皮肤微生物菌群及皮肤健康关系研究进展

姜春鹏

（苏州绿叶日用品有限公司，江苏 苏州 215151）

皮肤作为人体最大器官，对外界环境起着不可替代的屏障功能，抵御外来物质的侵入，同时也保护人体自身的水份热量等的流失。 一个成人皮肤面积约为1.8 m2，在皮肤上生活着大量的微生物[1,2]：细菌，真菌及病毒，可以高达107个/cm-2。 这些微生物菌群与人体皮肤及人体健康息息相关。早期的研究认为细菌的数量大约是人体细胞的10倍[3]。最近的研究计算则认为细菌和人体细胞的比例大概为3∶1～1∶1[4]。

1 皮肤微生物菌群

在过去的五十多年的时间里，研究人员对皮肤微生物做了大量的研究。传统方法用实验室标准培养方法分离，鉴定皮肤表皮细菌。由于某些细菌在传统的培养液中生长缓慢，而另外一些细菌（如葡萄球菌）则可能快速大量繁殖，最后的计数难以反映皮肤菌群的真实分布。重要的是，和大自然的生态环境一样，一些数量比例很少的微生物，影响着皮肤菌群的多样性，并和皮肤健康状态紧密相关。

现代人体微生物研究着重于基因测序分析，利用原核生物核糖体RNA上共有的的小亚基（16 s）进行PCR鉴定识别。核糖体数据库的建立，像字典一样可以查阅确认微生物的身份。尽管如此，对于罕见的微生物来说，16S rRNA依然测序分析耗费精力，效能很低难以快速描绘出真正的生物多样性[5-8]。焦磷酸测序，作为第二代测序技术，则是利用核苷酸释放焦磷酸的反应进行中短链的高通量基因定序和分析。宏基因测序直接测得样品群体中所有样本基因，可以获取发现更多的微生物种类。测序价格的下降让研究更深入微观。测序技术需要足量的生物样品量，而皮肤菌群的样本量限制技术了宏基因技术的推广应用。 此外16S rRNA技术无法判断微生物是活着的或者是无生命状态。传统的生物培养方法和现代各种测序技术的结合，使皮肤微生物菌群研究不断深入延展，推动着皮肤健康和微生物菌群动态关系的认识。

基于健康人群的皮肤菌群丰度，数量及在不同部位的分布特点，给皮肤护理产品的研发带来不同的视角与思路。比如针对面部油性皮肤，皮脂分泌旺盛，细菌数量大，种类少。皮肤的菌群生态可以以数量控制为主，防止丙酸杆菌属大量繁殖。进一步研究表明，在同一种属下（species level），不同丙酸杆菌菌株在正常皮肤和青春痘皮肤上的分布不同[6]。如何有选择性的控制那类易引发粉刺的丙酸杆菌菌株繁殖，在实践上是一个非常大的挑战。对于干燥部位，细菌数量少，丰度高。这些皮肤部位菌群类似于脆弱的高原生态环境，极易受到破坏影响。皮肤护理则应该侧重于维护细菌丰度，保护好原生菌群生长的环境。对于湿润皮肤部位护理，则根据不同部位，不同需要，提供不同的解决方案。例如手部，手掌心属于湿润区，没有皮脂腺，汗腺发达，菌群数量和丰度都较高，与外界环境接触也是最多的。适当的控制元素菌群的数量，可以增强外来致病菌（transient pathogenic bacteria）的竞争，减少外来菌的驻留和生长[7]。

同样对于腋窝部位，既有发达的汗腺，也有很多油脂腺。细菌种类包括喜湿的棒状杆菌（Cornybacterium）和葡萄球菌（Staphylococcus）和喜油脂的丙酸杆菌（Propionibacterium）。微生物菌群之间的相互竞争会影响人体体味的产生。控制微生物的整体数量，并针对性的控制棒状杆菌的生长，乃至于选择性的控制某些种属的葡萄球菌（Staphylococcusgenus level, S.hominis），是消除体味最理想的技术方案[8]。

