皮膚微生態(tài)強化皮膚屏障功能

劉祎, 杜明威, 何海洋, 朱星睿, 廖萬清, 潘煒華

人體皮膚上定植約40 萬億微生物[1],包括細(xì)菌、真菌、病毒、古細(xì)菌以及小型節(jié)肢動物等。皮膚生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種組成和相對豐度在一定范圍內(nèi)保持動態(tài)平衡,不僅可以作為生物、物理防線直接抵抗病原體的侵襲,產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)抑制有害菌種生長,還能調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng),參與皮膚固有免疫及適應(yīng)性免疫屏障的建立,對于維持宿主皮膚健康至關(guān)重要。一旦群落內(nèi)物種比例失衡,可能導(dǎo)致病原體過度增殖以及有益共生菌株減少,進(jìn)而引發(fā)疾病;此外,這種生態(tài)失衡還會令宿主炎癥反應(yīng)進(jìn)一步惡化,從而導(dǎo)致病程遷延不愈,例如銀屑病、特應(yīng)性皮炎、痤瘡和脂溢性皮炎等慢性復(fù)發(fā)性炎癥性疾病都與皮膚菌群密切相關(guān)[2]。

本文介紹了皮膚微生物組的基本特點,總結(jié)了皮膚微生物在參與塑造皮膚的生物、物理、化學(xué)、免疫屏障等方面的重要貢獻(xiàn),以及其與免疫系統(tǒng)相互作用的過程,以期為今后皮膚微生物的開發(fā)利用提供理論支持。

1 皮膚微生態(tài)概述

皮膚被覆體表,作為人體最大的器官,其總重量約為個體體重的16%,從解剖結(jié)構(gòu)上其可分為表皮、真皮和皮下組織三層。皮膚表面定居著大量微生物,構(gòu)成了僅次于腸道的人體第二大復(fù)雜且動態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)[3],統(tǒng)稱為皮膚微生物組,通?？煞譃槌ｑv微生物和暫駐微生物。前者一般情況下無害,部分甚至可以對皮膚產(chǎn)生有益影響,常見的包括表皮葡萄球菌、模擬棒狀桿菌、痤瘡丙酸桿菌、顆粒表皮桿菌、藤黃微球菌及馬拉色菌等[2]。暫駐菌是指與外界環(huán)境接觸而獲得的一類微生物,其中包括金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、溶血鏈球菌等條件致病菌[4]。既往認(rèn)為在無損傷時,真皮和皮下組織層通常為無菌狀態(tài),近期研究發(fā)現(xiàn)表皮葡萄球菌和某些假單胞菌屬菌種可能存在于此皮膚層次中[5],然而共生細(xì)菌如何穿過表皮屏障到達(dá)真皮層還需要進(jìn)一步論證?？傮w上,真皮和表皮之間不僅在微生物物種組成方面存在顯著差異(表皮具有更為豐富的菌群多樣性),而且二者的潛在功能也有所區(qū)別[6]。這可能是由于表皮暴露于外部環(huán)境,細(xì)菌組成受外界影響更大、異質(zhì)性更高,而真皮微生物群落能夠更準(zhǔn)確反映宿主免疫狀態(tài),未來有望成為皮膚病研究的新方向。

除了基礎(chǔ)解剖分層外,不同身體部位具有多元化的皮膚微環(huán)境,其在皮膚酸堿度、溫度、濕度、皮脂含量等方面的特性各不相同[7],這是導(dǎo)致不同部位之間微生物群落變異的主要原因之一[8]。例如,顏面、胸背等部位富含皮脂腺單位,其相對缺氧且富含油脂的微環(huán)境特性,為兼性厭氧的痤瘡丙酸桿菌等菌株提供了理想生存環(huán)境,因此油性部位以親脂性的丙酸桿菌屬為主。除了細(xì)菌外,真菌也在皮膚中少量存在[9],其中以馬拉色菌屬最為常見,然而即使在真菌多樣性很高的足部,真菌的總體豐度也很低[10]。不同于細(xì)菌和真菌,皮膚DNA病毒的定植過程中往往具有個體特異性,與解剖部位并無顯著關(guān)聯(lián)[9],其主要以噬菌體為主[11]。

2 皮膚屏障與皮膚微生態(tài)

