Ch.16 Microbiome of the Skin 皮膚微生物菌叢

1. Overview & Definitions（總覽與定義）

• 人類皮膚上有 commensal 與 pathogenic microbes，包括 bacteria、fungi、viruses。研究持續探討微生物可能（may）如何以 commensal symbionts 與宿主互動，以及可能以 pathobionts 參與非感染性發炎疾病（如 atopic dermatitis、psoriasis）與腫瘤（如 Merkel cell carcinoma）。p.253
• Koch's postulates 是連結致病微生物與疾病的基本典範。p.253
• 只靠培養的難處：很難選出能抓到整個皮膚微生物群落的 optimal culturing methods，有些微生物可能在一般條件下生長良好，其他則可能需要特殊營養或條件。p.253
• 早期培養研究建立的基本觀念至今仍成立，例如許多人身上都有 Cutibacterium（formerly Propionibacterium）與 Malassezia（formerly Pityrosporum）。p.253
• Microbiome 的定義：某一生態系（如皮膚）中所有的 microorganisms、它們的 genomes，以及周圍環境條件。皮膚 microbiome 研究指的是整體皮膚微生物群落，而非單一分離株。p.253
• NIH Common Fund 於 2008 年啟動 Human Microbiome Project，探討 skin、gut、oral、vaginal、nasal microbiomes，並建立 human microbiome 序列的 reference database。p.254
• 皮膚持續暴露於環境（dust、humidity、clothing、emollients、他人、寵物）；越來越多研究探討可能改變皮膚 microbiome 的介入（如 antibiotics、hygiene products、probiotics）。p.253

2. Culture vs Sequencing Methods（培養與定序方法）

• 定序樣本中的微生物 DNA 可省去最初的培養步驟，避免培養可能造成的組成偏差。p.253
• 標準 microbiome 研究以樣本中的 DNA 為基礎，無法區分 DNA 來自死或活的生物，也無法區分 resident 或 transient microbe；因此可與培養互補，取得分離株做 mechanistic studies、transcriptomics、proteomics。p.253–254
• 實驗室菌株反覆繼代，可能與直接從病人培養的菌有不同的生物特性。p.254

p.254–255；virome 缺乏共通 marker gene 見 p.258。

• 命名差異：genomics 以 genome 相似百分比定義 bacterial taxa；傳統 clinical microbiology 原本以 morphologic、biochemical 及／或 physiologic characteristics 定義 species。Genus 與 species 層級的鑑定有臨床意義。p.254
• 許多 human microbiome 研究常聚焦 bacteria；human virome 研究明顯少於細菌研究。p.254

3. Study Design & Limitations（研究設計與限制）

• Human microbiome 依部位而異（gut、skin、oral、nares、vaginal）；在已發表研究評估的所有部位中，皮膚的細菌群落最多樣（most diverse），這可能與皮膚有多種 microenvironments（有些研究分成 moist、dry、sebaceous）有關。p.255
• 採樣方式：premoistened swab、superficial scraping、biopsy、tape strip 及／或 cup scrub。p.255
• 一大挑戰（a major challenge）是皮膚的 low microbial biomass，DNA 量少，樣本容易被污染（相較之下 gut、oral cavity 微生物 DNA 量大）；因此建議在採樣、處理與定序都加入適當的 negative 與 positive controls（如 blank controls、mock communities）。p.255
• Microbiome 定序很難定量 microbial bioburden（微生物數量）；培養研究用 colony counting，microbiome 研究通常以 relative proportions 或百分比呈現。p.255
• 大多數 genomic studies 無法區分微生物死活；較精密的 metagenomic 分析可能推論採樣時哪些微生物正在增殖。p.255–256
• 同一 species 的兩個 strain（如 methicillin-sensitive 與 methicillin-resistant S. aureus）可能有不同的生物效應，因此與 microbiome 研究同時收集臨床相關菌株，可能有助於後續功能研究。p.256

Fig. 16-1（study design → sample collection and storage → processing and sequencing → analysis），p.255。

