Мікробіом шкіри: великі перспективи маленького світу

Останніми роками спостерігається зростання інтересу до вивчення мікробіома (мікробіоти) – сукупності мікроорганізмів, що мешкають і в людському тілі. Цьому сприяв розвиток технологій молекулярного секвенування ДНК, а також запуск проєкту з вивчення мікробіома та його подальших реінкарнацій.

Нові факти, які знаходили вчені по всьому світу, не лише давали відповіді на поточні питання, а й народжували нові, причому іноді в геометричній прогресії. Тому на сьогодні вивчення мікробіома стало своєрідним трендом у наукових колах. З чого все починалося і до чого ми прийшли на сьогодні?

У період з 2005 по 2018 рік кількість тематичних наукових праць зросла майже у 177 разів – з 259 до 45 809 (результати пошуку на базі Pubmed, ключове слово – microbiome).

Одним з найбільш великих досліджень у цій галузі можна вважати проєкт з вивчення мікробіома людини (Human Microbiome Project, HMP ). Його організували національні інститути охорони здоров'я США ( National Institutes of Health, NIH ) для максимально точної ідентифікації всіх мікроорганізмів, які присутні і в тілі людини. Проєкт стартував 2008 року і був розрахований на п'ять років за сумарного бюджету 115 млн доларів. Його основним завданням стало визначення, як ті чи інші зміни в мікробіомі позначаються на здоров'ї людини.

Після п'яти років це завдання так і не було повністю вирішено, тому було прийнято рішення трансформувати HMP на другий проєкт з вивчення мікробіома людини ( Second Human Microbiome Project, sHMP). Він почався з обстеження 242 здорових добровольців для вивчення генетичного розмаїття мікроорганізмів та каталогізації варіантів геному, щоб зрозуміти, як специфічні бактерії зі шлунково-кишкового тракту, сечостатевої системи та шкіри можуть впливати на стан здоров'я.

У міру накопичення даних стало зрозуміло, що принципи, якими sHMP вивчає мікробіом, що неспроможні призвести до задовільного результату. Це вилилося в подальшу трансформацію HMP, і тепер він називається інтегративним проєктом з вивчення мікробіома людини (Integrative Human Microbiome Project, iHMP). Його головною особливістю є поділ отриманої інформації на блоки для їх подальшого аналізу окремими науками, що входять до кола так званих «омік» (' omics ) – геноміки, транскриптоміки, протеоміки тощо. Потім отримані дані підсумовуються з метою формування єдиної картини мікросвіту людини.

Методи й проблеми

Вивчення мікробіома шкіри значною мірою залежить від застосовуваних методів, найпростішим і найзручнішим з яких є мазок. Однак він найменш інформативний, оскільки дає уявлення про конкретну ділянку поверхні шкіри, але не про глибші її шари.

Більше даних можна отримати з зішкрібу, але в таких зразках, на жаль, є багато «зайвих» клітин шкіри.

Оптимальним варіантом вважається панч-біопсія, яка виконується спеціальними трубчастими ножицями під місцевою анестезією з подальшим накладанням шва. На жаль, це досить травматична та болісна методика. Її можна порівняти з невеликою операцією, яка супроводжується всіма супутніми небажаними ефектами й ризиками для пацієнта (алергічна реакція на знеболювання, поширення інфекції через рану тощо).

Крім методу взяття матеріалу, результати дослідження залежать від його забору, температури і зволоженості шкіри, кількості сальних залоз на ній тощо.

Також на виявлення мікроорганізмів впливає оснащення лабораторії. Наприклад, культивування на певних середовищах може бути об'єктивним, оскільки далеко ще не вся мікрофлора ними приживається. У той же час деякі бактерії не ростуть без інших мікроорганізмів, які формують певне мікросередовище з необхідною концентрацією кисню, кислотністю та/або осмотичним тиском.

При вивченні мікробіома також слід враховувати його варіабельність . Це особливо важливо для розуміння того, як на фоні дисбалансу мікрофлори виникають хвороби, і для глобальнішої мети – виявлення набору «базового мікробіома людини».

