Mappa dettagliata del microbioma della lingua umana

Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Rapporti di cella nel marzo 2020 riporta l'uso di tecniche di imaging spettrale avanzate e rapide per sviluppare una mappa dettagliata delle comunità microbiche sulla lingua umana. La ricerca aiuterà a capire come tali comunità crescono e formano modelli organizzati.

Ecologia spaziale e CLASH-FISH

L'ecologia spaziale o l'ecologia del paesaggio è un'area di ricerca che indaga la formazione di modelli spaziali tra le comunità batteriche. La grandezza del "grano" (l'unità più piccola osservata) e l'"estensione" (l'intervallo di osservazioni) sono determinanti importanti della scala di esame. La scala è cruciale quando si tratta di costruire teorie su come tali comunità sono organizzate.

Come si formano tali modelli? Nella bocca umana, almeno, la risposta include fattori come la temperatura, i livelli di umidità, il flusso di saliva, il livello di ossigeno, il pH, e il numero di volte in cui si verificano abrasioni o procedure di igiene orale. Oltre a questi fattori di macrolivello, i microbi stessi producono e utilizzano composti metabolici, nutrienti, e inibitori, comprese le molecole antimicrobiche. Inoltre impediscono fisicamente ad altri microbi di occupare lo spazio principale, o le loro superfici possono offrire buoni punti a cui altri microbi possono legarsi. Tali interazioni portano a una comunità diversificata e funzionalmente ridondante, più o meno stabile e metabolicamente attivo a seconda dei livelli di interazione intermicrobica.

Per mappare l'orientamento spaziale, altri fattori devono essere conosciuti, come la distanza tra i microbi così come la distanza tra i microbi e altre caratteristiche dell'ospite come la cellula ospite più vicina o la superficie di un biofilm di cui il microbo fa parte. L'imaging viene utilizzato per ottenere informazioni su tali modelli a livello di singola cellula su scale fino a un millimetro.

Lo sviluppo di una tecnica chiamata etichettatura combinatoria insieme all'ibridazione in situ con imaging spettrale-fluorescenza (CLASI-FISH) ha aiutato a identificare e localizzare più classi microbiche allo stesso tempo etichettando qualsiasi dato tipo di microbo con più fluorofori. Questo aiuta a visualizzare la disposizione spaziale di un intero sistema di microbi che formano comunità microbiche su scala micron.

Biofilm batterico raschiato dalla superficie della lingua e ripreso con CLASSI-FISH. Il tessuto epiteliale umano forma un nucleo centrale (grigio). I colori indicano diversi batteri:Actinomyces (rosso) occupano una regione vicino al nucleo; Streptococcus (verde) è localizzato in una crosta esterna e in strisce all'interno. Altri taxa (Rothia, ciano; Neisseria, giallo; Veillonella, magenta) sono presenti in grappoli e strisce che suggeriscono la crescita della comunità verso l'esterno dal nucleo centrale. Credito immagine:Steven Wilbert e Gary Borisy, L'Istituto Forsyth

Lo studio

L'attuale studio utilizza l'imaging a fluorescenza multispettrale per stabilire il suo ruolo nell'ecologia spaziale per i sistemi microbici sulla lingua. Qui ci sono più microbi densamente raggruppati in contatto con l'epitelio umano e anche con altri habitat orali come la mucosa della bocca e dei denti.

Gli investigatori hanno usato un raschietto per lingua di plastica increspato per raccogliere un campione raschiato da dietro in avanti. La dimensione e la disposizione interna di questi frammenti di biofilm li ha portati a concludere che rappresentavano fedelmente la disposizione spaziale dei batteri a vari livelli del dorso della lingua su una scala di centinaia di micrometri. Questi livelli includono le parti superiori delle papille filiformi che coprono la lingua, le valli tra di loro, e le belle spine che ne sporgono, ognuno dei quali ospita batteri di diverso tipo.

I ricercatori hanno prima identificato i principali tipi di batteri nei campioni prelevati dalla lingua di 21 volontari sani mediante sequenziamento, e poi ha analizzato ogni classe per ottenere una visione completa della struttura del microbioma in modo sufficientemente dettagliato da consentire a ciascuna delle specie chiave di essere assegnata al proprio punto sulla lingua.

La maggior parte dei geni microbici nella comunità linguistica è formata da un numero limitato di oligotipi, secondo lo Human Microbiome Project (HMP). Collegando ogni oligotipo in bocca alle classi batteriche nel database espanso del microbioma orale umano (eHOMD), i ricercatori hanno identificato 17 generi batterici presenti in oltre l'80% delle persone e che costituiscono lo 0,5% dei microbi. Utilizzando i dati di sequenziamento dall'HMP, hanno scoperto che il 95% o più delle sequenze batteriche provenivano da un insieme simile di generi.

I ricercatori concludono che questi generi "possono formare sia la struttura spaziale che quella metabolica del microbioma TD sano".

