综述：表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）的益处视角：皮肤稳态和病原体防御的关键物种

《Frontiers in Immunology》：Beneficial perspective on Staphylococcus epidermidis: a crucial species for skin homeostasis and pathogen defense

本综述系统阐述了表皮葡萄球菌（S. epidermidis）从条件致病菌到关键共生菌的认知转变，重点归纳了其通过免疫调节（如TLR2/IL-1β通路）、产生抗菌化合物（如PSMs、Esp）及促进屏障修复等多重机制维持皮肤稳态（homeostasis）的作用，并探讨了其作为活体生物治疗剂（live biotherapeutic）的转化潜力与挑战。

　　

1 引言

人类皮肤栖息着多样的微生物组，它们塑造免疫功能、防御病原体并维持组织稳态。其中，表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）——一种凝固酶阴性葡萄球菌（CoNS）——曾长期被视为主要的机会性病原体，尤其在生物膜形成和植入物相关感染背景下。然而，新证据将其重新定义为一种活性共生菌，能够控制炎症、支持抗菌防御并稳定皮肤屏障。这些双重角色很大程度上取决于其广泛的菌株水平异质性和动态定植策略。

皮肤是一个复杂的生理屏障，其表面积至少达30 m²。皮肤微生物组包含多种共生生物，对宿主生理产生各异且有时相反的影响。例如，人葡萄球菌（Staphylococcus hominis）产生羊毛硫抗生素以抑制金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）定植，而痤疮角质杆菌（Cutibacterium acnes）与痤疮发病机制相关，棒状杆菌属（Corynebacterium）成员则可教育皮肤驻留T细胞。

在此背景下，表皮葡萄球菌作为一种特别多功能的共生菌脱颖而出。与痤疮角质杆菌不同，它很少促成慢性炎症性疾病；与棒状杆菌属不同，其共生菌活性在不同菌株间更为一致。除了人葡萄球菌的抗菌功能外，表皮葡萄球菌还能促进屏障完整性、调节先天和适应性免疫，并分泌生物膜抑制分子以限制病原体扩张。这些属性凸显了其作为关键共生菌的独特潜力，并使其成为旨在改善皮肤健康的益生菌干预措施的合理候选者。

2 当前微生物组实验方法

研究细菌的当前方法各有其优势和局限性。传统的基于培养的方法虽然基础，但由于依赖人工生长条件，常常低估了微生物群落的真实多样性。为了解决这一局限，诸如细菌的16S rRNA基因测序和真菌的ITS1测序等分子技术已被广泛采用。这些方法靶向保守的遗传标记，以实现更精确的微生物鉴定，减少了培养依赖性方法固有的偏见，并为研究皮肤微生物组提供了更全面的工具。

其中，16S rRNA测序因其成本效益和在属水平上的稳健性能，仍然是广泛使用的微生物群落分析策略。然而，其分类分辨率有限，且易受引物选择和rRNA基因拷贝数变异等因素影响。相比之下，鸟枪法宏基因组学通过直接测序所有遗传物质，提供了更高的分辨率和功能见解，但有意义分析所需的测序深度往往带来巨大成本。浅层鸟枪法测序已成为一种实用的折衷方案，与16S方法相比，提供了改进的分类分辨率和减少的技术变异。

最近的技术进步，包括空间转录组学和单细胞测序，进一步扩展了微生物组研究的方法库。单细胞测序能够表征单个微生物的基因表达异质性和功能状态，而空间转录组学通过绘制组织内微生物分布图提供了关键的解剖学背景。这些技术共同提供了互补的视角，丰富了我们对微生物生态学的理解。

3 表皮葡萄球菌的双重角色

凝固酶阴性葡萄球菌（CoNS）是所有皮肤部位最丰富的定植菌之一。二十年前，Kloos和Bannerman更新了我们对CoNS临床意义的理解，将其定义为与凝固酶阳性葡萄球菌的区别。凝固酶阳性菌，如金黄色葡萄球菌，已知会引起广泛感染，被认为是普遍病原体。然而，较新的研究显示，路邓葡萄球菌（Staphylococcus lugdunensis）可通过产生一种名为路邓霉素（legumin）的新型抗生素来抑制金黄色葡萄球菌的生长。虽然这一现象看似有违直觉，但它强调了宿主与微生物群之间复杂的相互作用。

