Detaljert kart over mikrobiom for menneskelig tunge

En ny studie publisert i tidsskriftet Cellerapporter i mars 2020 rapporterer bruk av avanserte og raske spektrale avbildningsteknikker for å utvikle et detaljert kart over mikrobielle samfunn på menneskets tunge. Forskningen vil hjelpe til med å forstå hvordan slike samfunn vokser og danner organiserte mønstre.

Romlig økologi og CLASH-FISH

Romlig økologi eller landskapsøkologi er et forskningsområde som undersøker dannelsen av romlige mønstre blant bakteriesamfunn. Størrelsen på 'kornet' (den minste enheten som observeres) og 'omfanget' (observasjonsområdet) er viktige faktorer for undersøkelsens omfang. Omfanget er avgjørende når det gjelder å bygge teorier om hvordan slike fellesskap er organisert.

Hvordan dannes slike mønstre? I den menneskelige munnen, i det minste, svaret inkluderer faktorer som temperaturen, fuktighetsnivået, strømmen av spytt, oksygenivået, pH, og antall ganger det oppstår slitasje eller munnhygieneprosedyrer. I tillegg til disse makronivåfaktorene, mikrober selv produserer og utnytter metabolske forbindelser, næringsstoffer, og hemmere, inkludert antimikrobielle molekyler. De forhindrer også fysisk at andre mikrober opptar førsteklasses plass, eller overflatene deres kan tilby gode flekker for andre mikrober å binde seg til. Slike interaksjoner fører til et mangfoldig og funksjonelt overflødig fellesskap, som er mer eller mindre stabil og metabolsk aktiv i henhold til nivåene av intermikrobiell interaksjon.

For å kartlegge den romlige orienteringen, andre faktorer må være kjent, for eksempel avstanden mellom mikrober så vel som avstanden mellom mikrober og andre vertsfunksjoner, slik som den nærmeste vertscellen eller overflaten på en biofilm som mikroben er en del av. Imaging brukes til å skaffe informasjon om slike mønstre på individuelt cellenivå i skalaer på opptil en millimeter.

Utviklingen av en teknikk som kalles kombinatorisk merking sammen med spektral avbildning-fluorescens in situ hybridisering (CLASI-FISH) har hjulpet flere mikrobielle klasser med å bli identifisert og lokalisert samtidig ved å merke en gitt type mikrobe med flere fluoroforer. Dette hjelper til med å visualisere det romlige arrangementet av et helt system av mikrober som danner mikrobielle samfunn i mikronskalaen.

Bakteriell biofilm skrapt fra overflaten av tungen og avbildet ved bruk av CLASI-FISH. Menneskelig epitelvev danner en sentral kjerne (grå). Farger indikerer forskjellige bakterier:Actinomyces (rød) opptar et område nær kjernen; Streptococcus (grønn) er lokalisert i en utvendig skorpe og i striper i det indre. Andre taxaer (Rothia, cyan; Neisseria, gul; Veillonella, magenta) er tilstede i klynger og striper som antyder veksten av samfunnet utover fra den sentrale kjernen. Bildekreditt:Steven Wilbert og Gary Borisy, Forsyth Institute

Studien

Den nåværende studien bruker multispektral fluorescensavbildning for å etablere sin rolle i romlig økologi for mikrobielle systemer på tungen. Her er det flere tett gruppert mikrober i kontakt med det menneskelige epitelet og også med andre orale habitater som slimhinnen i munnen og tennene.

Etterforskerne brukte en riflet plastskrape for å samle en skrapt prøve fra baksiden til forsiden. Størrelsen og det interne arrangementet av disse fragmentene av biofilm fikk dem til å konkludere med at de representerte det romlige arrangementet av bakteriene på forskjellige nivåer av tunge dorsum trofast over en skala på hundrevis av mikrometer. Disse nivåene inkluderer toppen av filiforme papiller som dekker tungen, dalene mellom dem, og de fine ryggene som stikker fra dem, som alle er vert for bakterier av forskjellige typer.

Forskerne identifiserte først de viktigste bakterietypene i prøvene som ble skrapt fra tunger til 21 friske frivillige ved å sekvensere, og analyserte deretter hver klasse for å få et fullstendig overblikk over strukturen til mikrobiomet i tilstrekkelig detalj for å tillate hver av nøkkelartene å bli tildelt sin egen flekk på tungen.

De fleste av de mikrobielle genene i tungesamfunnet er dannet av et begrenset antall oligotyper, ifølge Human Microbiome Project (HMP). Ved å koble hver oligotype i munnen til bakterieklassene i den utvidede Human Oral Microbiome Database (eHOMD), etterforskerne identifiserte 17 bakterielle slekter som finnes i mer enn 80% av mennesker og danner 0,5% av mikrober. Ved å bruke sekvenseringsdata fra HMP, de fant at 95% eller mer av bakteriesekvensene kom fra et lignende sett med slekter.

