Население кожи: как микробиом влияет на ее общее состояние и при чем тут генетика?
Население кожи: как микробиом влияет на ее общее состояние и при чем тут генетика?
Авторы
Редакторы
Статья на конкурс «Био/Мол/Текст»: Акне, или в просторечии прыщи, по приблизительным оценкам есть у 70% людей и почти 85% подростков. Акне — сложное многофакторное заболевание, и нам стало интересно, какую роль в нем играют микроорганизмы, обитающие на коже. Известно, что у еще не родившегося ребенка кожа стерильна, но вскоре после рождения она колонизируется разнообразными микроорганизмами окружающей среды. Они и формируют микробиом наших внешних покровов. Мы решили подробно рассмотреть, ладят ли бактерии и кожа, какие отношения формируются между бактериями — и как на это влияет генетика и среда.
Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022
Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.
Партнер номинации — некоммерческая школа-пансион «Летово».
Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.
Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Строение кожи
Кожа человека состоит из трех слоев (рис. 1).
Гиподерма, или подкожно-жировая клетчатка, — самый глубокий слой. Это главное хранилище жира в организме.
Дерма (или собственно кожа) располагается между эпидермисом и гиподермой. Она представляет собой соединительную ткань с многочисленными волокнами коллагена и эластина. Во многом определяет состояние кожи — увлажненность и упругость.
Дерма контактирует с базальным слоем, который дает начало верхнему слою — эпидермису. Основные клетки эпидермиса — кератиноциты. Они по мере своего роста двигаются от базальной мембраны вверх, выделяя липиды. Выделяют несколько слоев кератиноцитов — в зависимости от возраста и состояния клеток, которые сменяются примерно за месяц [1].
Мы еще не упомянули о производных эпидермиса. Сальные, потовые, серные и молочные железы, волосы имеют с ним одно происхождение. Сальные железы выделяют кожное сало (себум), которым с удовольствием питаются микроорганизмы.
Кожа — отдельная экологическая ниша, в которой формируются сложные микробные сообщества. Совокупность населяющих кожу микроорганизмов, или микробиом, — динамичная система со своими закономерностями. Тут, как и в любой экосистеме, между организмами существуют разные связи. А также микроорганизмы взаимодействуют со средой, которая во многом диктует условия их существования [2].
Рисунок 1А. Строение кожи.
Рисунок 1Б. Строение эпидермиса.
Рисунок 1В. Строение сальной железы.
Теперь поговорим про кожный барьер. Это система из разнообразных липидов и кератиноцитов, защищающая кожу от обезвоживания и механических повреждений. Но в рамках статьи нас интересует, что кожный барьер нужен для предотвращения воздействия бактерий и патогенов на жизнедеятельность клеток кожи [3].
Кожный барьер принято разделять на две составляющие — гидролипидную мантию и липидо-эпидермальный барьер (рис. 2). Главная функциональная особенность гидролипидной мантии, состоящей в основном из выделений сальных и потовых желез, — кислая среда, pH примерно от 4,7 до 5,7. Благодаря ей перестают размножаться и погибают вредоносные бактерии. Липидо-эпидермальный барьер представляет из себя множество мертвых клеток, скрепленных между собой липидами, которые они по мере взросления постепенно выделяли во внешнюю среду. Именно он защищает кожу от обезвоживания, снижая трансэпидермальную потерю влаги (ТЭПВ), а также является вторым звеном защиты после гидролипидной мантии от проникновения в кожу бактерий и аллергенов.
Однако не стоит считать, что кожный барьер полностью защищает нас от патогенов. При исследованиях все же было обнаружено присутствие бактерий в дерме и гиподерме [4].
Рисунок 2. Кожный барьер не защищает кожу от проникновения бактерий полностью. Кератиноциты по мере роста выделяют многочисленные пластины, содержащие липиды (кератиносомы). Благодаря межклеточным связкам — корнеодесмосомам — и липидам, корнеоциты, то есть мертвые клетки рогового слоя эпидермиса, скрепляются между собой, формируя цельную структуру, и увлажняются NMF — натуральным увлажняющим фактором. Это молекулы, которые помогают удержать больше воды в эпидермисе: свободные аминокислоты, мочевина, лактаты и др.
