對(duì)培養(yǎng)皿或試管中細(xì)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(shí)世界中細(xì)菌行為的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。
賓夕法尼亞大學(xué)牙科學(xué)院和佐治亞理工學(xué)院的研究人員使用了一種變換方法，制作了一個(gè)在自然環(huán)境中引起蛀牙的細(xì)菌的三維圖像。細(xì)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(xiàng)工作發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》，發(fā)現(xiàn)變異鏈球菌是引起蛀牙的主要細(xì)菌，被包裹在其他細(xì)菌和聚合物的保護(hù)性多層群落中，形成與這個(gè)位置相關(guān)的獨(dú)特空間來(lái)組織這種疾病的爆發(fā)。
“我們從這些臨床樣本開(kāi)始，從患有嚴(yán)重蛀牙的兒童身上提取牙齒，”這項(xiàng)研究的聯(lián)合資深作者、賓夕法尼亞大學(xué)牙科醫(yī)學(xué)系的Michel Koo說(shuō)?！拔覀兿氲降膯?wèn)題是，這些細(xì)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(wèn)題，包括《佩恩牙科醫(yī)學(xué)》第一作者東約普金(Dongyeop Kim)和佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合高級(jí)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(jì)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(tuán)隊(duì)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(xì)菌在其他疾病中的位置和模式。
Whiteley說(shuō)：“顯然，僅僅確定人類微生物組的組成并不足以理解它們對(duì)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?yàn)楹茈y獲得完整的樣本來(lái)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(xì)胞外支架，可以有效包裹和保護(hù)致病菌。
Koo說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)高度有序的社區(qū)中間有變異鏈球菌。這些變異細(xì)菌被這些細(xì)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(jìn)一步了解這種結(jié)構(gòu)是如何影響生物膜功能的，研究團(tuán)隊(duì)嘗試在實(shí)驗(yàn)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(gè)圓形建筑，然后測(cè)量了相關(guān)的酸和脫鹽含量。
辜鴻銘說(shuō)：“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(shí)會(huì)看到的情況：脫鈣的點(diǎn)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(shí)驗(yàn)中，研究小組測(cè)試了circle hall社區(qū)，用抗生素對(duì)其進(jìn)行了治療，并觀察了細(xì)菌的繁殖情況。當(dāng)圓形結(jié)構(gòu)完整時(shí)，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(shí)，抗菌劑才能穿透并有效殺滅導(dǎo)致蛀牙的細(xì)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(duì)其他領(lǐng)域產(chǎn)生影響。
Koo說(shuō)：“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(xué)領(lǐng)域?！?
Whiteley補(bǔ)充道：“不僅是那里的病原體，它們的結(jié)構(gòu)也會(huì)告訴你它們引起的疾病。”“細(xì)菌是高度社會(huì)化的生物，有朋友也有敵人，他們決定自己的行為?！?
研究人員表示，微生物生物地理學(xué)領(lǐng)域仍然非常年輕，但擴(kuò)展這一將群落結(jié)構(gòu)與疾病爆發(fā)聯(lián)系起來(lái)的論點(diǎn)，為未來(lái)醫(yī)學(xué)相關(guān)的見(jiàn)解提供了廣泛的可能性。
東約普金是賓州牙科醫(yī)學(xué)院正畸系的研究助理，現(xiàn)在是全北國(guó)立大學(xué)(韓國(guó))的助理教授。
Hyun(Michel)Koo是賓夕法尼亞口腔醫(yī)學(xué)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(xué)教授，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Bennie H .和Nelson D .銀鈴的分子和細(xì)胞生物學(xué)系主任，佐治亞理工學(xué)院Emory-Children CF中心佐治亞研究聯(lián)盟優(yōu)秀學(xué)者聯(lián)合主任。
Ko，Kim和Whiteley的合著者是佩恩牙科醫(yī)學(xué)的Rodrigo A. Arthur，劉源，Elizabeth l . sciscisci和Evlambia Hajishengallis佐治亞理工學(xué)院的胡安巴拉扎；印第安納大學(xué)的安德森哈拉和卡爾劉易斯。
這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)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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