張芙蓉 徐宇 劉洋 楊國玲
116011大連市友誼醫院皮膚科(張芙蓉);大連醫科大學(徐宇、劉洋);大連醫科大學附屬第一醫院皮膚科(楊國玲)
宏基因組學技術在皮膚病研究中的應用進展
張芙蓉 徐宇 劉洋 楊國玲
116011大連市友誼醫院皮膚科(張芙蓉);大連醫科大學(徐宇、劉洋);大連醫科大學附屬第一醫院皮膚科(楊國玲)
宏基因組學(metagenomic)又稱環境基因組學(environmental genomics),指不依賴培養直接從微生物的天然環境中提取微生物基因的遺傳物質,對微生物群體進行研究分析,最大限度地挖掘微生物資源。傳統的微生物群落檢測主要依靠培養,但是菌群的種類多,99.9%培養不成功,且不同的菌種生長的條件和速度不一,導致無法真實還原微生物的原始狀態[1]。宏基因組學研究與傳統微生物研究方式的最大區別在于把微生物看成一個整體,擺脫了對單個微生物培養和分離的步驟,直接對環境中所有的微生物進行研究,進而可以全面地對所有微生物進行分析。它包括以下4個步驟:提取某一環境樣品所有微生物的基因組DNA;直接測序探究環境中微生物的群落結構和功能;構建宏基因組文庫;對文庫進行篩選尋找和發現新的功能基因及活性代謝產物。目前宏基因組學技術在各個領域應用較為廣泛,比如環境保護(氣候、水處理、極端環境、海洋資源)、石油污染修復、生物冶金等領域已經取得了引人矚目的成果。
宏基因組學在人體疾病中的研究也有重大發現,如腸道細菌結構和數量失衡與肥胖、代謝綜合征、2型糖尿病以及腸道炎癥等相關;陰道菌群失調與陰道炎、口腔菌群與齲均密切相關;鼻咽部菌群改變與急性中耳炎、鼻竇炎、口腔炎、上呼吸道感染甚至肺炎等密切相關;皮膚菌群結構和豐度改變與很多皮膚疾病有關[2]。在人體的皮膚、胃腸道、鼻腔、腸道等部位定植著大量的微生物,其數量可達人體自身細胞數的10倍以上[3]。人體微生物在人體內起著較為重要的作用,如維持一定的動態平衡、調節免疫及輔助維生素合成等一系列的生理生化反應。2007年、2009年美國國立衛生研究院(NIH)提出了建立人類微生物組計劃(Human Microbiome Project,HMP),共同研究人體5個不同部位(皮膚、鼻孔、口腔、腸道和陰道)的微生物群落特點,并分析其與人類健康和疾病的關系[4]。
目前與皮膚病有關的研究主要包括皮膚微生物群落[5]及腸道微生物群落[6]。皮膚正常微生物群落指皮膚表面大量的細菌、真菌、病毒、衣原體和某些原蟲,形成了獨特的生態結構,主要分為放線菌門、厚壁菌門、擬桿菌門和變形菌門。根據菌群的定植特點,通常可以分為常駐菌群和暫住菌群[7]。常駐菌群是指長期定居在皮膚表面可以自我恢復的菌群,包括葡萄球菌、棒狀桿菌、丙酸桿菌、不動桿菌、馬拉色菌等。暫住菌群指通過接觸,從外界環境中獲得的一類菌群。常駐菌群在某些條件下也可以轉化為致病菌群,正常的皮膚菌群平衡失調就可能導致皮膚疾病的發生。腸道菌群約500余種,分為生理性細菌、條件致病菌、病原菌三種。生理性細菌即專性厭氧菌,是腸道的優勢菌群,如雙歧桿菌、類桿菌、優桿菌和消化球菌等;條件致病菌為腸道非優勢菌群,如腸球菌、腸桿菌;病原菌多為過路菌,長期定植的機會少,如葡萄球菌、變形桿菌、假單胞菌和韋氏梭菌等。當各菌種間比例發生超出正常范圍的變化,一方面腸黏膜屏障功能可能出現障礙,另一方面腸道免疫系統也可能出現問題,從而誘發疾病。目前特應性皮炎(atopic dermatitis,AD)、酒渣鼻的發病與腸道菌群失調有關。
