Биотехнологии пытаются манипулировать микробиомом кожи
Крис Каллеваерт приобрел неприятный запах тела в одночасье.
Тогда еще студент-биоинженер он жил практически без неприятных запахов. Но несколько лет назад он вдруг заметил, что всего за 12 часов, приобрел явно неприятный запах. Вопрос о том, как и почему, стал для него научным заданием - понять, как популяция бактерий, вирусов и грибков, населяющих кожу человека, известная как микробиом кожи, может влиять на запах тела.
"С момента рождения микробиом нашей кожи проходит эволюцию на протяжении всей жизни", - говорит Каллеваерт, который в настоящее время является постдокторантом Гентского университета в Бельгии и носит имя "Доктор Подмышка" в связи с направленностью его исследований. По его словам, на эти изменения влияют внутренние факторы, такие как диета, функционирование иммунной системы и заболевания, а также внешние факторы, такие как загрязнение окружающей среды и воздействие микроорганизмов. Каллеваерт подозревал, что его быстрая трансформация из человека без запаха в вонючку была связана с подобными изменениями в микробах его кожи. "Я каким-то образом догадывался, что это связано с бактериями", - говорит он.
Хотя исследования микробиома кожи на много лет отстают от исследований микробиома кишечника, сейчас появляются новые доказательства того, что дисбаланс микроорганизмов, или дисбиоз, на коже может играть роль не только в появлении запаха тела, но и в таких заболеваниях, как акне, экзема и даже аутоиммунные заболевания, такие как псориаз. Фармацевтический сектор проявляет большой интерес к этой теме; уже заключены сделки на сотни миллионов долларов с такими компаниями, как GlaxoSmithKline, Sanofi и Bayer, поскольку промышленность ищет способы изменения микробиома кожи для лечения дерматологических заболеваний, которые до сих пор были относительно мало изучены медициной.
Но хотя микробиом, покрывающий примерно два квадратных метра кожи каждого человека, может быть более доступным, чем микробиом кишечника, это не означает, что он в равной степени поддается исследованию или манипулированию, говорят исследователи. Существует также риск, что добавление или удаление видов может дестабилизировать хрупкий баланс организмов и потенциально принести больше вреда, чем пользы. Хотя он видит большое будущее в этой области исследований, Каллеваерт, который сейчас владеет патентами на использование пребиотиков (веществ, которые избирательно питают или подавляют определенные бактерии) и пробиотиков для лечения запаха тела, говорит, что "это очень сложно". . . Там тысячи видов, и все они оказывают влияние".
Кто живет на нашей коже?
Сара Сахеб Кашаф давно интересуется атопическим дерматитом и вероятностью того, что это заболевание связано с микробиомом кожи. Было доказано, что антибиотики помогают в лечении этого заболевания, которое вызывает покраснение и зуд кожи, что говорит о микробном влиянии. Но когда несколько лет назад она начала изучать эту проблему, "мне стало понятно, что мы не знаем истинного состава микробиома нашей кожи", - говорит она.
Чтобы решить эту проблему, Кашаф, работающая в Национальном институте здоровья США, недавно провела комплексное исследование микробов кожи. У каждого из дюжины добровольцев были взяты образцы с нескольких участков тела - лба, кистей, стоп, паха, подмышек и ушей, а у некоторых добровольцев образцы брались повторно в трех или четырех разных случаях в течение нескольких лет.
Кашаф и ее коллеги использовали метагеномное секвенирование для выявления генов в каждом образце, а затем применили вычислительные методы для реконструкции индивидуальных геномов и идентификации присутствующих организмов. Двумя ключевыми проблемами были низкая биомасса бактерий на коже и риск контаминации из окружающей среды, поэтому для каждого образца пациента команда также взяла отрицательный контроль, помахав тампоном в воздухе. "Микробная нагрузка настолько мала, что это необходимо делать, иначе в итоге вы будете думать, что микробы, которые на самом деле являются контаминантами ваших реагентов, являются частью вашего микробного сообщества", - говорит соавтор исследования Джули Сегре, специалист по микробной геномике и старший исследователь Национального института исследования генома человека.
В целом, в ходе исследования было выявлено 622 вида микроорганизмов, включая 174 новых для науки вида бактерий, 12 видов грибов и 20 видов крупных вирусов, убивающих бактерии, известных как джамбо-фаги. Точный состав микробиома кожи варьировал в зависимости от части тела. Например, область между пальцами ног кишела вирусами, на затылке преобладали хорошо известные обитающие на коже Cutibacterium, в районе пяток почти полностью обитали виды Staphylococcus, а микробиом щеки отличался наибольшим относительным обилием недавно идентифицированного типа бактерий, который исследователи назвали Candidatus Pellibacterium.
