特应性皮炎与微生态治疗的研究进展

阮怡佳, 侯明君, 梁云生

南方医科大学皮肤病医院,广东 广州 510091

特应性皮炎(atopic dermatitis,AD)是一种慢性复发性炎症性皮肤病,常合并过敏性鼻炎、哮喘等过敏性疾病[1],其发病机制除了与遗传背景和环境因素、皮肤屏障的破坏、免疫紊乱相关,皮肤和肠道微生态的变化也被认为是其发生发展的重要因素之一。然而微生态改变与AD发生发展的因果关系尚未明确,微生态变化与皮肤屏障受损功能受损、免疫紊乱等其他致病因素之间同样存在相互作用。本文拟从机体微生态的变化与AD之间的关系展开综述,以期为AD的治疗提供新思路。

1 皮肤微生态

皮肤作为人体最大的器官,是直接感受外界刺激并适时产生应答的第一道防线。完整的皮肤屏障由“砖墙”角质形成细胞和“水泥”细胞间脂质和保湿因子共同组成。皮肤微生态是指皮肤表面的微生物如细菌、真菌、病毒、螨虫、节肢动物,与人体皮肤表面的组织、细胞及各种分泌物、微环境等共同组成的生态系统[2]。皮肤微环境则包括了机体和微生物产生的代谢产物以及外界环境物质,并具有相对稳定的理化性质如温度、湿度、pH值和脂质含量等[3]。皮肤微环境在一定程度上决定了局部微生物的种类,如皮脂溢出部位的丙酸杆菌占有优势生态位,而皮肤潮湿部位则是棒状杆菌和葡萄球菌占有优势生态位[2]。皮肤微生态的动态平衡由微生物的自我调节、共生或竞争以及微生物-宿主之间相互作用来共同维护。

1.1 皮肤菌群与AD

AD患者常伴有皮肤微环境紊乱。中间丝聚合蛋白基因(FLG基因)缺陷作为AD患者的最强遗传危险因素,常因丝聚蛋白分解障碍,导致天然保湿因子缺乏,从而不能维持皮肤pH 4-6的正常值[4],影响了正常皮肤的微生态。AD患者的皮肤微生态的改变与AD发病之间的先后顺序一直存在争议[5],此前有一项前瞻性出生队列研究发现,婴儿期发病的AD患儿在临床症状出现的2个月前,金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus,S.aureus)就已经成为其皮肤优势菌[6]。最近一项研究表明, AD患儿的皮肤菌群紊乱先于皮损出现[7],这提示早期对皮肤菌群加以干预有望避免AD的发生。

1.1.1 皮肤致病菌 AD患者皮肤菌群失衡表现为菌群多样性的下降,以葡萄球菌属丰度相对增加和其他菌属(链球菌属、棒状杆菌属、丙酸杆菌属和变形杆菌属等)丰度下降为特点[8]。S.aureus作为AD患者的主要致病菌,其携带率可达30%～100%,而正常人的S.aureus携带率仅为20%[8]。一项荟萃分析表示,AD患者皮损区的S.aureus的定植率为70%,而非皮损区仅有39%,且与皮损严重程度呈正相关[9]。AD患者的皮肤多偏碱性,S.aureus在碱性的条件下更利于在皮肤上生长[10]。在皮肤屏障破坏和机体炎症紊乱的背景下,AD患者皮损处的IL-4、IL-5、IL-13等2型炎症因子过度释放,促进纤连蛋白和纤维蛋白原的表达,从而加强了致病菌S.aureus在皮肤的黏附[5]。反之,广泛定植的S.aureus也可通过多种机制促进AD的发展:S.aureus可分泌α-毒素作用于角质形成细胞表面,直接破坏了皮肤屏障;还可分泌δ-毒素直接激活大量T细胞,并致敏肥大细胞脱颗粒,启动皮肤过敏反应[4];同时,S.aureus促进半胱氨酸蛋白酶staphopain和金属蛋白酶aureolysin的表达,分解人抗菌肽[11],并刺激机体分泌内源性蛋白酶KLK破坏角质形成细胞,促进IL-5、IL-33的分泌从而加重2型炎症;其表达的酚可溶性调节肽PSM还能刺激角质形成细胞生成IL-1α、IL-36α以促进Th17驱动的炎症反应[12-13],并且通过形成生物膜增加耐药性。

