皮肤微生物组调控紫外线损伤的离体人皮肤模型评估研究

《Frontiers in Microbiology》：Assessment of microbiome-UV interactions in a physiological ex vivo human skin model

　　

摘要 引言： 皮肤微生物组日益被认为是皮肤生理和紫外线（UV）应答的调节因子，然而，由于缺乏能够保留生理相关皮肤结构和微生物群落的模型系统，人体模型中的机制性研究仍然受限。 方法： 研究人员采用生理性Perfex离体人皮肤外植体系统评估微生物组-紫外线相互作用。取自三位供体的腹部皮肤外植体接种供体特异的面颊微生物组或载体，24小时后暴露或不暴露于单次紫外线照射。接种后48小时进行评估。通过基于培养的菌落形成单位（CFU）计数和16S rRNA基因测序评估细菌存活和转移。通过RT-qPCR评估涉及氧化应激、炎症、皮肤水合、屏障功能和表皮分化的29个基因的皮肤应答。通过免疫组织化学定量环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）、8-羟基-2′-脱氧鸟苷（8-OHdG）、氧化蛋白和核因子E2相关因子2（NRF2）。 结果： Perfex外植体支持供体来源皮肤微生物群短期存活长达48小时，尽管可培养细菌在此期间减少约90%，包括紫外线照射后。16S图谱确认供体特异性微生物组转移，但也揭示未接种对照中残留细菌DNA，限制了对紫外线对微生物组成影响的解释。在检测的29个表皮基因表达变化中，四个基因——GPX1、IVL、LOR和KRT1——表现出紫外线诱导的表达模式因微生物组存在与否而不同。相反，微生物组接种显著减弱了紫外线诱导的CPDs、8-OHdG、蛋白氧化和NRF2诱导。 讨论： 尽管微生物定植、活力和时间分辨率方面存在显著局限性，Perfex系统提供了一个生理相关的离体平台，其中移植的人皮肤微生物组可调节紫外线诱导的氧化和基因毒性损伤。这些概念验证数据支持进一步优化该模型以用于微生物组-紫外线机制研究。

论文解读：皮肤微生物组与紫外线相互作用的离体模型研究

一、研究背景与意义

皮肤作为人体最外层的器官，持续暴露于紫外线（UV）辐射等外部应激源。UVB辐射（280–320 nm）主要被表皮吸收，诱导红斑、水肿、晒伤及免疫抑制，并造成以环丁烷嘧啶二聚体（CPDs）为主的DNA损伤，最终可能促进癌变。UVA辐射（320–400 nm）则穿透至真皮层，促进活性氧（ROS）生成，间接损伤DNA并驱动光老化表现。皮肤虽已进化出黑色素合成、抗氧化防御和DNA修复等有效光保护机制，但在过度或慢性紫外线暴露下这些系统可能不堪重负。

皮肤微生物组——定植于表皮表面的多样化细菌、真菌、病毒和微真核生物群落——已被认为是皮肤稳态的关键调节因子，参与维持屏障完整性、调节先天性和适应性免疫应答以及防御病原体入侵。鉴于其浅表位置，皮肤微生物组直接暴露于紫外线辐射。紫外线暴露可通过直接损伤微生物细胞及与皮肤的复杂双向相互作用改变微生物组组成。然而，解析微生物组调节皮肤紫外线应答的机制仍处于早期阶段，其关键前提是获得能忠实重现皮肤及其相关微生物群的生理相关人体模型。

传统重建人表皮（RHE）模型虽标准化程度高且可控微生物接种，但结构简化，缺乏完整人皮肤的复杂性，且对长期微生物存活不利。传统离体人皮肤外植体虽保留天然皮肤结构和常驻免疫细胞群体，但通常在37°C、水饱和条件及5% CO?气氛下维持，这些条件改变皮肤生物学，与皮肤表面的物理化学环境差异显著。为规避上述非生理培养条件，Peno-Mazzarino等人（2025）开发了Perfex系统——一种重现从真皮至皮肤表面37–32°C生理温度梯度、在环境CO?（0.04%）和低相对湿度（40–60%）下运行的人皮肤外植体模型，密切模拟体内皮肤表面的物理化学环境。本研究旨在利用该平台评估复杂皮肤微生物组与紫外线照射之间的相互作用，检验该方法的可行性，识别有前景的生物学信号，并界定平台用于机制研究前仍需解决的方法学局限。

二、主要技术方法

研究人员采用Perfex离体人皮肤外植体系统开展研究。皮肤微生物组取自健康女性志愿者（29、35、45和57岁，Fitzpatrick光型II-III）的面颊区域，使用ESwab? 480C采集。全层人皮肤碎片取自接受选择性腹部整形术的女性供体（25、35、46和49岁，Fitzpatrick光型II-III）。皮肤外植体经UVC灭菌后转移至Perfex系统，接种供体特异性面颊微生物组或载体，24小时后进行单次紫外线照射（UVA: 18 J/cm2，UVB: 0.3 J/cm2）。实验采用三对独立皮肤供体-微生物组供体组合，每条件九个外植体。细菌存活通过培养法CFU计数和16S rRNA基因测序（V1-V3高变区，AVITI平台）评估。皮肤应答通过RT-qPCR检测29个基因表达，免疫组织化学定量CPDs、8-OHdG、氧化蛋白和NRF2。