Forskerne konkluderer med at disse slektene "sannsynligvis vil danne både det romlige og det metabolske rammeverket for det friske TD -mikrobiomet."

Romlig organisasjon

Forskerne fant tre typer mikrobielle ordninger:frie bakterier, bakterier på plateepitelceller, og bakteriekonsortier, eller strukturelt komplekse grupper. Sistnevnte var bakterielle biofilmer laget av flere lag med mikrober, med en tydelig grense og en epitelkjerne.

Bakteriesammensetningsanalyse i hver kategori og romlig plassering viste at konsortier var mer homogene enn de andre kategoriene, med lignende bakteriemønstre på tvers av alle prøvene. Frie og epitelbundne bakterier forekom enkeltvis eller i små klynger. I motsetning, hvert konsortium viste den samme lokaliserte lappestrukturen, hver dominert av en bakterietype.

Hver lapp har en tydelig grense, er titalls til hundrevis av mikrometer lang, og har en kjerne av humane slimhinneepitelceller. Konsortiene lever mellom randsonen, som er utsatt for spytt og oksygen, og epitelkjernen.

Minst ett utvalg fra hver deltaker, og over 95% av prøvebildene, viste tilstedeværelse av 3 slekter: Actinomyces, Rothia, og Streptococcus . Hver hadde sitt eget 'sweet spot' i konsortiet, med Actinomyces danner store sammenhengende domener nær kjernen eller striper mellom flekker av andre bakterier. Rothia dannet store flekker nær omkretsen samt rundt en kjerne av epitel- eller bakterieceller. I et slikt kortikalt lag, de Rothia ble ofte brutt opp av bekker eller flekker av andre bakterietyper. Streptococcus dannet et tynt ytre lag på konsortiet samt vener eller flekker inne i det.

Andre fremtredende bakterietyper sett i prøver fra alle individer i studien inkluderte Veillonella, Gemella, Neisseriaceae, og fylum Saccharibacteria . Noen av disse bakterieklassene kan være å hjelpe til med å omdanne nitrat i spyttet til nitritt og dermed bidra til å regulere nivåene av nitrogenoksid i kroppen. Mindre enn en femtedel av cellene ble ikke farget med noen av de spesifikke prober.

Neste, etterforskerne så på de forskjellige slektene i konsortiet, hver art i en slekt, og spesielt en art som ble antatt å være representanten for den slekten på tungen. Som forventet fra HMP -data, de fant, for eksempel, at Rothia ble representert av R. mucilaginosa , Actinomyces av A. odontolyticus , og i langt mindre grad, A. graevenitizii , og Neisseria av N. flavescens . S. mitis , S. salivarius og S. parasanguinis ble funnet på alle konsortier, men på forskjellige steder.

Dannelsen av konsortier

Forskerne antar at bakterieceller på tungen dorsum presser på hverandre når de formerer seg. Hver klasse øker raskere i antall i området som er ideelt for deres vekst, som fører til ujevnt formede flekker. Dette er opprinnelsen til lappearrangementet sett i det modne mikrobiomet. Ved dårlig helse, strukturen i det mikrobielle samfunnet kan variere.

"Studien vår er ny fordi ingen før har vært i stand til å se på biofilmen på tungen på en måte som skiller alle de forskjellige bakteriene slik at vi kan se hvordan de ordner seg, "forsker Gary Borisy sier." Det meste av det tidligere arbeidet med bakteriesamfunn brukte DNA-sekvensering-baserte tilnærminger, men for å få DNA -sekvensen, du må først male opp prøven og trekke ut DNA, som ødelegger all den vakre romlige strukturen som var der. Imaging med vår CLASI-FISH-teknikk lar oss bevare den romlige strukturen og identifisere bakteriene samtidig. "

Med andre ord, denne bildemetoden var i stand til å identifisere de fleste cellene i hvert konsortium, så vel som deres overflod og romlige arrangement i forhold til næringskilden og plasseringen av underlaget.

Mikrometerskala-studiene hjelper til med å differensiere mikrobielle samfunn i forhold til deres biologiske arrangement. Bruken av artsnivåprober viser at mange arter er spesialister på stedet som forekommer på ett sted, som tannplakk, men ikke i den andre, det er, tungen dorsum.

Forskerne konkluderer med, "Selv om bildebehandling bare er en av flere viktige teknologier, det gir den unike fordelen med å vise oss målet:landskapet og strukturene som mikrober bygger, og som vi må forklare og replikere for å ha oppnådd en forståelse av det mikrobielle samfunnet. "

• Tilstedeværelse av visse tarmbakterier hos mødre kan beskytte babyer mot matallergi
• Vanlig brukt munnvann øker laktatproduserende bakterier som senker spyttets pH