皮膚菌群-宿主相互作用及其與炎癥性皮膚病的關系

裘卓瓊 李巍

復旦大學附屬華山醫院皮膚科，上海200040

作為機體與外界環境直接接觸的器官，皮膚是抵御外界環境侵襲的重要物理、化學和免疫屏障；同時，皮膚也是一個復雜的生態系統，眾多微生物包括細菌、真菌等常駐于皮膚表面和附屬器，組成了皮膚微生態。近年來研究顯示，皮膚共生菌群與皮膚免疫系統發生廣泛的相互作用，一方面皮膚的生理特性與免疫網絡調節皮膚菌群的組成與分布，另一方面微生物通過其菌體成分與代謝產物作用于宿主細胞，從而影響局部和系統免疫［1-3］。皮膚免疫穩態的維持依賴于皮膚免疫系統和菌群二者相互作用的平衡，當平衡失調時，免疫穩態破壞，失調菌群可能參與炎癥性皮膚疾病如特應性皮炎（AD）的發病，而調節皮膚菌群及其代謝則有可能輔助治療皮膚疾病和系統疾病。本文主要綜述生理穩態下皮膚菌群與宿主的相互作用，以及多種炎癥性皮膚病狀態下菌群的改變與機制。

一、宿主對皮膚菌群的影響

1.生理狀態下的皮膚菌群：人類皮膚微生物群落具有豐富的多樣性，其組成受年齡、軀體部位、性別等因素的影響。研究顯示，皮膚菌群在不同部位的豐度和構成差異很大，與皮膚皮脂腺的分布及皮膚濕度等密切相關［1］：皮膚油脂分泌旺盛部位（前額等）的菌群以丙酸桿菌屬為主，潮濕部位（肘前窩等）以棒狀桿菌屬和葡萄球菌屬為主，干性部位（前臂掌側等）則菌群種屬多樣［2］。表皮脂質的組成，特別是長鏈不飽和游離脂肪酸的水平與定植菌群的組成密切相關，如長鏈不飽和脂肪酸水平與丙酸桿菌和棒狀桿菌的豐度呈顯著正相關［4］。這種正相關可能與細菌的親脂性有關，菌群利用脂肪酶水解皮脂釋放出的游離脂肪酸，有利于其在皮膚上的定植［3］。這也一定程度上解釋了皮脂雖然具有抗菌功能，但在皮脂大量存在的油性部位仍有大量丙酸桿菌定植。與細菌相類似，皮膚真菌的組成也依賴于身體不同部位的生理特性，馬拉色菌是軀干和手臂部位的優勢菌種［2］，該菌富含脂肪酶基因而缺乏碳水化合物酶基因［5］，其優勢定植部位的皮膚富含脂質而缺少碳水化合物。

除生理特性影響微生物定植外，宿主也通過免疫系統影響菌群組成。例如，宿主表皮的角質形成細胞（KC）、皮脂腺生成的抗菌肽（antimicrobial peptide，AMP）、脂質抗菌劑和細胞因子等具有殺死或滅活多種微生物的作用，參與建立及塑造微生物群落［6］。免疫球蛋白A（IgA）對機體早期與微生物群的相互作用以及維持微生物群的多樣性具有重要作用［7］：在腸道，IgA 通過影響共生微生物的基因表達和抑制共生菌群黏附于腸道上皮表面來調節菌群的定植［8］；皮膚表面也有皮脂腺和外分泌腺分泌的IgA，其可能與腸道一樣對菌群的定植造成影響［9］，但具體影響程度及其調節機制尚待進一步的研究。

2.皮膚疾病狀態下的皮膚菌群：發生皮膚疾病時，皮膚菌群的多樣性、組成和代謝等都發生顯著的變化。研究顯示，AD 患者的皮膚尤其在皮損部位細菌多樣性降低，金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的相對豐度上升，而其他菌屬如丙酸桿菌屬等減少［10］。約90%的AD 患者皮損部位有金黃色葡萄球菌定植，且該菌的定植與AD 嚴重程度有關［11］，對皮膚金黃色葡萄球菌的測量可以成為AD 療效判定的生物學指標之一［12］。但目前尚不清楚AD在菌群改變中扮演的具體角色。銀屑病患者皮膚菌群多樣性亦下降，皮損處丙酸桿菌和葡萄球菌豐度較非病變皮膚和健康人皮膚明顯增多［12］。痤瘡丙酸桿菌被認為與痤瘡發生密切相關，但痤瘡患者和健康人相比，痤瘡丙酸桿菌種群沒有顯著差異［13］，更多地是在菌株水平表現了與發病的關聯性，如痤瘡患者中核型為4、5、7、8、9等的痤瘡丙酸桿菌菌株豐度明顯較正常人群增高［14］。關于皮膚疾病狀態下皮膚菌群的變化是皮膚炎癥的原因還是結果這一問題目前尚存在爭議，我們認為皮膚炎癥狀態下皮膚生理病理特性的改變導致了菌群的變化，而變化了的菌群又進一步加重了皮膚炎癥。