1.1.2 皮肤共生菌 皮肤共生菌在维持皮肤免疫稳态方面具有重要作用,特别是其在生命初期可促进皮肤建立免疫耐受、识别异己。皮肤正常菌群参与机体免疫耐受的建立,在新生儿出生后特定的窗口期,高度激活的Treg细胞迁移至新生儿皮肤。研究也发现,定植在新生儿毛囊峡部的共生菌可以促进CCL20 表达,后者通过与Treg细胞上的CCR6结合,促进Treg细胞在新生儿皮肤的累积,建立起早期Treg细胞的生态位[14]。若此时选择性抑制这种Treg细胞,则会阻止机体对共生菌建立适应性免疫反应,破坏皮肤稳态的形成[15]。

具有保护性作用的共生菌群相对减少是AD患者皮损加重的另一大因素。一些保护性菌株如凝固酶阴性的葡萄球菌(coagulase-negativeStaphylococci, CoNS)中表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis,S.epidermidis)等,可以自身分泌抗菌肽(antimicrobial peptide, AMP)或刺激人体角质形成细胞分泌cathelicidin(LL-37)和β-防御素杀灭皮肤致病菌,亦或是通过抑制群体感应系统阻止其他细菌的生长[16-19]。而AD患者体内高度释放的IL-4、IL-13、IL-31、胸腺基质淋巴细胞生成素(thymic stromal lymphopoietin, TSLP)等2型炎症因子会抑制人β-防御素2基因和β-防御素3基因的表达[20],从而削弱机体的保护作用。有意思的是,将源于正常人皮肤的S.epidermidis在小鼠身上过度繁殖,因缺乏其他CoNS的群体感应系统的抑制而显示出类似于S.aureus的致病性,即通过分泌半胱氨酸蛋白酶EcpA,降解DSG-1和抗菌肽LL-37破坏皮肤屏障[21],引发皮肤炎症反应,这提示微生物对机体的影响可能会随微生态的变化而发生改变。

1.2 皮肤菌群代谢产物与AD

皮肤菌群代谢产物对AD的影响更为直观。正常人较AD患者具有更发达且数量更多的皮脂腺,因此其皮肤的皮脂含量高于AD患者,这也与AD患者皮肤酸碱度偏碱性和含水量下降相关。皮肤皮脂的代谢主要依赖于亲脂性微生物,以丙酸杆菌属和棒状杆菌属为主。AD患者皮肤的丙酸杆菌属丰度显著降低,不能有效进行脂质的生物利用,导致AD患者皮肤短链脂肪酸的缺乏。短链脂肪酸中的丙酸盐能够通过抑制角质形成细胞的IL-33轴而改善AD小鼠的皮损,AD患者皮损局部外用丙酸盐后,皮损得到明显改善[7],进一步证实了皮脂-微生物代谢-IL-33轴在AD患者中的治疗潜能。

皮肤菌群短链脂肪酸的产量虽远远不及肠道菌群,但也同样显示出重要的免疫调控作用。以丁酸盐为例,可以刺激机体产生TNF-α、IL-2、IL-6、IL-10,作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂(histone deacetylase inhibitors, HADCIs)上调Treg细胞特异性转录因子Foxp3和IL-10的表达,同时使CD4+CD25-的非调节性T细胞显示出抑制特性,减轻皮肤炎症反应[22]。丁酸盐的衍生物BA-NH-NH-BA能诱导人角质形成细胞组蛋白H3赖氨酸9 (AcH3K9)乙酰化,同时可以抑制S.aureus的生长[23]。此外,AD患者皮肤色氨酸代谢减少,抑制吲哚及其衍生物的生成,从而减少TSLP的产生[24]。

