王久存教授通过实验证据解读皮肤微生态的原理与前沿研究

关于微生态护肤的最新研究进展,这场演讲干货满满。

来源 聚美丽

作者 诗 诗

9月25日,由聚美丽和中国非公立医疗机构协会皮肤专业委员会共同举办、瑷尔博士总冠名的第二届中国皮肤科学百人论坛暨皮肤微生态大会在上海虹桥康得思酒店顺利举行。

上半场会议围绕皮肤微生态的话题展开,复旦大学生命科学学院博士生导师王久存教授发表了主题为《微生态护肤的趋势和科学原理》的精彩演讲,从微生态护肤的趋势、背后的科学原理、最新的基础研究等多个方面进行了解析。现场掌声不断,气氛高涨。

以下为演讲实录:

很高兴今天能够有机会与在场的各位同道分享在皮肤微生态上的最新研究进展。皮肤微生态是我的一个研究方向,所以接下来我会着重介绍微生态护肤背后的科学原理,并且从个人角度简单分析一下微生态护肤为什么会成为趋势。

随着人们对皮肤认知的更新,微生态成为一种新的护肤策略

在谈微生态护肤趋势之前,我们先来看一张图,从这张图中可以看到,平时大家眼中的双手表面光洁无暇,但是在显微镜下,用基因组学去研究,会发现在健康的皮肤上,除了皮肤细胞之外,还存在着很多共生微生物。

2016年的研究成果表明,菌群的数量和细胞数量是十分接近的;相较于基因组3万个基因,这些微生物拥有着庞大的基因组数量: 我们2021年发表的最新研究表明皮肤基因集包含了一千多万个基因,肠道基因集则包含九百多万个基因,均是基因组的数百倍。

于是,不少人提出:掌控的到底是人本身还是共生微生物呢?

当下人们对于皮肤的认知已经逐渐转变。科学家们已经认识到皮肤不仅仅是一个器官,而是一个由细菌、真菌和病毒等微生物组成的复杂而活跃的生态系统,它们对保护身体免受环境病原体的侵害、调节免疫系统和分解天然产物都很重要。皮肤共生菌可以成为影响皮肤健康的新干预靶点。

对于皮肤新的认知,即皮肤是一个生态系统,考量皮肤和微生物之间互动关系,对化妆品开发也具有重要借鉴价值。我们把皮肤比喻作“土壤”,而微生物则像“植被”,两者之间存在一个相互关系:皮肤平衡的时候就如同一片整齐美观的绿地,如果这片绿地遭到了破坏,“土壤”会变得贫瘠,之后杂草丛生,导致皮肤出现各种疾病。给皮肤补充合适的益生菌,就相当于播种,能够丰富和完善皮肤“植被”;补充益生元,类似于施肥,增加“植被”的生长进度;或者可以尝试从其他地方进行恰当的“移植”,使整个皮肤状态恢复稳态。不同的皮肤,应当对应哪些护肤产品或者方式,这也是一个有待大家共同研究的大课题。

△图片信息来源于王久存教授演讲PPT

近期发表在Nature biotechnology上的一篇文章中写道:“治疗一些病症的旧模式正在被一种不同的思维方式所取代:这些的病症均表现为菌群失调状态,可以通过使用有益微生物重新滋养皮肤来改善,而不是用药物来消除它们。”

因此,现在形成了一个新的护肤策略,其底层逻辑就是通过改善微生态解决皮肤问题。可以说,微生态护肤的趋势是随着科学研究的进展逐渐发展而成的,其背后自然也存在一些科学原理。

微生物与之间是怎样互利共生的?

2003年,科学家们完成了人类基因组计划,当时对于的共生微生物几乎是一无所知的,因此离掌握疾病与健康的关系还有很长一段距离。于是,2008年美国率先开启了人类微生物组计划(HMP),人们对于微生物组的认识突飞猛进,科学家们开始解读共生微生物与健康之间的密切关联。

宿主与微生物的共进化,形成了一个互利共生的关系。共生微生物广泛分布于每个与外界沟通的器官,如皮肤、呼吸道(鼻腔到肺)、消化道(口腔到胃肠道)、生殖道等,在这些部位发挥多样性的作用。比如大家知道的脑-肠轴,这些菌群会通过多样的调控方式影响到大脑、皮肤等器官的功能。

皮肤是最大的器官之一,它的展开面积可达25平方米。与肠道不同的是,皮肤是一个干燥、酸性、富含脂质的高盐环境,且营养较为匮乏,因此,皮肤微生物与肠道微生物之间也存在显著差异。

