翻译：菠萝斯基&言雨潇

原文：《Microbial biofilms and the human skin microbiome》

原文作者：Michael Brandwein

出自报刊：《Biofilms and Microbiomes》

痤疮丙酸杆菌和寻常性痤疮

痤疮丙酸杆菌与寻常性痤疮病之间的关系发展比较缓慢，因此很难准确地描述。Culiffe 和 Schuster 于1969年首次报道了这两者在“油腻皮肤”、或皮肤表面皮脂分泌增加，以及寻常性痤疮之间的紧密联系。多年之后，Leyden 等人报道了患有寻常性痤疮的青少年与其他没有痤疮的人相比，患病皮肤中痤疮丙酸杆菌的计数明显更高，后来他们推测皮脂水平含量的增加与痤疮丙酸杆菌的定植有关。

此外，该团队猜测疾病中痤疮丙酸杆菌扮演着致病菌的角色，然而，值得强调的是，根据他们的进一步发现，其病因不过是间接的。抗生素治疗往往能改善临床表现，而其普遍未能做到这一点可归因于那些耐药菌株。

然而，寻常性痤疮可以发展成没有痤疮丙酸杆菌定植在皮肤的状况，而另外一种丙酸菌属，颗粒丙酸杆菌（P. granulosum ）则也与该疾病有关。到目前为止，还没有明确的机制来描述寻常性痤疮的微生物病因。

传统而言，关于痤疮丙酸杆菌和痤疮之间关系的研究仅限于以微生物培养为基础的研究。这些研究已经证实了痤疮丙酸杆菌在体内形成生物膜的能力，但这些观察结果的临床相关性很难确定。直到最近，研究人员才开发出新的工具来揭示，在人体实验中这种微生物与人体宿主之间的关系。

其关键是采用可视化的工具，能将皮肤和相关微环境中的痤疮丙酸杆菌定植显现出来，明示出在皮肤不同层次有不同的嵌入式基质群落。荧光原位杂交和免疫荧光显微镜技术使我们能够在痤疮病变的角质层、皮脂腺和毛囊壁上形成大菌落和生物膜。事实上，有几个研究小组认为寻常性痤疮的持续性，是由于在生物膜中皮脂腺单位内有痤疮丙酸杆菌的定植，因此要避免使用抗生素来治疗根除（如图2所示）。

图2. 痤疮患者与健康个体之间的鼻子毛囊皮脂单位中相关痤疮丙酸杆菌种类的丰度是不同的。a. 健康个体中优势痤疮菌株的正常相对丰度。b. 痤疮诱导的生态失调的特征是痤疮丙酸杆菌RT3菌株和RT6菌株的相对丰度下降，而RT4、RT5、RT7、RT8、RT9和RT10的相对丰度增加。c. 寻常性痤疮的顽固性和它的能力只能通过抗生素使一部分得到改善，这归咎于在多种皮肤附属器上有痤疮丙酸杆菌菌属形成的生物膜，包括皮肤表面、皮脂腺、毛囊和毛孔本身。

这一理论认为，治疗痤疮的药物将从根本上改变生物膜和/或它的微环境。这一理论得到了支持，报告说，痤疮丙酸杆菌的基因组包含的基因，负责生产群体感应分子以及细胞外多糖（EPS）。

此外，在体外从侵入性感染中分离出来的细菌比从健康皮肤中分离出来的细菌更能产生生物膜。Burkhart和Burkhart作了进一步假设，痤疮丙酸杆菌生物膜产生的化合物与 皮脂结合，引起角质形成细胞的粘附，最终导致皮肤毛孔堵塞。在选定的微环境中，尽管存在微生物的普遍附着，但痤疮丙酸杆菌菌株形成的生物膜的后果，可能更能解释该疾病在部分人群中的发病率。

此外，它可以解释在观察一些用于抗生素治疗的痤疮患者时效果下降的现象，并可作为开发新型的消除生物膜形成的治疗剂。

下一代测序和健康个体与患者中的皮肤微生物组

新一代测序技术的出现，以及它对皮肤微生物群落研究的适应性，已经导致了一个颠覆性的转变，使人们对人类自然皮肤微生物群的组成和范围以及功能作用有了更加复杂和全面的了解。虽然传统的皮肤微生物学研究一直被上述可培养的生物体及其疾病相关的生态位所主导，但我们现在了解到细微的皮肤生态位及其由特定类群定植的情况。皮脂腺、潮湿和干燥部位，通常独立的皮肤病环境与不同的疾病，是已知的选择不同的社区。

长期以来，丙酸杆菌被认为是皮脂腺滤泡的亲脂定植体，与它们共享栖息地，如葡萄球菌属、棒状杆菌、和β-变形菌门，以及其他菌株。后面三种也被证明是主要的潮湿位点，但缺乏可用的甘油三酯选择对抗丙酸菌属的定植。最后，干性皮肤拥有最多样化的系统类型，包括厚壁菌门、变形杆菌、拟杆菌和放线菌的相对丰度的不同。上述位点特异性适用于儿童和成人，但成人中的优势类群则与青少年有所不同。

此外，在整个表皮层和真皮层中，群落成员都是相似的，表现出比 α -多样性更大的 β -多样性。这些重要的观察结果打破了皮肤作为细菌入侵几乎不可渗透屏障的历史模式，只有少数几种细菌能够利用其表面特征进行定植。

随着人类微生物群组成在健康方面的新发现，一些重要的研究集中在某些皮肤病的常驻微生物群上。随着新的发现和争议的出现，对AD和痤疮的理解再次成为人们关注的焦点。

Kong等人，在他们对AD皮肤微生物群的开创性研究中，支持了传统的金黄色葡萄球菌与疾病状态的关联，并显示了它与疾病严重程度的相关性。此外，通过类似的观察，如观察AD患者软膏治疗前后之间受影响和未受影响的皮肤微生物群，他们还发现病变中的微生物多样性减少，而在治疗和愈合过程中多样性逐渐增加。

因此，金黄色葡萄球菌的定植和总体微生物的多样性被证明是反相关的关系（见图1）。Kobayashi等人用小鼠模型证明，表皮生长因子受体（EGFR）信号通路受损可导致异常生长，而异常生长本身可导致湿疹性炎症，类似于人类AD。这种对皮肤微生物群在AD中的作用的理解支持对认识利用、稳定和指导皮肤常驻微生物群建立一个健康状态的动力。

虽然基于16S rRNA测序的分子研究已经成功地进一步阐明了AD的微生物病因，但它们在寻常性痤疮研究中的应用却使痤疮丙酸杆菌与痤疮的难题得以延续。例如，FitzGibbon等人报道了痤疮的相对丰度与痤疮之间没有相关性，但通过应变水平分析发现，特定菌株与痤疮之间有很强的联系（如图2.a、b）。在发表他们研究后的2年里，没有一个小组阐明其他临床相关位点的微生物组。

透视图

虽然皮肤宏基因组学研究尚未将治疗方法推向市场，但此类研究的潜力和实用性已经得到了坚定的确立。基于微生物学的皮肤诊断已被证明对银屑病患者的可行性。随着我们对皮肤微生物群知识的不断发展，许多治疗方法可能会得到完善。目前，正在对益生元、益生菌和噬菌体进行检测，以确定它们是否有能力引导微生物群落摆脱失调状态，并将其引导到理想的健康状态。此外，最近研究皮肤代谢组学技术的引入可能会加强基于微生物的取证、诊断和治疗的基础。

上诉所有技术和方法都可以从以生物膜为重点研究中获益，从而对当前问题的微生物成份进行表征。

16S rRNA分析对观测结果的限制正在逐步被克服。首先，基于DNA扩增的分子技术不区分活的、死的和休眠的群落成员，只允许生活在表面的微生物的低分辨率快照。Korem等人最近绕过了微生物群落分析中的这一限制。

他们指出，通过测量读取覆盖范围，并将其与读取的位置与复制的细菌来源联系起来，就可以识别微生物群落中活跃和休眠的成员。对微生物群落进行分析的能力，这一关键进展可以转化为对微生物世界更有意义的分析和更深入的理解。然而，他们的方法未能描述细菌细胞休眠的原因。处于生物膜状态的细菌可以过渡到较不活跃的代谢状态，因此复制速度较低。在这种情况下，它们可能对抗生素更有抵抗力。反之，死亡或垂死的细胞也不会处于复制状态。

因此，把这类衰退到这两种独特生理状态之间的叫做“休眠群落成员”。

毫无疑问，科技与技术将在未来几年浮出水面，这将使我们能够弥合关于皮肤微生物关系的知识鸿沟。从早期的人类微生物组计划直至今日，在描述皮肤元基因组方面所取得的进展可以清楚地证明这种进展。缺乏一个系统的固定，以收集足够的基因组材料去进行全基因组鸟枪（WGS）测序，人类微生物组项目成员从处理过的样本池中挑选了DNA含量至少为50 ng的样本进行16S 分析，用于WGS分析中。他们报告了大约10%的样本的WGS数据，其中不到20%代表了皮肤相关的样本。

最近，Oh等人成功地开发了一种管道，通过单个区域位点来表征人类皮肤元基因组，捕捉皮肤上的微生物环境，包括细菌、病毒和真菌。皮肤微生物转录组的特性一直没有得到适当的研究，这归咎于发现于皮肤上的核糖核酸酶的丰度有相当低的微生物负载量。

同样的，直到去年，皮肤微生物群的代谢组学才被阐明。常驻皮肤微生物群的转录组学和代谢组学对于理解皮肤微生物群的关键功能和活动以及它们在疾病状态下可能出现的变化可能是至关重要的。这些特征将是未来许多研究的重点。

至关重要的是，下一代测序（NGS）技术可以用来进一步了解某些皮肤病的微生物生物膜性质。从浮游状态向生物膜状态转变时，大多数细菌的基因表达都会发生改变。

因此，特异性基因或整个转录组可以用来确定临床相关标本中的微生物定植是自由生活的，还是面向群落的有机体。RNA-seq，即全转录组鸟枪测序，已被用于研究肠道、口服和环境转录组，但尚未在皮肤环境中进行研究。这种不确定可能是由于缺乏一个包含皮肤细菌参考基因序列的数据库，以及皮肤上微生物物种的生物量较低。

然而，Oh等人最近在皮肤宏基因组学方面的研究为克服前一个问题铺平了道路，而不断降低商用试剂盒的核酸输入要求有助于克服后一个问题。同样，生物膜状态特有的蛋白质和代谢物可以作为疾病类型和严重程度的生物标志物。

基于我们对细菌生物膜的理解，新技术也可能成为治疗策略。已有大量文献证明，抗生素可以耗尽肠道微生物的某些特定元素，群体感应在细菌群居生活中起着不可或缺的作用。Thompson等人最近平衡这两个生态因素，首先使用链霉素选择性耗尽厚壁菌门的抗生素-治疗小鼠肠道微生物群和随后引入一个大肠杆菌菌株改造过量生产auto-inducer 2 (AI-2)，一个普遍但特有的群体感应分子进入小鼠肠道。

因此，AI-2更倾向于厚壁菌门菌的繁殖而不是拟杆菌门菌，这开启了新的，和吸引人的群体感应辅助治疗策略。另一种很有前景的治疗策略是噬菌体疗法，这种疗法在科学界越来越受欢迎。

最近的研究表明，利用噬菌体来对抗与生物膜相关的疾病是有潜力的，因为它们能够穿透深层的生物膜，并能应对在生物膜环境中产生的抗生素耐药性的问题。此外，最近对人类皮肤病毒的阐明及其与我们对人类皮肤微生物群落的理解的整合，可能为直接干扰生物膜和/或与疾病或失调有关的微生物提供新的途径。

结论

皮肤是人体最大的器官，在宿主和环境之间形成一个巨大的界面。因此，它构成了免疫系统和微生物之间相互作用的重要场所。最近的在皮肤固有免疫系统的发育和皮肤微生物群之间联系的研究，证明了两者之间的直接联系(见Belkaid和Segre)。

从人类皮肤上分离出来的多种细菌，通过体内和体外实验都表现出可以形成生物膜的能力。在生物膜的状态下，细菌具有不同的代谢和生理功能，往往使它们具有更强的毒性和对抗生素的耐药性。在这种状态下，它们可能参与皮肤疾病的病因和恶化。

这些研究，结合独立培养的测序技术，现在开始揭示皮肤微生物群的复杂性及其功能，因为它们与常见的皮肤疾病有关。因此，传统上被认为不具传染性的皮肤疾病可能被证明包含有传染性成分，或受到一种或多种微生物制剂的影响。

传统上，关于细菌生物膜在皮肤病中的作用的研究主要集中在慢性伤口。在慢性伤口上，生物膜的存在与伤口的发育、感染和愈合受损有关。此外，群体感应的作用，或细菌细胞-细胞通讯，会产生一个重要的调节生物膜，已被阐明部分细菌感染有关。关于微生物伤害的严重程度和生物膜的存在之间的直接证据已报告，但由于有限的研究培养技术，如较低的物种多样性和部分反应的微生物殖民。现代对慢性伤口的研究试图克服这些限制，使用16S rRNA测序进行细菌群落分析。

尽管事实上研究复杂以及不同的抽样方法，伤口的大小变化，和病人临床数据等影响，他们有助于更好地理解慢性伤口，伤口微生物生物膜发展的重要性，以及伤口护理和恢复的影响。在这篇综述中，我们关注的是生物膜在皮肤疾病中的作用，这些疾病被认为是非传染性的，并不表现为开放性皮肤伤口。在此背景下，我们使用了两种常见的皮肤疾病作为研究生物膜参与的重要性的例证，以揭示皮肤疾病发病机制的各个方面。这种参与的证据虽然依旧有限，但突出了研究生物膜的发生和发展与皮肤病的病因和/或加重之间的潜在关系。一些有限的证据表明生物膜参与其他皮肤疾病，如大疱性脓疱疮，疖，和天疱疮叶。

这类报道进一步证明，微生物可以形成生物膜，能够在皮肤表面和附属物上生长和存活，因此需要进一步的研究。

与皮肤相关的细菌已经逐步进化到在特定的皮肤区域位生长，它们在皮肤上附着、存活和繁殖的机制目前也只是部分了解。未来的研究可能应该包括测量病变中生物膜相关基因的表达，以及/或使用蛋白质组学方法来表征皮肤上的微生物生物膜。此外，毒素、代谢物和其它由微生物生物膜分泌的化合物对皮肤角质形成细胞或免疫细胞的反应也应加以研究。

最后，在体外或体内皮肤模型上诱导生物膜生长，并随后分析器官和微生物所进行的生理活动和分子适应变化，可以进一步了解皮肤生物膜的关系，并可能发现新的治疗方法的发展。

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