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引起蛀牙的細菌在人的牙齒上聚集了一大批保護性微生物

對皮氏培養皿或試管中細菌的研究已深入了解了它們的功能,并在某些情況下助長了疾病。但是這種方法忽略了細菌在現實世界中的行為的關鍵細節。

賓夕法尼亞大學牙科醫學院和佐治亞理工學院的研究人員采用一種轉化方法,對在自然環境中導致牙齒腐爛的細菌進行了三維成像,該細菌在嬰兒的牙齒上形成了稱為牙菌斑的粘性生物膜。受空洞影響。

這項工作發表在《美國國家科學院院刊》上,發現變形鏈球菌是造成蛀牙的主要細菌,被包裹在其他細菌和聚合物的保護性多層群落中,形成與該位置相關的獨特空間組織這種疾病的發作。

“我們從這些臨床樣品開始,從嚴重蛀牙的兒童中提取牙齒,”這項研究的共同資深作者,賓夕法尼亞大學牙科醫學系的Hyun(Michel)Koo說。“我們想到的問題是,這些細菌是如何組織的,它們的特定結構是否可以告訴我們它們引起的疾病?”

為了解決這個問題,包括Penn Dental Medicine的第一作者Dongyeop Kim和佐治亞理工學院的共同資深作者Marvin Whiteley在內的研究人員將超分辨率共聚焦和掃描電子顯微鏡與計算分析相結合,以剖析S的排列。牙齒上完整的生物膜的變形菌和其他微生物。這些技術使團隊可以逐層檢查生物膜,從而獲得特定體系結構的三維圖片。

Whiteley在其他疾病中一直追求這種了解細菌的位置和模式的方法。

懷特利說:“很明顯,僅僅鑒定人類微生物組的成分不足以了解它們對人類健康的影響。”“我們還必須知道它們的空間組織方式。這在很大程度上受到研究,因為要獲得保持空間結構的完整樣本很困難。”

在當前的工作中,研究人員發現,牙菌斑中的變形鏈球菌通常以一種特殊的方式出現:排列在土堆上,緊貼牙齒表面。但這并不孤單。而變形鏈球菌形成圓嘟嘟體系結構的內芯,其它共生細菌,如口腔鏈球菌,形成精確地布置在crownlike結構附加外層。支持和分離這些層的是由變形鏈球菌產生的糖制成的細胞外支架,可有效包裹和保護致病細菌。

Koo說:“我們發現了這個高度有序的群落,中間聚集著變形鏈球菌,這些變異菌被這些細菌的'暈輪'圍繞著,并想知道這如何導致牙齒腐爛。””

要了解更多關于結構如何影響生物膜的功能,研究小組試圖重新在齒狀表面在實驗室中利用自然斑塊地層變形鏈球菌,口腔鏈球菌,以及糖溶液。他們成功地形成了圓形建筑,然后測量了與之相關的酸和脫礦質含量。

Koo說:“我們發現的,令我們興奮的是,圓形區域與搪瓷表面的脫礦物質和高酸含量完全匹配。”“這反映了臨床醫生發現齲齒時會看到的東西:被稱為“白斑”的脫鈣點狀區域。圓頂狀結構可以解釋空腔是如何開始的。”

在最后一組實驗中,研究小組對圓形大廳群落進行了測試,進行了抗菌處理并觀察了細菌的繁殖情況。當圓形結構完好無損時,內核中的變形鏈球菌在很大程度上避免了因抗菌處理而死亡。只有將將外層固定在一起的腳手架材料打碎,抗菌劑才能滲透并有效殺死引起蛀牙的細菌。

該研究結果可能有助于研究人員更有效地靶向牙齒生物膜的致病核心,但也可能對其他領域產生影響。

Koo說:“這表明微生物組的空間結構可能介導功能和疾病的結果,這可能適用于其他處理微生物感染的醫學領域。”

懷特利補充說:“不僅僅是那里的病原體,還有它們的結構告訴你它們引起的疾病。”“細菌是高度社交的生物,并有決定其行為的朋友和敵人。”

研究人員說,微生物生物地理學領域還很年輕,但是擴展這種將社區結構與疾病發作聯系起來的論證,為將來的醫學相關見解提供了廣泛的可能性。

Dongyeop Kim是Penn's牙科醫學院正畸學系的研究助理,現在是全北國立大學(韓國)的助理教授。

Hyun(Michel)Koo是賓夕法尼亞州口腔醫學院牙正畸學系的教授,位于社區口腔健康和兒科牙科部門。

Marvin Whiteley是生物科學教授,佐治亞理工學院Bennie H.和Nelson D. Abell分子和細胞生物學系主任,以及佐治亞理工學院Emory-Children CF中心的佐治亞研究聯盟杰出學者聯合主任。

Koo,Kim和Whiteley的合著者是Penn Dental Medicine的Rodrigo A. Arthur,Yuan Liu,Elizabeth L. Scisci和Evlambia Hajishengallis;佐治亞理工學院的Juan P.Barraza;印第安納大學的安德森·哈拉和卡爾·劉易斯。

這項工作得到了美國國家牙科和顱面研究所的部分支持(撥款DE025220,DE018023,DE020100和DE023193)。

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