Команда также обнаружила, что микробиом изменялся с разной скоростью в зависимости от участка тела. "На жирных участках мы наблюдали [низкие темпы изменения] микробиома, - говорит Кашаф. В таких областях, как затылок, складки вдоль носа и щеки, состав микробиома практически не изменился за время исследования. "Но были и другие участки тела, например, наши руки и ноги, микробиом которых постоянно меняется", - говорит она, добавляя, что о том, какие виды микроорганизмов обитают на этих участках, известно гораздо меньше.
Несмотря на эти различия, другие исследования показали, что в целом микробиом кожи меняется в течение жизни настолько предсказуемо, что его состав может быть точным предиктором возраста. Бельгийская биотехнологическая компания S-Biomedic описала некоторые из этих изменений в микробиоме лица и виды Cutibacterium, которые там доминируют.
На численность и состав этой части микробиома кожи влияют важные жизненные события, говорит синтетический биолог Бернхард Пэтцольд, соучредитель и главный научный сотрудник компании S-Biomedic. "Сразу после нашего рождения, в первые дни, появляется много Cutibacterium, которые затем исчезают", - говорит Пэтцольд. "Они остаются в неизменном виде до момента полового созревания, и в этот момент включаются наши сальные железы". Когда эти железы становятся активными, они создают идеальную среду для Cutibacterium, говорит он, и микроб становится доминирующим обитателем фолликулов, связанных с этими железами.
Связь между увеличением количества Cutibacterium и половым созреванием навела некоторых исследователей на мысль, что присутствие этой бактерии является основным фактором, способствующим появлению подростковых прыщей, что заставило биотехнологические компании, такие как S-Biomedic, исследовать этот вид в качестве терапевтической цели. Но, похоже, упрощенное понятие "хороших" и "плохих" микробов - здорового или нездорового микробиома - не отражает истинной природы микробного разнообразия и того, как оно влияет на здоровье и болезни, говорит Пэтцольд, что делает вопрос о том, как лечить кожные заболевания, сложным для ответа.
Хорошие или плохие микробы
Сегре говорит, что пока нет четкого понимания того, что делает кожный микроорганизм полезным, но есть некоторые явно патогенные виды, которые вызывают тревогу. Один из них - метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA), который может вызывать инфекции кожи, а также легких и кровотока. Само присутствие MRSA в носу, например, представляет такую угрозу, что людям, отправляющимся на операцию, у которых обнаруживают эту бактерию, назначают профилактические антибиотики, чтобы очистить их, говорит Сегре. Еще один патоген, над которым работала Сегре, - грибок Candida auris, который классифицируется как глобальная угроза здоровью из-за его связи с инфекциями кровотока, резистентными к обычным противогрибковым препаратам.
Но на этом легкое навешивание ярлыков на "плохие" микробы заканчивается. Например, Cutibacterium был демонизирован несправедливо, утверждает Пэтцольд, как одна из нескольких бактерий, считающихся причинным фактором акне. "Была такая головоломка: люди говорили, что акне вызывают бактерии, потому что, когда мы применяем антибиотики или дезинфицирующие средства, [акне] проходит", - говорит он. Но Cutibacterium также часто встречается у людей без акне.
Пэтцольд говорит, что угревая сыпь, скорее всего, является результатом взаимодействия между конкретными штаммами Cutibacterium и человеком, на котором они живут. "Если один человек особенно устойчив к факторам, вызывающим акне, то, например, на вашей коже может быть другой, более агрессивный штамм", - говорит он. "Но если вы человек, предрасположенный к этому, очень важно, какие конкретно штаммы у вас есть, потому что это может сместить баланс [микробиома кожи] в сторону" состава, способствующего развитию угрей.
Не менее сложными являются отношения нашей кожи с S. aureus. Даже штаммы, не резистентные к метициллину, могут быть связаны с обострениями атопического дерматита. Более того, отмечает Кашаф, хотя бактерии становятся более многочисленными во время обострений заболевания и уменьшаются по мере улучшения симптомов, неясно, является ли эта динамика причиной или следствием заболевания. "Этот вид стафилококков просто размножается на дерматитной коже, потому что [эта среда обеспечивает их] питательными веществами, необходимыми для выживания?" - спрашивает она. "Или он действительно играет роль в процессе заболевания? Усугубляют ли симптомы этих пациентов эти виды на их коже?".
Смещение баланса
Несмотря на такие вопросы, как эти, уже существует значительный интерес к изменению микробиома путем уничтожения патогенных видов, трансплантации полезных видов или селективной инженерии микробов с целью уменьшения вреда или увеличения пользы. В 2020 году компания Bayer инвестировала 8 миллионов долларов в американскую медицинскую дерматологическую биотехнологическую компанию Azitra, которая сосредоточилась на выявлении потенциально полезных штаммов Staphylococcus epidermidis для использования в средствах по уходу за кожей и в терапии таких заболеваний, как атопический дерматит. В 2021 году Sanofi потратила неназванную сумму на приобретение австрийской компании Origimm за ее иммунотерапию на основе вакцин, направленную против Cutibacterium - в частности, C. acnes.
