皮膚上的“生態(tài)系統(tǒng)”：皮膚微生物組

夏晶晶 鐘倩 魏情珍 王久存

人類基因組計劃在2003年完成以后，科學(xué)家意識到解密人類自身基因組并不能完全解決疾病與健康的關(guān)鍵問題。人體表面和體內(nèi)存在著數(shù)量巨大的共生微生物，它們與人體細(xì)胞數(shù)量大致相當(dāng)，但其基因總數(shù)龐大，可達(dá)人類基因數(shù)目的幾百倍，而人類卻對這些共生微生物知之甚少。鑒于此，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）于2007年底率先啟動 “人類微生物組計劃”（Human Microbiome Project， HMP），包括中國在內(nèi)的十余個國家共同參與了這一國際大科學(xué)計劃。該研究計劃使用新一代測序技術(shù)對人體多個部位的共生微生物進(jìn)行宏基因組測序，宏基因組測序是指對微生物群體進(jìn)行高通量測序，分析特定環(huán)境中微生物群體的基因組成及功能、微生物群體的多樣性與豐度，進(jìn)而分析微生物與環(huán)境、微生物與宿主之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)具有特定功能的基因。HMP的目標(biāo)是通過繪制人體共生微生物的宏基因組圖譜，解析微生物對人類健康的影響。現(xiàn)在知道人體所有與外界環(huán)境有交流的器官，從口腔到腸道、從鼻腔到肺、男女生殖—泌尿系統(tǒng)、皮膚表面等，都有大量微生物的定殖（colonization），即來自不同環(huán)境的微生物黏附在人體特定部位，進(jìn)行生長、繁殖，它們形成大大小小、環(huán)境各異的“生態(tài)系統(tǒng)”，其組成和豐度均有顯著差異。

在如此多理化特征相差巨大的“生態(tài)系統(tǒng)”中，皮膚位于人體最外層，與外界環(huán)境接觸面積大、接觸時間長。那么這個“生態(tài)系統(tǒng)”，即“皮膚微生態(tài)”有哪些特征，與人體健康有怎樣的關(guān)聯(lián)，又與皮膚的日常維護(hù)有什么關(guān)系。

皮膚微生物與人體健康

皮膚微生物組（skin microbiota）對于維持宿主皮膚穩(wěn)態(tài)、發(fā)揮皮膚的屏障功能有重要作用[1]。

抵抗病原微生物侵襲

皮膚上共生微生物的存在會導(dǎo)致其對皮膚上營養(yǎng)和空間的競爭，從而極大地影響病原微生物進(jìn)入皮膚表面。這些常駐微生物可以直接或通過調(diào)控皮膚的角質(zhì)形成細(xì)胞而間接分泌抗菌肽，以抵御外界病原菌定殖；還可分解角質(zhì)細(xì)胞碎屑或脂質(zhì)，輔助乳化皮脂膜，維持表皮酸性環(huán)境，以抵御外界病原菌定殖。

參與宿主免疫反應(yīng)

皮膚常駐微生物與宿主之間不僅存在共生關(guān)系，還能激發(fā)宿主適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)性免疫反應(yīng)，使宿主更強(qiáng)有力地對抗病原體的感染。在成年小鼠皮膚中，微生物的定殖可調(diào)控局部炎癥環(huán)境和免疫細(xì)胞的功能[3，4]。例如，無菌小鼠感染寄生病原體利什曼原蟲會導(dǎo)致寄生蟲的瘋狂生長和小鼠保護(hù)性免疫反應(yīng)減弱，但隨著表皮葡萄球菌在無菌小鼠表面的定殖，這些不良反應(yīng)會有所緩解。

維持表皮正常結(jié)構(gòu)

通過對無菌小鼠和有菌小鼠背部皮膚的轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)差異表達(dá)基因功能除富集于免疫反應(yīng)外，主要富集于表皮增殖與分化；小鼠皮膚組織染色實驗，亦進(jìn)一步表明皮膚菌群對表皮增殖與分化有重要調(diào)節(jié)作用。