4. Skin Bacterial Communities（皮膚細菌群落）

Composition & topography（組成與部位差異）

• 既有研究已知皮膚上的 commensals 與 pathogens 包括 Staphylococcus epidermidis、S. aureus、Cutibacterium acnes、Corynebacterium spp.、Pseudomonas aeruginosa。p.256
• 皮膚表面有 ridges、creases、appendageal openings 與 ducts；hair follicles、eccrine/apocrine glands、sebaceous glands 比例不同，形成不同 microenvironments。例如細菌可把 sebum 與 apocrine 分泌的脂質分解成 byproducts。p.256
• 早期 genomics 研究顯示皮膚微生物比培養常見菌（staphylococci、Corynebacterium、Cutibacterium）更多樣。p.256
• 不同部位有不同細菌族群（site specificity），但微環境相似的部位可有相似特徵。p.256

p.256。

Spatial & temporal variability（空間與時間變化）

• 健康人左右對稱部位的 microbiome 通常高度相似，但 hands 例外。p.256
• 暴露於其他部位或舌頭的細菌群落後，有些部位（如 forehead）可比其他部位（如 forearm）更快恢復原本群落。p.256
• Handwashing：剛洗過的手 Staphylococceae、Streptococcaceae 相對較多；距上次洗手越久，Propionibacteriaceae 相對較多。Hygiene products 的改變在部分健康族群與 diversity 改變相關，在其他族群則否。p.256
• 皮膚細菌群落可維持相對穩定，最長達 2 years（up to 2 years）；穩定性因部位與個人而異，且可能比非皮膚部位更受宿主環境（包括 global geographic location）影響。p.256

Age（年齡）

• 新生兒皮膚在出生前被認為是無菌的，出生後被認為很快取得微生物；出生後不久細菌 diversity 低。p.257
• 剛出生時的皮膚 microbiome：vaginal delivery 類似母親 vaginal communities；cesarean section 類似母親 skin communities。p.257
• 到出生第 2 天即可觀察到 site specificity。p.257
• Neonates、infants、young children 的細菌群落與性成熟較高的兒童及成人不同，在某些部位尤其明顯；older adults 研究較少，但可能也有差異。Sebum production 與 hydration 等皮膚生理可能影響細菌組成。p.257

5. Microbiome in Dermatologic Disorders（皮膚疾病中的 microbiome）

Atopic dermatitis（異位性皮膚炎）

• 基於臨床觀察與大量文獻，atopic dermatitis 與 high frequency of S. aureus colonization and infections 相關109-41，因此多項 genomic studies 研究 AD 的 microbiome。p.257
• 仍未解決的問題：AD 中 staphylococci 增加的 dysbiosis（S. aureus，部分研究還有 S. epidermidis）是影響 AD 的發生及／或惡化，還是濕疹皮膚提供利於 staphylococci 生長的環境所造成的結果。p.257
• 數項 murine 與 in vitro 研究提示皮膚細菌可誘發發炎惡化；一項研究顯示局部塗抹 S. aureus 與較嚴重的 dermatitis 相關109-41。人體研究較難直接進行；若 murine 研究所見（皮膚細菌可在生命早期調節發育中的皮膚免疫系統）也對應人體情形，birth cohorts 的縱向研究可能可在 AD 發生前觀察皮膚微生物。p.257
• AD 合併 S. aureus 的臨床面詳見 ch22：superficial S. aureus infections 是 AD 中 by far the most common infection；S. aureus 在 >70% AD 病人的病灶定殖，越嚴重定殖率越高109-41p.366（ch22）；發炎皮膚增加 fibronectin 與 fibrinogen（S. aureus binding sites）表現；AD 皮膚的 elevated pH 與搔抓造成的屏障破壞促進 S. aureus 生長109-41。p.367（ch22）

Psoriasis（乾癬）

• 過去研究在 psoriasis 病灶找到 cocci、分離出 S. aureus，並將 streptococci 與 psoriasis 連結。p.257
• 部分研究發現 psoriatic lesions 的 phylum Proteobacteria 相對豐度比對照組增加。p.257
• AD 與 staphylococci 的關聯在 microbiome 研究中較一致；psoriasis 的皮膚 microbiome 特徵則較不明確。p.257

