El estudio de las bacterias en una placa de Petri o en un tubo de ensayo ha arrojado información sobre cómo funcionan y, en algunos casos, contribuyen a la enfermedad. Pero este enfoque omite detalles cruciales sobre cómo actúan las bacterias en el mundo real.
Tomando un enfoque traslacional, los investigadores de la Facultad de Medicina Dental de la Universidad de Pensilvania y el Instituto de Tecnología de Georgia tomaron imágenes de las bacterias que causan caries en tres dimensiones en su entorno natural, la biopelícula adhesiva conocida como placa dental formada en los dientes de los niños pequeños.que fueron afectados por las caries.
El trabajo, publicado en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias , encontró que Streptococcus mutans , una de las principales especies bacterianas responsables de la caries dental, está encerrada en una comunidad protectora de varias capas de otras bacterias y polímeros que forman una organización espacial única asociada con la ubicación del inicio de la enfermedad.
"Comenzamos con estas muestras clínicas, extrajimos dientes de niños con caries severa", dice Hyun Michel Koo de Penn Dental Medicine, coautor principal del trabajo. "La pregunta que surgió en nuestras mentes fue:¿Cómo están organizadas estas bacterias y si su arquitectura específica puede informarnos sobre la enfermedad que causan? "
Para abordar esta pregunta, los investigadores, incluido el autor principal Dongyeop Kim de Penn Dental Medicine y el coautor principal Marvin Whiteley de Georgia Tech, utilizaron una combinación de microscopía electrónica de barrido y confocal de alta resolución con análisis computacional para diseccionar la disposición de S. mutans y otros microbios de la biopelícula intacta en los dientes. Estas técnicas permitieron al equipo examinar la biopelícula capa por capa, obteniendo una imagen tridimensional de las arquitecturas específicas.
Este enfoque, de comprender las ubicaciones y patrones de bacterias, es uno que Whiteley ha seguido en otras enfermedades.
"Está claro que identificar los constituyentes del microbioma humano no es suficiente para comprender su impacto en la salud humana", dice Whiteley. "También tenemos que saber cómo están organizados espacialmente. Esto está en gran medida bajo estudio como la obtención de muestras intactas quemantener la estructura espacial es difícil "
En el trabajo actual, los investigadores descubrieron que S. mutans en la placa dental aparecía con mayor frecuencia de una manera particular: dispuesta en un montículo contra la superficie del diente. Pero no estaba solo. Mientras S. mutans formó el núcleo interno de la arquitectura rotunda, otras bacterias comensales, como S. oralis , formó capas externas adicionales dispuestas con precisión en una estructura en forma de corona. Apoyando y separando estas capas había un andamio extracelular hecho de azúcares producidos por S. mutans , encerrando y protegiendo eficazmente las bacterias que causan enfermedades.
"Encontramos esta comunidad altamente ordenada con una densa acumulación de S. mutans en el medio rodeado por estos 'halos' de diferentes bacterias, y se preguntó cómo esto podría causar caries, "dice Koo"
Para obtener más información sobre cómo la estructura impactó la función de la biopelícula, el equipo de investigación intentó recrear las formaciones de placas naturales en una superficie similar a un diente en el laboratorio usando S. mutans , S. oralis y una solución de azúcar. Crecieron con éxito una arquitectura en forma de rotonda y luego midieron los niveles de ácido y desmineralización asociados con ellos.
"Lo que descubrimos, y lo que fue emocionante para nosotros, es que las áreas rotondas combinaban perfectamente con los niveles de ácido desmineralizados y altos en la superficie del esmalte", dice Koo. "Esto refleja lo que los médicos ven cuando encuentran caries dental: puntuadaáreas de descalcificación conocidas como 'puntos blancos'. La estructura domelike podría explicar cómo comienzan las caries ".
En una serie final de experimentos, el equipo puso a prueba a la comunidad rotunda, aplicando un tratamiento antimicrobiano y observando cómo les iba a la bacteria. Cuando las estructuras rotondas estaban intactas, el S. mutans en el núcleo interno evitó en gran medida la muerte por el tratamiento antimicrobiano. Solo romper el material del andamio que mantenía juntas las capas externas permitió que el antimicrobiano penetrara y matara efectivamente las bacterias que causan la cavidad.
Los hallazgos del estudio pueden ayudar al investigador a enfocarse más efectivamente en el núcleo patógeno de las biopelículas dentales, pero también tienen implicaciones para otros campos.
"Demuestra que la estructura espacial del microbioma puede mediar la función y el resultado de la enfermedad, lo que podría ser aplicable a otros campos médicos que se ocupan de infecciones polimicrobianas", dice Koo.
"No es solo qué patógenos hay, sino cómo están estructurados lo que te informa sobre la enfermedad que causan", agrega Whiteley. "Las bacterias son criaturas muy sociales y tienen amigos y enemigos que dictan sus comportamientos".
El campo de la biogeografía microbiana es joven, dicen los investigadores, pero ampliar esta demostración que vincula la estructura de la comunidad con el inicio de la enfermedad abre una amplia gama de posibilidades para futuros conocimientos médicamente relevantes.
Dongyeop Kim fue investigador asociado en el Departamento de Ortodoncia de la Facultad de Medicina Dental de Penn y ahora es profesor asistente en la Universidad Nacional de Jeonbuk Corea.
Hyun Michel Koo es profesor en el Departamento de Ortodoncia de la Facultad de Medicina Dental de Penn en las divisiones de Salud Oral Comunitaria y Odontología Pediátrica.
Marvin Whiteley es profesor de ciencias biológicas, el coordinador de tecnología de Georgia Bennie H. y Nelson D. Abell en biología molecular y celular, y el codirector académico de Georgia Research Alliance Eminent Scholar en Emory-Children's CF Center en el Georgia Institute ofTecnología.
Los coautores de Koo, Kim y Whiteley fueron Rodrigo A. Arthur de Penn Dental Medicine, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci y Evlambia Hajishengallis; Juan P. Barraza de Georgia Tech; y Anderson Hara y Karl Lewis de la Universidad de Indiana.
El trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial subvenciones DE025220, DE018023, DE020100 y DE023193.
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Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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