人类疥疮治疗前后皮肤微生物组的鸟枪法宏基因组学特征变化研究

《International Journal of Molecular Sciences》：Shotgun Metagenomic Characterization of Skin Microbiome Shifts in Human Scabies Before and After Scabicidal Treatment

　　

疥疮是由疥螨（Sarcoptes scabiei）引起的全球广泛流行的体外寄生虫感染性疾病，与剧烈瘙痒及继发性细菌感染相关，然而活动性感染期间皮肤微生物组的分子组成仍鲜有表征。研究人员对18例患者在杀疥治疗前后从干燥及湿润解剖部位采集的41份皮肤样本进行了鸟枪法宏基因组测序（shotgun metagenomic sequencing）。在探索性组间比较中，治疗前湿润部位样本的α多样性（alpha diversity）低于治疗后湿润部位样本，且其细菌和病毒读数负担（read-based burden）高于治疗后湿润部位样本。治疗前干燥部位与湿润部位样本在多样性上无显著差异，葡萄球菌属（Staphylococcus）为主要优势菌属。经Benjamini–Hochberg错误发现率（false discovery rate, FDR）校正（阈值为0.05）后，没有任何属水平或种水平的分类单元或预测代谢通路仍具有统计学显著性。预测的嘌呤生物合成通路的标称差异（nominal differences）被解读为探索性观察结果。这些发现提供了活动性疥疮期间皮肤微生物组的鸟枪法宏基因组学特征，并描述了与治疗相关的探索性变化模式，这些模式需要在更大规模、配对的纵向研究中加以确认。

论文解读：人类疥疮治疗前后皮肤微生物组的鸟枪法宏基因组学变化

疥疮是由疥螨（Sarcoptes scabiei var. hominis）引起的体外寄生虫感染，临床表现为剧烈夜间瘙痒、丘疹、隧道、结节或水疱，可进展为抓痕和继发感染。瘙痒源于螨虫直接活动、宿主免疫应答及皮肤屏障破坏的多重交互作用，其中疥螨分泌的蛋白水解酶可降解角蛋白并促进其钻入角质层，同时激活蛋白酶激活受体，引发神经源性炎症和瘙痒信号放大。已有证据提示疥螨可能调节宿主微生物种群，猪模型研究显示疥疮感染可改变皮肤微生物组并促进机会性病原体生长，例如葡萄球菌属（Staphylococcus）物种增加，并从共生的人表皮葡萄球菌（S. hominis）转变为毒力更强的产色葡萄球菌（S. chromogenes）。然而，疥螨、其分泌物与皮肤微生物组之间的精确相互作用仍不明确，构成疥疮病理生理学理解中的关键空白。为此，研究人员对疥疮患者治疗前后的皮肤样本进行鸟枪法宏基因组测序，旨在表征分类组成、跨域微生物负担及功能通路潜力。

研究人员从韩国议政府圣玛丽医院皮肤科招募了18名成人疥疮患者，在2023年9月至2024年12月期间收集皮肤样本。样本依据解剖部位及治疗状态分为三组：治疗前干燥部位样本（Pre-DR，n=16）、治疗前湿润部位样本（Pre-MO，n=16）和治疗后湿润部位样本（Post-MO，n=9）。干燥部位包括手和手腕，湿润部位包括腋窝、臀沟和腹股沟。治疗后干燥部位样本因DNA质量差（DNA完整性数值低）被排除。所有患者均接受5%局部氯菊酯乳膏治疗，疗程为三次涂抹，并在治疗完成两周后进行随访采样，且所有治疗后样本均经显微镜确认疥螨、虫卵或粪粒转阴。患者平均年龄72.1±18.4岁，女性占72.2%。样本经无菌手术刀刮取皮损后转移至无菌尼龙植绒拭子，储存于无菌管中并于4℃保存至DNA提取。测序读长为151碱基对（bp）。

研究人员采用的主要技术方法包括：使用Sickle软件（版本1.33）对FASTQ原始数据进行质量过滤（去除Phred质量分数低于20或长度短于100 bp的读数）；使用Kraken2（版本2.1.3）进行分类学注释，将每条读数拆分为35 bp的k-mer，与基于NCBI RefSeq框架的自定义数据库比对，该数据库涵盖人类、疥螨以及广泛的细菌、真菌、病毒和古菌基因组；随后使用Bracken在指定分类水平上重新估计物种丰度，排除人类和疥螨读数后进行后续分析。相对丰度数据用于计算Shannon和Simpson指数的α多样性以及基于Bray–Curtis相异度的β多样性。代谢通路分析使用HMP统一代谢分析网络（HUMAnN 3.0），将读数映射至UniRef50蛋白注释并推断代谢通路丰度。统计比较使用Wilcoxon秩和检验，β多样性差异通过基于Bray–Curtis相异度的置换多元方差分析（PERMANOVA，999次置换）评估，多重检验校正采用Benjamini–Hochberg错误发现率（BH-FDR）方法，校正后p<0.05视为显著。分析均在R软件（版本4.3.3）中完成。