影响皮肤菌群的因素很多,内源性因素包括宿主自身的性别、年龄、遗传因素、皮肤部位、免疫状态等。外源性因素比如环境、职业、生活方式、护肤习惯,这些都会影响到菌群的组成。下面以基因型和皮肤部位为例,看看具体会产生哪些影响。

● 个体的基因型不同会导致菌群结构的不同

比如,皮肤上存在ADAM17(一种跨膜的基质金属蛋白酶)表皮缺陷,会使得EGFR信号通路受损,从而使微生物种类减少、菌群失调,对抗外源病原微生物的能力也会下降,使得金葡菌更容易定殖,最终导致特应性皮炎(AD)的发生。

● 不同部位的细菌类型存在显著差异

在2018年的一篇文章中,科研人员对全身各部位的皮肤菌群做了研究,最终结果显示,在干性、油性、湿性、脚部四大类皮肤上,首先,真菌、细菌和病毒的比例都不一致,其次,菌种的类别和物种也存在差异。

尽管微生物结构存在较大的个体差异,但一项研究中发现,每个个体的菌群都有自己独特的稳定性,健康的皮肤状态下,一些核心的菌群是稳定的。

这些共生菌与宿主之间的互生有什么意义?互相之间有什么作用?对于宿主来说,皮肤上本身存在的脂质、蛋白质等为菌群提供营养,皮肤代谢与免疫反应还会影响到皮肤微生物的组成;而对于共生菌来说,作为皮肤上的“植被”,它是可以“影响甚至改造土壤”的。

共生菌的“改造”作用大体在于三个方面:能够促进皮肤本身的免疫耐受、对于病原微生物具有定殖抗性、维持皮肤的正常结构。

△图片信息来源于王久存教授演讲PPT

首先,共生菌的重要功能之一是病原微生物的定殖抗性。

为了维持皮肤的生态环境,皮肤上不同类型的微生物占据了各自的地盘,竞争性地维持生态位,获取营养,同时抵抗外来的病原微生物在皮肤的定殖。具体来看,它们可以采用直接作用和间接作用两种方式。一是微生物通过直接分泌抗菌肽等分子改变或消灭病原体;二是分泌防御素,刺激宿主细胞,向宿主发出信号,对入侵的病原体进行保护性免疫应答。

这里有一个动物试验,比较无菌小鼠和有菌小鼠之间的免疫反应差异。研究发现在寄生虫感染模型中,无菌小鼠的抗炎细胞更少,炎症反应下降,但寄生虫感染数量显著增加,失去了防御性的应答。在这样的情况下,将表皮葡萄菌种植到无菌小鼠身上,它恢复了免疫应答。这就是皮肤菌群对于皮肤保护作用的一个例子。

其次,皮肤共生菌可维持皮肤的正常结构。

再来看另一个小鼠实验,同样是有菌小鼠和无菌小鼠做比较,它们的表皮厚度没有特别大的区别,但皮肤上的基因表达存在一些不同之处,无菌小鼠的表皮分化复合物基因被显著调控,它的细胞增殖和分化出现了失衡,使得皮肤结构发生一定改变。

其三,共生菌可以促进皮肤伤口炎性免疫反应和再生修复。

在一项关于“损伤诱导毛发再生”的研究中,向有菌环境下的损伤毛发添加抗生素,并加入金葡萄菌的刺激,可以看到它的炎症反应和修复反应大大提升,具体表现为IL-1β通路激活,以及MyD88基因表达均获得了提升。因此皮肤上的菌群可以通过影响IL-1β炎症通路,刺激伤口的免疫反应以及修复再生。

皮肤微生物在皮肤再生中发挥的积极刺激作用,对于皮肤干细胞调控、创伤与秃发病人的治疗新策略具有启发作用。我想不管是医生还是工业界人士都会对这个结果很感兴趣。

宏基因组研究实现皮肤微生态结构的深度解读

保持健康的皮肤要保持菌群的平衡。这一点皮肤科医生应该比较认同,有很多皮肤疾病其实都与一些“明星菌”密切相关。而这类菌本身就存在于健康的皮肤上,所以维持它们的正常生存很重要。

既然如此,我们应该如何解读这些细菌呢?从前研究细菌用的是16S rRNA,研究真菌用ITS1片段检测化妆品与健康,但是这些方法分辨率较低,一般只能到“属”水平。宏基因组则可以实现更高精度的菌群结构信息,此外还可获得功能信息。