皮膚作為人體與外界環(huán)境接觸最多的器官,面臨著被各種外源性化學(xué)毒物和物理損傷的風(fēng)險,還會長期暴露于富含病原微生物的環(huán)境中,因而皮膚屏障與皮膚微生態(tài)對維持健康皮膚狀態(tài)不可或缺[12]。

皮膚的屏障功能主要在于互相彌補的四個層次,即生物、物理、化學(xué)和免疫屏障[13-14]。皮膚微生物組本身可以通過各種不同的抗菌機(jī)制成為阻擋病原微生物的屏障[15],除此以外,這些微生物組還通過抗菌肽、短鏈脂肪酸的釋放進(jìn)一步強化皮膚屏障的功能水平[3],在皮膚屏障的塑造中起著重要作用。

2.1生物屏障 皮膚常駐菌在復(fù)雜的生態(tài)圈中生存,爭奪有限的生態(tài)位和營養(yǎng)物質(zhì),長期競爭壓力下已進(jìn)化產(chǎn)生多種拮抗機(jī)制,包括直接產(chǎn)生抗生素或抗菌肽殺菌、間接抑制定植、增強宿主免疫反應(yīng)等多種方式抵御外來病原體。下面以皮膚表面主要的成員葡萄球菌屬為例,具體敘述。

多種凝固酶陰性葡萄球菌(coagulase-negativestaphylococci, CoNS)能夠產(chǎn)生抗菌肽選擇性殺滅金黃色葡萄球菌,通過將正常人群抗菌CoNS菌株移植到特應(yīng)性皮炎患者的皮膚表面,能夠顯著減少金黃色葡萄球菌定植含量[16],而特應(yīng)性皮炎患者的皮膚上缺乏抗菌CoNS菌株,也在一定程度上證實了皮膚微生物生態(tài)失調(diào)可能導(dǎo)致特應(yīng)性皮炎等疾病發(fā)生[17]。表皮葡萄球菌分泌的絲氨酸蛋白酶可以降解與宿主上皮細(xì)胞黏附相關(guān)的蛋白質(zhì),從而抑制金黃色葡萄球菌在人類鼻腔定植并且影響其生物膜形成[18-19]。另外,山羊葡萄球菌(staphylococcuscaprae)在皮膚定植和皮內(nèi)感染的小鼠模型中,能夠通過干擾金黃色葡萄球菌的附屬基因調(diào)節(jié)子,顯著減輕耐甲氧西林金黃色葡萄球菌負(fù)擔(dān)[20-21]。此外,Bitschar等[22]注意到路鄧葡萄球菌能夠產(chǎn)生一種新型的環(huán)肽類抗生素——路鄧素,促進(jìn)抗菌肽LL-37表達(dá),募集單核細(xì)胞和中性粒細(xì)胞,從而抑制金黃色葡萄球菌在人類和嚙齒類動物上皮定植。研究發(fā)現(xiàn),痤瘡丙酸桿菌依賴于硫肽細(xì)菌素cutimycin,限制葡萄球菌屬物種定植,維持自身在毛囊中的生態(tài)位[23]。

雖然菌群與菌群相互作用如何影響宿主的結(jié)構(gòu)和功能仍有待進(jìn)一步闡明,但可以肯定的是,由于金黃色葡萄球菌等常見病原體的耐藥性愈演愈烈[24],利用皮膚共生微生物進(jìn)行替代根除,強化皮膚天然微生物屏障的策略,將是未來研究的一個重要領(lǐng)域。

2.2機(jī)械屏障 皮膚具有半透膜性質(zhì),既能防止水分和營養(yǎng)物質(zhì)的流失,又能對感染性或毒性物質(zhì)進(jìn)行機(jī)械阻擋。其中角質(zhì)層是物理屏障最重要的組成部分,以角質(zhì)形成細(xì)胞為基礎(chǔ),輔以膽固醇、神經(jīng)酰胺、游離脂肪酸等細(xì)胞外非極性疏水基質(zhì)[25]。與胃腸道相對簡單的黏膜屏障不同,角質(zhì)層屏障需要由多層終末分化的角質(zhì)形成細(xì)胞在多種信號嚴(yán)格調(diào)控下形成,其中皮膚微生物發(fā)揮的作用不可或缺。