表皮葡萄球菌作为CoNS的主要代表，由于其不断演变的角色——从“条件致病菌”转变为“共生菌”，近年来引起了相当多的关注。虽然历史上被认为是医疗保健相关感染的主要病原体，但它现在也被视为维持皮肤稳态的关键共生菌，在皮肤免疫调节、感染防御和伤口修复中发挥多方面的作用。值得注意的是，作为皮肤微生物组内的主要CoNS物种，表皮葡萄球菌在过去常被视为机会性病原体，引起一系列医院感染，特别是在免疫功能低下个体或植入医疗器械的患者中。尤其令人担忧的是，表皮葡萄球菌是留置医疗器械相关感染的主要原因，包括外周和中心静脉导管，造成重大的医疗和经济负担。此外，高达20%的心脏装置患者可能发生感染，导致感染部位周围的红斑、疼痛、化脓，以及可能危及生命的败血症。表皮葡萄球菌是早产儿菌血症的常见原因。临床上相关的 neonatal 小鼠模型已被开发用于研究细菌感染和随后缺氧缺血性脑损伤的综合效应。用PIA-rSesC结合疫苗免疫小鼠已被证明可以预防表皮葡萄球菌感染。

表皮葡萄球菌采用多种机制生存并引起感染。这些包括能够在医疗器械和宿主组织上形成生物膜，这为宿主免疫系统提供了物理屏障。

在系统性疾病状态如糖尿病、免疫抑制和慢性炎症中，表皮葡萄球菌的定植模式和致病机制会发生显著改变。在特应性皮炎中可见的皮肤屏障功能受损，可导致表皮葡萄球菌过度生长，通过上调屏障破坏基因和增加表皮染料渗透来加剧炎症反应。在这些条件下，共生菌特异性CD4⁺ T细胞倾向于分化为效应T细胞而非调节性T细胞，从而助长慢性伤口样炎症环境。在淋巴水肿模型中，表皮葡萄球菌定植会放大预先存在的皮肤屏障功能障碍。在免疫抑制期间，表皮葡萄球菌可通过从金黄色葡萄球菌获得毒力因子或演变为耐甲氧西林菌株，转变为机会性病原体。短链脂肪酸等微生物代谢物通过调节角质形成细胞活性参与免疫调节。然而，在病理状态下，转录组重编程可能驱动从共生表型向致病表型的转变。

近年来，研究越来越侧重于探索表皮葡萄球菌作为皮肤共生微生物的有益属性。该生物作为皮肤共生菌的有益作用已受到科学界的相当大关注。几项研究表明，表皮葡萄球菌可能在伤口愈合和感染防御方面提供益处。积累的证据强调了表皮葡萄球菌的临床相关性，既作为潜在的共生益生菌，也作为皮肤病学中的治疗靶点。新生儿期表皮葡萄球菌定植通过诱导调节性T细胞和促进对共生菌抗原的耐受，产生持久的免疫学效应。临床观察将异常的定植模式——例如剖腹产分娩的婴儿所见——与特应性皮炎风险增加联系起来，表明生命早期的微生物暴露可以塑造终生的皮肤健康。

在治疗背景下，基于表皮葡萄球菌的干预措施在炎症性皮肤病（包括特应性皮炎）中显示出前景。临床研究报告，将源自表皮葡萄球菌的活体生物治疗剂与局部皮质类固醇相结合，通过抑制致病性金黄色葡萄球菌过度生长和调节皮肤免疫反应，改善了治疗结果。这些发现共同支持了这样的观点：表皮葡萄球菌不仅是皮肤微生物组的关键生态调节者，也是旨在恢复微生物平衡和改善临床结果的转化策略的可行候选者。

