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图像揭示细菌如何在人的舌头上形成群落

使用最新开发的荧光成像技术,美国的研究人员已经开发了人类舌头上微生物群落的高分辨率图。这些图像于3月24日发表在《细胞报告》杂志上,揭示了舌头表面的微生物生物膜具有复杂的,高度结构化的空间组织。

“通过对结构的详细分析,我们可以推断出社区发展和组织的原则,”福赛思研究所和哈佛大学牙科医学院的资深作家加里·鲍里西说。“舌头上的细菌不仅仅是随机堆。它们更像是我们身体的器官。”

人类口腔微生物组是一个复杂的生态系统。口腔中微生物群落的空间组织受到多种因素的影响,包括温度,湿度,唾液流量,pH,氧气以及诸如磨擦或口腔卫生的干扰频率。此外,微生物通过充当代谢产物,营养物质和抑制性分子(如过氧化氢和抗菌肽)的来源和汇聚而影响邻居。通过占据空间,微生物可以在物理上将彼此从理想的栖息地中排除,但是它们的表面还具有其他微生物可能粘附的结合位点。

然而,空间图案化在微生物生态学领域中受到的关注相对较少。马萨诸塞州伍兹霍尔海洋生物实验室的微生物生态学家杰西卡·马克·韦尔奇(Jessica Mark Welch)表示:“我们认为,学习谁在谁旁边,将帮助我们了解这些社区的工作方式。” “舌头特别重要,因为它蕴藏着大量的微生物,是医学界的传统参考点。'伸出舌头'是医生说的第一件事。”

在这项新研究中,研究人员使用了一种称为“组合标记和光谱成像-荧光原位杂交”(CLASI-FISH)的技术,该技术是最近在Borisy实验室开发的。该策略涉及用多种荧光团标记给定类型的微生物,从而大大扩展了可以在单个视野中同时识别和定位的不同种类微生物的数量。

“我们的研究是新颖的,因为以前没有人能够以区分所有不同细菌的方式来观察舌头上的生物膜,这样我们就可以看到它们是如何排列的,” Borisy说。“以前在细菌群落上的大多数工作都是使用基于DNA测序的方法,但是要获得DNA序列,您必须首先研磨样品并提取DNA,这会破坏那里的所有美丽空间结构。 CLASI-FISH技术使我们能够保留空间结构并同时识别细菌。”

首先,研究人员使用分析后的序列数据来鉴定从21名健康参与者的舌头刮下的小样本中所含的主要细菌类群。在序列分析的指导下,成像方法针对主要属和选定物种,以获得微生物组结构的全面视图。研究人员确定了17个细菌属,它们在舌头上很丰富,并且存在于80%以上的个体中。样品包括游离细菌,与宿主上皮细胞结合的细菌以及组织成联盟的细菌-结构复杂的多层生物膜。

财团在社区结构中显示出斑驳的格局,由单个分类单元控制的局部空间域组成。尽管它们的形状各不相同,但它们通常长几十到几百微米,并具有上皮细胞的核心和明确的周边。所有受试者的舌头都有由三个属组成的联合体:放线菌,Rothia和链球菌。放线菌经常出现在核心附近,而Rothia则经常在联盟的外部以大块状出现。观察到链球菌在聚生体的外部形成薄皮,并且在其内部还形成脉或斑块。

马克·韦尔奇说:“集体地,我们在物种层面的成像结果证实并加深了我们对关键参与者栖息地特异性的理解,并显示了在高成像和鉴定分辨率下研究微生物群落的价值。”

两者合计,结果为我们的舌头上的结构化微生物群落的产生提供了一个模型。首先,细菌细胞单独或成簇聚集在舌头表面的上皮细胞上。在人口增长过程中,不同的分类单元相互推动,并在支持其生理需求的微环境中更快地扩散。这种不同的生长导致在更大,更成熟的结构中观察到贴片镶嵌组织。

这些图像还显示,一些能够降低硝酸盐含量的类群(放线菌,奈瑟菌,Rothia和Veillonella)在舌头财团中很突出。这就增加了人舌表面上的小突起被构造成促进细菌生长的可能性,这些细菌将唾液中的硝酸盐转化为亚硝酸盐,而这种功能不是人类宿主基因组所编码的。

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