在2021年以前,相对缺乏针对中国人的大样本宏基因组的研究。为了对中国人群的皮肤微生物进行系统研究,我们的研究团队在300个健康皮肤受试者身上,分别采样了三个部位:额头、鼻旁和脸颊,以找到不同性别、年龄(20岁-65岁)人群的菌群和皮肤状况之间的关系。

最后,我们共获得了800多个中国人皮肤样本,而在美国发起的人类微生物组计划有500多个欧美皮肤样本化妆品与健康,将中国人和欧美人的皮肤样本进行对比,我们得出了几个重要结论:

个体之间菌种的比例和类型有差异,也有共同点。在总共1300多个样本中,有七种菌(拟棒状杆菌、丙酸杆菌、颗粒表皮杆菌、金葡萄球菌、头状葡萄球菌、表皮葡萄球菌、肺炎链球菌)普遍存在于所有样本中。

发现了与之前的研究比较一致的结果:丙酸杆菌、表皮葡萄球菌、马拉色菌属、丙酸杆菌噬菌体等是主要的皮肤微生物。

存在一种富集于汉族人的奥斯陆莫拉菌(M菌),这是仅次于丙酸杆菌的第二大中国人皮肤菌群。

在基因组学的帮助下,可以推测这些菌种的功能,我们发现丰度最高的功能是辅助因子和维生素的生物合成,该功能对微生物的生长和生存至关重要,而且维生素的合成与皮肤健康紧密相关。此外,我们发现皮肤微生物能够产生大量特殊物质,多种已经应用于化妆品领域,如依克多因等,这也提示皮肤微生物组是一个有待开发的宝藏 。

接下来,通过计算我们发现,依据菌群的特征可以把皮肤分成两大类(cutotypes):C菌富集的皮肤(C型皮肤)以及M菌富集的皮肤(M型皮肤)。不同皮肤型具有不同的微生物相关网络,皮肤型内部的微生物之间呈正相关,与外部微生物呈负相关 。

根据其他国家人群的宏基因组数据库,比如意大利人、新加坡人,也能够按照C型和M型进行分类,但是,美国人缺少M菌,因此无法获得M型皮肤模型,这也表明M型菌具备明显的种族特异性。

那么,C型菌和M型菌到底有什么具体功能呢?从代谢产物上看,C型菌富集碳水化合物、甾醇的代谢、脂肪酸的合成等,而M型菌富集氨基酸、芳香族化合物代谢、耐药性等。在功能上,C型菌还与维生素K2、D2、B1的合成相关,M型菌与维生素B6、B7的合成相关。

我们对皮肤理化特性进行了测量,结果显示,皮肤的含油量、含水量、b值和卟啉指标都不一样。有意思的是,不同的年龄之间也有差异,20-30岁是C型皮肤居多,50-60岁则M型皮肤更多,同时,M型皮肤会分泌与老化指标相关的物质(比如雌二醇类似物)。其中更深入的因果关系还在进一步探索中。

小结

我们回到最初的问题,微生物对护肤是否能起到真正的作用?先来看美国的一个实验室在Nature Medicine发表的文章,他们首先做了小鼠实验,从健康皮肤上分离出人葡萄球菌株ShA9,此菌株可以抑制金葡萄球菌毒素的表达,发现在小鼠皮肤表面涂抹这个菌株能够促进伤口愈合。随后,他们进行了临床I期试验,发现这一菌株可以消灭60%AD患者皮肤的金葡菌,对皮肤有明显的改善效果。因此,利用菌群改善皮肤的状态是可行的。

现在国际上已有多家公司,基于不同的适应症和产品形态开展了微生物皮肤疗法的临床实验。在微生物的产品开发上,虽然有不少临床试验,但实际上存在一些难点。它的困难性包括产品的安全有效性评价、部分微生物难以分离培养、看到的相关性不等于因果性,机制尚未清楚等。

不过,这些困难也是可以突破的,而且可以思考的方向有很多,比如怎么把皮肤的微生物培养起来?怎么找合适的培养基,进行微生物的鉴定?含菌群的皮肤模型如何建立?以及怎样做更深入的相关机制研究?

此外,在评估个人护理产品的安全性时,除了传统的指标之外,也要评价其对于皮肤微生态是否有好处,会不会破坏平衡,或者损害功能?要综合考虑到微生态的稳定性、多样性和的免疫状态。

最后,感谢我的整个团队以及合作者对于上述所有研究工作的支持。谢谢大家!