2021-12-16 11:07

人类舌头微生物组的详细地图

2020年3月发表在该杂志上的一项新研究报告了使用先进和快速光谱成像技术来开发人类舌头上微生物群落的详细地图。这项研究将有助于了解这些社区是如何成长并形成有组织的模式的。

空间生态学与冲突鱼

空间生态学或景观生态学是研究细菌群落空间格局形成的一个研究领域。“颗粒”(观测到的最小单位)的大小和“范围”(观测范围)是检验尺度的重要决定因素。在构建关于这些社区如何组织的理论时,规模是至关重要的。

这种模式是如何形成的?至少在人类口腔中,答案包括温度、湿度、唾液流量、含氧量、pH值以及磨损或口腔卫生程序发生的次数等因素。除了这些宏观层面的因素外,微生物本身还产生和利用代谢化合物、营养物质和抑制剂,包括抗菌分子。它们还能从物理上阻止其他微生物占据主要空间,或者它们的表面可以为其他微生物提供良好的附着点。这种相互作用导致了一个多样化和功能冗余的群落,根据微生物间相互作用的水平,该群落或多或少是稳定的和代谢活跃的。

要绘制空间方向图,还必须知道其他因素,如微生物之间的距离以及微生物与其他宿主特征之间的距离,如最近的宿主细胞或微生物所在的生物膜的表面。成像被用来在单个细胞水平上以一毫米的尺度获取这种模式的信息。

结合光谱成像荧光原位杂交(CLASI-FISH)的组合标记技术的发展,通过用多个荧光团标记任何给定类型的微生物,有助于同时识别和定位多个微生物类别。这有助于在微米尺度上可视化形成微生物群落的整个微生物系统的空间布局。

Bacterial biofilm scraped from the surface of the to<em></em>ngue and imaged using CLASI-FISH. Human epithelial tissue forms a central core (gray). Colors indicate different bacteria: Actinomyces (red) occupy a region close to the core; Streptococcus (green) is localized in an exterior crust and in stripes in the interior. Other taxa (Rothia, cyan; Neisseria, yellow; Veillonella, magenta) are present in clusters and stripes that suggest the growth of the community outward from the central core. Image Credit: Steven Wilbert and Gary Borisy, The Forsyth Institute

这项研究

目前的研究使用多光谱荧光成像来确定其在舌部微生物系统空间生态中的作用。这里有多个密集聚集的微生物与人类上皮细胞接触也与其他口腔栖息地如口腔粘膜和牙齿接触。

研究人员使用脊状塑料刮舌器从后到前收集刮过的标本。这些生物膜碎片的大小和内部排列使他们得出结论,它们代表了数百微米尺度上舌背不同层次上的细菌的空间排列。这些层次包括覆盖在舌头上的丝状乳突的顶部,它们之间的山谷,以及从中突出的细刺,所有这些都是不同类型的细菌的宿主。

研究人员首次发现的主要细菌类型从21岁健康志愿者的舌头刮的样本测序,然后分析每个类想出一个完整的视图结构的微生物在足够的细节,使每个关键物种被分配自己的舌头上。

根据人类微生物组计划(HMP),舌群中的大多数微生物基因是由数量有限的寡型组成的。通过将口腔中的每一种寡聚型与扩大后的人类口腔微生物组数据库(eHOMD)中的细菌分类联系起来,研究人员确定了存在于超过80%的人体内的17种细菌属,并形成了0.5%的微生物。利用HMP的测序数据,他们发现95%或更多的细菌序列来自一组相似的属。

研究人员得出结论,这些属“很可能形成健康TD菌群的空间和代谢框架”。

空间组织

研究人员发现了三种类型的微生物排列:游离细菌、鳞状上皮细胞上的细菌和细菌财团,或结构复杂的群体。后者是由几层微生物组成的细菌生物膜,具有明显的边界和上皮核心。

各分类和空间位置的细菌组成分析表明,菌群比其他分类更同质,所有样本的细菌模式相似。游离细菌和上皮结合细菌单独或小簇出现。相比之下,每个菌群显示出相同的局部斑块结构,每个菌群由一种细菌类型主导。

每个贴片都有清晰的边界,长几十到几百微米,核心是人类黏膜上皮细胞。财团生活在周边区域,暴露在唾液和氧气,和上皮核心之间。

每个参与者至少有一个样本,95%以上的样本图像显示存在3个属:和。每一种细菌都有自己的“最佳位置”,在核心附近或其他细菌斑块之间形成巨大的连续区域。在周围以及上皮细胞或细菌细胞的核心周围形成大的斑块。在这样的皮层层中,细菌经常被其他类型的细菌分裂。在银团上形成了一层薄薄的外层,以及银团内部的静脉或斑块。

在该研究中所有个体的样本中还发现了其他突出的细菌类型,包括和门。其中一些细菌可能有助于将唾液中的硝酸盐转化为亚硝酸盐,从而帮助调节体内一氧化氮的水平。不到五分之一的细胞没有被任何特定的探针染色。

接下来,研究人员观察了该组合中的不同属,一个属中的每一个物种,特别是一个被认为是舌头上该属的代表物种的物种。正如HMP数据所预期的那样,他们发现,例如,由,和在更小的程度上由,和表示。,并在所有的财团中发现,但在不同的地方。

财团的形成

科学家们推测,舌背上的细菌细胞在繁殖时相互推动。在适合他们成长的区域中,每个类别的数量增长得更快,导致不均匀的斑块。这是在成熟的微生物群中看到的斑块排列的起源。在健康状况不佳时,微生物群落的结构可能会发生变化。

“我们的研究是新颖的,因为之前没有人能够通过观察舌头上的生物膜来区分所有不同的细菌,这样我们就可以看到它们是如何排列的,”研究人员加里·鲍里斯说。“以前大多数关于细菌群落的工作都是使用基于DNA测序的方法,但要获得DNA序列,你必须先磨碎样本并提取DNA,这将破坏所有美丽的空间结构。利用我们的CLASI-FISH技术成像,我们可以在保留空间结构的同时识别细菌。”

换句话说,这种成像方法能够识别每个组合中的大多数细胞,以及它们与营养来源和基质位置相关的丰度和空间排列。

微米级的研究有助于区分微生物群落与其生物排列的关系。通过对物种水平的探测发现,许多物种都是某个部位的专家,比如牙菌斑,而不是在另一个部位,也就是舌背。

研究人员总结道:“尽管成像只是几个关键技术之一,但它为我们展示目标提供了独特的好处:微生物构建的景观和结构,为了理解微生物群落,我们需要解释和复制它们。”

期刊引用:

《人类舌背微生物群落的空间生态学》,30,1-13 (2020),https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30271-0