角質(zhì)形成細(xì)胞作為哨兵最先感知并響應(yīng)外部刺激,其上的芳烴受體(aryl hydrocarbon receptor, AhR)激活能夠誘導(dǎo)多種表皮分化基因表達(dá),加速終末分化,并增加角質(zhì)層厚度[26]。Uberoi等[27]發(fā)現(xiàn),皮膚微生物群能夠通過AhR發(fā)出調(diào)控信號,維持表皮滲透屏障(epidermal permeability barrier,EPB)完整性和穩(wěn)態(tài)。實驗觀察到無菌小鼠皮膚中AhR途徑明顯下調(diào),EPB受損,對病原體金黃色葡萄球菌的易感性增加。這種小鼠屏障損傷在AhR激動劑治療或菌群移植后得到顯著改善,證實了共生微生物是正常表皮分化、EPB功能維持和修復(fù)所必需。此外,皮膚上普遍大量定植的表皮葡萄球菌也有助于EPB的完整性。Zheng等[28]用動物模型證實表皮葡萄球菌能夠分泌鞘磷脂酶,顯著增加宿主皮膚中神經(jīng)酰胺水平,從而維持皮膚屏障穩(wěn)態(tài),避免皮膚脫水和衰老。

2.3化學(xué)屏障 皮膚表面的弱酸性環(huán)境是限制外源性微生物和病原菌入侵的天然化學(xué)屏障[7]。正常健康人皮膚pH值一般維持在5.5～7.0,主要由汗液中的乳酸及皮脂膜中某些游離脂肪酸影響,皮膚微生物也參與其中。

棒狀桿菌屬是人體皮膚微生態(tài)中最常見的菌種之一,其中擁擠棒狀桿菌作為鼻腔常見的良性定植細(xì)菌,通過分泌脂肪酶水解皮膚表面的甘油三酯產(chǎn)生游離脂肪酸,抑制肺炎鏈球菌的生長[29]。事實上,游離脂肪酸對包括痤瘡丙酸桿菌在內(nèi)的廣泛的革蘭氏陽性菌都顯示出抗菌活性,并可以通過刺激人β-防御素2(human beta defensin-2, hBD-2) 的表達(dá)進(jìn)一步增強皮膚免疫力[30]。

2.4固有免疫屏障 固有免疫系統(tǒng)在機(jī)體進(jìn)化過程中出現(xiàn)較早,可對侵入的病原體迅速應(yīng)答,發(fā)揮非特異性免疫作用,主要由生理性保護(hù)屏障、固有免疫細(xì)胞和固有免疫分子組成。近期研究表明,皮膚微生物也可以通過多種途徑促進(jìn)先天性免疫反應(yīng),包括直接調(diào)控固有免疫細(xì)胞、產(chǎn)生具有免疫調(diào)節(jié)作用的代謝產(chǎn)物,以及刺激宿主產(chǎn)生固有免疫分子。

肥大細(xì)胞作為固有免疫反應(yīng)的“哨兵”,受周圍微環(huán)境的影響在組織中分化成熟。最近發(fā)現(xiàn),皮膚微生物群能夠通過脂磷壁酸驅(qū)動角質(zhì)形成細(xì)胞中的干細(xì)胞因子產(chǎn)生,從而觸發(fā)真皮內(nèi)的肥大細(xì)胞發(fā)育成熟以及肥大細(xì)胞在皮膚中的募集遷移[31]。接下來,廣泛定植于人體腔道中的白色念珠菌,在不同菌相下能夠驅(qū)動不同的輔助性T細(xì)胞反應(yīng),從而提供皮膚黏膜特異性保護(hù)或針對全身感染的非特異性保護(hù)[32]。擁擠棒狀桿菌還能夠促進(jìn)特定的γ/δ T細(xì)胞亞群數(shù)量的急劇增加與活化,強化固有免疫應(yīng)答[33]。而皮膚最常見的優(yōu)勢菌種痤瘡丙酸桿菌能夠?qū)⒏视腿シ纸鉃槎替溨舅?short-chain fatty acids, SCFA),通過SCFA抑制角質(zhì)形成細(xì)胞中組蛋白去乙?；?促進(jìn)Toll樣受體信號誘導(dǎo)的細(xì)胞因子表達(dá)[34]。

除此以外,皮膚微生物還可以刺激宿主產(chǎn)生多種抗菌肽(antimicrobial peptides and proteins, AMPs)進(jìn)一步增強皮膚免疫,其中以Cathelicidin和β-防御素為主。人體皮脂腺細(xì)胞在暴露于細(xì)菌脂多糖后,會誘導(dǎo)產(chǎn)生富含脯氨酸的AMPs,通過直接破壞細(xì)菌細(xì)胞膜對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和部分皮膚共生菌均表現(xiàn)出強效殺菌活性[35]。皮膚表面共生的表皮葡萄球菌會增加小鼠皮膚或人角質(zhì)形成細(xì)胞中AMPs的表達(dá),并使其更能抵抗特定細(xì)菌和病毒病原體的感染[36]。

