對培養(yǎng)皿或試管中細菌的研究已經(jīng)深入了解了它們的功能，并在某些情況下導(dǎo)致了疾病。但是這種方法忽略了現(xiàn)實世界中細菌行為的關(guān)鍵細節(jié)。
賓夕法尼亞大學牙科學院和佐治亞理工學院的研究人員使用了一種變換方法，制作了一個在自然環(huán)境中引起蛀牙的細菌的三維圖像。細菌在嬰兒的牙齒上形成了一種叫做牙菌斑的粘性生物膜。受空隙影響。
這項工作發(fā)表在《美國國家科學院院刊》，發(fā)現(xiàn)變異鏈球菌是引起蛀牙的主要細菌，被包裹在其他細菌和聚合物的保護性多層群落中，形成與這個位置相關(guān)的獨特空間來組織這種疾病的爆發(fā)。
“我們從這些臨床樣本開始，從患有嚴重蛀牙的兒童身上提取牙齒，”這項研究的聯(lián)合資深作者、賓夕法尼亞大學牙科醫(yī)學系的Michel Koo說。“我們想到的問題是，這些細菌是如何組織的，它們的具體結(jié)構(gòu)能告訴我們它們導(dǎo)致的疾病嗎？”
為了解決這一問題，包括《佩恩牙科醫(yī)學》第一作者東約普金(Dongyeop Kim)和佐治亞理工學院聯(lián)合高級作者馬文懷特利(Marvin Whiteley)在內(nèi)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(jié)合，分析了變形桿菌(S. Proteus)和其他具有完整生物膜的微生物在牙齒上的排列。這些技術(shù)使團隊能夠一層一層地檢查生物膜，以獲得特定結(jié)構(gòu)的3 d圖像。
Whiteley一直在追求這種方法，以了解細菌在其他疾病中的位置和模式。
Whiteley說：“顯然，僅僅確定人類微生物組的組成并不足以理解它們對人類健康的影響?！薄拔覀冞€必須知道它們的空間組織。這在很大程度上得到了研究，因為很難獲得完整的樣本來維持空間結(jié)構(gòu)?！?
在目前的工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)牙菌斑中的變異鏈球菌通常以一種特殊的方式出現(xiàn)：它排列在土堆上，緊貼牙齒表面。但它并不孤單。變異鏈球菌形成圓嘟嘟系統(tǒng)的內(nèi)核，其他共生菌如口腔鏈球菌形成額外的外層，外層精確排列在皇冠狀結(jié)構(gòu)中。支撐和分隔這些層的是變異鏈球菌產(chǎn)生的糖制成的細胞外支架，可以有效包裹和保護致病菌。
Koo說：“我們發(fā)現(xiàn)這個高度有序的社區(qū)中間有變異鏈球菌。這些變異細菌被這些細菌的‘光環(huán)’所包圍，我們想知道這是如何導(dǎo)致蛀牙的?！?
為了進一步了解這種結(jié)構(gòu)是如何影響生物膜功能的，研究團隊嘗試在實驗室自然菌斑層中重復(fù)使用變異鏈球菌、口腔鏈球菌和糖溶液。他們成功地形成了一個圓形建筑，然后測量了相關(guān)的酸和脫鹽含量。
辜鴻銘說：“令我們高興的是，我們發(fā)現(xiàn)圓形區(qū)域完全符合釉質(zhì)表面的脫礦和高酸含量?！薄斑@反映了臨床醫(yī)生發(fā)現(xiàn)齲齒時會看到的情況：脫鈣的點狀區(qū)域稱為“白斑”。圓頂狀的結(jié)構(gòu)可以解釋空腔是如何形成的?！?
在最后一組實驗中，研究小組測試了circle hall社區(qū)，用抗生素對其進行了治療，并觀察了細菌的繁殖情況。當圓形結(jié)構(gòu)完整時，核心的變異鏈球菌可以在很大程度上避免抗菌治療導(dǎo)致的死亡。只有將外層固定在一起的支架材料斷裂時，抗菌劑才能穿透并有效殺滅導(dǎo)致蛀牙的細菌。
這一結(jié)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(lǐng)域產(chǎn)生影響。
Koo說：“這表明微生物組的空間結(jié)構(gòu)可能介導(dǎo)功能和疾病的結(jié)果，這可能適用于處理微生物感染的其他醫(yī)學領(lǐng)域?！?
Whiteley補充道：“不僅是那里的病原體，它們的結(jié)構(gòu)也會告訴你它們引起的疾病?！薄凹毦歉叨壬鐣纳铮信笥岩灿袛橙耍麄儧Q定自己的行為。”
研究人員表示，微生物生物地理學領(lǐng)域仍然非常年輕，但擴展這一將群落結(jié)構(gòu)與疾病爆發(fā)聯(lián)系起來的論點，為未來醫(yī)學相關(guān)的見解提供了廣泛的可能性。
東約普金是賓州牙科醫(yī)學院正畸系的研究助理，現(xiàn)在是全北國立大學(韓國)的助理教授。
Hyun(Michel)Koo是賓夕法尼亞口腔醫(yī)學院正畸科教授，位于社區(qū)口腔衛(wèi)生和兒童牙科部。
Marvin Whiteley是生物科學教授，美國佐治亞理工學院Bennie H .和Nelson D .銀鈴的分子和細胞生物學系主任，佐治亞理工學院Emory-Children CF中心佐治亞研究聯(lián)盟優(yōu)秀學者聯(lián)合主任。
Ko，Kim和Whiteley的合著者是佩恩牙科醫(yī)學的Rodrigo A. Arthur，劉源，Elizabeth l . sciscisci和Evlambia Hajishengallis佐治亞理工學院的胡安巴拉扎；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(DE025220、DE018023、DE020100和DE023193的資助)。
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