健康頭皮與頭皮屑頭皮微生物組的對比結(jié)果揭示共生體在頭皮健康中的作用

有研究顯示，當(dāng)出現(xiàn)頭皮屑、脂溢性皮炎和特應(yīng)性皮炎等問題時，其皮損部位處于微生態(tài)失調(diào)狀態(tài)。然而，迄今為止頭皮微生物組的研究主要都在關(guān)注不同人群細(xì)菌和真菌群落的分類組成和多樣性變化。這些研究表明，馬拉色菌、丙酸桿菌和葡萄球菌分別是皮膚表面真菌和細(xì)菌的主要菌屬。

本研究采用擴(kuò)增子和宏基因組技術(shù)在140例年齡相近（20～45歲）的印度女性中進(jìn)行了一項(xiàng)大規(guī)模研究。該研究納入了等量的健康頭皮和頭皮屑頭皮樣本，記錄頭皮的皮脂量、經(jīng)表皮失水量（TEWL）、水合程度以及頭皮屑嚴(yán)重程度分級。研究顯示，健康頭皮微生物群落與生物素和其他維生素合成顯著關(guān)聯(lián)，而這些在頭皮屑頭皮中都較少出現(xiàn)。

一、材料和方法（詳見原文）

二、結(jié)果

1.健康頭皮和頭皮屑頭皮的表面微生物組多樣性及分類組成：通過擴(kuò)增子測序，對70例健康頭皮和70例頭皮屑頭皮的表皮微生物組進(jìn)行了多樣性測定。發(fā)現(xiàn)在分類組成上存在顯著個體間差異，主要的真菌菌屬依然是馬拉色菌屬（＞70%）、曲霉屬、枝孢菌屬、Wallemia和鏈格孢屬。健康頭皮真菌群的α多樣性（Shannon多樣性指數(shù)）明顯低于頭皮屑頭皮（P≤0.001）。在物種層面上，在大多數(shù)樣本中都可以觀察到高豐度的限制性馬拉色菌和球形馬拉色菌。健康頭皮中的球形馬拉色菌豐度（16.23%）明顯高于頭皮屑頭皮（6.41%）（P≤0.000 1）。限制性馬拉色菌的豐度在健康頭皮（38.42%）與頭皮屑頭皮（33%）之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P≥0.05）。然而，在頭皮屑頭皮上，限制性馬拉色菌與球形馬拉色菌的比率明顯較高（P=0.004）。

ITS1擴(kuò)增子的很大一部分（＞總讀數(shù)的40%）被指定為不典型馬拉色菌屬的操作分類單元（OTUs）。這些OTUs中的一種（約占總讀數(shù)的20%）屬于不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬，其他的則屬于未知的馬拉色菌屬，其中6個OTUs與限制性馬拉色菌的同一性≥85%，并被指定為馬拉色菌的亞群。因此，不典型馬拉色菌屬的序列形成3個亞群：①不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬（約占總讀數(shù)的20%）；②馬拉色菌（約占總讀數(shù)的7%）；③限制性馬拉色菌近似菌屬（約占總讀數(shù)的4%）。研究發(fā)現(xiàn)，頭皮屑頭皮中不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬的豐度（25.26%）明顯高于健康頭皮（14.44%）（P≤0.000 1）。頭皮屑頭皮中未知的馬拉色菌屬和限制性馬拉色菌近似菌屬也明顯高于健康頭皮（P≤0.01）。最近在巴西人群中進(jìn)行的一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)了很大比例的不典型馬拉色菌（＞總讀數(shù)的37%）。這些發(fā)現(xiàn)表明，迄今為止的不典型馬拉色菌屬在頭皮屑的病理生理學(xué)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

此外，頭皮樣本的宏基因組分析結(jié)果證實(shí)，在健康頭皮和頭皮屑頭皮中，限制性馬拉色菌和球形馬拉色菌都是豐度最高的真菌；糠秕馬拉色菌、鈍形馬拉色菌、厚皮馬拉色菌和caprae馬拉色菌的豐度都較低。

在健康頭皮和頭皮屑頭皮中，丙酸桿菌、葡萄球菌、棒狀桿菌、芽孢桿菌和假單胞菌的含量豐富。健康頭皮與頭皮屑頭皮細(xì)菌種群的α多樣性沒有顯示出明顯的差異。頭皮屑頭皮中表皮葡萄球菌的豐度（28.1%）明顯高于健康頭皮（14.8%）（P=0.000 2），痤瘡丙酸桿菌的豐度（30.83%）與健康頭皮（24.42%）之間沒有明顯差異（P≥0.05）。然而，健康頭皮中痤瘡丙酸桿菌與表皮葡萄球菌的比值明顯高于頭皮屑頭皮（P=0.01）。此外，健康頭皮中硝酸還原假單胞菌的豐度（21.2%）也明顯高于頭皮屑頭皮（9.9%）（P≤0.000 1）。