研究结果显示，在治疗相关的多样性与群落结构变化方面，治疗前干燥与湿润部位样本的α多样性（Shannon p=0.6529；Simpson p=0.6236）和β多样性（PERMANOVA p=0.921）均无显著差异。探索性组间比较显示，Post-MO组的α多样性高于Pre-MO组（Shannon p=0.0297；Simpson p=0.0177），且β多样性分析显示两组间群落组成存在差异（PERMANOVA p=0.029）。在读数负担方面，Post-MO的非宿主、非疥螨微生物读数比例显著低于Pre-MO（p=0.0124），该降低主要由细菌和病毒读数减少驱动（p<0.05），而真菌和古菌丰度无明显变化。在优势类群方面，治疗前葡萄球菌属为优势菌属，治疗后其相对丰度显著下降（?33.58%）；Bacillota门在治疗前组中相对丰度高出31.94%，而Ascomycota门在治疗后组中高出22.04%。物种水平上，治疗前金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，27.45%）和表皮葡萄球菌（S. epidermidis，6.46%）相对丰度较高，治疗后灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）相关读数增加6.89%，但该环境相关分类可能代表污染或数据库错误分类。探索性差异丰度分析中，属水平的嗜血杆菌属（Haemophilus）、Ottowia和Lichenicola在Pre-MO中较高，而密螺旋体属（Treponema）、军团菌属（Legionella）和假丝酵母属（Candida）在Post-MO中较高；种水平的Rothia dentocariosa、Staphylococcus edaphicus、Staphylococcus felis和Staphylococcus gallinarum在Pre-MO中较高，而Candida dubliniensis、Colletotrichum destructivum和Saccharomycodes ludwigii在Post-MO中较高。然而，经BH-FDR校正后，无论是属水平（1455个检验，最小校正p=0.594）还是种水平（4111个检验，最小校正p=0.557），均无任何分类单元保持统计学显著。在预测代谢通路方面，315条通路中有99条的名义未校正p<0.05，但经BH-FDR校正后均不显著（最小校正p=0.116）。Pre-MO中腺苷脱氧核糖核苷酸从头生物合成II、鸟苷脱氧核糖核苷酸从头生物合成II及鸟苷核苷酸从头生物合成I超通路的相对丰度较高（未校正p=0.0045，校正p=0.116）。分类群贡献分析显示，Pre-MO组中金黄色葡萄球菌、Corynebacterium accolens和表皮葡萄球菌贡献了大多数通路相关读数。

讨论部分指出，活动性疥疮期间皮肤微生物组呈现低多样性状态，以葡萄球菌属优势和非宿主非螨虫微生物读数负担升高为特征。治疗后湿润部位样本的α多样性升高且群落组成发生变化，但这些变化应被视为治疗相关的微生物组改变，而非向健康微生物组恢复的证据。治疗前干燥与湿润部位间多样性无差异，提示活动性疥疮可能削弱了解剖部位相关的微生物分化，类似现象也见于银屑病等炎症性皮肤病。治疗后细菌和病毒读数降低而真菌和古菌变化不显著，部分真菌属的相对丰度升高可能是细菌和病毒读数减少带来的组成效应。氯菊酯本身几乎无直接抗菌活性，观察到的变化可能与治疗后皮肤屏障完整性或局部免疫活性的改变有关，但该机制假说未被直接验证。探索性分析提示Rothia dentocariosa等分类群在治疗前较高，但均未通过FDR校正。环境相关分类群如Lichenicola cladoniae、Botrytis cinerea和Colletotrichum destructivum可能来自污染，缺乏阴性对照无法排除。功能通路分析中嘌呤生物合成通路的富集属于假设生成性发现，不证明嘌呤代谢物产量或酶活性的变化。研究局限性包括队列规模较小、采样仅部分配对、缺乏健康对照组和未治疗时间对照、未考虑个体内重复样本的相关性、未报告置信区间、接受全身性皮质类固醇或环孢素的患者被保留在分析队列中可能构成混杂因素，以及宏基因组测序仅反映群落编码的功能潜力而无法测量基因表达或代谢产物水平。

结论部分总结，该研究提供了疥疮患者治疗前后皮肤微生物组变化的鸟枪法宏基因组学特征。探索性比较识别了微生物多样性、群落组成和读数负担方面的差异，但没有任何属或种水平分类单元或预测通路在BH-FDR校正后仍显著。所有分类群和通路特异性的观察均应视为探索性结果，研究结果并未确立向健康参考微生物组的恢复。未来需要包含匹配对照、配对纵向采样和靶向功能验证的研究来确定这些发现的生物学和临床意义。