1.3 其他皮肤微生物与AD

除细菌外的其他皮肤微生物与AD之间的关系也有待研究。马拉色菌作为AD患者皮肤的另一常见定植菌[25],与AD的发病相互促进,AD患者也常因长期外用糖皮质激素而继发马拉色菌毛囊炎。马拉色菌具有亲脂性,故其常定植于毛囊部位。当AD患者皮肤pH值升高时,马拉色菌可能释放更多的过敏原,并通过受损的皮肤屏障激活TLR2引发炎症反应[26]。

2 肠道微生态

肠道菌群是机体最复杂最主要的微生态系统,可以维护肠道黏膜屏障完整、抵御感染、参与免疫反应和营养代谢,被称为与人体健康和寿命相关的“虚拟器官”[27]。“肠-皮肤轴”理论认为,皮肤和肠道黏膜来源于同一胚胎层,并且具有相似的信号转导机制,是人体两大重要的神经-免疫器官[28]。

2.1 肠道菌群与AD

正常儿童肠道菌群的建立需要发生两次改变:一是出生后肠道从无菌到有菌的转变,二是从开始添加辅食后,肠道的菌群组成结构逐渐趋于成人[29]。早期,需氧菌和兼性厌氧菌在新生儿肠道快速定植,消耗大量氧气,逐渐将肠腔转变为厌氧环境,厌氧菌也随之实现从兼性厌氧菌向专性厌氧菌的转变。新生儿早期肠道菌群的组成与多种因素相关,包括母亲孕期的饮食和生活习惯、分娩方式和后天喂养。研究对AD患儿和健康儿童的粪便菌群追踪后发现,尽管AD患儿和健康儿童的肠道菌群均会随年龄增长而成熟,但AD患儿肠道菌群的发育进程是紊乱的:肠道菌群在出生后的12个月内过早成熟,随后又延迟成熟[29], 导致AD患儿肠道菌群的定植以兼性厌氧菌为主,肠腔内氧气过剩,加重了厌氧菌的菌群紊乱。

肠道黏膜是仅次于皮肤的第二大接受外来抗原的部位,为早期胃肠道建立免疫耐受提供了丰富的免疫细胞[30]。 肠道上皮细胞被破坏时,即发生“肠漏”现象,可以促进内外源性的免疫原性物质如饮食抗原、细菌毒素和相关免疫抗原的渗透,这类物质循环至皮肤可以促发免疫反应[31-32]。因此,与食物过敏原相关的早期发病的AD患儿,可以通过口服建立过敏原的免疫耐受以缓解AD样皮损,减轻皮肤炎症反应[33-34]。同时,搔抓、热水烫洗等行为会导致AD患者皮肤屏障的破坏,增加皮肤免疫原性物质暴露的可能性,从而经皮刺激促进角质形成细胞释放IL-33和刺激小肠丛状细胞释放IL-25,致敏体内的肥大细胞,增加肠道黏膜的通透性,触发IgE介导的食物过敏[35-36]。

AD患者的肠道菌群紊乱主要表现为双歧杆菌属、类杆菌属和乳杆菌属减少和大肠杆菌、艰难梭菌和S.aureus的增加[37]。有研究通过对比有无过敏原的AD患儿的肠道菌群发育轨迹发现,有过敏原的AD患儿在出生后第3周,其肠道富集了大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌,经海藻糖代谢途径产生ATP以促进相关毒力因子如侵入素、粘附素、鞭毛蛋白和脂多糖等基因表达,增加了细菌在肠道上皮的粘附并激活脂多糖(histone deacetylase inhibitors,LPS)与CD14和TLR4的结合,刺激NF-κB和IRF3的信号通路产生促炎细胞因子,引发皮肤炎症[38]。AD患者因缺乏双歧杆菌,不能有效地刺激IL-10/ IL-10Ra信号通路,降低了Treg细胞的免疫抑制作用[31];也因无法刺激Peyer斑诱导生成IgA,不能维持黏膜的正常免疫功能,进一步加重了“肠漏”[28]。研究发现减少的脆弱拟杆菌、普拉梭菌等菌群,因不能产生足够的维甲酸,无法通过募集Treg细胞来抑制炎症反应[39]。AD患者肠道内缺乏乳杆菌属和双歧杆菌属,神经递质γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)产生减少,间接加重了患者皮肤的瘙痒。

