导致蛀牙的细菌在人类牙齿上聚集了一大群保护性微生物

通过在有盖培养皿或试管中研究细菌，我们对它们的功能有了更深的了解，在某些情况下，它们还会导致疾病。但这种方法忽略了细菌在现实世界中如何活动的关键细节。

采用转译方法，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成像细菌导致蛀牙在三维自然环境中，被称为粘性生物膜牙菌斑形成于幼童受蛀牙影响的牙齿上。

这项研究发表在该杂志上美国国家科学院院刊发现,变形链球菌它被包裹在一个由其他细菌和聚合物组成的多层保护群落中，形成了一个独特的空间组织，与疾病的发病部位有关。

“我们从这些临床样本开始，从患有严重蛀牙的儿童身上拔牙，”佩恩牙科医学的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能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的首席作者Dongyeop Kim和乔治亚理工学院的共同高级作者Marvin Whiteley，使用了超分辨率共聚焦扫描电子显微镜和计算分析的组合来解剖排列变异链球菌以及牙齿上完整生物膜的其他微生物。这些技术使研究小组能够一层一层地检查生物膜，获得特定结构的三维图像。

这种了解细菌的位置和模式的方法，是Whiteley在其他疾病中所追求的。

怀特利说:“很明显，仅仅识别人类微生物群的成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起来的。这在很大程度上还有待研究，因为获得保持空间结构的完整样本很困难。”

在目前的工作中，研究人员发现变异链球菌在牙菌斑中，最常见的是以一种特殊的方式出现:在牙齿表面堆成一堆。但它不是唯一的。而变异链球菌形成了圆润的内芯结构，其他共生菌等美国oralis，形成额外的外层，精确地排列成冠状结构。支撑和分隔这些层的是由糖构成的细胞外支架变异链球菌，有效包围和保护致病细菌。

“我们发现了这个高度有序的群落，密集地聚集着变异链球菌他们想知道这是如何导致蛀牙的，”古永锵说。

为了了解更多的结构是如何影响生物膜的功能，研究小组试图在实验室中利用变异链球菌,美国oralis和糖溶液。他们成功地生长出了圆形的建筑，然后测量了与之相关的酸和脱矿水平。

古说:“我们发现的，也是让我们兴奋的是，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看到的情况:被称为‘白点’的脱钙斑。”这种圆顶状结构可以解释洞是如何形成的。”

在最后一组实验中，研究小组对这种圆形的群体进行了测试，应用了一种抗菌疗法，并观察细菌的生长情况。当圆形结构完好的时候变异链球菌在内芯基本上避免了因抗菌素治疗而死亡。只有打破支撑外层的脚手架材料，才能使抗菌剂穿透并有效地杀死导致蛀牙的细菌。

该研究结果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，但也对其他领域具有启示意义。

“这表明空间结构这种微生物组可能介导功能和疾病结果，这可能适用于处理多微生物感染的其他医疗领域，”Koo说。

Whiteley补充说:“不仅仅是哪些病原体存在，还有它们的结构如何告诉你它们引起的疾病。”“细菌是高度社会化的生物，朋友和敌人支配着它们的行为。”

研究人员说，微生物生物地理学领域还很年轻，但是将社区结构与疾病发作联系起来的这一论证扩展，为未来医学相关的见解开辟了大量的可能性。

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