1.AD:是運用宏基因組學研究的常見皮膚疾病之一,雖然AD是非感染性疾病,但大量實驗表明,其與微生物菌群有關[5]。目前有假說認為AD與皮膚屏障、金黃色葡萄球菌及超敏反應有關[7]。宏基因組學研究顯示,AD患者在發病時與發病前及治療后相比,葡萄球菌所占比例由35%增到90%,非致病的表皮葡萄球菌數目也大大增加,且在治療后鏈球菌、丙酸桿菌及棒狀桿菌的數目較治療前增加。與既往常規培養相比,宏基因組學研究結果更好地展示了菌群整體的變化[8]。這也為進一步研究菌群中各細菌間是如何相互作用提供了研究方向。Bourrain等[9]進一步利用宏基因組學技術研究了金黃色葡萄球菌與其他共生菌群的平衡在AD中的相互作用,分別比較了干燥皮損、炎癥皮損及健康皮損處在水療前以及水療第1、10、18天皮膚菌群的改變,得出水療前干燥皮損處較炎癥皮損處金黃色葡萄球菌豐度低,通過18 d水療,病變部位的金黃色葡萄球菌減少,在炎癥及潮濕部位,細菌微生物的多樣性增加。Seite等[10]利用宏基因組學技術研究發現,同一AD患者皮膚感染部位皮膚葡萄球菌的數量增加,細菌的多樣性降低,經治療后感染部位與未感染部位的菌群相似。
近年研究認為,AD的發病還與腸道菌群失調有關。宏基因組學研究腸道菌群顯示,AD患兒在出生后1及12個月腸道菌群的多樣性降低,出生1個月以擬桿菌門、屬的多樣性降低,出生后12個月以變形桿菌門的多樣性降低,根據嬰兒出生后1個月腸道菌群的改變可預測將來是否發生AD[6]。進一步研究表明,群落多樣性的減少可能導致由非致病性微生物產生的無害抗原對固有免疫的刺激減少,影響免疫系統的發育和成熟,引起一系列過敏癥狀的出現[11]。West等[12]利用宏基因組學技術檢測了懷孕期間的孕婦以及出生后1周、1個月及12個月嬰兒腸道菌群改變,并評估了與Toll受體(TLR)-2、4的免疫反應的關系,與對照組相比,AD患兒出生后1周至1個月瘤胃球菌屬豐度降低,12個月腸道菌群表現為放線菌門的α多樣性降低,其母親即孕婦在懷孕期間腸道擬桿菌門的α多樣性降低,推測這些腸道菌群的豐度降低是因其潛在的免疫調節功能激發炎癥細胞因子所致。Song等[13]利用宏基因組學技術檢測發現,AD患者腸道普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzi)豐度增高,推測普拉梭菌的比例失調引起腸道上皮炎癥,從而引發免疫反應,導致AD的發生。
2.痤瘡:痤瘡好發于皮脂腺旺盛的部位,主要與嗜脂性的痤瘡丙酸桿菌有關[14]。采用抗生素治療痤瘡有效也支持這一結論。Bek-Thomsen等[15]采用宏基因組學技術比較了健康人與痤瘡患者的菌群,發現痤瘡患者毛囊內的菌群為表皮葡萄球菌、痤瘡丙酸桿菌及小部分其他菌屬,而健康人毛囊內僅有痤瘡丙酸桿菌。這項研究結果引發一個問題:痤瘡丙酸桿菌作為一共生菌是如何變成致病菌、是否與痤瘡丙酸桿菌的菌種不同有關?目前少數研究對這一問題進行了解釋。Fitz-Gibbon等[16]比較了49例痤瘡患者與52例健康人鼻部皮脂腺單元的皮膚微生物群,結果兩組痤瘡丙酸桿菌相對豐度差異無統計學意義,但痤瘡患者中核糖體型4(RT4)和RT5痤瘡丙酸桿菌的菌株占優勢,RT6菌株則主要見于正常人群的鼻部,提示RT4和RT5痤瘡丙酸桿菌菌株與痤瘡的發病密切相關,RT6菌株則與健康皮膚相關。Liu等[17]還對痤瘡患者皮膚微生物群中的噬菌體做了研究,結果發現,噬菌體與細菌間的相互作用調節著微生物的平衡。這為將來用噬菌體治療痤瘡奠定了基礎。
3.玫瑰痤瘡:既往研究表明,其發病與蠕形螨有關。Murillo等[18]利用宏基因組學技術比較了毛細血管擴張組、丘疹膿皰組及健康人蠕形螨屬的不同,發現丘疹膿皰組變形菌門及硬壁菌門數量增加,放線菌門的數量減少。后續研究認為,除了蠕形螨,還與幽門螺桿菌、表皮葡萄球菌、肺炎衣原體、腸道菌群等多種微生物的感染有關[19-20]。Picardo等[21]進一步研究表明,玫瑰痤瘡患者皮膚微生物群落是通過激活人體的固有免疫而導致玫瑰痤瘡的發生,通過促進TLR-2的表達加重炎癥的產生,腸道細菌的過度增長也引起玫瑰痤瘡的發生,通過去除這些細菌有利于皮損的好轉。