4 免疫调节机制

4.1 免疫平衡与宿主相互作用

表皮葡萄球菌通常与宿主建立互惠共生关系，有助于预防感染和产生抗菌肽。作为共生菌，表皮葡萄球菌定植不仅调节先天免疫反应，还有助于适应性免疫系统的发育和启动。具体而言，它诱导皮肤伤口中的中性粒细胞CXCL10信号，招募产生I型干扰素的浆细胞样树突状细胞，并驱动T细胞非依赖性伤口修复。进一步支持表皮葡萄球菌的保护作用，Murphy等人报告，从健康人类前列腺分泌物中分离的特定表皮葡萄球菌菌株，可以在慢性前列腺炎小鼠模型中调节免疫反应以减少炎症和疼痛。表皮葡萄球菌启动CD8⁺ T细胞，这些细胞在皮肤免疫和伤口愈合中具有双重作用。对无菌小鼠的研究表明，表皮葡萄球菌皮肤定植对于效应T细胞的发育和功能，以及黏膜相关不变T（MAIT）细胞的早期定位和启动至关重要，这些细胞是非经典皮肤免疫信号的重要组成部分。

4.2 适应性免疫增强

表皮葡萄球菌通过树突状细胞和T细胞之间的耦合机制增强成人皮肤屏障免疫。它激活非炎症性皮肤驻留CD11b⁺ 树突状细胞，这些细胞诱导IL-17A⁺ CD8⁺ T细胞归巢至表皮，并增强针对机会性病原体如金黄色葡萄球菌的屏障免疫。IL-1β是宿主防御和免疫稳态中的核心介质。表皮葡萄球菌诱导角质形成细胞表达和释放成熟的IL-1β，从而激活先天免疫反应，有助于维持皮肤屏障完整性并抑制机会性病原体。这一过程主要通过Toll样受体2（TLR2）信号传导介导，TLR2信号不仅触发IL-1β产生，还促进抗菌肽如β-防御素-3的表达，并常与转化生长因子α（TGF-α）协同增强皮肤保护功能。为了防止过度炎症，表皮葡萄球菌同时诱导宿主调节蛋白，如A20，抑制核因子κB（NF-κB）信号传导。这限制了IL-1β和抗菌肽的过量产生，最终维持微生物稳态。值得注意的是，宿主对表皮葡萄球菌的IL-1β反应比对致病性金黄色葡萄球菌的反应更为温和。这使得宿主能够区分共生菌和致病菌，促进免疫耐受和共生共存。

表皮葡萄球菌诱导的CD8⁺ T细胞也促进损伤后皮肤的上皮再生，加速伤口闭合。此外，表皮葡萄球菌激活γδ T细胞并上调穿孔素-2（perforin-2）——一种杀死细胞内细菌的抗菌蛋白——在离体人皮肤中以细胞特异性方式实现。表皮葡萄球菌刺激后穿孔素-2的上调与皮肤细胞杀死细胞内金黄色葡萄球菌的能力增加相关。此外，Strbo等人证明，表皮葡萄球菌通过上调皮肤γδ T细胞中的抗菌蛋白如穿孔素-2，促进细胞内病原体的清除。在新生儿皮肤发育中，存在一个建立对共生微生物耐受同时保持对病原体离散反应的关键时间窗口。额外研究表明，表皮葡萄球菌可能通过阻断过敏原诱导的过敏性鼻上皮细胞坏死性凋亡，在减少IL-33和Th2炎症中发挥关键作用，这促进皮肤归巢T细胞产生有助于宿主防御和皮肤炎症的细胞因子。

4.3 炎症调节

来自不同表皮葡萄球菌菌株的脂磷壁酸（LTA）通过Toll样受体3（TLR3）减少了响应皮肤损伤的肿瘤坏死因子（TNF）和白细胞介素-6（IL-6）的产生，通过TLR2依赖性机制抑制角质形成细胞的炎性细胞因子释放和损伤引发的炎症。TLR3在表皮葡萄球菌共生关系中的直接证据仍然有限，但它可能在IL-1β介导的炎症中起调节作用。受干扰素或微生物信号影响的TLR3表达可能微调IL-1β的释放，从而防止过度炎症。虽然表皮葡萄球菌主要通过TLR2发出信号以激活NF-κB并诱导IL-1β和抗菌肽的产生，但潜在的TLR3相互作用可能进一步平衡这一反应。这种协调的信号传导确保了有效的宿主防御，维持皮肤屏障完整性并支持共生共存。Li在表皮葡萄球菌中鉴定出一种以前未知的脂肽78（LP78），并显示LP78抑制TLR3介导的皮肤炎症，导致改善的伤口愈合。

