Carte détaillée du microbiome de la langue humaine

Une nouvelle étude publiée dans la revue Rapports de cellule en mars 2020 signale l'utilisation de techniques d'imagerie spectrale avancées et rapides pour développer une carte détaillée des communautés microbiennes sur la langue humaine. La recherche aidera à comprendre comment ces communautés se développent et forment des modèles organisés.

Écologie spatiale et CLASH-FISH

L'écologie spatiale ou l'écologie du paysage est un domaine de recherche qui étudie la formation de modèles spatiaux parmi les communautés bactériennes. La magnitude du «grain» (la plus petite unité observée) et l '«étendue» (la gamme des observations) sont des déterminants importants de l'échelle d'examen. L'échelle est cruciale lorsqu'il s'agit de construire des théories sur l'organisation de ces communautés.

Comment ces modèles se forment-ils? Dans la bouche humaine, au moins, la réponse comprend des facteurs tels que la température, les niveaux d'humidité, le flux de salive, le niveau d'oxygène, le pH et le nombre de fois que des abrasions ou des procédures d'hygiène buccale se produisent. En plus de ces facteurs au niveau macro, les microbes eux-mêmes produisent et utilisent des composés métaboliques, des nutriments et des inhibiteurs, y compris des molécules antimicrobiennes. Ils empêchent également physiquement d'autres microbes d'occuper un espace privilégié, ou leurs surfaces peuvent offrir de bons endroits pour que d'autres microbes s'y lient. De telles interactions conduisent à une communauté diversifiée et fonctionnellement redondante, qui est plus ou moins stable et métaboliquement active selon les niveaux d'interaction inter-microbienne.

Pour cartographier l'orientation spatiale, d'autres facteurs doivent être connus, tels que la distance entre les microbes ainsi que la distance entre les microbes et d'autres caractéristiques de l'hôte telles que la cellule hôte la plus proche ou la surface d'un biofilm dont le microbe fait partie. L'imagerie est utilisée pour obtenir des informations sur ces modèles au niveau de chaque cellule à des échelles allant jusqu'à un millimètre.

Le développement d'une technique appelée étiquetage combinatoire avec l'hybridation d'imagerie spectrale-fluorescence in situ (CLASI-FISH) a permis d'identifier et de localiser simultanément plusieurs classes microbiennes en étiquetant tout type de microbe donné avec plusieurs fluorophores. Cela permet de visualiser l'arrangement spatial de tout un système de microbes formant des communautés microbiennes à l'échelle du micron.

Biofilm bactérien gratté à la surface de la langue et imagé à l'aide de CLASI-FISH. Le tissu épithélial humain forme un noyau central (gris). Les couleurs indiquent différentes bactéries: les actinomyces (rouges) occupent une région proche du noyau; Le streptocoque (vert) est localisé dans une croûte extérieure et en rayures à l'intérieur. D'autres taxons (Rothia, cyan; Neisseria, jaune; Veillonella, magenta) sont présents en grappes et en rayures qui suggèrent la croissance de la communauté vers l'extérieur à partir du noyau central. Crédit d'image: Steven Wilbert et Gary Borisy, The Forsyth Institute

L'étude

La présente étude utilise l'imagerie par fluorescence multispectrale pour établir son rôle dans l'écologie spatiale des systèmes microbiens sur la langue. Ici, il y a plusieurs microbes densément groupés en contact avec l'épithélium humain et aussi avec d'autres habitats buccaux comme la muqueuse de la bouche et des dents.

Les enquêteurs ont utilisé un grattoir à langue en plastique strié pour recueillir un échantillon éraflé de l'arrière vers l'avant. La taille et la disposition interne de ces fragments de biofilm les ont amenés à conclure qu'ils représentaient fidèlement la disposition spatiale des bactéries à différents niveaux du dos de la langue sur une échelle de centaines de micromètres. Ces niveaux comprennent le sommet des papilles filiformes recouvrant la langue, les vallées entre elles et les fines épines qui en sortent, qui hébergent toutes des bactéries de types différents.

Les chercheurs ont d'abord identifié les principaux types de bactéries dans les échantillons prélevés sur la langue de 21 volontaires sains par séquençage, puis analysé chaque classe pour arriver à une vue complète de la structure du microbiome avec suffisamment de détails pour permettre à chacune des espèces clés à attribuer sa propre place sur la langue.

La plupart des gènes microbiens de la communauté de la langue sont formés d'un nombre limité d'oligotypes, selon le Human Microbiome Project (HMP). En reliant chaque oligotype dans la bouche aux classes bactériennes de la base de données élargie du microbiome oral humain (eHOMD), les enquêteurs ont identifié 17 genres bactériens présents dans plus de 80% des personnes et formant 0,5% des microbes. En utilisant les données de séquençage du HMP, ils ont découvert que 95% ou plus des séquences bactériennes provenaient d'un ensemble similaire de genres.

