皮肤共生菌通过调控生物钟-铁死亡轴维持银屑病皮肤屏障功能

《Cell Reports》：Skin commensals shape the clock-ferroptosis axis to preserve barrier function in psoriasis

　　

摘要专业翻译 银屑病（psoriasis）是全球最常见的慢性炎症性皮肤病之一，并伴有显著的皮肤微生物群改变。本研究证实了银屑病皮损中的微生物失调（microbial dysbiosis），并观察到乳杆菌属（Lactobacillus）丰度降低。进一步的功能筛选表明，局部给予植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum）可减轻银屑病样皮损。机制上，植物乳杆菌产生吲哚-3-乳酸（indole-3-lactic acid, ILA），该代谢物可恢复角质形成细胞（keratinocyte）的昼夜节律性（circadian rhythmicity），从而抑制铁死亡（ferroptosis）并促进表皮屏障修复。上述发现揭示了皮肤微生物群在银屑病表皮屏障修复中的贡献，并支持植物乳杆菌及其代谢物ILA作为临床干预手段的治疗潜力。

论文解读

一、研究背景与研究目的

银屑病影响着全球2%–3%的人口，以持续性炎症和角质形成细胞过度增殖失调为特征，并伴随促炎介质的周期性爆发。角质形成细胞的内在异常降低了致病性刺激的阈值，并维持着自我延续的炎症环路。当前银屑病的治疗策略主要集中于控制炎症，而直接靶向异常角质形成细胞增殖的手段仍然相对有限。

既往研究已表明，皮肤微生物群在维持角质形成细胞稳态分化、抑制皮肤炎症中发挥重要作用。在银屑病发病过程中，皮肤微环境被破坏，皮肤微生物群失衡，导致外部细菌入侵和机会性细菌过度增殖。这些有害细菌定植于皮肤表面，过度激活免疫和炎症通路，加重干燥、瘙痒等症状，进一步恶化皮肤微环境。因此，重塑微环境稳态是银屑病治疗的一个有前景的方向。然而，银屑病中哪些细菌类群减少以及它们的缺失是否导致疾病发生仍不清楚。

在银屑病中，屏障损伤继发于过度增殖的角质形成细胞的异常角化和死亡。对皮损皮肤的单细胞分析鉴定出具有活性氧（ROS）积累、脂质过氧化和铁稳态紊乱的角质形成细胞，这些变化与铁死亡（ferroptosis）——一种铁依赖的调节性细胞死亡形式——相一致。铁代谢随昼夜节律周期波动，昼夜节律紊乱可促进细胞铁积累和铁死亡。核心时钟基因如Bmal1（Arntl）将生理活动与约24小时的周期同步化。银屑病患者常因瘙痒而遭受睡眠剥夺和昼夜节律紊乱，这增加了银屑病的风险甚至加重病情；反之，恢复昼夜节律稳态可显著改善银屑病症状。然而，昼夜节律紊乱是否通过铁死亡机制参与银屑病发病尚未明确。

基于上述背景，研究人员开展本研究，旨在明确铁死亡在银屑病发病中的贡献及其受皮肤微生物群的调控机制，并探索通过补充特定共生菌及其代谢产物治疗银屑病的可行性。

二、研究内容与主要结论

研究人员通过多组学分析、动物模型、细胞实验和临床样本验证，系统阐明了植物乳杆菌及其代谢物ILA通过昼夜节律-铁死亡轴改善银屑病的分子机制。研究发现，植物乳杆菌和ILA不仅恢复了银屑病中紊乱的皮肤微生物生态，还通过激活Bmal1-Sirt3通路抑制角质形成细胞铁死亡，修复表皮屏障，为银屑病的微生物靶向治疗提供了机制基础和临床转化依据。