Загалом це досить складне питання: з одного боку, «базовий мікробіом» вже визначено, але, з іншого, його коливання вивчені досить погано. Хоча є дослідження, в яких йдеться про те, що динамічними коливаннями мікрофлори шкіри можна знехтувати, оскільки на тлі індивідуальних особливостей вони незначні.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мікробний склад шкіри

Нормальний мікробіом становлять понад тисячу видів мікроорганізмів, і це не лише бактерії. Сюди також належать віруси, гриби, мікроскопічні членистоногі (кліщі) та археї. Однак найбільший інтерес для вчених становлять саме бактерії, частково через те, що їх простіше вивчати.

Що стосується, наприклад, архей (проміжна форма життя між ядерними та без'ядерними клітинами), передбачається, що вони поширені на шкірі незначно і виконують другорядні функції. Крім того, наявні техніки аналізу мікробіома розраховані на виявлення клітин бактерій, але не архей: так, праймери F 515/ R 806, які зазвичай використовуються в ампліфікації 16 S рРНК генів, дозволяють порівняно точно виділяти лише половину відомої послідовності архей ДНК.

Однак найменше відомо про віром людини, тобто про віруси, що розташовані на шкірі . Це пов'язано з серйозними труднощами у їх вивченні, такими як мале посилення активності в культурі клітин, обмежена антигенна/серологічна перехресна реактивність і відсутність гібридизації нуклеїнових кислот із відомими вірусними послідовностями. Актуальні методи визначення вірому багато в чому ґрунтуються на метагеномному секвенуванні сумарної ДНК, що не зовсім підходить для виявлення РНК-вірусів .

У результаті вчені зосередили свою увагу на бактеріях, розділивши їх на чотири філуми (група організмів із загальним планом будови, один з первинних поділів у таксономії. – Прим. ред ).

Актинобактерії

Propionibacterium (пропіонібактерії) – грампозитивні мікроорганізми, здатні синтезувати пропіонову кислоту. Propionibacterium acnes вивільняють жирні кислоти з ліпідів шкірного сала, уповільнюючи ріст патогенних бактерій на поверхні шкіри. При надмірному розмноженні сприяють розвитку акне.

Corynebacterium (коринебактерії) – грампозитивні аероби. Поряд з Propionibacterium є одними з найпоширеніших актинобактерій у шкірному мікробіомі.

Streptomyces (стрептоміцети) – найбільший рід, який синтезує антибіотики. З 40-50-х років використовується у промисловому виробництві антибактеріальних препаратів. Зараз представники роду Streptomyces застосовуються в генній інженерії як господарі для клонування та експресії чужорідної ДНК.

Протеобактерії

Nitrosomonas (нітрозомонади) виробляють на своїй багатошаровій клітинній мембрані унікальні ферменти, які окислюють аміак і переробляють його на оксид азоту ( NO). Однак така складна мембранна структура робить Nitrosomonas вкрай чутливою до хімічних речовин, зокрема до аніонних ПАР (шампуні, гелі для душу тощо).

Фірмікути

Staphylococcus aureus (золотистий стафілокок) – кулясті грампозитивні бактерії. Близько 25–40% людей у ​​світі є постійними носіями золотистого стафілокока, при цьому він може тривалий час зберігатися на шкірних покривах та слизових оболонках верхніх дихальних шляхів.

Lactobacillus (лактобактерії) перетворюють лактозу та інші вуглеводи на молочну кислоту, в більшості випадків непатогенні. У людини постійно перебувають у кишечнику та піхву (палички Дедерлейна), де є симбіонтами та становлять значну частину мікрофлори.

Bacteroides (бактероїди) переважно мешкають у кишечнику людини. При попаданні в «нетипові локації» здатні спричинити хронічний синусит, хронічне запалення середнього вуха, інфекції порожнини рота, абсцеси й інші патології.

Чисельність кожної групи значною мірою залежить від характеристики відповідної ніші. Наприклад, у зонах з активним саловиділенням (на обличчі, спині) переважають Propionibacterium та Staphylococcus. В областях з підвищеною вологістю (пахви) найбільше Corynebacterium, а в сухих зонах – Proteobacteria та Flavobacteria. Якісний і кількісний склад мікробіома також варіює залежно від генетичних особливостей людини, її статі, віку, регіону проживання, харчування, психоемоційного стану та інших складових, що відображено у таблиці 1.