最近的一项宏基因组学研究发现人体皮肤微生物菌群具有相当稳定性。研究人员在3个不同的时间点（1个月～2年），12名健康人，17个皮肤部位进行宏基因组鸟枪法测序。研究证实了细菌、真菌和病毒群落在特定的皮肤部位表现出强烈的栖息偏好性，而且起着微生物印迹（microbial fingerprint）的作用。尽管经常受到外部扰动，如经常接触其他人、衣服和环境，皮肤微生物群落在一段时间后保持稳定。多样性最低的油脂区部位出现了最为稳定的细菌和真菌群落，多样性最高的干燥区域也表现出来相对的稳定性。相对而言，湿润部位菌群结构最不稳定，重要的是每个人并没有从环境中获得流行的微生物，相反保持各自独特的微生物特征[9]。

这些发现对于梳理皮肤健康与微生物菌群结构的关系至关重要。 研究表明健康人群皮肤自身具有维护皮肤微生物结构的能力，并且可以成为皮肤健康的指针。上述研究基本可以回答健康人体皮肤微生物菌群的第一个问题，关于人类皮肤菌群种类， 数量随身体部位，性别，时间，族裔等因素的变化。各种皮肤问题和疾病的调查研究有利于理解皮肤菌群多样性与皮肤的生理特征和皮肤疾病之间的动态关系。

2 皮肤微生物菌群生物多样性和关键影响因素

2.1 人体不同部位皮肤微生物菌群多样性

美国国家卫生研究院 （National Institutes of Health, NIH）2008年开始启动了大规模的人体微生物研究计划 （Human Microbiome Project, HMP），对皮肤微生物的分子水平上的进行了深入基础研究和临床实践。全球科学家也不断地投入到该领域中，越来越多的皮肤科医生，微生物学家和个人护理产品专业技术人员，开始将皮肤作为一个完整的生态系统。这个生态系统不断生存演化，有着赖于生存并相互影响的生物物理化学环境。环境和生物体系之间相互关联，相互影响，形成一个动态的生态平衡。这种全新的宏观互动机制，为医药，化妆品，食品，保健品等提供了新的思路和可能的路径手段以改善提高皮肤健康状态。对于个人护理产品包括护肤品，洗护用品，口腔护理产品都意味着跳出最初的除菌抑菌的巢臼，均衡考虑生态平衡要素，从而有效避免长期使用过程中引发的负面效应。

实际上到现在为止，很多研究者对皮肤共生的菌群的作用机制仍然心存疑虑。共生菌群是如何作用，直接对皮肤提供益处，又或是如何阻止其他有害微生物在皮肤上定存呢？ 在此之前必须弄明白3个问题：皮肤表面到底有什么样的微生物；微生物的多样性如何影响皮肤健康以及和疾病状态的关系；皮肤的各种处理和护理是如何影响人体微生物的多样性[6]。

人体皮肤微生物可以简单分为常驻菌群（residential flora）和临时性细菌（transient bacteria）[10]。人体皮肤部位特点不同，人体微生物菌群风情迥异。大致上人体皮肤可以分为油脂区，湿润区，和干燥区。典型的油脂区包括前额，面颊，鼻翼，前胸，后背等部位；湿润区包括腋窝，肚脐，手掌心，足部，鼻孔等部位；而干燥区有胳膊，腿，臀部等部位。通常皮肤的油性皮肤部位多样性最低，干燥性部位多样性最高[11]。

油性区占优势地位的细菌是丙酸杆菌属 （Propionibacterium），湿润部位最多的是葡萄球菌和棒状杆菌属（Corynebacterium）。根据培养方法测得的数据，胳膊，臀部等干燥部位的细菌比湿润皮肤部位数量少[12]。令人吃惊的是干燥皮肤部位菌群的多样性最高，甚至高于肠道菌群的多样性。此外在这些部位还发现了常驻革兰氏阴性菌，在过去这被普遍认为是肠道菌群的污染所致[13]。

