多種多様な微生物群集の空間マッピングにより、ヒトの齲蝕に関連した正確な生物地理が明らかになった

Spatial mapping of polymicrobial communities reveals a precise biogeography associated with human dental caries.

• Dongyeop Kim
• Juan P Barraza
• Rodrigo A Arthur
• Anderson Hara
• Karl Lewis
• Yuan Liu
• Elizabeth L Scisci
• Evlambia Hajishengallis
• Marvin Whiteley
• Hyun Koo

抄録

虫歯（う蝕）は，微生物のバイオフィルムが原因となって引き起こされる広範な人間の疾患である．しかし，この細菌が口腔内の他の微生物とどのように空間的に組織化されて疾患を促進するのかは不明である．我々は、う蝕に罹患した幼児の歯に形成された無傷のバイオフィルムを用いて、他の細菌の外層に囲まれた内側のコアを持つコロナのような構造の中に正確に配置された複数の種からなるユニークな3次元の腐った形のアーキテクチャを発見した。このアーキテクチャは、人間の歯の上にある種族混合バイオフィルムモデルにおいて、酸性pHと急性エナメル質脱灰（う蝕）の局所的な領域を作り出しており、この高度に秩序化されたコミュニティが原因物質であることを示唆している。特に、このアーキテクチャの構築は、コロナ細胞の配列を組み立て、病原体のコアをカプセル化する細胞外足場の生産によって開始されるアクティブなプロセスであることがわかった。さらに、この空間的パターニングは、抗菌薬に対する防護壁を形成すると同時に、病気の原因となるバクテリアの酸のフィットネスを増加させている。我々のデータは、ヒト齲蝕に関連するポリ微生物群集の正確なバイオジオグラフィーを明らかにし、病原体の位置と病原性の可能性をin situで調節することができることを示している。

Tooth decay (dental caries) is a widespread human disease caused by microbial biofilms. , a biofilm-former, has been consistently associated with severe childhood caries; however, how this bacterium is spatially organized with other microorganisms in the oral cavity to promote disease remains unknown. Using intact biofilms formed on teeth of toddlers affected by caries, we discovered a unique 3D rotund-shaped architecture composed of multiple species precisely arranged in a corona-like structure with an inner core of encompassed by outer layers of other bacteria. This architecture creates localized regions of acidic pH and acute enamel demineralization (caries) in a mixed-species biofilm model on human teeth, suggesting this highly ordered community as the causative agent. Notably, the construction of this architecture was found to be an active process initiated by production of an extracellular scaffold by that assembles the corona cell arrangement, encapsulating the pathogen core. In addition, this spatial patterning creates a protective barrier against antimicrobials while increasing bacterial acid fitness associated with the disease-causing state. Our data reveal a precise biogeography in a polymicrobial community associated with human caries that can modulate the pathogen positioning and virulence potential in situ, indicating that micron-scale spatial structure of the microbiome may mediate the function and outcome of host-pathogen interactions.

Copyright © 2020 the Author(s). Published by PNAS.