皮肤微生态强化皮肤屏障功能

刘祎, 杜明威, 何海洋, 朱星睿, 廖万清, 潘炜华

人体皮肤上定植约40 万亿微生物[1],包括细菌、真菌、病毒、古细菌以及小型节肢动物等。皮肤生态系统内的物种组成和相对丰度在一定范围内保持动态平衡,不仅可以作为生物、物理防线直接抵抗病原体的侵袭,产生化学物质抑制有害菌种生长,还能调节宿主免疫反应,参与皮肤固有免疫及适应性免疫屏障的建立,对于维持宿主皮肤健康至关重要。一旦群落内物种比例失衡,可能导致病原体过度增殖以及有益共生菌株减少,进而引发疾病;此外,这种生态失衡还会令宿主炎症反应进一步恶化,从而导致病程迁延不愈,例如银屑病、特应性皮炎、痤疮和脂溢性皮炎等慢性复发性炎症性疾病都与皮肤菌群密切相关[2]。

本文介绍了皮肤微生物组的基本特点,总结了皮肤微生物在参与塑造皮肤的生物、物理、化学、免疫屏障等方面的重要贡献,以及其与免疫系统相互作用的过程,以期为今后皮肤微生物的开发利用提供理论支持。

1 皮肤微生态概述

皮肤被覆体表,作为人体最大的器官,其总重量约为个体体重的16%,从解剖结构上其可分为表皮、真皮和皮下组织三层。皮肤表面定居着大量微生物,构成了仅次于肠道的人体第二大复杂且动态的生态系统[3],统称为皮肤微生物组,通常可分为常驻微生物和暂驻微生物。前者一般情况下无害,部分甚至可以对皮肤产生有益影响,常见的包括表皮葡萄球菌、模拟棒状杆菌、痤疮丙酸杆菌、颗粒表皮杆菌、藤黄微球菌及马拉色菌等[2]。暂驻菌是指与外界环境接触而获得的一类微生物,其中包括金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、溶血链球菌等条件致病菌[4]。既往认为在无损伤时,真皮和皮下组织层通常为无菌状态,近期研究发现表皮葡萄球菌和某些假单胞菌属菌种可能存在于此皮肤层次中[5],然而共生细菌如何穿过表皮屏障到达真皮层还需要进一步论证。总体上,真皮和表皮之间不仅在微生物物种组成方面存在显著差异(表皮具有更为丰富的菌群多样性),而且二者的潜在功能也有所区别[6]。这可能是由于表皮暴露于外部环境,细菌组成受外界影响更大、异质性更高,而真皮微生物群落能够更准确反映宿主免疫状态,未来有望成为皮肤病研究的新方向。

除了基础解剖分层外,不同身体部位具有多元化的皮肤微环境,其在皮肤酸碱度、温度、湿度、皮脂含量等方面的特性各不相同[7],这是导致不同部位之间微生物群落变异的主要原因之一[8]。例如,颜面、胸背等部位富含皮脂腺单位,其相对缺氧且富含油脂的微环境特性,为兼性厌氧的痤疮丙酸杆菌等菌株提供了理想生存环境,因此油性部位以亲脂性的丙酸杆菌属为主。除了细菌外,真菌也在皮肤中少量存在[9],其中以马拉色菌属最为常见,然而即使在真菌多样性很高的足部,真菌的总体丰度也很低[10]。不同于细菌和真菌,皮肤DNA病毒的定植过程中往往具有个体特异性,与解剖部位并无显著关联[9],其主要以噬菌体为主[11]。

2 皮肤屏障与皮肤微生态

皮肤作为人体与外界环境接触最多的器官,面临着被各种外源性化学毒物和物理损伤的风险,还会长期暴露于富含病原微生物的环境中,因而皮肤屏障与皮肤微生态对维持健康皮肤状态不可或缺[12]。

皮肤的屏障功能主要在于互相弥补的四个层次,即生物、物理、化学和免疫屏障[13-14]。皮肤微生物组本身可以通过各种不同的抗菌机制成为阻挡病原微生物的屏障[15],除此以外,这些微生物组还通过抗菌肽、短链脂肪酸的释放进一步强化皮肤屏障的功能水平[3],在皮肤屏障的塑造中起着重要作用。

2.1生物屏障 皮肤常驻菌在复杂的生态圈中生存,争夺有限的生态位和营养物质,长期竞争压力下已进化产生多种拮抗机制,包括直接产生抗生素或抗菌肽杀菌、间接抑制定植、增强宿主免疫反应等多种方式抵御外来病原体。下面以皮肤表面主要的成员葡萄球菌属为例,具体叙述。