核心微生物組的確定對于了解任何環(huán)境中微生物組的穩(wěn)定性和一致性非常重要。因?yàn)樵撗芯恐兴兄驹刚叩念^皮生理學(xué)參數(shù)都存在較大差異，所以在一些樣本中占優(yōu)勢的核心OTUs可能在其他樣本中罕見或缺失。因此，研究對80%的樣本使用了豐度≥1%的不太嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來界定頭皮核心微生物組。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，痤瘡丙酸桿菌和表皮葡萄球菌構(gòu)成了細(xì)菌的核心組分，限制性馬拉色菌和球形馬拉色菌以及馬拉色菌的亞群（1、2和3）構(gòu)成了頭皮真菌的核心組分。與健康頭皮相比較，頭皮屑頭皮中不典型馬拉色菌亞群的豐度明顯較高，并且其在個體中的存在值得關(guān)注，這可能是印度人群所特有的。

2.微生物種類與宿主的臨床及生理學(xué)參數(shù)相關(guān)性：結(jié)果發(fā)現(xiàn)，頭皮屑評分、瘙癢和TEWL之間存在顯著性正相關(guān)。水合作用與皮脂水平也呈正相關(guān)，而TEWL與這兩個參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。在頭皮屑頭皮中，頭皮屑評分和瘙癢的程度明顯較高（P≤0.000 1），TEWL也明顯高于健康頭皮（P=0.035）。

在3個馬拉色菌亞群中，球形馬拉色菌與不可培養(yǎng)的馬拉色菌的頭屑評分和瘙癢程度呈顯著性正相關(guān)（FDR調(diào)整后P≤0.05），而在健康頭皮中豐度較高的球形馬拉色菌則與這些參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。不可培養(yǎng)的馬拉色菌也與水合作用之間呈顯著性負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果再次表明，不典型馬拉色菌亞群與頭皮屑之間具有正向關(guān)系。

在細(xì)菌種群中，表皮葡萄球菌和葡萄球菌屬與頭皮屑評分、TEWL和瘙癢之間呈顯著性正相關(guān)（FDR調(diào)整后P≤0.05）。這些物種與水合作用呈負(fù)相關(guān)。豐度較低的假單胞菌屬與這些參數(shù)呈負(fù)相關(guān)。其他低豐度的細(xì)菌和真菌也與這些參數(shù)之間具有顯著相關(guān)性。

3.頭皮微生物組的功能分析：全面的宏基因組分析微生物組潛在功能發(fā)現(xiàn)，頭皮屑頭皮真菌代謝的KO多樣性高于健康頭皮，這與頭皮屑頭皮中真菌種群的α多樣性較高相一致。健康頭皮與頭皮屑頭皮之間的幾種真菌KEGG通路存在顯著性差異（P≤0.05，Wilcoxon檢驗(yàn)）。健康頭皮中的氨基酸代謝通路（組氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸代謝）和硫辛酸代謝通路明顯比頭皮屑頭皮中更豐富。而且，在頭皮屑頭皮中富含參與細(xì)胞-宿主相互作用的N-聚糖生物合成通路。KEGG模塊注釋表明，在頭皮屑中富含N-聚糖前體生物合成和N-糖基化作用的模塊，并且限制性馬拉色菌被發(fā)現(xiàn)可以明顯促進(jìn)N-聚糖的生物合成通路。

細(xì)菌微生物組中KEGG代謝通路的數(shù)量高于真菌微生物組，這在健康頭皮與頭皮屑頭皮之間存在顯著性差異（P≤0.05）。與維生素和輔酶因子有關(guān)的通路（生物素、卟啉和葉綠素、維生素B6、煙酸和煙酰胺的代謝，泛醌和其他萜烯醌的生物合成），以及氨基酸在健康頭皮中的含量明顯高于頭皮屑頭皮，且其KEGG模塊也顯示出相似的趨勢。這些通路與頭皮屑評分和瘙癢呈負(fù)相關(guān)。在微生物組中還可以觀察到高豐度的抗生素抗性和生物合成通路，證實(shí)健康頭皮與頭皮屑頭皮之間存在顯著性差異，且與頭皮屑評分和瘙癢之間呈顯著負(fù)相關(guān)。

4.健康頭皮的細(xì)菌微生物組中富含生物素和維生素代謝通路：與頭皮屑頭皮相比較，健康頭皮中的生物素代謝通路顯著富集（P=0.000 1，Wilcoxon檢驗(yàn)）。在健康頭皮中還富含生物素代謝的3個模塊，即M00123、M00573（BioI）和M00577（BioW），它們參與了來自庚二酰ACP/CoA的生物素的生物合成。生物素是頭發(fā)生長和頭皮健康的必需營養(yǎng)物質(zhì)。有報道顯示，其在蛋白合成（更確切地說是在角蛋白的生成）中發(fā)揮著重要作用，對健康頭發(fā)的生長是必需的。