2.5適應(yīng)性免疫屏障 適應(yīng)性免疫是指體內(nèi)抗原特異性T/B淋巴細(xì)胞接受抗原刺激后,它們活化、增殖和分化為效應(yīng)細(xì)胞,從而產(chǎn)生一系列生物學(xué)效應(yīng)的過程。這個過程中,微生物群的參與起著關(guān)鍵作用。

研究發(fā)現(xiàn),微生物對適應(yīng)性免疫屏障的塑造始于生命早期階段。Scharschmidt等[37]發(fā)現(xiàn)新生兒時期皮膚共生表皮葡萄球菌的定植有助于建立免疫耐受,這些細(xì)菌可介導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞流入皮膚。黏膜相關(guān)恒定T細(xì)胞(mucosal-associated invariant T cells, MAIT)作為一種進(jìn)化保守的T細(xì)胞亞群,在各種感染性疾病中具有保護(hù)作用[38]。然而在無菌小鼠中MAIT細(xì)胞缺失,這是因為MAIT細(xì)胞的發(fā)育需要暴露于僅由細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的維生素B2衍生代謝物,這些代謝物介導(dǎo)了MAIT細(xì)胞的增殖,并將它們趨化分布至皮膚和黏膜部位[39-40]。然而,關(guān)于生命早期定植和暴露于微生物群如何長期影響組織適應(yīng)性免疫,目前仍知之甚少。

Patra等[41]通過對小鼠進(jìn)行紫外線照射試驗發(fā)現(xiàn),在微生物存在的情況下,紫外線誘導(dǎo)的全身免疫抑制減弱,表皮增生和中性粒細(xì)胞浸潤增強;而微生物不存在的情況下,肥大細(xì)胞和單核細(xì)胞或巨噬細(xì)胞的數(shù)量增加。在皮膚屏障完整的情況下,微生物可以刺激樹突狀細(xì)胞,誘導(dǎo)特異性T細(xì)胞產(chǎn)生IL-17,從而加速傷口愈合。然而當(dāng)屏障破壞時,進(jìn)入樹突狀細(xì)胞的微生物會導(dǎo)致IFN γ+炎癥反應(yīng),可能進(jìn)一步引發(fā)慢性炎癥反應(yīng)[42]。在表皮中,朗格漢斯細(xì)胞(langerhans cell, LC)在穩(wěn)態(tài)下能通過激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞維持對自身抗原和共生微生物的耐受性。而在特應(yīng)性皮炎患者皮膚中分離出的金黃色葡萄球菌會刺激LC誘導(dǎo)T細(xì)胞顯著快速增殖,使IL-2顯著增加,IFN-γ明顯減少,整體傾向于Th1/Th2軸失衡[43]。此外近期研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)基因工程化改造的表皮葡萄球菌能夠直接刺激產(chǎn)生腫瘤特異性CD4+和CD8+T細(xì)胞[44],并在皮膚、肺部展現(xiàn)出強大的抗腫瘤活性。這些研究表明,皮膚微生物可能通過影響適應(yīng)性免疫參與疾病進(jìn)程,進(jìn)一步探索有助于更深入地了解皮膚微生物與適應(yīng)性免疫的相互關(guān)系,為未來的臨床應(yīng)用和疾病治療提供新的思路。

3 結(jié)論與展望

皮膚微生物具有極其復(fù)雜的多樣性,目前的研究僅僅發(fā)現(xiàn)了少數(shù)特定微生物和微生物相關(guān)分子與一些免疫或炎癥過程的關(guān)聯(lián)。時至今日,皮膚微生態(tài)屏障方面的研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展,但仍有許多重要問題有待解答,特別是應(yīng)進(jìn)一步研究皮膚微生物及其代謝產(chǎn)物對皮膚細(xì)胞和皮膚免疫方面的貢獻(xiàn),闡明這些共生微生物在皮膚病發(fā)生、發(fā)展以及治療過程中發(fā)揮作用的機(jī)制,在未來皮膚微生物應(yīng)用于疾病治療方面提供有價值的信息和策略。