多种凝固酶阴性葡萄球菌(coagulase-negativestaphylococci, CoNS)能够产生抗菌肽选择性杀灭金黄色葡萄球菌,通过将正常人群抗菌CoNS菌株移植到特应性皮炎患者的皮肤表面,能够显著减少金黄色葡萄球菌定植含量[16],而特应性皮炎患者的皮肤上缺乏抗菌CoNS菌株,也在一定程度上证实了皮肤微生物生态失调可能导致特应性皮炎等疾病发生[17]。表皮葡萄球菌分泌的丝氨酸蛋白酶可以降解与宿主上皮细胞黏附相关的蛋白质,从而抑制金黄色葡萄球菌在人类鼻腔定植并且影响其生物膜形成[18-19]。另外,山羊葡萄球菌(staphylococcuscaprae)在皮肤定植和皮内感染的小鼠模型中,能够通过干扰金黄色葡萄球菌的附属基因调节子,显著减轻耐甲氧西林金黄色葡萄球菌负担[20-21]。此外,Bitschar等[22]注意到路邓葡萄球菌能够产生一种新型的环肽类抗生素——路邓素,促进抗菌肽LL-37表达,募集单核细胞和中性粒细胞,从而抑制金黄色葡萄球菌在人类和啮齿类动物上皮定植。研究发现,痤疮丙酸杆菌依赖于硫肽细菌素cutimycin,限制葡萄球菌属物种定植,维持自身在毛囊中的生态位[23]。

虽然菌群与菌群相互作用如何影响宿主的结构和功能仍有待进一步阐明,但可以肯定的是,由于金黄色葡萄球菌等常见病原体的耐药性愈演愈烈[24],利用皮肤共生微生物进行替代根除,强化皮肤天然微生物屏障的策略,将是未来研究的一个重要领域。

2.2机械屏障 皮肤具有半透膜性质,既能防止水分和营养物质的流失,又能对感染性或毒性物质进行机械阻挡。其中角质层是物理屏障最重要的组成部分,以角质形成细胞为基础,辅以胆固醇、神经酰胺、游离脂肪酸等细胞外非极性疏水基质[25]。与胃肠道相对简单的黏膜屏障不同,角质层屏障需要由多层终末分化的角质形成细胞在多种信号严格调控下形成,其中皮肤微生物发挥的作用不可或缺。

角质形成细胞作为哨兵最先感知并响应外部刺激,其上的芳烃受体(aryl hydrocarbon receptor, AhR)激活能够诱导多种表皮分化基因表达,加速终末分化,并增加角质层厚度[26]。Uberoi等[27]发现,皮肤微生物群能够通过AhR发出调控信号,维持表皮渗透屏障(epidermal permeability barrier,EPB)完整性和稳态。实验观察到无菌小鼠皮肤中AhR途径明显下调,EPB受损,对病原体金黄色葡萄球菌的易感性增加。这种小鼠屏障损伤在AhR激动剂治疗或菌群移植后得到显著改善,证实了共生微生物是正常表皮分化、EPB功能维持和修复所必需。此外,皮肤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]用动物模型证实表皮葡萄球菌能够分泌鞘磷脂酶,显著增加宿主皮肤中神经酰胺水平,从而维持皮肤屏障稳态,避免皮肤脱水和衰老。

2.3化学屏障 皮肤表面的弱酸性环境是限制外源性微生物和病原菌入侵的天然化学屏障[7]。正常健康人皮肤pH值一般维持在5.5～7.0,主要由汗液中的乳酸及皮脂膜中某些游离脂肪酸影响,皮肤微生物也参与其中。

棒状杆菌属是人体皮肤微生态中最常见的菌种之一,其中拥挤棒状杆菌作为鼻腔常见的良性定植细菌,通过分泌脂肪酶水解皮肤表面的甘油三酯产生游离脂肪酸,抑制肺炎链球菌的生长[29]。事实上,游离脂肪酸对包括痤疮丙酸杆菌在内的广泛的革兰氏阳性菌都显示出抗菌活性,并可以通过刺激人β-防御素2(human beta defensin-2, hBD-2) 的表达进一步增强皮肤免疫力[30]。

2.4固有免疫屏障 固有免疫系统在机体进化过程中出现较早,可对侵入的病原体迅速应答,发挥非特异性免疫作用,主要由生理性保护屏障、固有免疫细胞和固有免疫分子组成。近期研究表明,皮肤微生物也可以通过多种途径促进先天性免疫反应,包括直接调控固有免疫细胞、产生具有免疫调节作用的代谢产物,以及刺激宿主产生固有免疫分子。