雖然在數(shù)據(jù)集中可以觀察到完整的生物素代謝通路的基因，但是詳細(xì)分析顯示，與頭皮屑頭皮相比較，在健康頭皮中生物素合成的主要真菌代謝的KO及其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白富集。有趣的是，丙酸桿菌屬是健康頭皮微生物組中含量最豐富的細(xì)菌種群，同時也攜帶有生物素合成及其轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的基因，這表明了其在為宿主提供生物素中的關(guān)鍵作用。丙酸桿菌屬與氨基酸和維生素代謝通路（包括生物素代謝通路）之間呈顯著正相關(guān)。人類和其他哺乳動物不能合成生物素，因此需要通過外源性來源來獲得。通過鈉依賴性復(fù)合維生素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SMVT），人體宿主角質(zhì)形成細(xì)胞可以輸出（輸入）生物素、硫辛酸和泛酸等維生素，這些維生素對于健康的皮膚或頭皮表面是至關(guān)重要的，而且還可以表達(dá)生物素特異性轉(zhuǎn)運(yùn)組分。因此，可以假設(shè)，頭皮角質(zhì)形成細(xì)胞可以攝取頭皮微生物組合成的生物素和其他維生素來為頭皮提供營養(yǎng)，這有助于維持頭皮的健康狀態(tài)。

三、討論

該研究使用互補(bǔ)高通量測序方法，首次全面概述了頭皮微生物組及其與健康頭皮和頭皮屑頭皮的關(guān)聯(lián)性。痤瘡丙酸桿菌和表皮葡萄球菌是印度人群中的主要定植細(xì)菌，研究顯示，痤瘡丙酸桿菌與健康頭皮相關(guān)，而表皮葡萄球菌則與頭皮屑頭皮相關(guān)。與頭皮屑頭皮相比較，健康頭皮中痤瘡丙酸桿菌與表皮葡萄球菌的比率更高。因此可推斷，痤瘡丙酸桿菌與表皮葡萄球菌的比率可能是診斷和預(yù)防頭皮屑的重要生物標(biāo)志物。限制性馬拉色菌和在較低程度上的球形馬拉色菌是頭皮上的主要定植真菌，并且限制性馬拉色菌與球形馬拉色菌的比率較低與健康頭皮相關(guān)。

另一個重要結(jié)果是，頭皮屑頭皮微生物組中不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬的豐度（25.26%）高于健康頭皮（14.44%），并且與頭皮屑相關(guān)性參數(shù)呈顯著正相關(guān)。最近在中國和巴西進(jìn)行的隊(duì)列研究也注意到，相似但較低（＜總讀數(shù)的4%）的OTUs存在與不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬相對應(yīng)。之前在頭皮屑、脂溢性皮炎和銀屑病中也觀察到較高豐度的不典型馬拉色菌及其菌株變異。該研究還對宿主生理相關(guān)性參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的測量。結(jié)果表明，球形馬拉色菌與頭皮屑評分和瘙癢呈負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)該研究和另一項(xiàng)對于中國人群研究中顯示的球形馬拉色菌在健康頭皮中的作用。此外，頭皮屑相關(guān)性細(xì)菌種類，即表皮葡萄球菌，與頭皮屑評分、TEWL和瘙癢呈顯著正相關(guān)。

該研究首次對健康和頭皮屑狀態(tài)下的頭皮微生物組的未知功能潛能提供了見解。頭皮屑頭皮中富含N-聚糖生物合成通路，后者對于真菌細(xì)胞壁完整性的維持和糖蛋白的生物合成至關(guān)重要。這些糖蛋白被真菌細(xì)胞用于粘附在宿主的表面，因此，該通路的富集表明其具有促進(jìn)真菌在頭皮上生長的作用。這說明，與頭皮部皮膚角質(zhì)層屏障功能損傷有關(guān)的馬拉色菌的粘附，可能會進(jìn)一步促進(jìn)馬拉色菌在頭皮屑區(qū)域的發(fā)展。與健康頭皮相比較，頭屑頭皮中與一般功能和遺傳信息及處理有關(guān)的通路（硫傳遞系統(tǒng)、蛋白酶體通路、酵母細(xì)胞周期及減數(shù)分裂）豐度較高，這表明其與限制性馬拉色菌呈顯著正相關(guān)?！敖湍讣?xì)胞周期”和“減數(shù)分裂”是涉及真菌細(xì)胞周期和增殖的重要通路，其在頭皮屑頭皮中的豐度較高，表明它們在提高頭皮屑頭皮上馬拉色菌屬的增殖方面發(fā)揮了作用。該研究的結(jié)果提示，對限制性馬拉色菌的確認(rèn)研究可能有助于抗頭皮屑中新抗真菌策略的開發(fā)。

與頭皮屑頭皮相比較，健康頭皮的細(xì)菌微生物組中維生素及其輔助因子的生物合成和代謝通路明顯富集。強(qiáng)調(diào)頭皮細(xì)菌微生物組在向宿主提供必需維生素和氨基酸方面的可能有益作用。

該研究首次提出了微生物組在健康頭皮和頭皮屑中的潛能。核心發(fā)現(xiàn)是預(yù)見了不典型馬拉色菌屬和不可培養(yǎng)的馬拉色菌屬在頭皮屑中的重要作用。雖然真菌微生物組中的一些菌種對頭皮屑的發(fā)病率有很強(qiáng)影響，但細(xì)菌微生物組中的一些菌種可以為頭皮提供維持健康狀態(tài)所必需的營養(yǎng)物質(zhì)。