2.2 肠道菌群代谢产物与AD

根据“肠-皮肤轴”的特点,肠道菌群对皮肤的影响主要通过细菌代谢产物或是免疫分子介导相关信号通路产生远隔效应[27]。肠道菌群紊乱的生物标志物游离酚和对甲酚,可经体循环后优先在皮肤聚集,损害表皮分化并破坏皮肤的完整性[40]。

AD患者肠道中产短链脂肪酸的菌群失调,大大减少了短链脂肪酸的生成,因不能有效激活过氧化物酶增殖受体PPAR-γ信号通路,阻碍肠道上皮细胞的增殖,继而氧化磷酸化减少,使肠腔内的氧气过剩,加重专性厌氧菌和兼性厌氧菌的比例失衡[29],在出生后的早期影响肠道免疫发育,后又进一步促进了肠道菌群的紊乱。近期一项队列研究发现,与健康对照相比,AD患儿的粪便菌群组成中缺乏产短链脂肪酸菌布氏瘤胃球菌(Ruminococcusbromii),肠道的丁酸水平降低,发病风险增加[41]。

色氨酸是人体必需的芳香族氨基酸,可以促进树突状细胞IL-10的释放,减少IL-12、 IL-5和IFN-γ等促炎因子产生。色氨酸在双歧杆菌、乳杆菌、乳球菌等肠道菌群的作用下生成吲哚及其衍生物,如吲哚-3-醛/IAld、吲哚-3-乙酸/IAA、吲哚-3-丙酸/IPA、吲哚-3-乙醛/IAAld和吲哚丙烯酸,后者通过激活芳香烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AHR),与TSLP的启动子上的AHRE2和AHRE4结合,抑制警报素TSLP的产生[42]。AHR受体介导的免疫反应主要通过树突状细胞和固有免疫细胞参与皮肤和肠道的屏障功能,起到免疫稳态的作用。AD患者肠道双歧杆菌属和拟杆菌属的减少会阻碍内源性色氨酸代谢产物吲哚的生成[43],使其不能有效抑制TSLP的产生,加重了皮肤炎症。

3 微生态疗法初探AD治疗

目前AD尚未能完全根治。首选治疗方案是根据患者不同程度的病情阶梯治疗,即在加强全身保湿的基础上,局部外用糖皮质激素或钙调磷酸酶抑制剂,口服抗组胺药物以控制瘙痒,必要时联合系统治疗。但目前的治疗方案常因患者治疗依从性欠佳和长期外用糖皮质激素存在皮肤萎缩、毛细血管扩张、引发痤疮、毛囊炎、感染和多毛等副作用,治疗效果存在明显差异。尽管人源IL-4Rα单克隆抗体dupilumab和口服Jak抑制剂在很大程度上解决了上述问题,但dupilumab治疗过程中可能出现的面部红斑及结膜炎等不良反应、治疗抵抗和口服Jak抑制剂后免疫抑制、不良事件发生率的增加,仍需要定期随访、监测。基于此,微生态疗法可作为现有AD治疗的一大补充。微生态疗法通常采用两种治疗策略:一是直接进行活菌移植,依靠移植后的菌群-菌群、菌群-宿主作用重塑局部微生态环境,恢复正常菌群生物效应;二是利用菌群代谢产物及其他能影响菌群代谢通路的物质进行治疗[44]。而针对致病性S.aureus,无论是口服还是系统使用抗生素的疗法均会非特异性杀灭机体其他共生菌,进一步加重菌群紊乱;长期过度使用高效抗生素还会增加耐药菌出现的可能性。因此如何有针对性地杀灭致病菌并促进机体菌群恢复平衡是菌群移植的目标追求。