Acne（痤瘡）

• 許多培養研究常將 C. acnes 與 acne 連結；定序研究發現 acne 病人與對照組的 C. acnes strains 不同。但 C. acnes 在 acne 致病中的角色仍未解決。p.257

Table 16-1，p.257（已對照原頁）。

• 其他以 microbiome 方法研究過的疾病：general atopy、bacterial infections、body odor、dandruff、diabetic wounds、ichthyosis vulgaris、melanoma 與 melanocytic nevi、mycosis fungoides、vitiligo、primary immunodeficiency 相關 eczematous dermatitis。p.257

6. Skin Fungal Communities（皮膚真菌群落，mycobiome）

• 利於細菌生長的條件不一定適合培養 fungi。p.257
• 健康皮膚的真菌培養主要分離出 Malassezia，包括 Malassezia globosa、Malassezia restricta、Malassezia sympodialis102-23；同屬不同 species 生長速度也不同。p.258
• 健康人的 genomics 研究：Malassezia spp. 在大多數部位佔優勢，feet 例外；feet 以 non-Malassezia fungi（如 Aspergillus、Cryptococcus、Epicoccum、Rhodotorula）為主。p.258

p.258。

• 皮膚上的 Malassezia 已知缺乏 fatty synthase gene（原文用詞），因此 lipid-dependent，實驗室培養通常需補充脂質。不同 species 之間已發現 genomic 差異，尤其在 lipase 與 phospholipase gene content；各部位脂質組成差異可能解釋不同 species 的部位偏好。p.258
• Age：年紀較小者通常（typically） Malassezia 定殖較少、豐度較低，青春期與成年後定殖率上升（Fig. 16-2）；8–13 歲健康 preadolescent 的 Malassezia 相對豐度低、fungal diversity 比成人高。這被歸因於 Malassezia 的 lipid-dependence 及青春期後 sebaceous gland activity 與 sebum 增加。p.258
• 原書寫：culture-based 與 culture-independent 方法都顯示成人 M. globosa 相對豐度較低、M. restricta 較高；兒童則通常 Malassezia spp. 中 M. restricta 相對豐度較高。此差異可能與各 species 的脂質偏好不同有關。p.258
• 青春期後 Malassezia spp. 相對豐度高，對應成人 tinea versicolor 頻率較高102-23；青春期前兒童 non-Malassezia fungi 相對豐度高，對應兒童 tinea capitis 與 tinea corporis 盛行率較高。年齡相關的 mycobiome 差異是否直接造成特定年齡易得 dermatophyte infections，仍未知。p.258
• Psoriasis 與 atopic dermatitis 也有 mycobiome 研究，但 mycobiome 是否影響皮膚病仍需研究。p.258

原書 p.258 關於成人／兒童 Malassezia species 的兩句（成人 M. restricta 較高、兒童也是 M. restricta 較高）前後並不對稱，已對照原頁圖片，照原文整理。Fig. 16-2（p.259）圖說：健康成人各部位的細菌與真菌群落 diversity 比健康兒童低。

• Pityriasis versicolor 的菌種（ch161）：pityriasis versicolor 與 Malassezia folliculitis 最常分離出的是 Malassezia globosa102-23，M. restricta 與 M. sympodialis 也常從 Malassezia folliculitis 分離出。p.2959（ch161）

7. Skin Viral Communities（皮膚病毒群落，virome）

• 與病毒相關的皮膚病：verruca vulgaris（human papillomaviruses）、herpes labialis（herpes simplex viruses）、Merkel cell carcinoma（Merkel cell polyomavirus）。p.258
• 培養病毒需要已知可被感染的活細胞；virome 研究的一大挑戰（a major challenge）是沒有所有病毒共通的 marker gene。因 DNA 定序技術比 RNA 成熟，皮膚 virome 研究一般聚焦 DNA viruses 與 bacteriophages。p.258
• 以 shotgun metagenomic sequencing 研究健康皮膚，最常見的 DNA viruses：bacteriophages、papillomaviruses、polyomaviruses、circoviruses。p.258
• 最常見的 bacteriophages 與 Cutibacterium 及 Staphylococcus 相關，符合這些菌屬存在於皮膚。p.258
• Papillomaviruses 包括已知的 HPV 與先前未知的 papillomaviruses；Merkel cell polyomavirus 與其他 human polyomaviruses 在健康人皮膚及部分皮膚病病人身上都有發現。p.258
• 與細菌、真菌的 site-specific predominance 不同，皮膚病毒的相對豐度在健康人個人內與個人間、不同部位可差異很大，同一人的病毒群落穩定性也可隨時間波動。p.258–259

