人類皮膚是數百萬微生物的家園。這些微生物之一，金黃色葡萄球菌，是一種機會主義病原體，可以侵入受濕疹影響的皮膚斑塊，也被稱為特應性皮炎。在一項新的研究中，麻省理工學院和其他機構的研究人員發現，這種微生物可以在一個人的微生物組中迅速進化。他們發現，在患有濕疹的人中，金黃色葡萄球菌傾向於演變為一種變體，其特定基因的突變有助於它在皮膚上更快地生長。

這項研究標誌著科學家們第一次直接觀察到與一種複雜的皮膚疾病有關的微生物的這種快速進化。這些發現還可以幫助研究人員開發潛在的治療方法，通過針對具有這種類型突變的金黃色葡萄球菌的變體來舒緩濕疹的症狀，這些變體往往會使濕疹症狀惡化。

“這是第一項顯示金黃色葡萄球菌基因型在特應性皮炎患者身上發生變化的研究，”土木與環境工程助理教授、麻省理工學院醫學工程與科學研究所成員Tami Lieberman說。”據我所知，這是皮膚微生物組中適應性進化的最直接證據。”

一張SEM圖像顯示了四個黃色的、球狀的金黃色葡萄球菌細菌。資料來源：美國國家過敏和傳染病研究所（NIAID）。

利伯曼和墨西哥國家兒科研究所的皮膚科醫生兼助理教授瑪麗亞-特雷莎-加西亞-羅梅羅是這項研究的資深作者，該研究於4月12日發表在科學雜誌《細胞-宿主-微生物》上。Felix Key是麻省理工學院的前博士後，現在是馬克斯-普朗克感染生物學研究所的組長，他是該論文的第一作者。

細菌的適應性

據估計，30%至60%的人在鼻孔中攜帶金黃色葡萄球菌，在那裡它通常是無害的。在患有濕疹的人中，金黃色葡萄球菌經常會傳播到濕疹斑塊並感染皮膚，在美國，濕疹影響了大約1000萬兒童和1600萬成年人。

利伯曼說：”當皮膚有破損時，金黃色葡萄球菌可以找到一個它可以生長和復制的位置。人們認為，這些細菌對病理有貢獻，因為它們分泌毒素並招募免疫細胞，而這種免疫反應進一步破壞了皮膚屏障”。

在這項研究中，研究人員希望探索金黃色葡萄球菌如何能夠適應生活在濕疹患者的皮膚上。

“這些微生物通常生活在鼻子裡，我們想知道當它發現自己在特應性皮炎皮膚上時，是否需要改變以生活在那裡？而且我們能否從觀察它的進化過程中了解到一些關於這些細菌如何與特應性皮炎皮膚相互作用的情況？”利伯曼說。

為了回答這些問題，研究人員招募了5至15歲的患者，他們正在接受中度至重度濕疹的治療。他們在三個月內每月一次採集他們皮膚上的微生物樣本，然後在九個月內再次採集。樣本取自膝蓋背面和肘部內側（受濕疹影響的最常見部位）、通常不受影響的前臂以及鼻孔。

來自每個樣本部位的金黃色葡萄球菌細胞被單獨培養，以便從每個樣本中產生多達10個菌落，一旦形成大的菌落，研究人員就對細胞的基因組進行測序。這產生了近1500個獨特的菌落，這使研究人員能夠比以前更詳細地觀察細菌細胞的進化。

利用這種技術，研究人員發現大多數病人保持著單一的金黃色葡萄球菌系–也就是說，從環境或另一個人那里傳來新菌株並取代現有的金黃色葡萄球菌系的情況非常少見。然而，在研究的9個月裡，在每個品系內都發生了大量的變異和進化。

利伯曼說：”儘管在品系層面上很穩定，但我們在整個基因組層面上看到了很多動態變化，在這些細菌中不斷出現新的突變，然後擴散到整個身體。”

這些突變中有許多出現在一個叫做capD的基因中，該基因編碼一種合成膠囊多醣所必需的酶–一種保護金黃色葡萄球菌不被免疫細胞識別的塗層。研究人員發現，在六名深度採樣的患者中，有兩名患者的capD突變細胞佔據了整個金黃色葡萄球菌皮膚微生物組群。其他患者被最初缺乏capD功能拷貝的菌株定植，在研究結束時總共有22%的患者缺乏capD。在一名患者中，不同的金黃色葡萄球菌樣本中獨立出現了四種不同的capD突變，然後其中一個變體成為主導，並在整個微生物組中擴散。

靶向治療

在對實驗室培養皿中生長的細菌細胞的測試中，研究人員顯示，capD的突變使金黃色葡萄球菌比具有正常capD基因的金黃色葡萄球菌菌株生長得更快。合成膠囊多醣需要大量的能量，因此當細胞不必製造它時，它們有更多的燃料來推動自身的生長。研究人員還假設，失去膠囊可能會讓微生物更好地粘附在皮膚上，因為讓它們粘附在皮膚上的蛋白質更加暴露。

研究人員還分析了近300個公開的從有和沒有濕疹的人身上分離出來的細菌基因組，並發現有濕疹的人比沒有濕疹的人更有可能擁有不能產生膠囊多醣的金黃色葡萄球菌變種。

濕疹通常用保濕劑或局部類固醇治療，如果皮膚出現感染，醫生可能會開出抗生素。研究人員希望他們的發現能導致開發出治療方法，通過針對在膠囊多醣中發生突變的金黃色葡萄球菌變體來減輕濕疹症狀。

“García-Romero說：”我們在這項研究中的發現為金黃色葡萄球菌如何在宿主體內進化提供了線索，並揭示了一些可能有助於細菌留在皮膚上並產生疾病的特徵，而不是能夠被刷掉的。”在未來，金黃色葡萄球菌變體在膠囊多醣方面的突變可能是潛在治療的相關目標。

利伯曼的實驗室現在正致力於開發可用於針對膠囊陰性金黃色葡萄球菌菌株的益生菌。她的實驗室還在研究具有capD突變的金黃色葡萄球菌菌株是否更有可能傳播給濕疹患者家中的其他成員。