調(diào)節(jié)皮膚的損傷修復(fù)與再生

皮膚微生物組在皮膚修復(fù)和再生中發(fā)揮了重要作用。通過測試不同細(xì)菌負(fù)載下小鼠皮膚創(chuàng)面誘導(dǎo)毛囊新生的狀況，發(fā)現(xiàn)小鼠創(chuàng)面誘導(dǎo)毛囊新生能力與皮膚細(xì)菌數(shù)量呈正相關(guān)：無菌小鼠修復(fù)再生能力最低，而野生型小鼠最高[5]；而人體實驗中局部使用廣譜抗生素會減緩人體皮膚傷口愈合。

生成活性代謝物調(diào)節(jié)皮膚健康

皮膚微生物組在皮膚表面合成具有活性的代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸、B族維生素等，調(diào)節(jié)皮膚生理功能。越來越多的研究顯示細(xì)菌代謝產(chǎn)物是菌群發(fā)揮生物學(xué)作用的重要組分，如某些細(xì)菌的色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚-3-甲醛在特應(yīng)性皮炎患者皮膚表面的含量會升高，吲哚-3-甲醛可激活芳香烴受體對朗格漢斯細(xì)胞產(chǎn)生負(fù)向調(diào)節(jié)作用，參與調(diào)節(jié)皮膚炎癥。

皮膚表面部分微生物能分解皮脂腺分泌的皮脂，產(chǎn)生游離脂肪酸，降低皮膚表面酸堿度，并與皮脂細(xì)胞來源的導(dǎo)管素、β-防御素和抗菌組蛋白共同控制微生物的定殖。皮膚上的頂泌汗腺能將其分泌物，由蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和類固醇混合而成的油性、無味混合物，分泌到毛囊中，被常駐微生物降解，產(chǎn)生汗水的特征氣味。

我們通過宏基因組學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)豐度最高的基因參與輔助因子和維生素的生物合成，這不僅對微生物的生長和生存至關(guān)重要，維生素的合成亦與皮膚健康緊密相關(guān)。比如在皮膚微生物組中發(fā)現(xiàn)的生物活性分子依克多因（ectoine）已應(yīng)用于美白抗衰。

腸道微生物研究對皮膚微生物研究的啟發(fā)

腸道微生物（又稱腸道菌群）與宿主的相互作用研究較為廣泛和深入，可為皮膚菌群對宿主的作用研究帶來啟發(fā)。腸道微生物與宿主的作用并非單方向單線程：微生物對宿主產(chǎn)生的效應(yīng)可改變宿主表型，同時新的宿主表型又反過來對微生物菌群產(chǎn)生反饋效應(yīng)。如宿主飲食習(xí)慣及異源物質(zhì)攝入（如藥物）可對腸道微生物的組成、基因表達(dá)產(chǎn)生影響，而腸道菌群代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸、氨基酸及其衍生物等可被宿主腸道吸收入血液，影響宿主多器官生理、病理等過程。這些代謝產(chǎn)物既能促進(jìn)健康，也可能損害健康。微生物菌群及其宿主共同進(jìn)化，可影響宿主，產(chǎn)生新的表型。

影響皮膚微生物組構(gòu)成的因素

對于同一個體，皮膚微生物組具有時空穩(wěn)定性；另一方面，皮膚微生物又極具個體差異性，多種內(nèi)源或外源因素可對皮膚微生物造成影響，包括皮膚部位、皮膚腺體及相關(guān)理化性質(zhì)、性別、年齡、地理位置和種族、環(huán)境暴露或污染等。

皮膚部位

根據(jù)不同皮膚部位的水油特性，皮膚主要分為油性、濕性、干性部位及足部。油性部位主要富集丙酸桿菌和馬拉色菌，濕性部位以丙酸桿菌和葡萄球菌為主。油性部位的微生物組成較穩(wěn)定，而干性部位的微生物組成隨時間變化顯著。

皮膚腺體及相關(guān)理化性質(zhì)

不同部位皮膚“零件”（如毛囊、汗腺、皮脂腺等）的差異造就了皮膚各自獨特的理化性質(zhì)，如脂肪酸組成、酸堿度等，它們對生存其上的微生物產(chǎn)生了較大影響。

外泌汗腺通過分泌汗液影響皮膚酸堿度，影響微生物的定殖。皮脂腺與毛囊相連，能分泌富含脂質(zhì)的油脂，在潤滑皮膚的同時發(fā)揮抗菌作用。皮脂腺相對缺氧，支持兼性厭氧菌的生長，如痤瘡丙酸桿菌（Cutibacterium acnes）能把皮脂中的甘油三酯水解成游離脂肪酸，游離脂肪酸有助于維持皮膚的酸性，從而抑制許多常見病原菌。