Типи факторів	Фактори
Фізіологічні особливості	Стать, вік, область тіла
Стан довкілля	Географічне розташування, клімат, УФ-індекс, рівень забруднення повітря
Генотип	Чутливість клітинного геному до зовнішніх впливів
Спосіб життя	Професія, гігієна тіла й житла, дієта, використання засобів для чищення, ПАР, хобі, звички, наявність домашніх тварин
Імунна система	Попередній контакт з патогенним або умовно-патогенним мікроорганізмом, наявність хронічного запального процесу, інфламейджинг
Патофізіологія	Соматичні захворювання (цукровий діабет, патології щитоподібної залози, судин тощо)

Табл. 1. Залежність мікробного складу шкіри від зовнішніх та внутрішніх факторів

Взаємодія

Раніше вважалося, що взаємини між людиною та її мікробіомом можна охарактеризувати як комменсалізм. Проте сучасні дослідження свідчать, що це неправильно. Між нами існує симбіоз, а точніше його різновид – мутуалізм.

Мутуалізм – це поширена форма взаємокорисного співжиття, коли наявність партнера стає обов'язковою умовою існування кожного з членів цього партнерства. Найбільш загальним поняттям є симбіоз, яким є співіснування різних біологічних видів. Але на відміну від мутуалізму, симбіоз може бути й невигідним одному з партнерів.

Сучасні дослідження встановили взаємозв'язок між станом мікробіома людської шкіри та її імунним захистом. Так, деякі сапрофітні (корисні) бактерії продукують антимікробні пептиди, які пригнічують розвиток патогенної мікрофлори. Наприклад, Staphylococcus epidermidis руйнує мембрани S. pyogenes і S. aureus, дозволяючи антимікробним пептидам шкіри ефективно впливати на патогенні бактерії. Крім того, S. epidermidis стимулює синтез бета-дефензинів-2 та -3, активує тучні клітини, пригнічує запалення при загоєнні ран та прискорює дозрівання Т-клітин.

Низка сапрофітних бактерій пригнічує місцеві запальні реакції, деякі підтримують функціонування набутого (адаптивного) імунітету. Нарешті, є дані про протираковий вплив нормальної бактеріальної мікрофлори на тлі достатнього обсягу сонячного випромінювання, воно реалізується через пригнічення надмірної стимуляції толл-подібних рецепторів (Toll-like receptors, TLR). Толл-подібні рецептори (Toll-like receptors, TLR) – це клас клітинних рецепторів з одним трансмембранним фрагментом, які розпізнають структури мікроорганізмів та активують клітинну імунну відповідь. Вони відіграють ключову роль у роботі вродженого імунітету.

Патологічна активація деяких видів TLR з порушенням мікробного складу шкіри призводить до формування хронічного запалення, яке може трансформуватися в онкологію. Однак за наявності достатньої кількості сонячного світла, що потрапляє на шкіру, мікробний баланс відновлюється, що пригнічує патологічну активність TLR та запобігає розвитку ракових захворювань.

Використання в космецевтиці

Вивчаючи мікробіом шкіри, вчені не могли не замислитись над тим, як можна використовувати отриману інформацію на практиці. Через деякий час було розроблено три типи космецевтичних інгредієнтів:

• пробіотики – живі мікроорганізми, які при використанні у достатній кількості позитивно впливають на здоров'я людини;
• пребіотики – селективно ферментовані середовища, які живлять сапрофітні бактерії;
• синбіотики – поєднання мікроорганізмів із живильним середовищем, найсучасніший варіант.

Пробіотики досить складно застосовувати у комерційно успішних продуктах. Це пов'язано з труднощами у підборі консервантів, загальною нестабільністю пробіотичного компонента, його розпадом за недотримання жорстких умов зберігання, можливими мутаціями та інші чинниками. Проте дослідження у цій галузі увінчалися певними успіхами:

• розчин Vitreoscilla filiformis полегшує симптоми атопічного дерматиту та екземи;
• крем з Bifidobacterium longum знижує гіперчутливість шкіри та підвищує її опірність фізичним і хімічним впливам;
• крем із Lactobacillus plantarum при топічному нанесенні на уражену акне шкіру сприяє зниженню числа запальних елементів.