Les chercheurs concluent que ces genres sont « susceptibles de former à la fois le cadre spatial et métabolique du microbiome TD sain ».

Organisation spatiale

Les chercheurs ont découvert trois types d'arrangements microbiens: des bactéries libres, des bactéries sur les cellules épithéliales squameuses et des consortiums bactériens, ou des groupes structurellement complexes. Ces derniers étaient des biofilms bactériens constitués de plusieurs couches de microbes, avec une frontière distincte et un noyau épithélial.

L'analyse de la composition bactérienne dans chaque catégorie et emplacement spatial a montré que les consortiums étaient plus homogènes que les autres catégories, avec des profils bactériens similaires dans tous les échantillons. Les bactéries libres et liées à l'épithélium se sont produites seules ou en petites grappes. En revanche, chaque consortium présentait la même structure de patch localisée, chacune dominée par un type bactérien.

Chaque patch a une frontière distincte, mesure de plusieurs dizaines à plusieurs centaines de micromètres et possède un noyau de cellules épithéliales muqueuses humaines. Les consortiums vivent entre la zone périphérique, qui est exposée à la salive et à l'oxygène, et le noyau épithélial.

Au moins un échantillon de chaque participant et plus de 95% des images d'échantillons ont montré la présence de 3 genres: Actinomyces, Rothia, et Streptocoque. Chacun avait son propre «sweet spot» dans le consortium, avec Actinomyces formant de grands domaines continus près du noyau ou des rayures entre les plaques d'autres bactéries. Rothia formé de grandes plaques près du périmètre ainsi qu'autour d'un noyau de cellules épithéliales ou bactériennes. Au sein d'une telle couche corticale, la Rothia était souvent fragmenté par des ruisseaux ou des plaques d'autres types bactériens. Streptocoque formé une fine couche externe sur le consortium ainsi que des veines ou des plaques à l'intérieur.

Parmi les autres types de bactéries importants observés dans les échantillons de tous les individus de l'étude, mentionnons Veillonella, Gemella, Neisseriaceae, et phylum Saccharibacteria. Certaines de ces classes bactériennes peuvent aider à convertir le nitrate de la salive en nitrite et ainsi aider à réguler les niveaux d'oxyde nitrique dans le corps. Moins d'un cinquième des cellules n'ont été colorées avec aucune des sondes spécifiques.

Ensuite, les enquêteurs ont examiné les différents genres au sein du consortium, toutes les espèces d'un même genre, et une espèce en particulier qui était considérée comme représentative de ce genre sur la langue. Comme prévu à partir des données HMP, ils ont constaté, par exemple, que Rothia était représenté par R. mucilaginosa, Actinomyces par A. odontolyticus, et dans une bien moindre mesure, A. graevenitizii, et Neisseria par N. flavescens. S. mitis, S. salivarius et S. parasanguinis ont été trouvés sur tous les consortiums mais à des endroits différents.

La formation de consortiums

Les scientifiques émettent l'hypothèse que les cellules bactériennes du dos de la langue se poussent les unes contre les autres en se multipliant. Chaque classe augmente plus rapidement en nombre dans la zone idéale pour leur croissance, conduisant à des plaques de forme inégale. C'est l'origine de la disposition des patchs observée dans le microbiome mature. En mauvaise santé, la structure de la communauté microbienne peut varier.

« Notre étude est nouvelle parce que personne auparavant n'a pu regarder le biofilm sur la langue d'une manière qui distingue toutes les différentes bactéries afin que nous puissions voir comment elles s'organisent », explique le chercheur Gary Borisy. « La plupart des travaux précédents sur les communautés bactériennes ont utilisé des approches basées sur le séquençage de l'ADN, mais pour obtenir la séquence d'ADN, vous devez d'abord broyer l'échantillon et extraire l'ADN, ce qui détruit toute la belle structure spatiale qui était là. Imagerie avec notre La technique CLASI-FISH nous permet de préserver la structure spatiale et d'identifier les bactéries en même temps. « 

En d'autres termes, cette méthode d'imagerie a pu identifier la plupart des cellules de chaque consortium, ainsi que leur abondance et leur disposition spatiale par rapport à la source de nutrition et à l'emplacement du substrat.

Les études à l'échelle micrométrique aident à différencier les communautés microbiennes en fonction de leur arrangement biologique. L'utilisation de sondes au niveau des espèces montre que de nombreuses espèces sont des spécialistes de sites survenant sur un site, comme la plaque dentaire, mais pas sur l'autre, c'est-à-dire le dos de la langue.

Les chercheurs concluent: «Bien que l'imagerie ne soit qu'une des nombreuses technologies clés, elle offre l'avantage unique de nous montrer la cible: le paysage et les structures que les microbes construisent et que nous devons expliquer et reproduire afin d'avoir acquis une compréhension de communauté microbienne. «