Патогенез акне
Основной механизм возникновения акне — увеличение выработки кожного сала и количества дифференцирующихся кератиноцитов под действием андрогенов. В результате закупориваются поры, возникает анаэробная среда, и агрессивные штаммы P. acnes начинают активно размножаться. Это рано или поздно замечает наш организм, запускаются сложные воспалительные механизмы, и возникает акне [5].
Но не все так просто: акне, как уже говорилось, многофакторная болезнь, и факторов, которые могут запустить ее, довольно много:
- Генетические особенности. Выделяют несколько наследственных форм акне. Например, связанные с геном АR (андрогенный рецептор). Иногда акне связано не с избытком андрогенов, а с гиперчувствительностью рецепторов андрогенов.
- Нейроэндокринные нарушения.
- Питание.
- Избыток йода и брома, витамина B12[5].
- Некоторые лекарства и химические вещества (известно около 210).
- Применение антибиотиков широкого спектра действия. (Раньше так могли лечить акне). Они действовали против бактерий, но не против грибов рода Malassezia, выделения которых также раздражают сальные железы [5].
- Курение.
- Стресс [5]. Хотя часто сам факт наличия акне и невозможности избавиться от него являются стрессом.
- Фотоповреждение.
- Неправильно подобранная косметика.
Читайте также: Бамбуковые ткани для матрасов
Как уход может влиять на состояние кожи?
Поверхность здоровой кожи имеет слабокислую среду. Под воздействием косметики pH изменяется, что меняет условия жизни микрофлоры, а также может нарушить эпидермальный барьер.
Значительная часть средств для умывания защелачивают поверхность кожи. Липиды кожного барьера просто вымываются. Можно пользоваться кислым тоником, чтобы минимизировать изменения. Но не все про это знают, и не все тоники имеют подходящий pH. При целостном эпидермальном барьере кожа может восстановить баланс за пару часов, и сильного вреда разовое воздействие не приносит.
Есть и более жесткие по отношению к микробиому средства. Например, химические пилинги — популярная косметологическая процедура. Ее суть сводится к тому, что убирается верхний слой клеток эпидермиса, и кожа становится более гладкой. Однако вместе с этими клетками уходит и множество бактерий, что уменьшает их видовое разнообразие. А разнообразие — часто признак хорошего микробиома. Также пилинг чрезмерно понижает pH кожи.
Почему это важно знать?
Многие массовые косметические средства, направленные на лечение акне, могут, наоборот, навредить вашей коже. Поэтому важно тщательно подбирать косметику для домашнего использования [6]. Ведь при систематическом нарушении целостности эпидермального барьера кожа становится более уязвимой к различным внешним воздействиям, возрастает трансэпидермальная потеря влаги. Это плохо сказывается как на внешнем виде, так и на здоровье.
Рисунок 3. Распределение семейств бактерий на коже человека. В таблице внизу под разными цветами указаны названия семейств бактерий; им соответствуют цвета в диаграммах на основной схеме. Рядом с диаграммами — разноцветные точки: синие — зоны с повышенным производством себума, зеленые — влажные, красные — сухие.
Микробиом кожи
Карта. Кто где живет
Давайте рассмотрим наиболее распространенные микроорганизмы и места их обитания на коже. Те из них, кто живет в одном месте на теле, оказывают друг на друга наибольшее влияние.
P. acnes и P. granulosum обнаруживаются в областях, богатых сальными железами. P. acnes преобладает на коже головы, лба, ушей, на спине и крыльях носа. Это основной колонизатор сальных желез.