性別

由于自身生理因素（激素、皮脂、出汗率、皮膚厚度和毛發(fā)密度等）的差異和后天生活習(xí)慣（洗手頻率、護(hù)膚習(xí)慣）的不同，男性和女性的皮膚微生物組也有顯著差異。

年齡

嬰兒皮膚微生物的定殖取決于分娩方式和母親的皮膚菌群，但青春期時皮膚微生物會重新調(diào)整。青春期激素的增加可刺激產(chǎn)生大量油脂，有利于親脂性微生物的生長，如丙酸桿菌屬和馬拉色菌屬，因此青春期的皮膚菌群容易失衡而導(dǎo)致痤瘡等皮膚問題。青春期過后，皮膚菌群會重新恢復(fù)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。隨著年齡增加，皮膚呈現(xiàn)老化特征，如色斑變多，皮膚變黃，皺紋變多，表皮厚度增加，氣味生成等，這些都與皮膚微生物密切相關(guān)。

地理位置和種族

來自不同國家地區(qū)、種族甚至海拔的人群的皮膚微生物組也不盡相同。我們近期一項研究發(fā)現(xiàn)，中國人群及新加坡人群皮膚中富集一種微生物——奧斯陸莫拉菌（Moraxella osloensis），但它在北美人群中較少出現(xiàn)。

環(huán)境污染

皮膚是人體與外界環(huán)境接觸面積最大、接觸時間最長的器官，環(huán)境中的顆粒物和生物成分對皮膚微生態(tài)的影響最顯而易見。例如，多環(huán)芳烴作為一種環(huán)境污染物，可導(dǎo)致面部老化、內(nèi)分泌失調(diào)，長期暴露會導(dǎo)致皮膚微生物菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

皮膚微生態(tài)失衡會導(dǎo)致皮膚疾病

越來越多的研究表明，皮膚微生態(tài)失衡（又稱菌群失衡）會導(dǎo)致一系列皮膚疾病，如特應(yīng)性皮炎、痤瘡、脂溢性皮炎、銀屑病、機(jī)會性感染等[7]。

特應(yīng)性皮炎與金黃色葡萄球菌

特應(yīng)性皮炎是一種慢性復(fù)發(fā)性皮膚疾病，多在兒童期發(fā)病，患病率可高達(dá)20%，表現(xiàn)為劇烈瘙癢，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。90%以上的患者在病變和非病變皮膚上都定殖了金黃色葡萄球菌，而在健康個體中該菌的定殖比例低于5%，當(dāng)患者病情好轉(zhuǎn)時金黃色葡萄球菌的相對豐度就有所降低。

痤瘡與痤瘡丙酸桿菌

許多人在青春期受到過“青春痘”的困擾，“青春痘”就是痤瘡，是一種最常見的皮膚病。痤瘡可影響多達(dá)80%的青少年，并持續(xù)存在于約3%的中年人中。痤瘡的致病因素主要涉及四個方面：皮脂分泌增加、濾泡表皮過度角質(zhì)化、痤瘡丙酸桿菌定殖和炎癥[8]。在健康人和痤瘡患者都有痤瘡丙酸桿菌的定殖，但痤瘡丙酸桿菌的基因表達(dá)譜在兩類人群中存在顯著差別，且不同痤瘡丙酸桿菌菌株有不同的毒力，在健康皮膚和痤瘡患者皮損中的分布和豐度也不同，如痤瘡丙酸桿菌的亞種1A1 型與痤瘡相關(guān)。

脂溢性皮炎與馬拉色菌

脂溢性皮炎是一種炎癥性、增生性、瘙癢性皮膚病，特征是皮膚發(fā)紅并呈片狀，通常會影響頭皮。以真菌為靶點的抗菌藥物能有效對抗脂溢性皮炎，而抗細(xì)菌藥物則不能緩解疾病發(fā)生，馬拉色菌屬作為皮膚真菌的主要組成部分，廣泛存在于頭皮部位，推測馬拉色菌屬參與了疾病的發(fā)生。已發(fā)現(xiàn)脂溢性皮炎的改善與頭皮上馬拉色菌減少有關(guān)。推測疾病發(fā)生與馬拉色菌的脂肪酶基因相關(guān)，該酶能降解皮脂產(chǎn)生的游離脂肪酸代謝物（如油酸），而這些代謝物可滲透至皮膚上層，促進(jìn)皮膚過度增生和發(fā)生炎癥。