三、研究结果

3.1 微生物组植入及紫外线照射的影响

培养法菌落计数显示，接种后48小时，未照射外植体回收的CFU较初始接种物下降90.0%，紫外线照射外植体下降达99.0%。尽管存在约十倍差异，未照射与紫外线照射外植体回收的CFU数量无显著差异。未接种皮肤外植体未检测到CFU。16S rRNA基因测序显示，尽管经UVC灭菌和抗生素处理，未接种外植体表面仍检测到细菌DNA，但接种外植体的微生物群落组成更接近接种的微生物组，未发现紫外线暴露导致的明显组成差异。Masson三色染色显示各条件下皮肤外植体均无结构性改变。

3.2 微生物组对紫外线诱导基因表达变化的影响

在未接种外植体中，紫外线暴露后24小时，TGF-β1下调，EGF及炎症相关基因未受显著影响。多数氧化应激相关基因（SOD1、SOD2、CAT、NFE2、FTH1、FTL）表达与基线相似，仅GPX1轻度上调。皮肤水合和屏障功能相关基因中，FLG2、IVL、KLK5、KLK7、LCE2B、TGM1下调，仅HAS3上调。表皮分化标志物中，KRT5和CASP14稳定，KRT15下调，KRT10上调。微生物组接种外植体整体呈现相似的紫外线诱导转录变化模式，仅四个基因表现不同：GPX1和IVL不再对紫外线产生变化，LOR转为下调，KRT1转为上调。

3.3 微生物组对紫外线诱导DNA损伤标志物和蛋白变化的影响

CPDs在未照射外植体中缺失。紫外线暴露后，微生物组接种的照射外植体CPD水平较未接种照射外植体低14%。8-OHdG水平在微生物组接种的照射外植体与未照射外植体（无论接种与否）相似，而未接种照射外植体8-OHdG水平较接种照射外植体高49%。微生物组接种单独使氧化蛋白水平较未接种未照射外植体增加42%，后续紫外线照射未进一步改变。紫外线照射的未接种外植体氧化蛋白水平较接种照射外植体高18%。NRF2（磷酸化S40活性形式）仅在未接种外植体紫外线照射后显著增加120%，接种外植体无论照射与否均与未接种未照射外植体相当。

四、讨论与结论

Perfex模型支持短期细菌存活，但48小时内约90%可培养细菌丢失，这一发现与此前研究一致，表明该损失反映模型可重复的内在特征而非实验变异性。可能的机制包括Perfex系统固有的物理化学限制、跨部位移植（面颊微生物组移植至腹部外植体）及个体间移植的不兼容性。由于紫外线照射时（接种后24小时）的实际细菌载量未知，无法确定紫外线照射后观察到的十倍减少反映真实的杀菌效应还是实验变异性，也无法确定保护效应源于活菌、残留微生物生物量、细菌代谢产物或其组合。16S分析中未接种对照检测到残留细菌DNA，掩盖了活菌部分中紫外线诱导的组成变化。

基因表达分析中，29个基因中15个无显著紫外线诱导差异表达，10个在紫外线照射下差异表达但模式不受微生物组接种影响，仅GPX1、IVL、LOR和KRT1四个基因的紫外线诱导表达谱因微生物组状态而异。在微生物组接种外植体中，紫外线诱导的GPX1和IVL变化消失，LOR下调、KRT1上调，提示微生物组可能调节角质形成细胞抗氧化和分化应答。然而，这些结果需谨慎解读，因全层皮肤RNA提取、供体间变异性、单时间点采样及伪重复等局限可能限制分析灵敏度。

免疫组织化学分析显示，皮肤微生物组的存在显著减弱了紫外线诱导的氧化和基因毒性损伤，并削弱了相关的NRF2应答。微生物组接种单独提高基线氧化蛋白水平，符合氧化预 conditioning 模式——细菌定植产生的温和可耐受氧化挑战预激活宿主抗氧化防御，赋予对后续更大挑战（如紫外线）的保护。然而，所有四种损伤标志物的降低同样符合微生物生物量作为部分紫外线滤过器的纯物理效应。区分生物活性保护机制与被动物理屏蔽需要专门对照（如紫外线灭活微生物组接种），这应成为未来实验设计的优先事项。

综上，尽管存在定植欠佳、最终细菌载量低及缺乏时间分辨微生物组定量等技术限制，Perfex离体人皮肤外植体系统提供了研究人体皮肤微生物组-紫外线相互作用的生理相关平台。紫外线诱导的CPDs、8-OHdG、蛋白氧化和NRF2诱导在微生物组接种外植体中的减弱表明，移植的微生物组可调节皮肤对紫外线的应答。未来改进细菌存活、增加接种量及实施纵向设计将增强该模型在微生物组介导光保护机制研究中的效用。