3.1 菌群移植和益生菌

粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)是指将健康人的肠道功能菌群整体移植到患者的胃肠道内,实现患者功能菌群的重建。目前多用单一菌株对改善AD样皮损进行实验论证,根据干预形式分为皮肤移植菌株和口服添加益生菌,通过菌群之间竞争营养底物和生态位来抑制致病菌[28],或通过菌群代谢产物和免疫效应缓解AD症状。一项Ⅰ期临床试验将健康人皮肤来源的人葡萄球菌(Staphylococcushominis,S.hominis)A9移植到AD患者的前臂,虽没有明显改善AD患者的湿疹严重程度,但皮肤表面的S.aureus大大减少[19]。将来自健康受试者的玫瑰单胞菌(Roseomonasmucosa,R.mucosa)涂抹在AD患者的皮损处,在进行为期6周的治疗后,患者皮损明显改善,皮损处致病性S.aureus减少[45]。随后的儿童队列研究进一步表示,停止涂抹玫瑰单胞菌之后,皮损处的玫瑰单胞菌可以维持8个月之久,并保持相应皮损的改善情况。实验室证据同时提示玫瑰单胞菌改善AD样皮损可能与其合成的鞘脂、鞭毛蛋白激活TLR5、TNFR2、胆碱能等信号通路启动上皮修复有关[46]。亚硝化单胞菌(NitrosomonaseutrophaB244)可以通过产生NO或亚硝酸盐,减少致痒细胞因子IL-4、IL-13和促炎细胞因子的产生,缓解瘙痒[47]。

Kim等[48]对AD小鼠移植了健康小鼠的肠道菌群,改变了AD小鼠肠道菌群的组成,肠道内SCFAs水平增加,使全血IgE和嗜酸性粒细胞趋于正常,恢复了Th1/Th2平衡。近期发现在长双歧杆菌CCFM1029作用下可以升高AD小鼠色氨酸代谢中吲哚衍生物I3C水平,抑制Th2型炎症反应,缓解AD样皮损,还能恢复肠道与色氨酸代谢相关的毛螺旋菌科的丰度[43]。

此前已有不少实验证明,携有AD高危因素的孕妇、婴幼儿等人群补充益生菌,对婴儿湿疹具有预防意义[28,49]。儿童和青少年AD患者口服含鼠李糖乳杆菌HN001、嗜酸乳杆菌NCFM、副干酪乳杆菌Lcp-37和乳酸双歧杆菌HN019 的混合益生菌6个月后,SCORAD评分得到改善[50]。近期对粉尘螨介导的AD小鼠喂养健康人来源的副干酪乳杆菌(LactobacillusparacaseiKBL382),AD小鼠经该菌株的作用下刺激Treg细胞,抑制Th2细胞功能并缓解皮肤炎症[51]。此外,补充维生素D3可以有效增加益生菌布氏瘤胃球菌和粪杆菌属等,并通过产生抗菌肽(如cathelicidin和β-防御素)调节免疫,减轻炎症反应[52]。

菌群移植能根据微生态环境的特点定植在某一固定区域,且将效应物质以生理安全浓度直接作用于宿主,避免出现外源性添加过量和脱靶的不足,并通过多种已知甚至未知的通路激活下游反应,以达到长期疗效[44]。活菌移植前的准备工作需要确定合适的供者、供者的菌株、剂量、移植载体和移植方式和条件等,针对不同患者的具体情况个体化用菌。活菌移植后的疗效也需要持续关注,因其可能存在不稳定性,比如移植后的菌群是否达到预期且稳定定植,能否承受住移植后受者原有共生菌的防御作用,以及能否通过多次接种达到稳定定植保证治疗效果等。皮肤菌群较肠道菌群可能更容易获取,但因移植前后有更多外源性暴露因素的影响,意味着皮肤菌群的治疗方法反而不容易被监测或调控。

