科研 | Microbiome：益生菌溶液治疗皮肤病
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人体是复杂的微生物群落的宿主，人体微生物群在健康和疾病中具有重要作用，主要分布在皮肤、口腔粘膜和胃肠道。肠道微生物群已被广泛研究，最近皮肤微生物群成为另一个研究热点。皮肤聚居着大量不同的微生物，其中大多数是有益或无害的。微生物寄生在表皮的角质层和皮肤附属物，如汗腺和毛囊。随着时间的推移，优势物种的组成相对稳定。然而，某些皮肤相关疾病，如痤疮、湿疹、银屑病或头皮屑与特定的微生物群改变有很强的关系。如寻常痤疮的出现与皮肤微生物群的发育不良有关。通过粪便移植调节肠道微生物群已被证明是治疗艰难梭菌感染等疾病的有效策略。因此，在银屑病或寻常痤疮等影响皮肤的疾病中，调节皮肤微生物组分的技术可能成为一种有趣的治疗选择。本研究使用不同皮肤微生物组分的混合物来改变受者皮肤微生物组分的组成。结果发现在连续应用供体微生物组后，受者微生物组与供体更为相似。干预后，最初一周的阶段以供体菌株的优势为特征。移植的水平取决于受体和供体微生物群的组成，以及所施加的细菌负荷。我们观察到使用多菌株供体溶液进行高植入，受试者皮肤富含表皮细菌Cutibacterium acnes亚型H1和Leifsonia。本研究证明了使用活细菌可以调节皮肤微生物组分。这种方法可以用于研究和修改皮肤微生物成分，并对未来治疗皮肤病和相关皮肤微生物群的研究具有广泛的意义。
论文ID
原名：Skin microbiome modulation induced by probiotic solutions
译名：益生菌溶液诱导的皮肤微生物群调节
期刊：Microbiome
IF：9.133
发表时间：2019年6月
通信作者：Bernhard Paetzold、Toni Gabaldón、Marc Güell
通信作者单位：比利时Turnhoutseweg、西班牙基因组调控中心
实验设计
结果
本项工作为了证明人体皮肤微生物组分可以通过类似于肠道微生物组的粪便移植方法进行调节。为此，我们从供体微生物组中制备益生菌溶液，并将其应用于健康志愿者身上，在治疗期间和治疗后对其皮肤微生物组进行监测。其中两种益生菌溶液包含来自两个供体（CM1和CM2，附表S1）的完整微生物群，另外三种溶液由从供体分离出的C. acnes菌株（PA溶液：H1、H1+A1和H1+D1+A1，附表S1）组成。标签“PA”意为Propionibacterium acnes，被重新划分为Cutibacterium acnes。
这些解决方案应用于18名年龄在22至42岁之间的健康受试者。共划分了八个不同的皮肤区域，其中三个位于胸部，五个位于脊柱（图1A）。选择这些区域是因为它们典型的皮脂腺丰度高。为了了解应用菌株的剂量反应，选择了三种不同浓度（104、106和108 cfu/ml）并应用于不同区域。区域4用作阴性对照（即无应用）。为了更好地理解菌群协同效应，采用了不同的菌株组合。一种混合物只含有菌株H1（H1），第二种混合物中加入少量的A1（H1+A1），第三种混合物中含有几乎等量的H1和D1以及少量的A1（H1+D1+A1）。H1为IB型菌株；A1和D1为IA型菌株（附表S2）。为了避免每个受试者区域的偏差，应用不同的浓度并沿不同的个体旋转。我们轮流申请一个给定的解决方案，以防止潜在的具体偏差。初始分配的治疗方案在其余的研究中保持不变。除4区（对照组）外，所有试验区均在使用前消毒。在第1、2和3天每天施用益生菌溶液，在16个时间点（0、1、2、3、4、5、8、10、12、17、24、38、52天）使用基于快速硬化氰基丙烯酸酯胶的商业皮肤剥离方法（3S-Biokit，C+K Electronic）采集皮肤微生物组样品，以监测微生物组动力学（图1B）。用高温提取溶液从条带中回收DNA（见“方法”一节）。我们包括在使用益生菌溶液前第0天的取样。采用基于NGS的基因分型法提取基因组DNA并进行测序，利用16S rRNA基因图谱对属级微生物群落组成进行了评价。利用SLST（single locus sequence typing，单位点序列分型）分析确定不同菌株的相对比例。通过Illumina Miseq测序，获得的数据经过质量过滤、映射和聚类进行分析。
图1 供体移植后皮肤微生物组成的动态变化。A皮肤表面区域划分。方块表示应用区域。B不同益生菌溶液在不同时间的植入水平。*p<0.05。**p<0.01。***p<0.005
在SLST分析后，我们根据Jensen-Shannon散度（JSD）距离对每个时间点所有受试者的样本进行了partitioning around medoids（PAM）聚类分析，并使用Calinski-Harabasz（CH）指数和平均轮廓宽度来确定最佳聚类数量（图2A）。基于此分析，我们可以识别出皮肤上五个主要的C. acnes聚类群。我们决定将这五个集群命名为皮肤型1、2、3、4和5，类似于肠道微生物组定义的肠道类型或口腔微生物组的口腔类型。这种分类有助于研究具有相似微生物群的受试者群体，并且有助于发现某些微生物群特征的功能关联。然而，这些皮肤类型并不描述具有特定菌株固定丰度的离散集群，而是显示了样本之间丰度变化的梯度。1型皮肤微生物群由C. acnes L1驱动、C. acnes D1驱动的2型皮肤、C3和A5驱动的3型皮肤、D1和H1驱动的4型皮肤，A1驱动的5型皮肤（图2b）。益生菌施用三天后，供者和受者的微生物组之间的数量和质量相似性增加。对于每个解决方案，我们评估植入水平（图1B和2C；附图S1）和在三个预定浓度（104、106和108 cfu/ml）下处理前C. acnes亚群的组成变化。植入值则通过被测样品的微生物组分与所用益生菌之间的距离进行检测（见方法）。