二、皮膚菌群對宿主的影響

1.皮膚菌群與固有免疫：皮膚表面豐富的微生物可與皮膚的KC和免疫細胞相互作用，影響皮膚局部和系統免疫反應，參與免疫穩態的建立。皮膚KC 分泌的AMP 在幫助塑造菌群結構的同時，也受到皮膚定植菌如丙酸桿菌屬［15］和表皮葡萄球菌［16］調節。研究發現，表皮葡萄球菌以芳香烴受體依賴的方式促進AMP中β防御素的表達［16］。表皮葡萄球菌還可自行產生抗菌肽［17］，介導中性粒細胞的聚集并殺滅其他微生物如金黃色葡萄球菌，從而調節皮膚的防御能力。另外，皮膚菌群可通過調控皮膚中白細胞介素1（IL-1）來影響皮膚免疫功能。表皮葡萄球菌可誘導KC 表達IL-1α，從而促進皮膚γδT 細胞產生IL-17A 和干擾素γ［18］。IL-17A 可誘導有招募中性粒細胞作用的趨化因子以及AMP 的產生，從而保護宿主免受致病菌的感染。因此，共生菌群可作為皮膚免疫系統的內源性輔助因素促進皮膚的局部免疫應答。

除固有免疫分子外，固有免疫細胞也受到皮膚菌群的影響。最近研究顯示，無菌小鼠含有大量未分化的肥大細胞，且低表達干細胞因子（SCF）；進一步研究顯示，皮膚微生物通過誘導KC中SCF的產生促進肥大細胞的成熟，肥大細胞在皮膚中的遷移完全依賴于KC產生的SCF［19］。此外，對微生物代謝產物之一的脂質有重要識別作用的γδT 細胞［20］，其分泌IL-17的能力在缺少微生物定植的小鼠中顯著下降［18］。由此可見，皮膚菌群對免疫細胞的發育、增殖、成熟以及活化均有重要的調節作用，參與皮膚免疫系統的建立與成熟的多個環節。

2.皮膚菌群與適應性免疫：與入侵病原體在皮膚引起的免疫反應不同，共生微生物可在不引起炎癥的情況下誘發皮膚的適應性免疫應答［21］，從而幫助建立免疫穩態。皮膚是人體Foxp3+調節性T 細胞（Treg）含量最豐富的部位之一。Treg 存在于真皮中，且很大一部分位于有豐富微生物定植的毛囊附近，被認為在機體的生命早期參與共生微生物建立免疫耐受的過程，并起到至關重要的調節作用。在小鼠出生后2 周內，表皮葡萄球菌在皮膚表面的定植可誘導該小鼠成年后對表皮葡萄球菌的耐受［22］，促進新生小鼠Treg 遷移和聚集在皮膚中［23］。進一步研究顯示，新生小鼠中Treg向皮膚的遷移受毛囊發育及毛囊中定植的微生物的影響，同時微生物在毛囊的早期定植可受到Treg 的限制與調控［23］，菌群與機體免疫系統之間存在一種平衡。

除Treg 外，皮膚中還有相當一部分可能具有微生物特異性的高度多樣化的T 細胞，已發現表皮葡萄球菌可以激活表皮葡萄球菌特異性IL-17+CD8+T 細胞，進一步誘導KC產生抗菌肽，保護皮膚免受感染［21］。具有共生菌群特異性的T 細胞還有促進皮膚傷口修復的作用［24］，微生物群可以誘導多種形式的適應性免疫，將抗菌功能與組織修復聯系起來。

