Микробиом кожи: большие перспективы маленького мира

В последние годы отмечается рост интереса к изучению микробиома (микробиоты) – совокупности микроорганизмов, обитающих на и в человеческом теле. Этому способствовало развитие технологий молекулярного секвенирования ДНК, а также запуск проекта по изучению микробиома и его последующих «реинкарнаций».

Новые факты, которые находили ученые по всему миру, не только давали ответы на текущие вопросы, но и рождали новые, причем иногда в геометрической прогрессии. Поэтому на сегодня изучение микробиома стало своего рода трендом в научных кругах. С чего же все начиналось и к чему мы пришли на текущий момент?

В период с 2005 по 2018 год число тематических научных работ выросло почти в 177 раз – с 259 до 45 809 (результаты поиска по базе Pubmed, ключевое слово – microbiome).

Одним из наиболее крупных исследований в данной области можно считать проект по изучению микробиома человека (Human Microbiome Project, HMP). Его организовали национальные институты здравоохранения США (National Institutes of Health, NIH) для максимально точной идентификации всех микроорганизмов, которые присутствуют на и в теле человека. Проект стартовал в 2008 году и был рассчитан на пять лет при суммарном бюджете 115 млн долларов. Его основной задачей стало определение, каким образом те или иные изменения в микробиоме сказываются на здоровье человека.

По прошествии пяти лет данная задача так и не была полностью решена, поэтому было принято решение трансформировать HMP во второй проект по изучению микробиома человека (Second Human Microbiome Project, sHMP). Он начался с обследования 242 здоровых добровольцев для изучения генетического разнообразия микроорганизмов и каталогизации вариантов генома, чтобы понять, как специфические бактерии из желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы и кожи могут влиять на состояние здоровья.

По мере накопления данных стало понятно, что принципы, по которым sHMP изучает микробиом, не могут привести к удовлетворительному результату. Это вылилось в следующую трансформацию HMP, и теперь он называется интегративным проектом по изучению микробиома человека (Integrative Human Microbiome Project, iHMP). Его главной особенностью является разделение полученной информации на блоки для их последующего анализа отдельными науками, входящими в круг так называемых «-омик» (‘omics) – геномики, транскриптомики, протеомики и др. Затем полученные данные суммируются с целью формирования единой картины микромира человека.

Методы и проблемы

Изучение микробиома кожи в значительной степени зависит от применяемых методов, самым простым и удобным из которых является мазок. Однако он наименее информативен, поскольку дает представление о конкретном участке поверхности кожи, но не о более глубоких ее слоях.

Больше данных можно получить из соскоба, но в таких образцах, к сожалению, присутствует много «лишних» клеток кожи.

Оптимальным вариантом считается панч-биопсия, которая выполняется специальными трубчатыми ножницами под местной анестезией с последующим наложением шва. К сожалению, это достаточно травматичная и болезненная методика. Ее можно сравнить с небольшой операцией, которая сопровождается всеми сопутствующими нежелательными эффектами и рисками для пациента (аллергическая реакция на обезболивание, распространение инфекции через рану и др.).

Кроме метода взятия материала, результаты исследования зависят от области его забора, температуры и увлажненности кожи, количества сальных желез на ней и т. д.

Также на выявление микроорганизмов влияет оснащение лаборатории. Например, культивирование на определенных средах не может быть объективным, поскольку далеко не вся микрофлора на них приживается. В то же время некоторые бактерии не растут без других микроорганизмов, которые формируют определенную микросреду с требуемой концентрацией кислорода, кислотностью и/или осмотическим давлением.

При изучении микробиома также следует учитывать его вариабельность. Это особенно важно для понимания того, как на фоне дисбаланса микрофлоры возникают болезни, и для более глобальной цели – выявления набора «базового микробиома человека».