銀屑病

銀屑病是一種免疫介導(dǎo)的炎癥性皮膚病，全球有1%～3%人口受到影響。以往研究表明，皮膚微生物群落的生態(tài)失衡與多種炎癥和自身免疫性疾病有關(guān)。有研究表明，銀屑病患者皮膚上的微生物群落與健康皮膚上的有很大不同，銀屑病皮膚微生物組的多樣性增加，但穩(wěn)定性降低。群落穩(wěn)定性的喪失及表皮葡萄球菌和痤瘡丙酸桿菌等免疫調(diào)節(jié)細(xì)菌的減少，可能導(dǎo)致金黃色葡萄球菌等病原體的定殖增多，加劇皮膚炎癥。

機(jī)會性感染

盡管皮膚共生微生物通常和平地棲息在宿主體內(nèi)，但許多微生物在特定環(huán)境下具有引起感染的能力。表皮葡萄球菌具有許多有益作用，但它仍是感染的常見原因，尤其是涉及留置醫(yī)療器械（如導(dǎo)管）的院內(nèi)深部組織感染。此外，在正常皮膚微生物組中發(fā)現(xiàn)的許多細(xì)菌經(jīng)常導(dǎo)致慢性、不愈合傷口感染，通常發(fā)生在糖尿病患者和老年人中。

皮膚型

皮膚微生態(tài)具有極大的個體差異性?；诒泵廊巳杭爸袊鴿h族人群的大規(guī)模宏基因組學(xué)研究，均提示皮膚微生物組具有極強(qiáng)的個體差異性，即人與人之間的皮膚微生物組成差異性極大，甚至有人提出“皮膚微生物指紋”的概念。面對如此復(fù)雜的多樣性，如何實現(xiàn)個性化精準(zhǔn)干預(yù)？我們從“腸道菌群”研究中找到了“靈感”——群體分型（stratification）。皮膚菌群和腸道菌群一樣，都是不可見且不能被傳統(tǒng)方法測量的新興表型，通過研究分析多個表型數(shù)據(jù)的集合（表型組），可有效描述微生物群落結(jié)構(gòu)的主要特征，并對臨床有積極指導(dǎo)作用。

研究發(fā)現(xiàn)，皮膚微生物在中國人群的群體水平存在兩種穩(wěn)定的群落組成模式，命名為“皮膚型”（cutotypes），分別是以奧斯陸莫拉菌為主導(dǎo)的M型皮膚（M-cutotype）和以痤瘡丙酸桿菌為主導(dǎo)的C型皮膚（C-cutotype）[10]。兩種皮膚型具有不同的微生物網(wǎng)絡(luò)特征和基因功能富集：C型皮膚微生物群落富集碳水化合物和甾醇代謝、脂肪酸合成等，M型皮膚微生物富集氨基酸、芳香族化合物代謝、耐藥性等；宿主皮膚狀態(tài)也顯示出明顯差異，C型皮膚水分油脂含量高，以年輕人居多，M型皮膚水分油脂含量偏低，膚色暗沉偏黃，以老年人居多。兩種“皮膚型”好似兩個相對獨立的微生物穩(wěn)態(tài)，如果通俗地類比于其他“生態(tài)系統(tǒng)”：即是不同 “土壤”（皮膚型）選擇了適合各自生長的“植被”（微生物），這些植被又可反過來影響土壤狀態(tài)。自此，可以清楚地看到“相互適應(yīng)、精準(zhǔn)匹配”對于皮膚上“生態(tài)系統(tǒng)”和諧發(fā)展非常重要。

基于皮膚型這一新的分型方式，將大大簡化微生物個體差異性的評估，方便人們抓住核心問題的主要差異特征，進(jìn)而實現(xiàn)潛在的個性化診斷和精準(zhǔn)干預(yù)。

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關(guān)鍵詞：皮膚微生物組 菌群失衡 皮膚型 表型組 ■