总之，源自表皮葡萄球菌的LP78阻碍皮肤炎症，并表明是治疗难治性或非愈合性损伤的潜在成分。表皮葡萄球菌的免疫反应调节也在转录组学研究中得到强调。Masters证明，表皮葡萄球菌引起的感染引发特定的基因表达谱， notably 涉及细胞因子如IL-13、IL-17D和基质金属蛋白酶3（MMP3），这些在葡萄球菌感染期间升高。这表明表皮葡萄球菌可能影响宿主免疫反应， potentially 有助于其在维持皮肤稳态和预防致病性定植中的有益作用。

5 抗菌化合物

首批报道抑制金黄色葡萄球菌的微生物源自表达丝氨酸蛋白酶谷氨酰内肽酶（Esp，也称为GluSE）的表皮葡萄球菌菌株亚群。这些表皮葡萄球菌菌株产生的Esp降解对金黄色葡萄球菌生物膜形成和宿主上皮粘附至关重要的蛋白质。体内研究表明，分泌Esp的表皮葡萄球菌消除了金黄色葡萄球菌的鼻腔定植。额外研究表明，表皮葡萄球菌诱导的β-防御素的 resulting 杀菌活性足以杀死生物膜内的金黄色葡萄球菌。流行病学研究表明，人类志愿者鼻腔中存在分泌Esp的表皮葡萄球菌与金黄色葡萄球菌的缺失相关。这些发现 strongly suggest 源自表达Esp的表皮葡萄球菌菌株亚群的微生物有效抑制金黄色葡萄球菌生物膜形成，具有治疗和预防生物膜相关感染的巨大潜力。

表皮葡萄球菌产生的小分子化合物直接影响先天免疫受体。表皮葡萄球菌产生酚溶性调节素（PSMs），这是一类小的、两亲性α-螺旋肽，在正常表皮和毛囊中丰富。最近研究表明，PSMs可以与宿主抗菌肽协同作用，增强对化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）病原体的杀灭作用。表皮葡萄球菌和人葡萄球菌已被证明可以产生新型抗生素，这些抗生素可以与人类cathelicidin抗菌肽LL-37协同并抑制金黄色葡萄球菌的生长。具体而言，PSMγ和PSMδ都与宿主抗菌肽LL-37表现出协同活性，导致针对金黄色葡萄球菌和A族链球菌（Group A Streptococcus）的抗菌作用增强。PSMγ的合成涉及一个由多模块聚酮合酶（PKS）组成的装配线，其基因簇编码负责形成γ-二氢吡喃酮骨架结构的酶系统。PSMδ的合成可能遵循类似机制。此外，在正常人皮肤的表皮和真皮中检测到表皮葡萄球菌PSMγ，并且已显示在预处理的小鼠皮肤伤口中减少GAS（化脓性链球菌）存活。

表皮葡萄球菌产生嘌呤类似物6-硫鸟嘌呤（6-TG），通过抑制嘌呤生物合成和毒素产生来抑制金黄色葡萄球菌生长。表皮葡萄球菌既产生羊毛硫抗生素（如epilancin A37, Pep5），也是常见的易感细菌。其产生的羊毛硫抗生素在微生物竞争中起关键作用。生物信息学分析也揭示了Epilancins，一个在葡萄球菌基因组中广泛编码的抗菌肽家族。在表皮葡萄球菌A37中，Epilancins已被证明选择性抑制天然竞争者如棒状杆菌属（Corynebacterium spp.）。表皮葡萄球菌菌株KSE112产生抗生素Pep5，对金黄色葡萄球菌表现出强效活性。