В целом это довольно сложный вопрос: с одной стороны, «базовый микробиом» уже определен, но, с другой, его колебания изучены достаточно плохо. Хотя есть исследования, в которых говорится о том, что динамическими колебаниями микрофлоры кожи можно пренебречь, поскольку на фоне индивидуальных особенностей они незначительны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Микробный состав кожи

Нормальный микробиом составляют более тысячи видов микроорганизмов, и это не только бактерии. Сюда также относятся вирусы, грибы, микроскопические членистоногие (клещи) и археи. Однако наибольший интерес для ученых представляют именно бактерии, отчасти из-за того, что их проще изучать.

Что касается, например, архей (промежуточная форма жизни между ядерными и безъядерными клетками), предполагается, что они распространены на коже незначительно и выполняют второстепенные функции. Кроме того, существующие техники анализа микробиома рассчитаны на выявление клеток бактерий, но не архей: так, праймеры F515/R806, которые обычно используются в амплификации 16S рРНК генов, позволяют сравнительно точно выделять лишь половину известной последовательности ДНК архей.

Однако меньше всего известно о вироме человека, то есть о находящихся на коже вирусах. Это связано с серьезными трудностями в их изучении, такими как малое усиление активности в культуре клеток, ограниченная антигенная/серологическая перекрестная реактивность и отсутствие гибридизации нуклеиновых кислот с известными вирусными последовательностями. Актуальные методы определения вирома во многом основаны на метагеномном секвенировании суммарной ДНК, что не совсем подходит для выявления РНК-вирусов.

В итоге ученые сосредоточили свое внимание на бактериях, разделив их на четыре филума (группа организмов с общим планом строения, одно из первичных делений в таксономии. В русском языке аналогом термина является «тип».– Прим. ред).

Актинобактерии

Propionibacterium (пропионибактерии) – грамположительные микроорганизмы, способные синтезировать пропионовую кислоту. Propionibacterium acnes высвобождают жирные кислоты из липидов кожного сала, замедляя рост патогенных бактерий на поверхности кожи. При чрезмерном размножении способствуют развитию акне.

Corynebacterium (коринебактерии) – грамположительные аэробы. Наравне с Propionibacterium являются одними из наиболее распространенных актинобактерий в кожном микробиоме.

Streptomyces (стрептомицеты) – самый крупный род, синтезирующий антибиотики. С 40–50-х годов используется в промышленном производстве антибактериальных препаратов. Сейчас представители рода Streptomyces применяются в генной инженерии как хозяева для клонирования и экспрессии чужеродной ДНК.

Протеобактерии

Nitrosomonas (нитрозомонады) производят на своей многослойной клеточной мембране уникальные ферменты, которые окисляют аммиак и перерабатывают его в оксид азота (NO). Однако столь сложная мембранная структура делает Nitrosomonas крайне чувствительной к химическим веществам, в частности к анионным ПАВ (шампуни, гели для душа и др.).

Фирмикуты

Staphylococcus aureus (золотистый стафилококк) – шаровидные грамположительные бактерии. Около 25–40% людей в мире являются постоянными носителями золотистого стафилококка, при этом он может длительно сохраняться на кожных покровах и слизистых оболочках верхних дыхательных путей.

Lactobacillus (лактобактерии) превращают лактозу и другие углеводы в молочную кислоту, в большинстве случаев непатогенны. У человека постоянно находятся в кишечнике и влагалище (палочки Дедерлейна), где являются симбионтами и составляют значительную часть микрофлоры.

Bacteroides (бактероиды) преимущественно обитают в кишечнике человека. При попадании в «нетипичные локации» способны вызывать хронический синусит, хроническое воспаление среднего уха, инфекции ротовой полости, абсцессы и другие патологии.

Численность каждой группы в значительной степени зависит от характеристики соответствующей ниши. Например, в зонах с активным салоотделением (на лице, спине) преобладают Propionibacterium и Staphylococcus. В областях с повышенной влажностью (подмышки) больше всего Corynebacterium, а в сухих зонах – Proteobacteria и Flavobacteria. Качественный и количественный состав микробиома также варьирует в зависимости от генетических особенностей человека, его пола, возраста, региона проживания, питания, психоэмоционального состояния и других составляющих, что отражено в таблице 1.