尽管允许受试者淋浴和练习运动，但在应用日之后的多个样本中检测到植入值。混合的益生菌群能更好地起植入作用。PA混合菌群在任何浓度下都比CM植入效果更好，最高浓度（PA8或108 cfu/ml）的植入值显著更高。数值表明，H1+A1+D1溶液的植入值最大，随后依次为H1+A1和H1（附图S1）。与预期一致的是，浓度越高，植入值越大（附图S2）。含H1、A1和D1微生物的PA8的植入值显著高于其他各组。CM样本均均低于PM样本，供试者1的CM值低于供试者2。有趣的是，供者2的C. acnes与葡萄球菌（金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌）的比率是供者1的1.8倍。
并非所有受试者对所用样本的反应都是相同的，这表明受试区域之间存在着显著的变异性，这些变异性有时与基于C. acnes定义的皮肤类型相关。实际上，我们根据受试者的结果测量了受试者的一些变异性；在特定的日子内观察到的单个患者的振荡不被认为是显著的。例如，4型皮肤显示比其他类型更高的植入值（图2C）。有趣的是，这种皮肤型以H1为主，包含了显著水平的D1和A1（图2C）。我们没有观察到个体受试者香农多样性与植入水平之间的关系。
图2 基于SLST分析的C. acnes种群动力学。A 不同皮肤类型的PCA分析（基于SLST）；B基于SLST的不同皮肤类型的物种组成；C基于SLST的不同皮肤类型的平均植入值。
我们还根据不同的基于16S-分类的皮肤类型对患者进行分类。在这种情况下，我们观察到3种不同的类型：1型以表皮细菌（Cutibacterium）为主，2型以表皮细菌（Cutibacterium）和某些棒状杆菌（Corynebacterium）为主，以及更广泛的3型，其中Leifsonia更为丰富（图3A，B）。有趣的是，我们观察到表皮细菌和棒状杆菌之间有重要的负相关性。Leifsonia似乎与棒状杆菌有更多的共现性（附图S6）。3型患者的植入值明显较高（图3C）。我们推测3型患者没有完全被表皮细菌定殖，因此更容易建立新的菌群。
图3 基于16S 水平分析的微生物种群动力学分析。A 基于16S的不同皮肤类型PCA分析；B 基于16S的不同皮肤类型微生物组成；C基于16S的不同皮肤类型平均植入值。
讨论
前期研究已经证明，人类皮肤的组成可以通过应用从健康个体分离出的具有阳性特征的C. acnes菌株H1进行调节。将H1（IB型）与其他菌株（如D1（IA型）和A1（IA型）结合，可显著提高植入效果（图1B）。其中A1是皮肤最广泛的菌株，而D1一般认为与痤疮无关。在研究过程中，三种菌株都在体外生长良好。我们将H1与另外两个菌株结合，测量了混菌体系的优良植入效果。
益生菌剂的剂量对调节能力起着重要作用。在前三天内，施用微生物的数量每天都在增加，然后这些微生物在施用结束后逐渐减少。施加的剂量决定了施加在被测皮肤上的微生物持续时间的延长。
这种皮肤微生物恢复到基态的特性与最近一项报告皮肤微生物群稳定性的研究一致。不幸的是，我们的数据仅限于富含皮脂腺的皮肤区域，我们不知道其他被怀疑更具活力的区域和涉及其他疾病的区域是否有不同的反应。这是一个有趣的问题，因为不同的身体部位含有不同的细菌亚群，它们对外部调节的反应可能不同。
总的来说，这项研究表明，在没有宿主的负反应的情况下，在应变水平上暂时调节C. acnes种群是可行的。所有受试者均接受皮肤科检查，未发现不良反应。这为研究者们提供了一个新的工具以探索基于C. acnes种群与皮肤疾病的关联的假说。我们期待更多的研究涉及皮肤微生物群的调节，以阐明微生物群失调在疾病中的作用。
结论
微生物是皮肤的重要组成部分。最近的临床研究已经表明，在皮肤中应用天然细菌可以降低皮肤的酸碱度和提高保湿性。这种方法有可能开发益生菌溶液，帮助人类皮肤将疾病微生物群状态恢复到健康状态。此外，合成生物学正在产生具有检测和治疗疾病能力的智能微生物。有必要采用新的方法来取代和调节我们的细菌群。我们期望这种方法可以用于研究和修改皮肤微生物成分，并对未来的治疗和皮肤微生物群及相关疾病的研究具有广泛的意义。
评论
微生物是人体的重要组成部分，主要分布在人的皮肤、口腔和肠道中。其中皮肤微生物与痤疮、湿疹、银屑病和头皮屑都有密切的关系。因此，调节皮肤微生物组分的技术可能成为治疗银屑病或痤疮等皮肤病的有力选择。最近的临床研究已经表明，在皮肤中应用天然细菌可以降低皮肤的酸碱度和提高保湿性。这种方法有可能开发益生菌溶液，帮助人类皮肤将疾病微生物群状态恢复到健康状态。此外，合成生物学正在产生具有检测和治疗疾病能力的智能微生物。因此这种方法可以用于研究和修改皮肤微生物成分，并对未来的治疗和皮肤微生物群及相关疾病的研究具有广泛的意义。
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