Wie der Karieskeim den Biofilm strukturiert

Wissenschaftler der Universität von Pennsylvania, USA, erforschten die Architektur von Biofilmen auf kariösen menschlichen Zähnen. Als Material dienten insgesamt 30 kariöse Milchfrontzähne, die ein Kinderzahnarzt bei Kindern zwischen drei und sechs Jahren extrahierte, die an frühkindlicher Karies (Early Childhood Caries, ECC) litten.

Der erfahrene Zahnarzt entfernte die Zähne so vorsichtig, dass der bukkale Biofilm nicht zerstört wurde. Die Wissenschaftler untersuchten anschließend die räumlich-strukturelle Organisation der natürlich gebildeten Biofilme auf den noch intakten Zahnoberflächen unter Verwendung von konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie und über Computeranalysen nach Fluoreszenzmarkierung von Bakterien. Mittels quantitativer Computeranalyse bestimmten sie auch das Biovolumen und die Positionierung der Mikroben innerhalb des Biofilms.

Die Forscher fanden in 70 Prozent der Proben rotundenartige 3D-Strukturen mit hohen Populationen von S. mutans. Daraufhin visualisierten die Wissenschaftler diese rundlichen Strukturen und führten quantitative Bildanalysen durch. Die typische Anordnung war Korona-ähnlich: Ein dicht gepacktes Bakteriencluster als innerer Kern dominiert von S. mutans und davon abgetrennt eine Hülle aus S. oralis, sowie eine äußere Schicht aus S. oralis und Nicht-Streptokokkenarten.

Es gelang den Forschern, eine solche 3D-Struktur in einem Biofilm-Modell auf Schmelzblöcken herzustellen. Darin untersuchten sie die räumliche Verteilung der pH-Werte: Die rundlichen Gebilde wiesen stark saure pH-Werte auf, an anderen, flacheren Stellen des Biofilms waren die gemessenen pH-Werte nahezu neutral. Unterhalb der sauren S.mutans-Cluster zeigten sich akute Demineralisierungsvorgänge auf der Zahnschmelzoberfläche des Modells, ähnlich den kreidigen Entkalkungen von beginnender Karies.

An Schnittpräparaten war erkennbar, dass an diesen Stellen erhöhte Läsionstiefen im Schmelz und ein vermehrter Mineralverlust vorhanden war. Umgekehrt verursachten die von S. oralis dominierten Bereiche in flachen, nicht rundlichen Strukturen (trotz ähnlicher Bakterienbiomasse wie in den rundlichen Strukturen) keine Demineralisierung des Zahnschmelzes.

Die Ergebnisse der Studie unterstreichen die Bedeutung der Biogeographie des menschlichen Mikrobioms. Die räumliche Strukturierung von Krankheitserregern und Kommensalkeimen bestimmt das Virulenzpotenzial in situ. Dabei ist der Aufbau dieser Struktur ein aktiver Prozess, der von S. Mutans über die Produktion eines extrazellulären „Gerüsts“ gesteuert wird und im Ergebnis die Widerstandsfähigkeit des Biofilms gegenüber Säuren und antimikrobiellen Substanzen erhöht.

Dongyeop Kim, Juan P. Barraza, Rodrigo A. Arthur, Anderson Hara, Karl Lewis, Yuan Liu, Elizabeth L. Scisci, Evlambia Hajishengallis, Marvin Whiteley, and Hyun Koo: “Spatial mapping of polymicrobial communities reveals a precise biogeography associated with human dental caries“; Proc Natl Acad Sci U S A, 2020 May 18; 201919099.doi: 10.1073/pnas.1919099117.