Влажные области, такие как пупок или подмышечная впадина, в основном содержат виды Staphylococcus и Corynebacteria. Подмышечная область заселена грамположительными бактериями родов Staphylococcus, Micrococcus, Corynebacterium а также некоторыми Propionibacterium (рис. 3) [7].
В более сухих местах обитают преимущественно Staphylococcus, Micrococcus, Corynebacterium, Enhydrobacter и Streptococcus
Возможно, упомянутое нами ранее название P. acnes натолкнуло вас на мысль, что именно эти бактерии и вызывают акне.
Прежде всего следует вспомнить, что акне — это сложное и многофакторное заболевание, которое не может зависеть от одной бактерии. Некоторые исследования даже показывают, что здоровые кожные фолликулы представляют собой среду обитания, допускающую заселение только P. acnes, тогда как у пациентов с акне обнаружили Staphylococcus epidermidis и другие виды. Поэтому роль P. acnes достаточно неоднозначна, и есть даже вероятность, что P. acnes не вызывают акне, а наоборот, защищают от него [8].
Мнение о том, что кожа — место обитания только для бактерий, ошибочно. На самом деле, микробиом наших покровов гораздо разнообразнее и включает в состав различные виды протистов, грибов, а иногда даже животных типа Членистоногие! Ниже вы можете видеть кожного клеща демодекс — типичного обитателя кожи человека, питающегося в основном кожным салом. Этот товарищ сам по себе безобиден, но его чрезмерное размножение у некоторых людей может вызвать аллергическую реакцию, проявляющуюся в виде акнеподобного состояния (маленьких прыщиков).
Видео 1. Это — кожный клещ. У каждого человека живет по крайней мере один вид.
Как бактерии приспособились жить на коже
Микробиом кожи формируется под влиянием большого разнообразия переменных: возраст, пигментация кожи, факторы среды (солнечные лучи, косметика, которой мы постоянно пользуемся) [7], [9], [10].
Распределение видов на поверхности мы уже рассмотрели, копнем вглубь. Выявлено, что нижняя часть блестящего слоя эпидермиса (рис. 1) имеет щелочную реакцию, средняя — нейтральную, и уже мертвые клетки — кислую [1]. Таким образом, условия среды зависят не только от места на теле, но и от глубины, на которой бактерии заселяют кожу.
Читайте также: Мир тканей в нижнем новгороде
Все организмы стремятся увеличивать свою численность, и бактерии не исключение. Вот часть выработанных ими успешных стратегий:
- Изменчивые белки. Бактерии одного вида отличаются друг от друга, и иммунитет хуже опознает и расправляется с ними.
- Белки, обеспечивающие прикрепление к эпителию. Чем лучше бактерии закрепятся на эпидермисе, тем больше будет этого вида [11].
- Вещества, которые мешают жить конкурентам: антибиотики, SCFAs (короткоцепочечные жирные кислоты), и так далее [12].
- Вещества, которые действует против других штаммов того же вида [13].
Ряд SCFAs естественным образом продуцируется клетками кожи, а также полезными бактериями, которые тоже научились расщеплять жирные кислоты до более коротких фрагментов. Такие бактерии помогают коже выполнять ее защитную функцию, так как SCFAs замедляют развитие случайных микроорганизмов (полезным бактериям же эта способность нужна по большей части для того, чтобы укорениться на коже). В нашем случае, P. acnes ферментируют глицерин до различных SCFAs, включая пропионовую кислоту [12].
Ладят ли бактерии и наш иммунитет?
Бактерии могут активировать различные сигнальные пути в клетках кожи человека (рис. 4).
Рисунок 4. Действие микроорганизмов может быть позитивным, негативным или нейтральным. Примером отношений между бактериями и кожей может служить врожденная способность кожи определять микроорганизмы с помощью Toll-подобных рецепторов (TLRs). Другие типы взаимодействий показаны на рисунке: вверху — влияние обычных бактерий кожи, внизу — патогенных. На цветном фоне — описания молекул. Схема довольно условная и реальных взаимодействий гораздо больше. И они сложнее.
