Detaljerad karta över mikrobiom för mänsklig tunga

En ny studie publicerad i tidningen Cellrapporter i mars 2020 rapporterar användningen av avancerade och snabba spektrala bildtekniker för att utveckla en detaljerad karta över mikrobiella samhällen på det mänskliga tungan. Forskningen hjälper till att förstå hur sådana samhällen växer och bildar organiserade mönster.

Rumslig ekologi och CLASH-FISH

Rumslig ekologi eller landskapsekologi är ett forskningsområde som undersöker bildandet av rumsmönster bland bakteriesamhällen. Storleken på "kornet" (den minsta enheten som observeras) och "omfattningen" (observationsintervallet) är viktiga faktorer för undersökningsskalan. Skalan är avgörande när det gäller att bygga upp teorier om hur sådana samhällen är organiserade.

Hur bildas sådana mönster? I människans mun, åtminstone, svaret innehåller faktorer som temperaturen, fuktnivåerna, salivflödet, syrehalten, pH, och antalet gånger nötningar eller munhygienprocedurer förekommer. Förutom dessa makronivåfaktorer, mikrober själva producerar och använder metaboliska föreningar, näringsämnen, och hämmare, inklusive antimikrobiella molekyler. De förhindrar också fysiskt att andra mikrober upptar det främsta utrymmet, eller deras ytor kan erbjuda bra ställen för andra mikrober att binda till. Sådana interaktioner leder till en mångsidig och funktionellt redundant gemenskap, som är mer eller mindre stabil och metaboliskt aktiv enligt nivåerna av intermikrobiell interaktion.

För att kartlägga den rumsliga orienteringen, andra faktorer måste vara kända, såsom avståndet mellan mikrober såväl som avståndet mellan mikrober och andra värdfunktioner såsom närmaste värdcell eller ytan på en biofilm som mikroben är en del av. Bildbehandling används för att få information om sådana mönster på individuell cellnivå i skalor upp till en millimeter.

Utvecklingen av en teknik som kallas kombinatorisk märkning tillsammans med spektral avbildning-fluorescens in situ-hybridisering (CLASI-FISH) har hjälpt flera mikrobiella klasser att identifieras och lokaliseras samtidigt genom att märka varje given typ av mikrober med flera fluoroforer. Detta hjälper till att visualisera det rumsliga arrangemanget av ett helt system av mikrober som bildar mikrobiella samhällen i mikronskala.

Bakteriell biofilm skrapad från tungans yta och avbildad med CLASI-FISH. Mänsklig epitelvävnad bildar en central kärna (grå). Färger indikerar olika bakterier:Actinomyces (röd) upptar ett område nära kärnan; Streptococcus (grön) är lokaliserad i en yttre skorpa och i ränder i insidan. Andra taxa (Rothia, cyan; Neisseria, gul; Veillonella, magenta) finns i kluster och ränder som tyder på att samhället växer utåt från den centrala kärnan. Bildkredit:Steven Wilbert och Gary Borisy, Forsyth Institute

Studien

Den aktuella studien använder multispektral fluorescensavbildning för att fastställa sin roll i rumslig ekologi för mikrobiella system på tungan. Här finns flera tätt sammansatta mikrober i kontakt med det mänskliga epitelet och även med andra orala livsmiljöer som slemhinnan i munnen och tänderna.

Utredarna använde en ruggad plastskrapa av plast för att samla ett skrapat exemplar bakifrån och fram. Storleken och det interna arrangemanget av dessa fragment av biofilm fick dem att dra slutsatsen att de representerade bakteriens rumsliga arrangemang på olika nivåer av tungans dorsum troget över en skala av hundratals mikrometer. Dessa nivåer inkluderar topparna på filiforma papiller som täcker tungan, dalarna mellan dem, och de fina taggarna som skjuter ut från dem, som alla är värdbakterier av olika slag.

Forskarna identifierade först de viktigaste bakterietyperna i proverna som skrapades från tungorna hos 21 friska frivilliga genom sekvensering, och analyserade sedan varje klass för att få en fullständig bild av mikrobiomets struktur i tillräcklig detalj för att varje nyckelart ska kunna tilldelas sin egen fläck på tungan.

De flesta av de mikrobiella generna i tungsamhället består av ett begränsat antal oligotyper, enligt Human Microbiome Project (HMP). Genom att länka varje oligotyp i munnen till bakterieklasserna i den utökade Human Oral Microbiome Database (eHOMD), utredarna identifierade 17 bakteriesläkt som finns hos mer än 80% av människorna och som bildar 0,5% av mikroberna. Med hjälp av sekvenseringsdata från HMP, de fann att 95% eller mer av bakteriesekvenserna kom från en liknande uppsättning släkten.