Пребіотики набагато краще підходять до створення ефективної космецевтики. При цьому важлива їхня селективність, тобто стимуляція розмноження сапрофітних бактерій без аналогічного впливу на патогенну мікрофлору. Класичні пребіотики містять інулін, фруктоолігосахариди, галактоолігосахариди і лактулозу. Поступово до них додалися ксилоолігосахариди, β-глюкани з довгим ланцюгом, глюкоманнан та інші компоненти.

Першим пребіотичним інгредієнтом став альфа-олігосахарид BioEcolia від Solabia Group. Він стимулює зростання Lactobacillus pentosus, Micrococcus kristinae, Corynebacterium xerosis і Staphylococcus capitis, при цьому інгібує Propionibacterium acnes, Gardnerella vaginalis, Corynebacterium minutissimum та Staphylococcus aureus.

Інші комерційні пребіотики:

• Biolin – альфа-олігосахарид з інуліном. Пригнічує зростання Candida albicans і Malassezia furfur . Застосовується у дитячому кремі чи продуктах для захисту шкіри;
• Relipidium – суміш білків, амінокислот та коротколанцюгових жирних кислот, профільтрована з Lactobacillus plantarum . Підсилює зростання S. epidermidis. Використовується при атопічному дерматиті, сухості шкіри та інших патологічних станах шкіри;
• Algaktiv BioSKN – екстракт мікроводоростей. Підсилює зростання S. epidermidis, пригнічує P. acnes, M. furfur та S. aureus. Стимулює продукцію антимікробних хемокінів;
• Seboclear MP – екстракт рослини M. cochinchinensis (момордика кохінхінська). Пригнічує надмірну себопродукцію, використовується в терапії акне;
• PreBio Defence – мікрокапсульована суміш полісахаридів, яка не переробляється патогенними бактеріями. Застосовується для «підживлення» сапрофітної мікрофлори;
• Revivyl – поліфеноли кренатозид та актеозид із паразитної рослини Orobanche rapum (заразиха). Є антиоксидантом, стимулює клітинне диференціювання, посилює ексфоліацію корнеоцитів, пригнічує ріст Finegoldia genus;
• Brightenyl – α-глюкозидне похідне тригідроксибензойної кислоти. Освітлює та вирівнює тон шкіри;
• Filmexel – багатофункціональний плівкоутворюючий інгредієнт. Створює захисний бар'єр проти патологічних впливів довкілля (твердих частинок, алергенів тощо).

Найбільш відомі синбіотики представлені у таблиці 2.

Пребіотик	Пробіотик
Інулін	Lactobacillus
Ксилоолігосахариди	Lactobacillus, Streptococcus и Bifidobacterium
Лактитол	Lactobacillus, Bifidobacterium и Enterococcus
Лактосукроза	Lactobacillus и Bifidobacterium
Лактулоза	Lactobacillus и Bifidobacterium

Табл. 2. Комбінація пробіотиків та пребіотичних середовищ для отримання синбіотиків

Висновок

Сьогодні багато косметичних і фармацевтичних компаній розробляють пре-, про- та синбіотичні інгредієнти, намагаючись додати їх у комерційні продукти. І ці продукти, до речі, не можна називати косметичними, тому що за впливом на організм вони впритул наближаються до ліків. Ця «прикордонна область», космецевтика, залишається недостатньо вивченою та слабко регулюється поточним законодавством різних країн, у тому числі й України. Однак її перспективи дуже привабливі, сподіватимемося, що вони не розчарують нас у найближчому і, що важливо, віддаленому майбутньому.

Ця стаття є частиною спецпроєкту БІОХАКІНГ

Ознайомитись з усіма статтями цієї теми ви можете:

СПЕЦПРОЄКТ. БІОХАКІНГ

Література: Les Nouvelles Esthétiques Україна 6 (112) 2018