Бактерии способны влиять на врожденный иммунный ответ кератиноцитов, делая их более или менее реактивными [14].
Связаны ли микробиом и акне?
Мы уже поняли, что на коже обитают различные бактерии, которые могут быть как полезными, так и патогенными. Теперь же следует рассмотреть их связь с акне.
Итак, бактерии и грибы колонизируют кожу потому, что для них это удобная среда обитания, так как в ней есть подходящий источник пищи — например, какой-нибудь вид эпидермальных липидов. И тут мы подходим к крайне интересному моменту. Этот липид выделился на поверхность из клетки под контролем генов. В итоге: что есть истинная причина акне — патогенная бактерия или гены? Влияние генов или среды (т. е. сформировавшегося микробиома)?
Р. acnes — полезна или вредна для здоровья?
Ранее мы уже упоминали P. acnes и обещали разобраться с ней подробнее. В этой части статьи мы поговорим о полезных и вредных чертах, различных взаимодействиях этой бактерии, а также возможности определения ее на себе.
Полезные черты
Р. acnes имеет общие свойства с молочными пропионибактериями, которые считаются безвредными — и даже полезными [12]. Подобные ей организмы обладают множеством положительных свойств: синтез витамина B12, рибофлавина, фолиевой кислоты. P. acnes также способна регулировать число других бактерий, производя SCFAs (короткоцепочечные жирные кислоты). Ферментация глицерина с помощью P. acnes и S. epidermidis может подавлять рост наиболее распространенного патогенного микроорганизма кожи Staphylococcus aureus. Это препятствует колонизации опасной бактерией кожных ран [15].
Условно-патогенные черты
Патогенезом акне называют механизм развития болезни, в котором P. acnes играет значительную роль. Она секретирует ферменты, разрушающие компоненты ткани человека, и может усугублять ряд других заболеваний [16], [17].
Закупоренная сальная железа создает анаэробную среду. Она благоприятна для P. acnes и способствует чрезмерному росту. Но при развитии акне там обнаруживали не только эту бактерию, но и другие микроорганизмы, в том числе S. epidermis. То есть в процесс вовлечена точно не одна P. acnes.
Взаимоотношения бактерий неоднозначны. S. epidermidis расщепляет жирные кислоты до более коротких SCFA. Получается, что она может сдерживать чрезмерный рост P. acnes и косвенно улучшать ситуацию с угрями [18]. Хотя не так давно мы говорили о том, что S. epidermidis и P. acnes вместе «защищают» нас от Staphylococcus aureus (золотистого стафилококка).
Взаимодействие между P. acnes и другими бактериями
P. acnes и родственные ей виды могут продуцировать бактериоцины (вещества, которые вызывают повреждение структур бактериальной клетки). Они обычно действуют против близкородственных видов, но по крайней мере один из них (пропионицин) подавляет даже некоторые грамотрицательные бактерии и грибы. К тому же P. acnes способна производить 2 вида тиопептидных антибиотиков (с высоким содержанием серы). Они сильно угнетают синтез белка у грамположительных бактерий. А некоторые штаммы P. acnes способны подавлять другие штаммы своего же вида! [13]
Читайте также: Боль в мягких тканях бедра при ходьбе
Бактериоцины и бактериоциноподобные вещества P. acnes могут быть ответственны за успешную конкуренцию с другими микроорганизмами, что объясняет ее доминирующее присутствие в здоровых фолликулах.
Взаимодействие между P. acnes и клетками кожи
Как еще объяснить доминирование P. acnes? У нее выявлено 4 белка, способных вызвать иммунный ответ организма. Некоторые из них изменчивы (DsA1 и DsA2). Получается, что в рамках одного вида бактерии немного отличаются, как бы маскируются. Так P. acnes уклоняется от иммунитета.
Внутри кератиноцитов есть рецепторы TLR9, которые способны улавливать бактериальную ДНК. Когда с ними связывается P. acnes, происходит очень интересная вещь: на бактерию как бы закрывают глаза и она, таким образом, может существовать внутри клетки в течение нескольких недель. После чего все-таки запускается воспаление [19].