Forskarna drar slutsatsen att dessa släkter "sannolikt kommer att bilda både det rumsliga och det metaboliska ramverket för det friska TD -mikrobiomet."

Rumslig organisation

Forskarna hittade tre typer av mikrobiella arrangemang:fria bakterier, bakterier på skivepitelceller, och bakteriekonsortier, eller strukturellt komplexa grupper. De senare var bakteriella biofilmer gjorda av flera lager av mikrober, med en tydlig gräns och en epitelkärna.

Analys av bakteriesammansättning i varje kategori och rumslig plats visade att konsortier var mer homogena än de andra kategorierna, med liknande bakteriemönster i alla prover. Fria och epitelbundna bakterier förekom enskilt eller i små kluster. I kontrast, varje konsortium visade samma lokaliserade lappstruktur, var och en dominerad av en bakterietyp.

Varje lapp har en tydlig gräns, är tiotals till hundratals mikrometer lång, och har en kärna av humana mukosala epitelceller. Konsortierna bor mellan omkretszonen, som utsätts för saliv och syre, och epitelkärnan.

Minst ett prov från varje deltagare, och över 95% av provbilderna, visade förekomst av 3 släkten: Actinomyces, Rothia, och Streptokock . Var och en hade sin egen "sweet spot" i konsortiet, med Actinomyces bilda stora kontinuerliga domäner nära kärnan eller ränder mellan fläckar av andra bakterier. Rothia bildade stora fläckar nära omkretsen liksom runt en kärna av epitel- eller bakterieceller. Inom ett sådant kortikalt lager, de Rothia bröts ofta upp av bäckar eller fläckar av andra bakterietyper. Streptokock bildade ett tunt yttre lager på konsortiet samt vener eller fläckar inuti det.

Andra framstående bakterietyper som ses i prover från alla individer i studien ingår Veillonella, Gemella, Neisseriaceae, och filum Sackaribakterier . Några av dessa bakterieklasser kan vara att hjälpa till att omvandla nitrat i saliven till nitrit och därmed hjälpa till att reglera halterna av kväveoxid i kroppen. Mindre än en femtedel av cellerna färgades inte med någon av de specifika sonderna.

Nästa, utredarna tittade på de olika släkten inom konsortiet, varje art inom ett släkte, och en art i synnerhet som man trodde var representanten för det släktet på tungan. Som förväntat av HMP -data, de hittade, till exempel, den där Rothia representerades av R. mucilaginosa , Actinomyces förbi A. odontolyticus , och i mycket mindre utsträckning, A. graevenitizii , och Neisseria förbi N. flavescens . S. mitis , S. salivarius och S. parasanguinis hittades på alla konsortier men på olika platser.

Bildandet av konsortier

Forskarna antar att bakterieceller på tungans dorsum trycker på varandra när de förökar sig. Varje klass ökar snabbare i antal i det område som är idealiskt för deras tillväxt, vilket leder till ojämnt formade fläckar. Detta är ursprunget till lapparrangemanget som ses i det mogna mikrobiomet. Vid ohälsa, strukturen i det mikrobiella samhället kan variera.

"Vår studie är ny eftersom ingen tidigare har kunnat titta på biofilmen på tungan på ett sätt som skiljer alla olika bakterier så att vi kan se hur de ordnar sig, "säger forskaren Gary Borisy." Det mesta av det tidigare arbetet med bakteriesamhällen använde DNA-sekvensbaserade metoder, men för att få DNA -sekvensen, du måste först slipa upp provet och extrahera DNA, som förstör all den vackra rumsliga strukturen som fanns där. Imaging med vår CLASI-FISH-teknik låter oss bevara den rumsliga strukturen och identifiera bakterierna samtidigt. "

Med andra ord, denna avbildningsmetod kunde identifiera de flesta cellerna i varje konsortium, liksom deras överflöd och rumsliga arrangemang i förhållande till näringskällan och platsen för substratet.

Mikrometerskalestudierna hjälper till att differentiera mikrobiella samhällen i förhållande till deras biologiska arrangemang. Användningen av artnivåprober visar att många arter är platsspecialister som förekommer på en plats, som tandplack, men inte i den andra, det är, tungan dorsum.

Forskarna drar slutsatsen, "Även om bildbehandling bara är en av flera viktiga tekniker, det ger den unika fördelen att visa oss målet:landskapet och de strukturer som mikrober bygger och som vi måste förklara och replikera för att ha uppnått en förståelse för det mikrobiella samhället. "

• Förekomst av vissa tarmbakterier hos mödrar kan skydda barn från matallergier
• Vanligt munvatten ökar laktatproducerande bakterier som sänker salivens pH