Экзополисахаридная матрица модулирует взаимосвязь между 3D-архитектурой и вирулентностью смешанного видов орального биопленочного сообщества

Вирулентные биопленки ответственны за ряд инфекций, включая заболевания полости рта. Все биопленки содержат микробно образованную внеклеточную матрицу. Экзополисахариды (EPS), образующиеся на пелликуле зуба и на поверхностях бактерий, предоставляют сайты связывания для микроорганизмов; в конечном итоге накопленные EPS опутывают микробные клетки. Метаболическая активность бактерий внутри этой матрицы приводит к подкислению окружающей среды. Мы исследовали механизмы, с помощью которых EPS-матрица, продуцируемая Streptococcus mutans, модулирует трехмерную (3D) архитектуру и сдвиги популяций в ходе морфогенеза биопленков на поверхности апатита, покрытой слюной, используя систему смешанных бактериальных видов. Одновременно мы изучали, влияет ли матрица на формирование pH-микроокружений в интактных биопленках с помощью новой 3D in situ техники картирования pH. Данные показывают, что образование EPS-матрицы способствует созданию пространственных неоднородностей путем формирования сложной сети из экзополисахаридом опутанных бактериальных островков (микроколоний) посредством локализованных взаимодействий клетка–матрица. Такая сложная 3D-архитектура создает компартментализованные кислые и богатые EPS микроокружения по всему биопленочному сообществу, что приводит к доминированию патогенного S. mutans в системе смешанных видов. Установление 3D-матрицы и EPS-опутанных микроколоний в значительной степени опосредовано генами S. mutans gtfB/gtfC, экспрессия которых усиливалась в присутствии Actinomyces naeslundii и Streptococcus oralis. Кислые карманы обнаруживались только в интерьерах бактериальных островков, защищенных EPS, что препятствует быстрой нейтрализации буфером (pH 7.0). В результате области низкого pH (<5.5) выявлялись в определенных локализациях вдоль поверхности прикрепления. Сопротивление хлоргексидину было повышено у клеток внутри комплексов EPS-микроколоний по сравнению с клетками за пределами таких структур в биопленке. Наши результаты иллюстрируют критическое взаимодействие между архитектурой матрицы и pH-гетерогенностью в 3D-среде. Формирование структурированных кислых микроокружений в непосредственной близости от апатитовой поверхности является существенным фактором, связанным с вирулентностью кариогенных биопленок. Эти наблюдения могут иметь значение и за пределами полости рта, поскольку матрица присуща всем биопленкам.