Целенаправленный, видоспецифичный подход к изменению микробиома предпочитает парижская биотехнологическая компания Eligo Bioscience, которая в конце прошлого года подписала соглашение с GlaxoSmithKline на сумму до 224 миллионов долларов на разработку подхода к лечению акне на основе CRISPR. Эдит Хессел, специализирующаяся на иммунологии слизистых оболочек и главный научный сотрудник компании Eligo, говорит, что когда речь идет о микробиоме кожи, точные стратегии лучше, чем трансплантация, подобная той, что показала себя в манипулировании микробиомом кишечника для лечения таких заболеваний, как язвенный колит и инфекция Clostridium difficile. По ее мнению, трансплантация новых видов или удаление существующих видов несет "большой риск вызвать дисбиоз".
Платформа Eligo нацелена на бактериальные гены, конкретно связанные с заболеваниями кожи и других органов - например, компания работала над геном Shiga токсина, который содержится в некоторых бактериях E. coli и является причиной гастроэнтерита. Использование CRISPR для внесения двухцепочечного разрыва в ДНК этого гена избирательно убивает любую бактерию, несущую этот ген. Методы CRISPR могут также избирательно отключать ген, например, ген резистентности к антибиотикам, не убивая при этом бактерии.
"Возможность изменить ген, но оставить бактерии на прежнем месте имеет огромное прикладное значение", - говорит Хессел.
Как и Sanofi, компания использует свои платформы для разработки методов лечения, направленных на C. acnes, который, хотя и связан с такими заболеваниями, как acne vulgaris, также важен для здоровья кожи. "Вы не хотите полностью уничтожить бактерию C. acnes, потому что она действительно приносит много пользы для здоровья", - говорит она. "Вы хотите совершенно конкретно устранить только те штаммы C. acnes, которые несут гены, связанные с заболеванием".
Другие возлагают больше надежд на путь прямой трансплантации. После собственного опыта приобретения запаха тела Каллеваерт провел исследование с участием 18 добровольцев с неприятным запахом тела, которым был проведен курс трансплантации образцов микробиома кожи, полученных от донора без запаха, обычно члена семьи. Он говорит, что первые результаты, пока еще не опубликованные, указывают на улучшение запаха тела реципиентов, оцененного группой из восьми обученных специалистов по оценке запахов, по крайней мере, в течение месяца после лечения, хотя отсутствие контрольной группы не позволяет сделать четкие выводы. Каллеваерт говорит, что ему удалось частично избавиться от собственного приобретенного запаха тела с помощью этого метода, хотя на это ушло три года.
Другая группа исследователей, включая Пэтцольда, пару лет назад провела открытое экспериментальное исследование, в котором восемь добровольцев с легкой и умеренной формой акне получили один из двух препаратов для местного применения, содержащих смесь штаммов C. acnes, которые ассоциированы со здоровой кожей. После того, как участники применяли свои составы дважды в день в течение пяти недель, команда увидела, что состав микробиома кожи лица изменился в сторону пересаженных видов, и отметила снижение частоты невоспаленных поражений - предшественников воспаленных поражений, характерных для акне, но при этом не было отмечено значительного снижения воспаленных поражений через шесть недель. Однако авторы пишут в своей статье, что продолжительность лечения была короткой, а в исследовании отсутствовала контрольная группа, что означает, что роль препаратов в зарегистрированных изменениях неясна.
Сегре интересуется, можно ли изменить микробиом кожи с помощью пребиотического подхода - то есть применения препаратов, содержащих определенные питательные вещества, которые изменяют состав микробного сообщества - при таких заболеваниях, как атопический дерматит. По ее словам, существует также возможность использования микробиома в качестве способа предсказать, когда могут возникнуть обострения заболевания. Она представляет себе будущее, когда лечение таких заболеваний, как экзема, можно будет подбирать в соответствии с профилем микробиома кожи человека, а анализ микробиома кожи позволит проводить раннее вмешательство с помощью профилактического лечения, чтобы остановить обострения до их развития.
Для достижения этой цели потребуется гораздо лучшее понимание многочисленных и разнообразных видов микроорганизмов, населяющих кожу. Сегре говорит, что ее воодушевляют возможности, которые открывают такие технологии, как метагеномный анализ. "Благодаря этим геномным достижениям мы можем более полно идентифицировать все компоненты микробиома кожи: бактерии, грибки и вирусы", - говорит она. "Мы можем увидеть даже те бактерии, которые мы еще не умеем культивировать, но мы знаем их геномы, а это значит, что мы можем увидеть то, что раньше не могли увидеть".