三、主要关键技术方法

本研究采用16S rRNA基因扩增子测序和宏基因组测序（metagenomic sequencing）分析健康人与银屑病患者的皮肤微生物组成，样本来自SMOOTH临床研究队列（含94例个体：16例健康对照、78例银屑病患者）及5例银屑病患者的配对皮损与非皮损样本。研究人员构建了咪喹莫特（IMQ）诱导的银屑病样小鼠模型，采用抗生素清除皮肤微生物、小鼠共居实验和皮肤微生物群移植（SMT）验证共生菌的保护作用。利用靶向代谢组学鉴定植物乳杆菌的关键代谢物ILA，并通过基因敲除构建AraT缺陷突变菌株验证ILA的关键作用。在机制研究中，运用单细胞RNA测序（scRNA-seq，数据集GSE173706，含8例健康皮肤和14例银屑病皮损样本）、转录组测序（RNA-seq）、Western blot、免疫组化（IHC）、多重免疫荧光、透射电镜（TEM）、蛋白质结构对接、CETSA和SPR等生物物理手段，以及Bmal1基因敲除小鼠模型和siRNA敲降实验，系统验证了ILA-Bmal1-Sirt3-铁死亡信号轴。此外，研究人员还开展了一项包含25名健康志愿者的观察性临床研究（其中17人符合睡眠剥夺标准），评估睡眠减少对皮肤乳杆菌丰度的影响。

四、研究结果

1. 皮肤微生物保护皮肤屏障并减轻IMQ诱导的银屑病样皮肤表型

研究人员整合四个已发表研究的16S rRNA测序数据，确认银屑病皮损与健康皮肤之间微生物群落组成存在显著差异。在IMQ小鼠模型中，局部抗生素清除皮肤微生物后，小鼠皮肤屏障功能受损，银屑病样皮损出现更早、更严重。将IMQ小鼠与健康小鼠以1:3比例共居7天，可显著改善银屑病样炎症，表现为经表皮水分丢失（TEWL）降低、表皮厚度减少和PASI评分下降。将健康人皮肤微生物群移植到IMQ处理小鼠背部可显著减轻皮损，而银屑病患者的皮肤微生物群则加重皮损。这些结果证实了共生微生物对银屑病恢复的重要性。

2. 植物乳杆菌在银屑病皮损中减少并可减轻银屑病样皮肤表型

宏基因组测序和RT-qPCR分析显示，银屑病皮损中乳杆菌属相对丰度降低，其中植物乳杆菌、詹氏乳杆菌（L. jensenii）和约氏乳杆菌（L. johnsonii）减少最为显著。功能验证表明，植物乳杆菌在IMQ模型中的治疗效果优于其他两种乳杆菌。以10³–10⁶ CFU梯度剂量局部给予植物乳杆菌，可剂量依赖性地减轻脱屑、红斑和皮肤增厚，降低TEWL、提高皮肤水合度、降低PASI评分，并抑制IL-17、IL-1β和CXCL12等促炎因子的表达。

3. 植物乳杆菌通过产生ILA改善银屑病样皮肤表型

靶向代谢组学鉴定出吲哚-3-乳酸（ILA）为植物乳杆菌的主要代谢产物。灭活的植物乳杆菌无治疗效果，而植物乳杆菌上清液可显著减轻银屑病表型。外源性ILA（250 μM和500 μM）处理可减轻背部及耳部银屑病样皮损，降低TEWL和PASI评分，提高皮肤水合度。通过敲除ILA代谢关键酶AraT构建的突变菌株，其ILA产生能力显著降低，且对银屑病的治疗效果消失，证实ILA是植物乳杆菌发挥治疗作用的关键代谢物。

4. 植物乳杆菌和ILA恢复皮肤微生物生态平衡

16S rRNA测序显示，ILA处理显著提高了皮肤细菌群落的α多样性，改变了β多样性，增加了乳杆菌属的相对丰度并降低了葡萄球菌属（Staphylococcus）的比例。转录组分析显示，ILA处理下调了IL-17、TNF、JAK-STAT和NF-κB等炎症信号通路以及金黄色葡萄球菌感染通路，同时富集了AMPK、脂肪酸代谢和脂质代谢平衡等细胞稳态相关通路。ELISA和Ki67免疫组化染色进一步证实，植物乳杆菌和ILA可抑制角质形成细胞过度增殖。

5. 银屑病皮损中的角质形成细胞以铁死亡升高为特征

对单细胞测序数据的分析显示，银屑病皮损中富集了铁死亡相关通路，且角质形成细胞的铁死亡评分显著高于健康皮肤，其模块评分高于凋亡和焦亡。Western blot证实IMQ小鼠皮肤中GPX4蛋白水平降低。对不同程度银屑病患者的皮损进行4HNE-GPX4-TUNEL三重免疫荧光染色发现，PASI评分越高，皮损区域铁死亡越显著。