6 转化与治疗视角

在确立了表皮葡萄球菌在皮肤稳态中的分子和细胞基础后，临床前和早期临床研究正在探索其及其代谢物作为活体生物治疗剂的潜力， presents 机遇与挑战。

表皮葡萄球菌释放特定的抗菌肽（细菌素），选择性靶向特应性皮炎（AD）患者皮肤中常见的分离株——金黄色葡萄球菌。这些抑制金黄色葡萄球菌的CoNS菌株在AD中很少见，但此类菌株的局部应用已被证明在体内减少了金黄色葡萄球菌负荷。将抗菌CoNS菌株重新引入患有AD的人类受试者也减少了金黄色葡萄球菌定植。然而，开发表皮葡萄球菌作为活体生物治疗剂的一个主要挑战在于区分共生菌株和潜在致病菌株。因此，安全性评估必须侧重于毒力标记，包括生物膜形成能力、溶血素基因的存在以及葡萄球菌盒式染色体mec（SCC_mec）元件的存在。合适的治疗候选菌株应缺乏DNA酶、明胶酶和其他毒力因子，这一特性可通过体外溶血试验验证。比较基因组学揭示了免疫调节功能（如角质形成细胞相互作用和短链脂肪酸产生）的显著菌株间变异。值得注意的是，agr群体感应系统类型决定了抑制金黄色葡萄球菌的能力；I型和IV型菌株有效抑制金黄色葡萄球菌毒力因子表达并减轻皮肤炎症，而II型和III型缺乏此功能，并可能表现出医院适应倾向。令人鼓舞的是，皮肤共生菌株与感染分离株相比表现出不同的转录组谱，为治疗菌株选择提供了新的分子标记。

除了菌株选择，表皮葡萄球菌活体生物治疗剂的一个关键挑战是在制造和储存过程中保持活力和稳定性。最近研究侧重于通过将特定营养限制因子纳入配方来控制细菌增殖，而不是完全抑制，使菌株保持代谢活性但分裂停滞。这种方法规避了与传统冷藏相关的冷链运输成本，并避免了抗生素或抗性标记的使用。鉴于表皮葡萄球菌治疗功效与其电活性的相关性，研究人员正在开发增强电活性的递送系统。含有导电聚合物（如聚苯胺衍生物）的水凝胶已被证明可以增强电子转移效率，改善该菌株对金黄色葡萄球菌的竞争性抑制。在皮肤微生物组内生态相互作用的指导下，最近研究还提出了“微生物组引导”的联合疗法。例如，将表皮葡萄球菌与特定比例的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）组合可以形成稳定的生物膜结构，显著增强对病原体的空间排斥。这种组合不仅增加了单个菌株的持久性，还通过种间信号激活更广泛的免疫防御网络。对于生物膜相关感染，正在开发含有噬菌体裂解酶和表皮葡萄球菌的复合制剂，其中活菌发挥免疫调节作用，而裂解酶特异性降解病原体的生物膜基质。这种协同设计解决了抗生素耐药性问题，并降低了单独使用噬菌体裂解酶相关的免疫原性风险。关键的是，此类组合产品需要严格的亚种分型（例如16S rRNA测序）和功能验证，以排除潜在致病克隆。

表皮葡萄球菌活体生物治疗产品的生产必须遵守严格的GMP标准，特别强调菌株质量控制。美国FDA将皮肤微生物组产品归类为生物制品，要求符合21 CFR 610并提交菌株基因组稳定性数据。欧盟EMA将活体生物治疗剂纳入先进治疗药物产品（ATMP）框架，强调在生产过程中保持菌株功能性。建议为表皮葡萄球菌产品采用适应性监管路径：临床前研究应侧重于评估菌株安全性（包括筛选抗生素耐药基因），而临床研究应使用微生物组-宿主相互作用的多组学标记作为替代终点。

7 结论与展望

在免疫功能低下的患者（例如移植受者、化疗患者或HIV感染者）中，表皮葡萄球菌更可能突破宿主免疫防御并引起感染。耐甲氧西林表皮葡萄球菌（MRSE）的流行是医院环境中抗生素过度使用的结果。MRSE不仅对β-内酰胺类抗生素耐药，还可能携带多重耐药基因，使治疗复杂化。正常皮肤微生物组的破坏，例如金黄色葡萄球菌过度生长，也会削弱表皮葡萄球菌提供的共生保护。虽然表皮葡萄球菌通常通过产生如羊毛硫抗生素等抗菌肽来抑制其他病原体，但致病性克隆（例如HA-MRSE）可通过水平基因转移获得毒力因子。表皮葡萄球菌的致病性转化是宿主免疫状态、环境选择压力（例如抗生素、医疗器械）和细菌适应机制（生物膜形成、抗菌药物耐药性和毒力基因）共同作用的结果。