3.2 菌群代谢产物

相比菌群菌种获取的复杂性,菌群代谢产物则显示出优势,可以避免细菌产品或供体衍生材料的安全问题,减少因同时激活与菌群相关的多种信号通路引起的其他反应。以短链脂肪酸为例,其化学成分稳定,有利于转化成药物,便于后期的生产运输和疗效监测。短链脂肪酸能够上调皮肤紧密连接蛋白claudin-1的表达,抑制促炎因子NF-κB信号通路[53]和组蛋白去乙酰化酶HDAC2和HDAC3[7],还能同时结合G蛋白偶联受体激活抗炎通路,或通过Treg介导分泌TGF-β或IL-10发挥免疫抑制功能[22],达到抗炎和抗过敏的双重效应。丁酸外用制剂在一定浓度下具有治疗意义,但因该浓度下伴有恶臭限制了其应用[23]。

3.3 噬菌体及内溶素

噬菌体疗法是利用一类具有宿主特异性的病毒,可以多种细菌共存的情况下选择性进入致病菌内,引起致病菌的代谢紊乱并溶解,因而噬菌体被喻为 “天然抗生素”。 Shimamori等[54]利用S.aureusphageSaGU1噬菌体在S.aureus相关的AD小鼠皮损上试验,发现该噬菌体能缓解小鼠AD样皮损并改善血液IgE的水平,并且在联合皮肤共生菌S.epidermidis后能减少耐噬菌体的S.aureus的出现。同时, Kim等[55]发现通过对噬菌体增加表面活性剂可以提高噬菌体杀灭S.aureus的效果。噬菌体体内的内溶素中含有针对致病性S.aureus的细胞壁水解酶,曾有报道对3例难治性、复发性S.aureus感染相关的皮肤病患者外用Staphefekt SA.100(一种特异性针对S.aureus而不影响皮肤其他共生菌的重组噬菌体内溶素)后,皮损得到一定程度的改善[56]。但后续在对100例中重度AD患者外用Staphefekt的随机双盲临床试验中,噬菌体内溶素治疗组和对照组未显示出统计学差异[57]。

噬菌体疗法用于临床治疗时受制于噬菌体的应用条件,因无法估算患者皮损S.aureus的数量,噬菌体的剂量及其受控条件等有待更全面的研究。而由于与外界环境的S.aureus广泛接触,噬菌体的内溶素治疗也使S.aureus快速恢复在治疗后皮损上的定植,导致最终疗效的不佳。

3.4 其他

2%的ATx201(一种低MIC的小分子抗菌软膏)进入细菌内部并降低胞内质子动力,能对包括MRSA在内的S.aureus的生物合成途径产生抑制作用,从而减少致病菌的定植,增加皮肤生物群落的Shannon多样性,且该药物在轻中度AD患者中的Ⅱ期临床试验已经得到不错的临床效果[58]。S.aureus的PSM序列保守并在多种S.aureus相关感染性疾病中参与发病,可视为一个抗S.aureus的靶点。Lee等[59]发现AD患者在使用dupilumab治疗12周后,皮肤含水量得到有效改善,皮肤丙酸杆菌和棒状杆菌的多样性有所增加,且致病性S.aureus相对减少。阳离子抗菌肽Omiganan pentachloride (CLS-001)是一种合成的广谱宿主防御肽,对真菌、革兰氏阴性和阳性菌均有抑制作用,可改善皮肤微生态紊乱达到治疗效应[47]。

4 结语与展望

综上,机体微生态与AD的关系密不可分。皮肤和肠道都有其与AD发生发展相关的保护性和致病性菌株,而保护性菌株与致病性菌株也非绝对固定不变。菌群-菌群-宿主之间相互作用,各菌群也可以通过代谢产物和免疫机制对机体直接或间接产生影响,提示微生态疗法较现有治疗更为个体化、复杂化。但目前尚不能明确AD患者肠道及皮肤微生态的改变与AD发病的因果关系,未来应更深入探究机体各种微生物与AD之间的作用机制,尽可能探索不同条件下各菌株性质、相应代谢产物对微生物以及人体的效应,为AD患者提供微生态治疗靶点和干预措施。