3.皮膚菌群代謝產物與宿主免疫：皮膚菌群既可以通過微生物表面分子和核酸刺激宿主免疫系統，也可以通過微生物代謝產物來間接塑造微生物-宿主免疫穩態［25］。在腸道內，微生物代謝食物成分產生的大量產物可通過多種途徑影響宿主的生理功能［26］。如短鏈脂肪酸是膳食多糖的微生物代謝產物之一，可通過抑制腸道單核細胞中組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）的活性來減少促炎癥因子產生［27］，也可通過調節腸道內Treg 細胞來調控免疫穩態［28］。微生物也可通過代謝皮膚中的蛋白質和脂質等成分產生生物活性分子［29］。如皮膚菌群可產生脂肪酶分解甘油三酯等皮脂從而生成游離脂肪酸［3］，痤瘡丙酸桿菌在厭氧條件下可代謝產生以丙酸、戊酸為主的短鏈脂肪酸等［30］。皮膚菌群產生的短鏈脂肪酸可以激活皮膚Treg 細胞，減輕皮膚炎癥，從而幫助維持皮膚的免疫穩態［31］。此外，短鏈脂肪酸可以通過抑制KC 的HDAC 8/9 活性來促進Toll樣受體誘導的炎癥反應［30］，這一效應與前述短鏈脂肪酸抑制單核細胞HDAC 而減輕炎癥反應的作用不同，其機制可能是對HDAC的抑制影響了調節細胞炎癥基因表達的復合物的作用［30］。由于游離脂肪酸對皮膚炎癥有潛在的調節作用，有研究者在體外將丁酸應用于銀屑病皮損，發現丁酸可以上調皮損中G蛋白偶聯受體43、109A的表達并抑制相關炎癥因子的表達［32］。本研究組發現，皮膚共生菌群可以代謝色氨酸產生5-羥基色氨酸、吲哚-3-乙醛等，并發現吲哚-3-乙醛通過活化KC的芳香烴受體抑制胸腺基質淋巴細胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）的產生，進而減輕AD 模型的皮膚炎癥。與腸道相比，皮膚的微生物量低、生物活性分子少［29］，微生物代謝產物對皮膚生理功能和菌群本身的影響以及在炎性疾病中扮演的角色尚待進一步研究。

三、皮膚菌群失衡與炎癥性皮膚病

在聚絲蛋白（FLG）基因缺陷小鼠中，由于皮膚屏障功能缺陷，金黃色葡萄球菌能夠穿過表皮刺激免疫細胞產生TSLP 和IL-4、IL-13、IL-22 等與AD 有關的細胞因子［33］。這一定程度上解釋了金黃色葡萄球菌的定植與AD 嚴重程度的正向關聯。有研究顯示，皮膚菌群的缺乏可以增強皮膚屏障缺陷小鼠的TSLP表達［34］，皮膚共生菌群可以通過調節KC 分泌的TSLP 來調節皮膚適應性免疫［35］，這些發現揭示了菌群通過調控KC分泌TSLP來影響AD的發病。另外，金黃色葡萄球菌分泌的毒素酚溶調制肽α（phenol-soluble modulin α）可通過刺激KC分泌IL-1α和IL-36α來促進皮膚γδT 細胞分泌IL-17，從而促進炎癥反應［36］。這些研究均表明，失調菌群尤其是金黃色葡萄球菌對AD 有潛在的影響，通過調節菌群可能對AD 的治療有益，但其具體如何影響AD 的發生發展以及皮膚炎癥是否參與影響其豐度改變仍有待進一步研究。

此外，對患者皮膚菌群的分析發現，金黃色葡萄球菌的相對富集也與銀屑病密切相關；且相較于其他葡萄球菌，金黃色葡萄球菌定植的新生小鼠的皮膚T細胞向Th17方向分化更明顯［37］。還有研究者利用小鼠銀屑病模型證明，在成年鼠中針對革蘭陰性和陽性細菌的抗生素可以通過抑制IL-17 和IL-22 的產生來改善銀屑病樣皮炎，但使用抗生素的新生小鼠卻在成年期表現出菌群失調與對銀屑病更高的易感性［38］。已證實金黃色葡萄球菌可以通過NACHT-LRRPYD結構域蛋白3炎性小體來誘導人單核細胞分泌IL-1β，從而促進炎癥［39］。這些皮膚失衡菌群對皮膚的致病作用機制也為利用菌群治療皮膚疾病提供了依據。如研究顯示，金黃色葡萄球菌的分泌因子Christie-Atkins-Munch-Peterson因子的突變可顯著降低P.acnes 在小鼠中的定植和炎癥作用，利用Christie-Atkins-Munch-Peterson 因子抗體可以在體外痤瘡模型中減輕痤瘡炎癥反應［40］。

四、結語

皮膚菌群及其代謝產物通過免疫細胞和分子網絡多方面地影響宿主免疫，宿主也相應通過多條反饋回路調節微生物群落的組成。二者相互作用，對宿主皮膚免疫穩態的建立和維持具有重要意義。然而，關于微生物如何直接或間接地被免疫系統識別尚不清楚，定植于皮膚表面的微生物是否會像腸道菌群一樣，不僅影響皮膚屏障的局部免疫，甚至對機體的系統免疫發揮調節作用也是一個值得注意的問題。此外，失調的微生物群雖已被證實與皮膚炎性疾病相關，但目前還不清楚其對疾病的貢獻程度及其在疾病發病機制中的具體角色。進一步研究與認識微生物群與宿主的相互作用，有助于更好地理解與保護皮膚的免疫穩態，并為炎性皮膚病的治療提供新的思路。

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