4.疥瘡:疥瘡是疥螨感染所致的傳染性疾病。Pearl等[22]的宏基因組學研究發現,疥螨感染的豬皮膚上葡萄球菌數量較正常豬皮膚增多。Mofiz等[23]利用宏基因組學技術比較從豬和人身上分離的疥螨線粒體基因組序列,得出兩者僅有很少的遺傳學不同,這可能是人和動物交叉感染的原因。
5.與病毒感染相關的腫瘤(鱗狀細胞癌、日光性角化病):宏基因組學的研究主要是對細菌微生物的研究,對真菌和病毒的研究相對少。Hannigan等[24]利用宏基因組學技術建立了皮膚的病毒微生物群。Bzhalava等[25]檢測了82例皮膚鱗癌及60例日光性角化病皮損刮拭標本、82例皮膚鱗癌及72例角化棘皮瘤石蠟包埋標本以及85例皮膚鱗癌、92例日光性角化病及92例角化性棘皮瘤新鮮冰凍標本中病毒感染DNA,在4 284個病毒克隆子中,4 168個為人乳頭瘤病毒(HPV)相關,其中15個為已知亞型(HPV8、HPV12、HPV20、HPV36、HPV38、HPV45、HPV57、HPV59、HPV104、HPV105、HPV107、HPV109、HPV124、HPV138、HPV147),4個為以前報道過的亞型(HPV 915 F 06 007 FD1、FA73、FA101、SE42),2個為新的亞型(SE46、SE47)。其他學者的研究也表明,宏基因組學技術能很好地鑒定HPV感染亞型[26-27]。
6.銀屑病:銀屑病是一種由多基因遺傳、多環境因素刺激的免疫異常性慢性炎癥性增生性皮膚病。文獻報道,銀屑病的發病與金黃色葡萄球菌和化膿性鏈球菌有關[28-29],化膿性鏈球菌抗原或超抗原通過免疫反應誘發銀屑病[29]。Gao等[30]采用宏基因組學方法比較了6例銀屑病患者皮損處與外觀正常皮膚處菌群的變化,發現在皮損處最主要的優勢群落是硬壁菌門,比外觀正常皮膚和健康人皮膚增高;放線菌及丙酸桿菌屬顯著減少。Fahlén等[31]也采用宏基因組學方法比較了10例銀屑病患者皮損處與12例正常人皮膚的菌群結構變化,結果顯示,銀屑病患者皮損處變形菌的比例較健康人皮膚明顯增加,葡萄球菌和丙酸桿菌含量則顯著低于健康人皮膚,且鏈球菌屬的比例不同,其中銀屑病皮損處占32%,而健康對照為26%。這些研究提示,銀屑病皮損菌群結構有別于健康人皮膚。而在一項針對銀屑病皮損部位真菌群落的分析研究中,應用馬拉色菌種特異性引物建立rRNA基因的克隆文庫,結果顯示,正常人與銀屑病患者皮損中的真菌群落分布差異無統計學意義,提示皮膚馬拉色菌群落特征可能更多和宿主個體有關,在銀屑病發病中的影響甚微[32]。以上研究結果表明,細菌與真菌微生物群落的變化與銀屑病的關系尚不肯定,有待于更深入的研究。
7.頭皮屑:既往認為頭皮屑和脂溢性皮炎是同一病譜疾病。馬拉色菌感染被認為是導致頭皮屑的重要因素。新近研究認為,頭皮屑不僅與真菌有關,可能還與頭皮表面微生態的失衡有關。頭皮的微生物群主要由細菌和真菌等組成,主要包括葡萄球菌、丙酸桿菌和馬拉色菌[33]。法國學者Clavaud等[34]利用宏基因組學技術發現,頭皮屑患者與健康人微生物群落不同,主要表現在痤瘡丙酸桿菌、表皮葡萄球菌和限制性馬拉色菌的不同,頭皮屑患者的限制性馬拉色菌和表皮葡萄球菌數目增加,痤瘡丙酸桿菌卻顯著減少,且同一個體的頭皮屑部位與正常部位相比也存在這一差異,表明頭皮屑與頭皮表面的微生物菌群平衡有關。我國學者也利用宏基因組學技術對中國的頭皮屑患者做了類似的研究,得出與Clavaud等同樣的結論[35]。Park等[36]的研究表明,頭皮屑患者頭皮的主要真菌為擔子菌門,而正常人頭皮常見的真菌為子囊菌門。