Organizzazione spaziale

I ricercatori hanno scoperto tre tipi di disposizioni microbiche:batteri liberi, batteri sulle cellule epiteliali squamose, e consorzi batterici, o gruppi strutturalmente complessi. Questi ultimi erano biofilm batterici formati da diversi strati di microbi, con un confine distinto e un nucleo epiteliale.

L'analisi della composizione batterica in ciascuna categoria e posizione spaziale ha mostrato che i consorzi erano più omogenei rispetto alle altre categorie, con pattern batterici simili in tutti i campioni. I batteri liberi e legati all'epitelio si sono verificati singolarmente o in piccoli gruppi. In contrasto, ogni consorzio ha mostrato la stessa struttura di patch localizzata, ciascuno dominato da un tipo batterico.

Ogni patch ha un confine distinto, è lungo da decine a centinaia di micrometri, e ha un nucleo di cellule epiteliali della mucosa umana. I consorzi vivono tra la zona perimetrale, che è esposto alla saliva e all'ossigeno, e il nucleo epiteliale.

Almeno un campione per ogni partecipante, e oltre il 95% delle immagini campione, ha mostrato la presenza di 3 generi: Actinomice, Rozia, e Streptococco . Ognuno aveva il suo "punto debole" nel consorzio, insieme a Actinomice formando grandi domini continui vicino al nucleo o strisce tra macchie di altri batteri. Rothia formavano grandi chiazze vicino al perimetro e attorno a un nucleo di cellule epiteliali o batteriche. All'interno di tale strato corticale, il Rothia era spesso interrotto da flussi o macchie di altri tipi batterici. Streptococco formavano un sottile strato esterno sul consorzio e vene o chiazze al suo interno.

Altri importanti tipi di batteri osservati nei campioni di tutti gli individui nello studio inclusi Veillonella, Gemella, Neisseriacee, e phylum saccaribatteri . Alcune di queste classi batteriche possono aiutare a convertire il nitrato nella saliva in nitrito e quindi aiutare a regolare i livelli di ossido nitrico nel corpo. Meno di un quinto delle cellule non è stato colorato con nessuna delle sonde specifiche.

Prossimo, i ricercatori hanno esaminato i diversi generi all'interno del consorzio, ogni specie all'interno di un genere, e una specie in particolare che si pensava fosse il rappresentante di quel genere sulla lingua. Come previsto dai dati HMP, hanno trovato, ad esempio, Quello Rothia era rappresentato da R. mucillaginosa , Actinomice di A. odontolyticus , e in misura molto minore, A. graevenitizi , e Neisseria di N. flavescens . S. mitis , S. salivarius e S. parasanguinis sono stati trovati in tutti i consorzi ma in luoghi diversi.

La formazione dei consorzi

Gli scienziati ipotizzano che le cellule batteriche sul dorso della lingua si spingano l'una sull'altra mentre si moltiplicano. Ogni classe aumenta più rapidamente di numero nell'area ideale per la loro crescita, portando a macchie di forma irregolare. Questa è l'origine della disposizione dei cerotti osservata nel microbioma maturo. In cattiva salute, la struttura della comunità microbica potrebbe variare.

"Il nostro studio è nuovo perché nessuno prima è stato in grado di guardare il biofilm sulla lingua in modo da distinguere tutti i diversi batteri in modo da poter vedere come si organizzano, ", afferma il ricercatore Gary Borisy. "La maggior parte del lavoro precedente sulle comunità batteriche utilizzava approcci basati sul sequenziamento del DNA, ma per ottenere la sequenza del DNA, devi prima macinare il campione ed estrarre il DNA, che distrugge tutta la bella struttura spaziale che c'era. L'imaging con la nostra tecnica CLASSI-FISH ci consente di preservare la struttura spaziale e allo stesso tempo identificare i batteri".

In altre parole, questo metodo di imaging è stato in grado di identificare la maggior parte delle cellule in ciascun consorzio, nonché la loro abbondanza e disposizione spaziale in relazione alla fonte di nutrimento e alla posizione del substrato.

Gli studi su scala micrometrica aiutano a differenziare le comunità microbiche in relazione alla loro disposizione biologica. L'uso di sonde a livello di specie mostra che molte specie sono specialisti del sito che si verificano in un sito, come la placca dentale, ma non nell'altro, questo è, il dorso della lingua.

I ricercatori concludono, "Sebbene l'imaging sia solo una delle numerose tecnologie chiave, fornisce il vantaggio unico di mostrarci l'obiettivo:il paesaggio e le strutture che i microbi costruiscono e che dobbiamo spiegare e replicare per aver raggiunto una comprensione della comunità microbica".

• La presenza di alcuni batteri intestinali nelle madri potrebbe proteggere i bambini dalle allergie alimentari
• Il collutorio comunemente usato aumenta i batteri produttori di lattato che abbassano il pH della saliva