Что происходит на здоровой коже и коже с акне?
Посмотрев на белки, можно довольно точно сказать, по какой «программе развития» пошла клетка. Так вот, в сальных железах здоровой кожи много белков, которые участвуют в защите от клеточных стрессов и активных форм кислорода.
Однако сальные железы людей с акне обнаружили белки, которые участвуют в восстановлении тканей. Это показывает, что что-то пошло не так и ткань была повреждена. Идентифицированные чужеродные белки были исключительно из P. acnes. Самые распространенные — факторы CAMP (про них — в следующем разделе), а также белки, обеспечивающие прикрепление бактерий к эпителию.
Казалось бы, все вполне ясно: P. acnes в данном случае ведет себя как агрессор. Но не тут-то было! Оказывается, эти же белки P. acnes обнаруживают и на здоровой коже. Это еще раз подтверждает неоднозначную роль P. acnes в развитии акне [11].
Метаболическая активность P. acnes
Участие в воспалении
Ряд исследований in vitro показал, что определенные штаммы P. acnes умеют запускать воспаление в клетках кожи через разные механизмы 22, в то время как другие штаммы связаны со здоровой кожей [23], [24]. Анализ генома P. acnes выявил предполагаемые различия между ними, которые помогут объяснить ее двоякую роль [25].
Понятно, что есть и белки, которые кодируются в геномах всех P. acnes, например, факторы CAMP (Christie-Atkins-Munch-Peterson) (всего их 5). Доказано, что ингибирование CAMP2 ослабляет воспаление на модели уха мыши. Их точная роль in vivo не выяснена, но, видимо, они достаточно важны, раз сохраняются у всех P. acnes.
Выводы
Разнообразие микроорганизмов на нашем теле огромно. Можно представить кожу как гигантскую страну, население которой постоянно меняется под влиянием внешнего мира, иммунной системы и взаимодействия с соседними странами. То есть с микробиомом поверхности глаз, кишечника, слизистых. Совокупность геномов и метаболических путей некоторых микробных симбионтов может работать во благо нашего организма [26], ведь некоторые бактерии способны осуществлять полезные для человека реакции. Таких представителей микробиома можно оценивать как еще один орган человека [27].
Изменения внутри нашего организма корректируют условия жизни бактерий. Так, при повышенной секреции кожного сала происходят изменения его качественного состава.
Микробиом — сложная динамическая система. Если мы более полно охарактеризуем взаимоотношения внутри него, это может дать дополнительный взгляд на современную эволюцию человека. Поможет оценить, влияют ли — и как — развивающиеся технологии, изменения в образе жизни на здоровье и предрасположенность к заболеваниям. В частности, к акне.
Сейчас точно известно, что количественные и качественные изменения микробиома осложняют течение акне. Считается, что выделения P. acnes содержат несколько белков, которые могут провоцировать воспаление. Однако, поскольку акне — многофакторное заболевание, стоит принимать во внимание другие причины, такие как уход, генетика, стресс, питание и др. К тому же, P. acnes имеет ряд полезных черт: «защищает» нас от S. aureus, выступая в роли пробиотика. Так что некорректно винить во всем ее.
Стали появляться исследования, показывающие, что введение препаратов нормальной флоры улучшает состояние кожи (Aspergillus, Bifida Ferment Lysate, Lactobacillus/Rye Flour Ferment Filtrate). Они показывают, что одним из перспективных направлений в лечении акне [28] (и не только) могут стать про- и пребиотики, препараты на их основе.
Из-за сложных систем взаимодействия микро- и макроорганизмов результат не всегда предсказуем. Изучение функции микробиома в норме и патологии — актуальная задача медицины. И еще предстоит ответить на много вопросов.
Благодарим за прочтение статьи! С удовольствием ответим на ваши вопросы в комментариях.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом