Streptococcus mutans vormt cariogeen kliekje in cariogene biofilm

3D-analyse van intacte biofilms afkomstig van cariogene laesies in melkelementen laten een specifieke koepelachtige structuur zien waarbinnen Streptococcus mutans domineert en een zeer acidogeen milieu gecreëerd wordt.

Omdat cariës een lokaal proces is, stelde een consortium van Amerikaanse onderzoekers zichzelf de vraag of ook Streptococcus mutans (S. mutans) zich op een niet homogene wijze ruimtelijk organiseert om zo zijn virulentiepotentieel optimaal te gebruiken.

De onderzoekers extraheerden daartoe eerst de door cariës aangedane melkelementen en vervolgens werd de intacte biofilm op de niet gecaviteerde maar wel carieuze vlakken met een microscoop in beeld gebracht. Van de 4 soorten geïdentificeerde structuren werd S. mutans voornamelijk in een koepelachtige structuur aangetroffen. Nadere analyse van de koepelvormige structuur toonde aan dat deze bestaat uit een kern van S. mutans cellen die omringd wordt door een laag niet-mutans streptokokken, gevolgd door een buitenste laag bacteriën die niet tot de streptokokken behoren (zie afb. 1).

Afb. 1 (Beeld: Proceedings of the National Academy of Sciences USA)

In het laboratorium bleek een mengsel van S. mutans en S. oralis op stukjes glazuur vergelijkbare koepelvormige structuren te vormen. De koepels groeiden verspreid over de verder homogeen gevormde biofilm. Deze structuren waren ook rijk aan het extracellulaire polysacharide glucaan, waarvan de productie essentieel is voor de vorming van de koepels. De homogene stukken biofilm hadden een neutrale pH terwijl in de koepelvormige structuren de pH veel lager was. Typisch was dat juist op de plekken waar de koepelvormige structuren gevormd werden, het onderliggende glazuur wittevleklaesies vertoonden met een lager gehalte aan fosfaat en lokaal gedemineraliseerd glazuur (zie afb. 2).

Afb. 2 (Beeld: Proceedings of the National Academy of Sciences USA)

Ten slotte toonden de onderzoekers aan dat de intacte koepelvormige structuren S. mutans beschermden tegen antimicrobiële spoelmiddelen zoals chloorhexidine (CHX) en de expressie van genen die van belang zijn voor zuurtolerantie promoten. Zodra de integriteit van de structuur echter verloren ging, resulteerde de behandeling met CHX direct in minder levensvatbare S. mutans-cellen.

Afb. 3 (Beeld: Proceedings of the National Academy of Sciences USA)

De vorming van zogenoemde virulence hotspots in een verder homogene biofilm laat zien dat niet alleen de aan- of afwezigheid van pathogene bacteriën van belang is, maar dat ook de manier waarop ze georganiseerd zijn essentieel is voor hun virulentiepotentieel (zie afb. 3).

 (Bron: Proc Natl Acad Sci USA, 2 juni 2020)