Типы факторов	Факторы
Физиологические особенности	Пол, возраст, область тела
Состояние окружающей среды	Географическое местоположение, климат, УФ-индекс, уровень загрязнения воздуха
Генотип	Чувствительность клеточного генома к внешним воздействиям
Образ жизни	Профессия, гигиена тела и жилища, диета, использование очищающих средств, ПАВ, хобби, привычки, наличие домашних животных
Иммунная система	Предыдущий контакт с патогенным или условно-патогенным микроорганизмом, наличие хронического воспалительного процесса, инфламэйджинг
Патофизиология	Соматические заболевания (сахарный диабет, патологии щитовидной железы, сосудов и др.)

Табл. 1. Зависимость микробного состава кожи от внешних и внутренних факторов

Взаимодействие

Ранее считалось, что взаимоотношения между человеком и его микробиомом можно охарактеризовать как комменсализм. Однако современные исследования показывают, что это не так. Между нами симбиоз, а точнее, его разновидность – мутуализм.

Мутуализм – это широко распространенная форма взаимополезного сожительства, когда наличие партнера становится обязательным условием существования для каждого из членов данного партнерства. Более общим понятием является симбиоз, который представляет собой сосуществование различных биологических видов. Но в отличие от мутуализма симбиоз может быть и не выгоден одному из партнеров.

Современные исследования установили взаимосвязь между состоянием микробиома человеческой кожи и ее иммунной защитой. Так, некоторые сапрофитные (полезные) бактерии продуцируют антимикробные пептиды, которые угнетают развитие патогенной микрофлоры. Например, Staphylococcus epidermidis разрушает мембраны S. pyogenes и S. aureus, позволяя антимикробным пептидам кожи эффективно воздействовать на патогенные бактерии. Кроме того, S. epidermidis стимулирует синтез бета-дефензинов-2 и -3, активирует тучные клетки, подавляет воспаление при заживлении ран и ускоряет созревание Т-клеток.

Ряд сапрофитных бактерий подавляет местные воспалительные реакции, а некоторые поддерживают функционирование приобретенного (адаптивного) иммунитета. Наконец, есть данные о противораковом влиянии нормальной бактериальной микрофлоры на фоне достаточного объема солнечного излучения, оно реализуется через угнетение избыточной стимуляции толл-подобных рецепторов (Toll-like receptors, TLR). Толл-подобные рецепторы (Toll-like receptors, TLR) – это класс клеточных рецепторов с одним трансмембранным фрагментом, которые распознают структуры микроорганизмов и активируют клеточный иммунный ответ. Они играют ключевую роль в работе врожденного иммунитета.

Патологическая активация некоторых видов TLR с нарушением микробного состава кожи проводит к формированию хронического воспаления, которое может трансформироваться в онкологию. Однако при наличии достаточного количества солнечного света, попадающего на кожу, микробный баланс восстанавливается, что подавляет патологическую активность TLR и предупреждает развитие раковых заболеваний.

Использование в космецевтике

Изучая микробиом кожи, ученые не могли не задуматься над тем, как можно использовать полученную информацию на практике. Через некоторое время были разработаны три типа космецевтических ингредиентов:

• пробиотики – живые микроорганизмы, которые при использовании в достаточном количестве положительно влияют на здоровье человека;
• пребиотики – селективно ферментированные среды, питающие сапрофитные бактерии;
• синбиотики – объединение микроорганизмов с питательной средой, наиболее современный вариант.

Пробиотики достаточно сложно применять в коммерчески успешных продуктах. Это связано с трудностями в подборе консервантов, общей нестабильностью пробиотического компонента, его распадом при несоблюдении жестких условий хранения, возможными мутациями и другими факторами. Тем не менее исследования в этой области увенчались определенными успехами:

• раствор Vitreoscilla filiformis облегчает симптомы атопического дерматита и экземы;
• крем с Bifidobacterium longum снижает гиперчувствительность кожи и повышает ее сопротивляемость физическим и химическим воздействиям;
• крем с Lactobacillus plantarum при топическом нанесении на пораженную акне кожу способствует снижению числа воспалительных элементов.