肥大细胞作为固有免疫反应的“哨兵”,受周围微环境的影响在组织中分化成熟。最近发现,皮肤微生物群能够通过脂磷壁酸驱动角质形成细胞中的干细胞因子产生,从而触发真皮内的肥大细胞发育成熟以及肥大细胞在皮肤中的募集迁移[31]。接下来,广泛定植于人体腔道中的白色念珠菌,在不同菌相下能够驱动不同的辅助性T细胞反应,从而提供皮肤黏膜特异性保护或针对全身感染的非特异性保护[32]。拥挤棒状杆菌还能够促进特定的γ/δ T细胞亚群数量的急剧增加与活化,强化固有免疫应答[33]。而皮肤最常见的优势菌种痤疮丙酸杆菌能够将甘油三酯分解为短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA),通过SCFA抑制角质形成细胞中组蛋白去乙酰化酶,促进Toll样受体信号诱导的细胞因子表达[34]。

除此以外,皮肤微生物还可以刺激宿主产生多种抗菌肽(antimicrobial peptides and proteins, AMPs)进一步增强皮肤免疫,其中以Cathelicidin和β-防御素为主。人体皮脂腺细胞在暴露于细菌脂多糖后,会诱导产生富含脯氨酸的AMPs,通过直接破坏细菌细胞膜对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和部分皮肤共生菌均表现出强效杀菌活性[35]。皮肤表面共生的表皮葡萄球菌会增加小鼠皮肤或人角质形成细胞中AMPs的表达,并使其更能抵抗特定细菌和病毒病原体的感染[36]。

2.5适应性免疫屏障 适应性免疫是指体内抗原特异性T/B淋巴细胞接受抗原刺激后,它们活化、增殖和分化为效应细胞,从而产生一系列生物学效应的过程。这个过程中,微生物群的参与起着关键作用。

研究发现,微生物对适应性免疫屏障的塑造始于生命早期阶段。Scharschmidt等[37]发现新生儿时期皮肤共生表皮葡萄球菌的定植有助于建立免疫耐受,这些细菌可介导调节性T细胞流入皮肤。黏膜相关恒定T细胞(mucosal-associated invariant T cells, MAIT)作为一种进化保守的T细胞亚群,在各种感染性疾病中具有保护作用[38]。然而在无菌小鼠中MAIT细胞缺失,这是因为MAIT细胞的发育需要暴露于仅由细菌和真菌产生的维生素B2衍生代谢物,这些代谢物介导了MAIT细胞的增殖,并将它们趋化分布至皮肤和黏膜部位[39-40]。然而,关于生命早期定植和暴露于微生物群如何长期影响组织适应性免疫,目前仍知之甚少。

Patra等[41]通过对小鼠进行紫外线照射试验发现,在微生物存在的情况下,紫外线诱导的全身免疫抑制减弱,表皮增生和中性粒细胞浸润增强;而微生物不存在的情况下,肥大细胞和单核细胞或巨噬细胞的数量增加。在皮肤屏障完整的情况下,微生物可以刺激树突状细胞,诱导特异性T细胞产生IL-17,从而加速伤口愈合。然而当屏障破坏时,进入树突状细胞的微生物会导致IFN γ+炎症反应,可能进一步引发慢性炎症反应[42]。在表皮中,朗格汉斯细胞(langerhans cell, LC)在稳态下能通过激活调节性T细胞维持对自身抗原和共生微生物的耐受性。而在特应性皮炎患者皮肤中分离出的金黄色葡萄球菌会刺激LC诱导T细胞显著快速增殖,使IL-2显著增加,IFN-γ明显减少,整体倾向于Th1/Th2轴失衡[43]。此外近期研究发现,经基因工程化改造的表皮葡萄球菌能够直接刺激产生肿瘤特异性CD4+和CD8+T细胞[44],并在皮肤、肺部展现出强大的抗肿瘤活性。这些研究表明,皮肤微生物可能通过影响适应性免疫参与疾病进程,进一步探索有助于更深入地了解皮肤微生物与适应性免疫的相互关系,为未来的临床应用和疾病治疗提供新的思路。

3 结论与展望

皮肤微生物具有极其复杂的多样性,目前的研究仅仅发现了少数特定微生物和微生物相关分子与一些免疫或炎症过程的关联。时至今日,皮肤微生态屏障方面的研究已经取得了重要进展,但仍有许多重要问题有待解答,特别是应进一步研究皮肤微生物及其代谢产物对皮肤细胞和皮肤免疫方面的贡献,阐明这些共生微生物在皮肤病发生、发展以及治疗过程中发挥作用的机制,在未来皮肤微生物应用于疾病治疗方面提供有价值的信息和策略。