影响皮肤微生物菌群生态结构的因素多种多样，既有环境因素也有内在因素。人体不同的皮肤部位，实际上决定着不同的生态环境，如湿度，pH值，油脂，皮肤的粗糙度。横向比较不同人的微生物菌群结构 （β-diversity），发现皮肤生理部位特征影响大于其他因素，如年龄，性别和时间等[14]。对于单个个体 （α-diversity），年龄的变化引起的生理变化，如青春期的油脂分泌，生理期的激素水平，男女之间皮肤汗腺/皮脂腺的差异，都会引起人体皮肤微生物菌群的差异性[15,16]。

2.2 关键影响因素

H.Lambers 等研究了人体皮肤的pH 值，认为皮肤的pH 值应该在5以下。沐浴产品会对于皮肤pH值引发显著改变。 例如用市售香皂洗澡6 h后，pH值为5.6，显著高于起始值，并高于用水或pH中性的沐浴露处理的皮肤。相应体外（in-vitro）实验揭示人体原驻菌，表皮葡萄球菌在弱酸性条件下强势生长，外来可能致病菌金黄色葡萄球菌生长缓慢。pH变成中性之后，两者生长状态逆转，金黄色葡萄球菌变成强势菌群。此研究给护理产品提供一种独特而相对容易的方案，以更好的维护肌肤健康状态[17]。实际上在1990年H.Korting在一项交叉实验中，指出了皮肤pH值和皮肤微生物生长之间的关系。研究论文前瞻性的指出即使pH值微小的变化，也可能带来皮肤菌群的显著扰动[18]。

3 皮肤微生物菌群生物与皮肤健康动态关系

到目前为止，没有充分证据说明微生物和问题皮肤之间存在因果关系， 也没有直接证据说明肌肤问题是微生物直接导致。两者关系类似于“蛋”和“鸡”的争论。考虑到皮肤复杂的生理环境，这更可能是一个双向反馈，互动共生的过程：皮肤生理状态的变化，类似于生态环境变化，诱发微生物菌群种类和/或数量发生变化； 微生物菌群的变化，又反之影响皮肤微生态环境的变动。皮肤的屏障功能如经皮失水率，角质层结构，皮脂分泌量等都随之变动。

互动共生在理论和实际的研究观察中认为是可能的。皮肤表面的小汗腺（eccrine）分泌出的汗液，提供水分，盐分和抗菌肽（antimicrobial peptide, AMP），为微生物生长提供水分和必要矿物元素。皮脂腺分泌物富含油脂成分，降解后形成自由脂肪酸，为微生物提供营养。汗腺中含有乳酸，加之油脂成分分解后形成的脂肪酸，构成皮肤的弱酸性微环境。这些表皮结构和局部生理特征就会直接控制影响皮肤常驻菌群的数量和种类[19]。同时某些常驻菌，如表皮葡萄球菌可以促进beta-defensins 2和3防御素合成，增加对外来可能致病菌，如金黄色葡萄球菌的抵抗能力。这就构成典型的共生关系[20]。

P.Zeeuwen, J.Boekhorst重点研究了皮肤屏障功能受损时，微生物菌群如何影响互动，提出了微生物群落决定论和宿主生物决定论两者理论模型（见图 1和 2）[21]。

总之，皮肤微生物菌群具有相当稳定性，随身体部位的生理特征不同而表现出不同的多样性和数量。微生物菌群的平衡，多样性是人体皮肤健康的一个关键指标。未来日化产品的开发工程中，应该充分考虑到菌群平衡，利用微生物和皮肤共生环境的互动关系，提供更好更温和，健康的解决方案。

图1 微生物群落决定论Fig.1 Microbiota determinism

图2 宿主生物决定论/病理学理论Fig.2 Host biodeterminism / pathology theory