8. Gut–Skin Links & Future Directions（腸道–皮膚關聯與展望）

• Gut microbiome 研究遠多於皮膚：stool 微生物量高、易取得足夠 DNA；fecal microbiota transplantation 對 refractory Clostridium difficile colitis 的治療成果引發熱潮。p.259
• 皮膚病可能是全身性疾病（如 vitiligo 與其他 autoimmune disorders、psoriasis 與 psoriatic arthritis 及心血管疾病、pyoderma gangrenosum 與 inflammatory bowel disease），因此可能有腸道細菌影響皮膚病、或皮膚細菌影響遠端部位的情形；已有 psoriasis/psoriatic arthritis 與 atopic dermatitis 的非皮膚 microbiome 研究。p.259
• 何謂「healthy」skin microbiome、皮膚微生物與健康／疾病的生物學關聯仍有明顯知識缺口；FMT 的成功雖帶來對皮膚類似療法的期待，但因對皮膚 microbiome 及 commensalism 與 pathogenicity 平衡的了解不足而趨於保守。p.260

9. Related Histopathology（相關病理，McKee 補充）

Tinea (pityriasis) versicolor

• 大多數病灶由 lipophilic yeast Malassezia globosa 的 mycelial phase 引起102-23；其他相關菌種有 M. furfur、M. sympodialis、M. restricta，較少見（uncommonly）的是 M. obtusa 與 M. slooffiae102-23。McKee p.932
• 此菌通常存在於大多數成人身上，最常見於 chest、upper back、scalp。McKee p.932
• Malassezia 是 hair follicles 很常見的 commensal，在角蛋白中呈 basophilic round bodies；tinea versicolor 病灶則在 interfollicular keratin 中見到 mycelial/hyphal forms，PAS 或 methenamine silver 染色可能較易辨識。McKee p.932
• 組織變化輕微：mild acanthosis、hyperkeratosis、focal parakeratosis；stratum corneum 有圓形 budding yeasts 與短的 septate hyphae，呈 "spaghetti and meatballs"。McKee p.932
• 淡色病灶：basal layer 色素減少；hyperpigmented 病灶：hyperkeratosis、basal pigmentation 增加、pigmentary incontinence，且 yeasts 與 hyphae 數量較多。McKee p.932–933

Malassezia (Pityrosporum) folliculitis

• McKee 將其歸因於 M. furfur 的 yeast phase（formerly Pityrosporum ovale 或 P. orbiculare）；follicular occlusion 可能是起始事件。McKee p.933
• 病理：阻塞擴張的 follicular infundibula 內有含 round budding yeast cells 的 basophilic keratinous debris；特徵上沒有 mycelial forms；通常有輕度 perifollicular mononuclear infiltrate。McKee p.933

Seborrheic dermatitis 與 atopic dermatitis

• Seborrheic dermatitis：近期資料顯示以 Malassezia restricta 與 Malassezia globosa 為主；是否為病因仍有爭議，支持證據主要是 antifungal therapy 有效，但究竟是 causal 或只是 exacerbating factor 仍不確定。McKee p.204
• 大多數 atopic dermatitis 病人皮膚有 S. aureus 定殖，對照組只有少數109-41；疾病嚴重度與 toxigenic S. aureus 相關，staphylococcal superantigens SEA、SEB 被認為會活化 T cells。McKee p.203

兩書不一致：Malassezia folliculitis 的菌種，McKee 寫 M. furfur yeast phase（McKee p.933）；Fitzpatrick ch161 寫最常分離出 M. globosa（p.2959，ch161）。