对培养皿或试管中细菌的研究已经深入了解了它们的功能，并在某些情况下导致了疾病。但是这种方法忽略了现实世界中细菌行为的关键细节。
宾夕法尼亚大学牙科学院和佐治亚理工学院的研究人员使用了一种变换方法，制作了一个在自然环境中引起蛀牙的细菌的三维图像。细菌在婴儿的牙齿上形成了一种叫做牙菌斑的粘性生物膜。受空隙影响。
这项工作发表在《美国国家科学院院刊》，发现变异链球菌是引起蛀牙的主要细菌，被包裹在其他细菌和聚合物的保护性多层群落中，形成与这个位置相关的独特空间来组织这种疾病的爆发。
“我们从这些临床样本开始，从患有严重蛀牙的儿童身上提取牙齿，”这项研究的联合资深作者、宾夕法尼亚大学牙科医学系的Michel Koo说。“我们想到的问题是，这些细菌是如何组织的，它们的具体结构能告诉我们它们导致的疾病吗？”
为了解决这一问题，包括《佩恩牙科医学》第一作者东约普金(Dongyeop Kim)和佐治亚理工学院联合高级作者马文怀特利(Marvin Whiteley)在内的研究人员将超分辨率共聚焦和扫描电子显微镜与计算分析相结合，分析了变形杆菌(S. Proteus)和其他具有完整生物膜的微生物在牙齿上的排列。这些技术使团队能够一层一层地检查生物膜，以获得特定结构的3 d图像。
Whiteley一直在追求这种方法，以了解细菌在其他疾病中的位置和模式。
Whiteley说：“显然，仅仅确定人类微生物组的组成并不足以理解它们对人类健康的影响。”“我们还必须知道它们的空间组织。这在很大程度上得到了研究，因为很难获得完整的样本来维持空间结构。”
在目前的工作中，研究人员发现牙菌斑中的变异链球菌通常以一种特殊的方式出现：它排列在土堆上，紧贴牙齿表面。但它并不孤单。变异链球菌形成圆嘟嘟系统的内核，其他共生菌如口腔链球菌形成额外的外层，外层精确排列在皇冠状结构中。支撑和分隔这些层的是变异链球菌产生的糖制成的细胞外支架，可以有效包裹和保护致病菌。
Koo说：“我们发现这个高度有序的社区中间有变异链球菌。这些变异细菌被这些细菌的‘光环’所包围，我们想知道这是如何导致蛀牙的。”"
为了进一步了解这种结构是如何影响生物膜功能的，研究团队尝试在实验室自然菌斑层中重复使用变异链球菌、口腔链球菌和糖溶液。他们成功地形成了一个圆形建筑，然后测量了相关的酸和脱盐含量。
辜鸿铭说：“令我们高兴的是，我们发现圆形区域完全符合釉质表面的脱矿和高酸含量。”“这反映了临床医生发现龋齿时会看到的情况：脱钙的点状区域称为“白斑”。圆顶状的结构可以解释空腔是如何形成的。”
在最后一组实验中，研究小组测试了circle hall社区，用抗生素对其进行了治疗，并观察了细菌的繁殖情况。当圆形结构完整时，核心的变异链球菌可以在很大程度上避免抗菌治疗导致的死亡。只有将外层固定在一起的支架材料断裂时，抗菌剂才能穿透并有效杀灭导致蛀牙的细菌。
这一结果可能有助于研究人员更有效地靶向牙齿生物膜的致病核心，但也可能对其他领域产生影响。
Koo说：“这表明微生物组的空间结构可能介导功能和疾病的结果，这可能适用于处理微生物感染的其他医学领域。”
Whiteley补充道：“不仅是那里的病原体，它们的结构也会告诉你它们引起的疾病。”“细菌是高度社会化的生物，有朋友也有敌人，他们决定自己的行为。”
研究人员表示，微生物生物地理学领域仍然非常年轻，但扩展这一将群落结构与疾病爆发联系起来的论点，为未来医学相关的见解提供了广泛的可能性。
东约普金是宾州牙科医学院正畸系的研究助理，现在是全北国立大学(韩国)的助理教授。
Hyun(Michel)Koo是宾夕法尼亚口腔医学院正畸科教授，位于社区口腔卫生和儿童牙科部。
Marvin Whiteley是生物科学教授，美国佐治亚理工学院Bennie H .和Nelson D .银铃的分子和细胞生物学系主任，佐治亚理工学院Emory-Children CF中心佐治亚研究联盟优秀学者联合主任。
Ko，Kim和Whiteley的合著者是佩恩牙科医学的Rodrigo A. Arthur，刘源，Elizabeth l . sciscisci和Evlambia Hajishengallis佐治亚理工学院的胡安巴拉扎；印第安纳大学的安德森哈拉和卡尔刘易斯。
这项工作得到了美国国家牙科和颅面研究所的部分支持(DE025220、DE018023、DE020100和DE023193的资助)。
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