译方法，对牙齿进行了成像细菌导致蛀牙在它们的自然环境中，这种黏黏的生物膜被称为牙菌斑在幼童的牙齿上形成的蛀牙。

这项研究发表在杂志上美国国家科学院院刊，发现变形链球菌是一种导致蛀牙的主要细菌，它被包裹在由其他细菌和聚合物组成的多层保护性群落中，形成一种独特的空间组织，与疾病发生的位置相关。

“我们从这些临床样本开始，从蛀牙严重的儿童身上提取牙齿，”宾夕法尼亚大学牙科医学院的Hyun (Michel) Koo说，他是这项研究的资深合著者。“我们突然想到的问题是，这些细菌是如何组织的，它们的特定结构是否可以告诉我们它们引起的疾病?”

为了解决这个问题，研究人员，包括宾夕法尼亚牙科医学院的Dongyeop Kim和佐治亚理工学院的共同资深作者Marvin Whiteley，使用了超分辨率共聚焦和扫描电子显微镜结合计算分析来解剖排列变异链球菌和牙齿上完整的生物膜中的其他微生物。这些技术使研究小组可以一层一层地检查生物膜，获得特定结构的三维图像。

这种理解细菌的位置和模式的方法，是Whiteley在其他疾病中所追求的。

Whiteley说:“很明显，确定人类微生物组的组成部分还不足以理解它们对人类健康的影响。”“我们还必须知道它们是如何在空间上组织的。这在很大程度上还在研究中，因为很难获得保持空间结构的完整样本。”

在目前的研究中，研究人员发现变异链球菌牙菌斑通常以一种特殊的方式出现:在牙齿表面排列成一堆。但它并不孤单。而变异链球菌形成了内部核心的圆形结构，其他共生细菌如美国oralis形成了额外的外层，精确排列成冠状结构。支撑和分离这些层的是一种细胞外支架，由糖产生变异链球菌有效地包裹和保护了致病细菌。

“我们发现了这个高度有序的社区，有密集的变异链球菌中间被这些不同细菌的‘光环’包围着，我想知道这是如何导致蛀牙的，”Koo说。

为了更多地了解结构如何影响生物膜的功能，研究团队试图在实验室中用牙状表面重现天然斑块的形成变异链球菌，美国oralis和糖溶液。他们成功地培育出了圆形的结构，然后测量了与之相关的酸和脱矿水平。

古说:“我们发现的是，让我们兴奋的是，圆形区域与牙釉质表面的脱矿和高酸水平完美匹配。”“这反映了临床医生发现龋齿时所看到的情况:被称为‘白点’的脱钙点状区域。这种圆顶状的结构可以解释蛀牙是如何开始的。”

在最后一组实验中，研究小组对圆形群落进行了测试，应用了抗菌处理并观察了细菌的生长情况。当圆形结构完好无损时变异链球菌在内核中很大程度上避免了死于抗菌治疗。只有打破支撑外层的支架材料，抗菌素才能穿透并有效杀死导致蛀牙的细菌。

这项研究的发现可能有助于研究人员更有效地瞄准牙齿生物膜的致病核心，但也对其他领域有影响。

“这表明空间结构微生物组的基因可能调节功能和疾病结局，这可能适用于处理多微生物感染的其他医学领域，”Koo说。

Whiteley补充说:“不仅仅是病原体的种类，还有它们的结构，这告诉你它们引起的疾病。”“细菌是高度社会化的生物，它们的朋友和敌人决定了它们的行为。”

研究人员说，微生物生物地理学领域还很年轻，但扩展这一将群落结构与疾病发作联系起来的论证，为未来的医学相关见解提供了大量的可能性。

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