6. 植物乳杆菌和ILA通过抑制铁死亡减轻IMQ诱导的银屑病样皮损

以Fer-1（经典铁死亡抑制剂）作为阳性对照，植物乳杆菌、ILA和Fer-1均能减轻IMQ诱导的脱屑、增厚和红斑，降低TEWL和PASI评分，提高水合度。DHE染色显示三者均抑制了皮肤中ROS的积累，GPX4表达显著增加。体外实验中，以M5细胞因子混合物模拟银屑病微环境刺激小鼠角质形成细胞，植物乳杆菌上清液、ILA和Fer-1均可减轻氧化应激、降低Fe²⁺积累、恢复线粒体形态和膜电位、提高GSH/GSSG比值并降低MDA水平。

7. 恢复昼夜节律可改善银屑病中的铁死亡

在25名健康志愿者的观察性临床研究中，经历4周睡眠剥夺（平均每日睡眠少于6小时）的17名志愿者，其皮肤乳杆菌相对丰度显著下降。单细胞测序和转录组分析显示，银屑病皮损中昼夜节律通路下调，核心时钟基因BMAL1、CLOCK、CRY1、CRY2、PER1、PER2的表达均降低，昼夜节律紊乱（CRD）评分在皮损区域升高。ILA处理后，昼夜节律相关通路显著富集，Bmal1转录水平上调。免疫组化和Western blot证实植物乳杆菌和ILA处理可增加IMQ小鼠皮肤中Bmal1的表达。

8. ILA激活Bmal1抑制铁死亡

体外实验中，ILA可有效逆转Erastin和RSL3诱导的角质形成细胞铁死亡，表现为恢复细胞活力、升高GPX4和SLC7A11表达、减少ROS和Fe²⁺积累、恢复线粒体功能。但通过siRNA敲降Bmal1后，ILA的抗铁死亡效果被显著削弱。在Bmal1基因敲除小鼠中，ILA未能改善IMQ诱导的银屑病样皮损，也未能纠正角质形成细胞异常增殖和铁死亡。CETSA和SPR实验证实ILA可直接结合并稳定Bmal1蛋白。

9. Bmal1通过Sirt3抑制铁死亡

研究发现，ILA激活Bmal1后上调Sirt3的mRNA和蛋白表达，并增强其酶活性。蛋白质结构对接显示Bmal1与Sirt3之间存在高结合评分。敲降Sirt3可削弱ILA诱导的GPX4和SLC7A11升高，破坏ILA对氧化应激、Fe²⁺积累和线粒体膜电位的保护作用。

10. ILA通过Bmal1-Sirt3轴抑制铁死亡并有效减轻IMQ诱导的银屑病样表型

体内实验中，在IMQ处理小鼠皮肤局部应用si-Sirt3可削弱ILA的治疗效果，而Bmal1过表达可保护皮肤，该保护作用可被si-Sirt3所削弱。HE染色、DHE染色和GPX4免疫组化均一致证实，Sirt3是ILA-Bmal1通路治疗银屑病的关键下游效应分子。

五、讨论与结论

本研究表明，植物乳杆菌及其代谢物ILA通过调控皮肤昼夜节律抑制铁死亡，从而修复皮肤屏障、改善银屑病样病理。研究将皮肤微生物群与昼夜节律-铁死亡轴联系起来，揭示了共生微生物通过代谢物调控宿主节律性细胞死亡的新机制。研究还发现ILA处理后乳杆菌丰度增加，提示ILA可能通过重塑局部微环境为乳杆菌的维持创造有利条件。在机制层面，研究排除了Nrf2和AKT作为Bmal1下游效应分子的可能性，鉴定出Sirt3为关键下游靶点，并证实ILA通过Bmal1-Sirt3轴发挥抗铁死亡作用。研究也指出了若干局限性，包括植物乳杆菌和ILA局部应用后清除较快、16S rRNA测序对某些低丰度菌群的分辨率有限、IMQ模型不能完全反映人类银屑病的慢性特征等。总体而言，该研究为银屑病的微生物靶向治疗策略提供了机制基础，支持植物乳杆菌和ILA作为临床干预手段的进一步评估。