宾夕法尼亚大学牙科医学院和佐治亚理工学院的研究人员采用了一种转化方法，在自然环境中对导致蛀牙的细菌进行了三维成像，即在受蛀牙影响的幼儿牙齿上形成的被称为牙菌斑的粘性生物膜。

这项研究发表在杂志上美国国家科学院院刊我发现变形链球菌是导致蛀牙的一种主要细菌，它被包裹在由其他细菌和聚合物组成的多层保护性群落中，形成与疾病发病位置相关的独特空间组织。

“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，”宾夕法尼亚牙科医学的Hyun (Michel) Koo说，他是这项研究的资深作者之一。“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和佐治亚理工学院的共同资深作者Marvin Whiteley，使用超分辨率共聚焦和扫描电子显微镜结合计算分析来解剖排列变异链球菌以及牙齿上完整生物膜上的其他微生物。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。

这种了解细菌位置和模式的方法是Whiteley在其他疾病中所追求的。

Whiteley说:“很明显，确定人类微生物组的成分不足以了解它们对人类健康的影响。”“我们还必须知道它们在空间上是如何组织的。这在很大程度上还没有得到研究，因为很难获得保持空间结构的完整样本。”

在目前的工作中，研究人员发现变异链球菌在牙齿中，牙菌斑通常以一种特殊的方式出现:排列在牙齿表面上的一堆。但它并不孤单。而变异链球菌内核形成圆形结构，其他共生菌如美国oralis形成了额外的外层，精确地排列成冠状结构。支撑和分离这些层的是一种细胞外支架，由由变异链球菌，有效包裹和保护致病细菌。

“我们发现这个高度有序的社区有密集的变异链球菌中间被不同细菌的“光环”包围，我想知道这是如何导致蛀牙的。

为了更多地了解结构是如何影响生物膜的功能的，研究小组试图在实验室中使用人工智能在牙齿状表面上重建天然斑块的形成变异链球菌，美国oralis，和糖溶液。他们成功地培育出了圆形建筑，然后测量了与之相关的酸和脱矿水平。

“我们发现，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，”Koo说。“这反映了临床医生发现龋齿时所看到的情况:脱钙的间断区域被称为‘白斑’。”这种圆顶状结构可以解释蛀牙是如何形成的。”

在最后一组实验中，研究小组对圆形群落进行了测试，使用了一种抗菌药物，并观察了细菌的生长情况。当圆形结构完好无损时变异链球菌在内核基本上避免了死于抗菌治疗。只有打破将外层连接在一起的支架材料，抗菌药物才能穿透并有效杀死导致蛀牙的细菌。

这项研究的发现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，但也对其他领域有启示。

“这表明微生物组的空间结构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学领域，”Koo说。

Whiteley补充说:“不仅仅是有哪些病原体，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，它们的朋友和敌人决定了它们的行为。”

研究人员说，微生物生物地理学领域还很年轻，但是扩展这一将群落结构与疾病发病联系起来的论证，为未来的医学相关见解开辟了大量的可能性。

金东烨(音译)是宾夕法尼亚大学口腔医学院正畸科的研究助理，现在是韩国全北大学的助理教授。

Hyun (Michel) Koo是宾夕法尼亚大学口腔医学院社区口腔健康和儿童牙科正畸科的教授。

马文·怀特利是生物科学教授，佐治亚理工学院分子和细胞生物学班尼·h和纳尔逊·d·阿贝尔主席，佐治亚理工学院埃默里儿童CF中心佐治亚研究联盟杰出学者联合主任。爱博网投领导者

Koo, Kim和Whiteley的合著者是宾夕法尼亚牙科医学的Rodrigo A. Arthur, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci和Evlambia Hajishengallis;乔治亚理工学院的胡安·p·巴拉扎;以及印第安纳大学的安德森·哈拉和卡尔·刘易斯。

这项工作得到了国家牙科和颅面研究所的部分支持(拨款DE025220, DE018023, DE020100和DE023193)。