Пребиотики гораздо лучше подходят для создания эффективной космецевтики. При этом важна их селективность, то есть стимуляция размножения сапрофитных бактерий без аналогичного влияния на патогенную микрофлору. Классические пребиотики включают в себя инулин, фруктоолигосахариды, галактоолигосахариды и лактулозу. Постепенно к ним добавились ксилоолигосахариды, β-глюканы с длинной цепью, глюкоманнан и другие компоненты.

Первым пребиотическим ингредиентом стал альфа-олигосахарид BioEcolia от Solabia Group. Он стимулирует рост Lactobacillus pentosus, Micrococcus kristinae, Corynebacterium xerosis и Staphylococcus capitis, при этом ингибирует Propionibacterium acnes, Gardnerella vaginalis, Corynebacterium minutissimum и Staphylococcus aureus.

Другие коммерческие пребиотики:

• Biolin – альфа-олигосахарид с инулином. Подавляет рост Candida albicans и Malassezia furfur. Применяется в детском креме или продуктах для защиты кожи;
• Relipidium – смесь белков, аминокислот и короткоцепочечных жирных кислот, профильтрованная из Lactobacillus plantarum. Усиливает рост S. epidermidis. Используется при атопическом дерматите, сухости кожи и других патологических состояниях кожи;
• Algaktiv BioSKN – экстракт микроводорослей. Усиливает рост S. epidermidis, подавляет P. acnes, M. furfur и S. aureus. Стимулирует продукцию антимикробных хемокинов;
• Seboclear MP – экстракт растения M. cochinchinensis (момордика кохинхинская). Угнетает избыточную себопродукцию, используется в терапии акне;
• PreBio Defence – микрокапсулированная смесь полисахаридов, которая не перерабатывается патогенными бактериями. Применяется для «подкормки» сапрофитной микрофлоры;
• Revivyl – полифенолы кренатозид и актеозид из паразитного растения Orobanche rapum (заразиха). Является антиоксидантом, стимулирует клеточную дифференцировку, усиливает эксфолиацию корнеоцитов, подавляет рост Finegoldia genus;
• Brightenyl – α-глюкозидное производное тригидроксибензойной кислоты. Осветляет и выравнивает тон кожи;
• Filmexel – многофункциональный пленкообразующий ингредиент. Создает защитный барьер против патологических влияний внешней среды (твердых частиц, аллергенов и др.).

Наиболее известные синбиотики представлены в таблице 2.

Пребиотик	Пробиотик
Инулин	Lactobacillus
Ксилоолигосахариды	Lactobacillus, Streptococcus и Bifidobacterium
Лактитол	Lactobacillus, Bifidobacterium и Enterococcus
Лактосукроза	Lactobacillus и Bifidobacterium
Лактулоза	Lactobacillus и Bifidobacterium

Табл. 2. Комбинация пробиотиков и пребиотических сред для получения синбиотиков

Заключение

Сегодня многие косметические и фармацевтические компании разрабатывают пре-, про- и синбиотические ингредиенты, стараясь включить их в коммерческие продукты. И эти продукты, к слову, нельзя называть косметическими, так как по влиянию на организм они вплотную приближаются к лекарствам. Данная «пограничная область», космецевтика, остается недостаточно изученной и слабо регулируется текущим законодательством различных стран, в том числе и Украины. Однако ее перспективы весьма заманчивы, будем надеяться, что они не разочаруют нас в ближайшем и, что немаловажно, отдаленном будущем.

Данная статья является частью спецпроекта БИОХАКИНГ

Ознакомится со всеми статьями данной темы вы можете:

СПЕЦПРОЕКТ. БИОХАКИНГ

Литература: ​"Les Nouvelles Esthétiques Украина" 6 (112) 2018