Skin microbiota in health and disease: From sequencing to biology
papersまだ
Ederveen, T.H.A., Smits, J.P.H., Boekhorst, J., Schalkwijk, J., van den Bogaard, E.H. and Zeeuwen, P.L.J.M. (2020),
Skin microbiota in health and disease: From sequencing to biology.
J. Dermatol., 47: 1110-1118.
doi:10.1111/1346-8138.15536
https://gyazo.com/61cc6b8dffbb0a53f427136e5398512a
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Microbiota live in a closely regulated interaction with their environment, and vice versa. The presence and absence of microbial entities is greatly influenced by features of the niche in which they thrive. Characteristic of this phenomenon is that different human skin sites harbor niche‐specific communities of microbes. Microbial diversity is considerable, and the current challenge lies in determining which microbes and (corresponding) functionality are of importance to a given ecological niche. Furthermore, as there is increasing evidence of microbial involvement in health and disease, the need arises to fundamentally understand microbiome processes for application in health care, nutrition and personal care products (e.g. diet, cosmetics, probiotics). This review provides a current overview of state‐of‐the‐art sequencing‐based techniques and corresponding data analysis methodology for profiling of complex microbial communities. Furthermore, we also summarize the existing knowledge regarding cutaneous microbiota and their human host for a wide range of skin diseases. マイクロバイオータは、環境との厳密に規制された相互作用の中で生きており、その逆も同様です。微生物実体の有無は、それらが繁栄するニッチの特徴に大きく影響されます。この現象の特徴は、さまざまな人間の皮膚部位がニッチ特有の微生物群集を抱えていることです。微生物の多様性はかなりのものであり、現在の課題は、どの微生物と（対応する）機能が特定の生態学的ニッチにとって重要であるかを決定することにあります。さらに、健康と病気への微生物の関与の証拠が増えているため、ヘルスケア、栄養、パーソナルケア製品（ダイエット、化粧品、プロバイオティクスなど）に適用するためのマイクロバイオームプロセスを基本的に理解する必要が生じています。このレビューは、複雑な微生物群集のプロファイリングのための最先端のシーケンスベースの技術と対応するデータ分析方法論の現在の概要を提供します。さらに、皮膚の微生物叢とそのヒト宿主に関する幅広い皮膚疾患に関する既存の知識も要約します。
Keywords
Cutaneous Microbiome
簡単に言えば、人間の皮膚は身体の物理的な障壁であり、主な目的は1つあります。それは、内側を内側に、外側を外側に保つことです。さらに、皮膚は、皮膚微生物叢による微生物コロニー形成抵抗性、および宿主の免疫感知および監視などのプロセスを伴う免疫学的障壁として機能します。皮膚は解剖学的に異なる細胞と特性を持ついくつかの層で構成されています。表皮は主に（> 90％）ケラチノサイト、バリアおよび宿主防御機能を備えた上皮細胞タイプで構成されており、さまざまな層に分けることができます。基底層は、細胞が約20日で皮膚表面に移動する発芽層です。最終的に、表皮の最後の生細胞層（顆粒層）では、細胞は大量の脂質を排出し、架橋された細胞外皮を形成し、核を失います。これらの除核された角質化されたエンベロープは、角質層を形成します。角質層はほとんどの皮膚微生物が存在する場所であり、角質層の奥深くにあるほど微生物は少なくなります。皮膚表面全体（体のすべての部分を合わせたもの）の推定微生物密度は、大腸全体と比較して非常に低いですが、小腸全体で見られる量に匹敵し、合計で1011個の細菌細胞が推定されます。この計算では、皮膚表面からのみ、より深い層からの微生物叢が考慮されていないことに注意してください。通常、角質層と真皮の下の表皮層は、微生物がコロニーを形成している汗腺と皮脂腺および毛包を除いて、無菌であると見なされます。 皮膚のニッチの微生物構成は、皮膚のタイプと場所に基づく特性に大きく依存しています。 3つの主要な生理的皮膚部位を区別します。（i）額、背中上部、耳の後ろの皮膚などの油性/皮脂性皮膚部位。 （ii）前腕や腰などの乾燥肌部位。 （iii）脇の下、膝の裏、鼻孔、鼠径部などの湿った皮膚部位。しかし、酸性度（pH）、塩分、および微小環境の温度も、微生物の生息者にとって重要な推進力です。部位ごとの組成のばらつきにもかかわらず、ヒトに一般的に見られる一般的な皮膚共生菌は、コリネバクテリウム属、キューティバクテリウム属、ブドウ球菌属、マイクロコッカス属、放線菌属、連鎖球菌属、およびプレボテラ属です。健康なボランティア間の個人差は大きいですが、皮膚が外部環境にさらされているにもかかわらず、微生物群集は時間の経過とともにほぼ安定しています。しかし、皮膚バリアの機械的破壊は、皮膚が回復するまで微生物組成の一時的な変化をもたらします。
角質層と表皮の分化した細胞層の両方が、物理的バリアと抗菌タンパク質（AMP）シールドを提供することによって微生物の侵入を制御するために不可欠です。ケラチノサイトは、皮膚の微生物叢のコロニー形成と感染を制御するために、多くのAMPを発現します。注目すべき例は、大腸菌や緑膿菌などのグラム陰性菌を標的とするソリアシン（S100A7）とヒトβ-ディフェンシン（hBD-2）です。その他の重要な皮膚AMPは、SKALP / elafin、hBD-3、SLPI、カルプロテクチン（S100A8 / S100A9の複合体）、LL37（CAMP）、リゾチーム、RNase-7、および最近報告された後期角化エンベロープ（LCE）タンパク質のグループです。
Cutaneous Microbiome and Inflammatory Skin Conditions
過去数年にわたって、一般的な皮膚疾患の病変皮膚について多くの研究が行われ、どの種が最も豊富であり、この微生物組成が健康な皮膚と異なるかどうかを特定しています。 細菌は通常、共生微生物として提示されますが、特定の状況（たとえば、皮膚のバリアが損なわれたり、免疫系が機能しなくなったりした場合）では、これらの細菌種の一部が日和見病原体になり、感染を引き起こす可能性があります。 宿主とその微生物叢の間の恒常性が乱される「正常な」微生物群集の摂動は、「腸内毒素症」と呼ばれます。 多くの一般的な皮膚の状態は、皮膚微生物叢の異生物状態に関連しており、ほとんどの研究は炎症性皮膚疾患のアトピー性皮膚炎（AD）で行われています。 AD
アトピー性皮膚炎は、主に乳児に影響を与える一般的な慢性皮膚疾患であり、掻痒性炎症性皮膚パッチを特徴としています。 ADの発症の危険因子は、環境因子から遺伝的感受性因子に至るまで、多因子です。疾患の病態生理学は複雑であり、表皮バリア機能の障害、Tヘルパー（Th）2細胞性炎症、および神経免疫相互作用がWeidingerらによって広くレビューされています。前述のAD発症の要因に加えて、皮膚の腸内毒素症微生物叢は1970年代にすでに報告されており、黄色ブドウ球菌がAD患者の皮膚に過剰に存在することが示されています。さらに、健康な皮膚微生物叢の組成は多様ですが、病変のAD皮膚の組成ははるかに多様性が低く、主に黄色ブドウ球菌で構成されています。黄色ブドウ球菌は、健康な状況では皮膚や粘膜の共生菌になります。黄色ブドウ球菌は、皮膚に付着し、皮膚バリアを弱め、免疫系を誘発し、最終的に皮膚の炎症を悪化させるために、多数の兵器を備えた日和見病原体になる可能性があります（最近Pallerらによってレビューされました）。興味深いことに、Chng et alによる研究では、ADを起こしやすい非フレア皮膚の細菌組成は、健康な皮膚の組成よりも多様であることが最近示されました。連鎖球菌、ゲメラおよびヘモフィルス種の豊富な存在量およびダーマコッカス種の減少した存在量が、AD傾向のある非フレア皮膚対正常な健康な皮膚で提示された。ブドウ球菌種は炎症を誘発するために強力なサイトカインおよびケモカイン応答を引き起こすことが知られていますが、ADフレア傾向のある皮膚に存在する細菌はこの応答を弱めるようであり、これらの細菌の保護的役割を示唆しています。最近、皮膚マイクロバイオーム（ADおよび乾癬）と関連する宿主トランスクリプトームを組み合わせた大規模なコホート研究が発表されました。健康な皮膚と炎症を起こした皮膚を区別する独自の遺伝子プロファイルが特定され、黄色ブドウ球菌によるAD皮膚のコロニー形成は、上皮バリア機能、免疫活性化、およびトリプトファン代謝に関与する遺伝子の調節不全と関連していた。さらに、病変のAD皮膚は、抗菌反応が不均衡であるため、黄色ブドウ球菌によるコロニー形成をより受けやすい可能性があります。健康な皮膚が多くの異なる抗菌分子（例えば、β-ディフェンシン、カテリシジン、遊離脂肪酸、活性酸素種）を発現する場合、AD患者の皮膚はディフェンシンとカテリシジンの発現が低下していることが示されています。これは、そのようなAMPの発現を抑制することが示されているTh2サイトカインによって部分的に説明できます。最近、AD病変のコールタール治療が標準的なアリール炭化水素受容体（AHR）シグナル伝達を介してAMP産生を誘導することが報告されました。新しいSLSTMGS法4を適用することにより、マイクロバイオータ組成の健康な対照へのシフトが観察されました。これは、AHR依存性転写調節を介してAD皮膚のAMPレベルを回復することが、（抗菌）微生物環境を作り出すことによって有益である可能性があることを示唆しています。感染や炎症を起こしにくいです。ただし、AMPプロファイルとAD皮膚の皮膚マイクロバイオータ組成に対するそれらの影響との因果関係に対処するには、さらに多くの研究が必要です。さらに、コロニー形成耐性は、特定のコアグラーゼ陰性ブドウ球菌株が抗菌ペプチドを発現することによって黄色ブドウ球菌の増殖を妨げるADに記載されています。私たちのグループはまた、フィラグリン（FLG）欠損患者（FLG – / –）の皮膚微生物相は、健康な対照（FLG + / +）と比較して、グラム陽性嫌気性球菌（GPAC）の相対存在量が少ないことを示しました。これは、FLGとその分解生成物、つまりGPACが炭素源として使用する天然の保湿因子が存在しない結果であると考えられています。さらに、Finegoldia spp。などのGPAC微生物が、ケラチノサイトによる抗菌タンパク質hBD-2、hBD-3、およびLL37の発現を迅速に誘導できることを示しました。GPACがない場合、抗菌反応が妨げられるか、黄色ブドウ球菌のコロニー形成と感染に有利に働く可能性のあるFLG変異を有するAD患者では遅延します。 Psoriasis
乾癬のマイクロバイオームに関する研究は、マイクロバイオータの組成が健康な皮膚と乾癬の皮膚の間で大きく異なることを示しています。 ただし、研究間の結果は矛盾しています。 ある研究では、フィルミクテス門が過小評価されているのに対し、放線菌は過小評価されていると報告されており、別の研究では、ブドウ球菌種が全体的に多様性の低いマイクロバイオームで過小評価されていると主張しています。 次の研究では、Cutibacterium種とStaphylococcus種の相対的な存在量が減少し、Corynebacteriumが増加すると主張しました。 全体として、これらの相反する結果により、一般的な乾癬マイクロバイオームはまだ解読されていないか、おそらく特徴的な乾癬様マイクロバイオームは存在せず、現在の観察結果は乾癬表現型内の強い個体間変動によって最もよく説明されていると結論付けるのが安全です。 Acne Vulgaris
尋常性ニキビは、毛包につながる皮脂腺であり、皮脂の分泌に重要な毛包脂腺ユニットの慢性皮膚病です。 C. acnesは健康な成人に非常に一般的ですが、その存在とバイオフィルムの形成は尋常性にきびに関連しています。 皮脂腺の嫌気性で脂質が豊富な環境は、特に毛包の軸が詰まっている場合に、アクネ菌が繁殖するのに最適な環境を提供します。 いくつかのC.acnes菌株に関する最近のメタゲノム研究は、遺伝的差異が、いくつかのC. acnes菌株が共生菌として作用し、他の菌株が病原体として作用する理由を説明できる可能性があることを示しています。 さらに、皮膚微生物叢の違いが尋常性ニキビのグレードに関連していることが示されました。 これらの研究は、ひずみレベルの深さまでメタゲノム研究を実施することの重要性と付加価値を強調しています。 Rosacea
顔の皮膚の一般的な炎症状態である酒さの特徴は、顔面紅潮、発赤、丘疹、膿疱であり、その病因はほとんどわかっていません67。表皮ブドウ球菌、ヘリコバクターピロリ、クラミドフィラ肺炎について酒さ関連微生物の証拠が示されています。 Demodex folliculorumダニ（およびそれらが運ぶ微生物）によるコロニー形成も、疾患の重症度と正の相関があります。さらに、16S rRNA遺伝子配列決定により、酒さの異なるサブタイプが異なる微生物叢を持つDemodexダニを宿すことが示されました。 Seborrheic Dermatitis
脂漏性皮膚炎（SD）とフケは慢性的な皮膚の状態であり、背中の上部、鼻、頭皮などの皮脂腺が豊富な皮膚によく見られます。 両方の状態は、重症度と場所が異なる同じ疾患の範囲内にあると考えられています。両方の状態の病態生理学は完全には理解されていませんが、真菌のコロニー形成が素因であることが示されています。 マラセチア菌マラセチアグロボサとマラセチア制限菌は、正常な皮膚とSDおよびフケ患者の頭皮の両方で優勢な菌として同定され、菌の量は疾患の重症度と相関することが示されました。 Skin Wounds and Cutaneous Infections
糖尿病性足潰瘍、術後創傷または褥瘡性潰瘍などの慢性創傷は、細菌の異常増殖にとって理想的な場所であり、これらの潰瘍はしばしば皮膚創傷治癒の障害を示す。尋常性ニキビと同様に、バイオフィルムは1つまたはいくつかの細菌種の単コロニー形成によって定期的に形成され、それによって病原性増殖をさらに促進し、これらの創傷の治癒を特に困難にします。黄色ブドウ球菌属（S.aureusやS.epidermidisなど）およびシュードモナス属（P. aeruginosaなど）の細菌種は、他の嫌気性属（Finegoldia、Peptoniphilus、Peptostreptococcusなど）の細菌と同様に、慢性創傷で識別されることがよくあります。急性皮膚感染症（例えば、火傷に起因する）は、Aeribacillus、Caldalkalibacillus、Nesterenkonia、Halomonasなどの好熱性細菌の存在量の増加、およびCutibacteriumやCorynebacteriumなどの皮膚共生菌の相対的な存在量の減少を特徴とする細菌組成の変化を頻繁に示します。これらの好熱菌は創面切除処置中に導入されるか、またはそれらの増加は皮膚バリアの破壊の結果であり、それによってこれらの細菌に栄養素を供給すると推測されます。これらの理論をさらに検証するには、より多くの臨床観察が必要です。 Concluding Remarks
結論として、共生細菌は特定の条件下で病原性の役割を果たす可能性があり、宿主の遺伝学、免疫応答、皮膚バリア機能、および完全なマイクロバイオームの文脈で皮膚疾患を研究することの重要性をさらに強調しています。さらに、微生物と微生物の相互作用は、皮膚の状態の病因において追加の役割を果たすことができます。 皮膚微生物叢を特定するために、MGSは現在でも、技術的および方法論的な複雑さに関しては、ほとんどのアプリケーションにとって最もアクセスしやすいアプローチです。それにもかかわらず、WGSは次の年に段階を迎え、豊富な微生物画分の機能分析とより高い分類学的解像度のプロファイリングが可能になると予測しています。重要なことに、マイクロバイオームシーケンシングベースの研究は、原則として相関と関連を見つけることしかできず、因果関係を直接解明することはできないことを指摘しておく必要があります。さらに、マイクロバイオーム研究の大部分は依然として関連性に基づく結果を報告しているのに対し、関連性の検証とその機構的理解は、私たちが理想的に努力すべきものであることがわかります（図3）。これには、in vitro（3D）皮膚システム79や（無菌）動物モデルなどのモデルを使用する必要があります。このモデルでは、特定の候補微生物分離株または微生物の合成コンソーシアム（最小マイクロバイオーム）がモデルに及ぼす影響があります。テスト済み（したがって、パイロット/初期シーケンスベースの研究で特定された微生物候補）。健康な皮膚マイクロバイオームを維持するためのツールとしての皮膚微生物叢のinvivo調節については、皮膚微生物叢移植は、局所適用のためのプレバイオティクスおよびプロバイオティクスと同様に、研究アプリケーションへの道を模索しています80。私たちのマイクロバイオーム研究の結果（例えば、生物、タンパク質、化合物、プロテアーゼ阻害剤）から考案される可能性があり、最終的には皮膚病の治療のための新しい治療的介入につながります。