表皮葡萄球菌在皮肤健康中复杂多面的作用 underscores 继续研究其与宿主相互作用的 critical importance，旨在制定促进最佳皮肤健康和预防感染的策略。这包括识别在特定条件下可能变为致病性的共生菌株，并阐明表皮葡萄球菌促进皮肤屏障发育、维持免疫稳态和抑制机会性病原体的机制。鉴于细菌群落内的竞争 dynamics，越来越多的证据表明痤疮可能源于痤疮角质杆菌（Cutibacterium acnes，原名痤疮丙酸杆菌Propionibacterium acnes）和表皮葡萄球菌之间的失衡。进一步研究证明，葡萄球菌的甘油发酵代表了一种先天的抗菌防御机制， potentially 适用于化妆品配方。最近工作还表明，某些定植菌可以触发T细胞反应，诱导先发制人的适应性免疫。展望未来，对表皮葡萄球菌的持续研究预计将有助于新型治疗策略，从微生物产品和益生菌干预到发现源自其代谢物的新抗菌剂。这些发现共同强调了其双重性质——有益或有害取决于菌株类型、宿主因素和环境背景——并呼吁更深入的机制见解以优化其在个性化医疗中的临床效用。

尽管取得了这些进展，几个关键问题仍未解决。首先，菌株特异性变异的机制了解甚少。表皮葡萄球菌的显著异质性解释了其多样的致病潜力；然而，使某些谱系（例如ST2）演变为高毒力病原体，而其他谱系保持共生性的遗传驱动因素尚未完全表征。具体而言，毒力因子如^icaAD和^aap如何在不同菌株间差异表达仍不清楚。类似地，生物膜相关基因（例如^ica操纵子）在不同环境条件下（如氧张力）的调控尚未完全明确。将生物膜形成与菌株间多重耐药性持久性联系起来的机制也仍未充分探索，限制了靶向疗法的发展。

与解决这些生物学问题并行，新的方法学进步至关重要。CRISPR干扰筛选已应用于高通量鉴定不同环境条件下的必需基因，揭示适应机制和毒力基因功能。将此类方法扩展到宏基因组和空间多组学分析，将能够在皮肤微生物组内更高分辨率地追踪菌株特异性动态。用小分子抑制剂靶向生物膜调控位点如^ica或^sdrG也代表了一个有前景的治疗途径。

展望未来，几个研究方向值得特别强调。首先，需要详细理解有益途径的机制，以定义免疫激活、定植抗性和发酵产物如短链脂肪酸如何促进皮肤屏障稳态。其次，必须澄清表皮葡萄球菌在炎症性皮肤病（如特应性皮炎）中背景依赖性的作用，特别是菌株异质性如何通过蛋白酶或酚溶性调节素将共生菌转向致病行为。第三，系统识别和验证益生菌或生物防治菌株（例如SAS1），结合优化的递送系统（如局部配方），可以实现稳定的定植和治疗效果。第四，区分共生与致病性生物膜并开发选择性抗生物膜策略对于感染控制和益生菌的安全应用都至关重要。最后，解决抗菌药物耐药性——尤其是耐甲氧西林表皮葡萄球菌日益流行——需要将微生物组研究与抗生素敏感性测试相结合，以指导合理的治疗设计。

总之，表皮葡萄球菌 presents 一个引人注目的悖论：保护性共生菌和机会性病原体。未来的研究应整合机制见解、技术创新（例如菌株水平宏基因组学、代谢组学、基于CRISPR的功能基因组学）和转化应用（工程化共生菌、基于代谢物的治疗剂），以释放其在皮肤病学中的全部潜力。单细胞测序和空间转录组学的结合，在肠道微生物组研究中对于剖析宿主相互作用和疾病机制已经很有价值，在皮肤微环境中应用前景广阔。通过解决围绕菌株异质性、生物膜调控和耐药机制的关键问题，表皮葡萄球菌最终可以被利用作为一种新型益生菌和治疗工具，同时最小化其固有的致病风险，为精准微生物组疗法铺平道路。