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],包括細菌、真菌、病毒、古細菌以及小型節(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,可能導致病原體過度增殖以及有益共生菌株減少,進而引發(fā)疾病;此外,這種生態(tài)失衡還會令宿主炎癥反應(yīng)進一步惡化,從而導致病程遷延不愈,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、免疫屏障等方面的重要貢獻,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],然而共生細菌如何穿過表皮屏障到達真皮層還需要進一步論證。總體上,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毒物和物理損傷的風險,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化產(chǎn)生多種拮抗機制,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擔[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,促進抗菌肽LL-37表達,募集單核細胞和中性粒細胞,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)進行機械阻擋。其中角質(zhì)層是物理屏障最重要的組成部分,以角質(zhì)形成細胞為基礎(chǔ),輔以膽固醇、神經(jīng)酰胺、游離脂肪酸等細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)形成細胞在多種信號嚴格調(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)激活能夠誘導多種表皮分化基因表達,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) 的表達進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)在機體進化過程中出現(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,主要由生理性保護屏障、固有免疫細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先天性免疫反應(yīng),包括直接調(diào)控固有免疫細胞、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)形成細胞中的干細胞因子產(chǎn)生,從而觸發(fā)真皮內(nèi)的肥大細胞發(fā)育成熟以及肥大細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細胞反應(yīng),從而提供皮膚黏膜特異性保護或針對全身感染的非特異性保護[32]。擁擠棒狀桿菌還能夠促進特定的γ/δ T細胞亞群數(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)形成細胞中組蛋白去乙?；?促進Toll樣受體信號誘導的細胞因子表達[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。人體皮脂腺細胞在暴露于細菌脂多糖后,會誘導產(chǎn)生富含脯氨酸的AMPs,通過直接破壞細菌細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)形成細胞中AMPs的表達,并使其更能抵抗特定細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淋巴細胞接受抗原刺激后,它們活化、增殖和分化為效應(yīng)細胞,從而產(chǎn)生一系列生物學效應(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,這些細菌可介導調(diào)節(jié)性T細胞流入皮膚。黏膜相關(guān)恒定T細胞(mucosal-associated invariant T cells, MAIT)作為一種進化保守的T細胞亞群,在各種感染性疾病中具有保護作用[38]。然而在無菌小鼠中MAIT細胞缺失,這是因為MAIT細胞的發(fā)育需要暴露于僅由細菌和真菌產(chǎn)生的維生素B2衍生代謝物,這些代謝物介導了MAIT細胞的增殖,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,紫外線誘導的全身免疫抑制減弱,表皮增生和中性粒細胞浸潤增強;而微生物不存在的情況下,肥大細胞和單核細胞或巨噬細胞的數(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胞,誘導特異性T細胞產(chǎn)生IL-17,從而加速傷口愈合。然而當屏障破壞時,進入樹突狀細胞的微生物會導致IFN γ+炎癥反應(yīng),可能進一步引發(fā)慢性炎癥反應(yīng)[42]。在表皮中,朗格漢斯細胞(langerhans cell, LC)在穩(wěn)態(tài)下能通過激活調(diào)節(jié)性T細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T細胞顯著快速增殖,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)性免疫參與疾病進程,進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)取得了重要進展,但仍有許多重要問題有待解答,特別是應(yīng)進一步研究皮膚微生物及其代謝產(chǎn)物對皮膚細胞和皮膚免疫方面的貢獻,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。