8.慢性傷口:正常傷口的修復在3~14 d完成,但對于糖尿病、老年人、臥床者、免疫性疾病患者等的皮膚傷口,由于皮膚組織出血、壞死,含氧量低,易于細菌大量繁殖,引發持續的慢性炎癥,使傷口難以愈合。應用常規培養和宏基因組學技術分析發現,慢性傷口處皮膚微生物的多樣性較正常皮膚明顯[37]。Gardner等[38]利用宏基因組學技術分析了糖尿病足皮膚潰瘍微生物與臨床癥狀的關系,得出潰瘍的深度與厭氧菌的數量有關,與葡萄球菌的數量無關;潰瘍持續的時間與細菌的豐度、變形菌門的數量有關,與葡萄球菌的數量無關。Sprockett等[39]分析了靜脈曲張患者腿部潰瘍在治療過程中每周微生物定植的數量、菌群結構及多樣性的改變,結果顯示,在治療前、治療中及治愈后這3個階段菌群表現有極大不同。
9.腋臭:腋臭的發病除了與頂泌汗腺的分泌、遺傳等有關,腋部微生物群成為發病機制研究的另一方向。傳統的培養技術認為,腋部微生物主要包括葡萄球菌類、微球菌類和棒狀桿菌屬、丙酸桿菌屬。其中棒狀桿菌被認為是腋臭主要的致病原[40]。Callewaert等[41]采用宏基因組學技術觀察了53例健康人腋部微生物群落的特點,得出腋部菌群主要為葡萄球菌及棒狀桿菌,女性以葡萄球菌為主,男性以棒狀桿菌為主,每個個體的腋部微生物菌群不同,左右腋窩菌群相同的約占一半。腋部菌群相對穩定,除臭劑影響腋部菌群的多樣性。Troccaz等[42]采用宏基因組學技術比較了13例使用除汗劑(女7例、男6例)及11例未使用除汗劑(女6例、男5例)的腋部菌群,得出與上述研究類似的結論:未使用除汗劑的腋部微生物菌群以硬壁菌門及放線菌門為主,其中96%的為葡萄球菌屬、棒狀桿菌屬及丙酸桿菌屬;男、女腋部菌群不同,棒狀桿菌與體味有關,丙酸桿菌與體味無關。
10.癌癥惡病質:這雖不是皮膚科一種常見疾病,但對于皮膚腫瘤晚期患者也存在癌癥惡病質現象。Li等[43]比較了癌癥惡病質患者與健康人皮膚微生物群落的不同,得出癌癥惡病質患者菌群的豐度降低,且棒狀桿菌的數量明顯減少。這一結論對于微生物群落與癥狀間的聯系有預見作用。
宏基因組學在皮膚病研究中的應用揭示了令人驚訝的微生物群落與疾病的關系,隨之而來許多問題也擺在我們的面前:除了皮膚及腸道的菌群與某些皮膚病有關,其他部位的菌群失調是否也與皮膚病有關?這些菌群變化與疾病的發生有何聯系?縱觀上述幾類疾病,宏基因組學研究適用于微生物群落的研究,除了感染性疾病,非感染性疾病中哪些疾病適用于該方法來研究?這也是一個值得思考的問題。目前因菌群之間相互作用的機制尚不明確,限制了將該技術應用于皮膚病的診斷、治療和預后。已有的研究僅僅是宏基因組學在皮膚病應用的開端,有很多研究有待更深入的探索。
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2017中國中西醫結合皮膚性病學術年會將于4月在珠海召開
經中國中西醫結合學會批準,中國中西醫結合學會皮膚性病專業委員會定于2017年4月20-24日在珠海維景國際大酒店召開中國中西醫結合皮膚性病學術年會。此次會議將發揚歷次年會的優良傳統,注重中西醫結合治療皮膚病的新方法及新的研究進展等方面的學術交流,內容密切聯系臨床,切合皮膚科醫師的實際需求,會議將邀請知名專家做特邀演講,闡述皮膚科相關領域的最新研究進展,創造形式多樣、內容充實、緊張熱烈、活躍互動的學術交流形式,達到全國皮膚科中醫、西醫、中西醫結合醫師共同展現才華、獲取知識和信息、增進友誼的目的。
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楊國玲,Email:yanggl@medmail.com.cn
10.3760/cma.j.issn.0412-4030.2017.03.021
2016-06-20)
(本文編輯:顏艷)