健康头皮与头皮屑头皮微生物组的对比结果揭示共生体在头皮健康中的作用

有研究显示，当出现头皮屑、脂溢性皮炎和特应性皮炎等问题时，其皮损部位处于微生态失调状态。然而，迄今为止头皮微生物组的研究主要都在关注不同人群细菌和真菌群落的分类组成和多样性变化。这些研究表明，马拉色菌、丙酸杆菌和葡萄球菌分别是皮肤表面真菌和细菌的主要菌属。

本研究采用扩增子和宏基因组技术在140例年龄相近（20～45岁）的印度女性中进行了一项大规模研究。该研究纳入了等量的健康头皮和头皮屑头皮样本，记录头皮的皮脂量、经表皮失水量（TEWL）、水合程度以及头皮屑严重程度分级。研究显示，健康头皮微生物群落与生物素和其他维生素合成显著关联，而这些在头皮屑头皮中都较少出现。

一、材料和方法（详见原文）

二、结果

1.健康头皮和头皮屑头皮的表面微生物组多样性及分类组成：通过扩增子测序，对70例健康头皮和70例头皮屑头皮的表皮微生物组进行了多样性测定。发现在分类组成上存在显著个体间差异，主要的真菌菌属依然是马拉色菌属（＞70%）、曲霉属、枝孢菌属、Wallemia和链格孢属。健康头皮真菌群的α多样性（Shannon多样性指数）明显低于头皮屑头皮（P≤0.001）。在物种层面上，在大多数样本中都可以观察到高丰度的限制性马拉色菌和球形马拉色菌。健康头皮中的球形马拉色菌丰度（16.23%）明显高于头皮屑头皮（6.41%）（P≤0.000 1）。限制性马拉色菌的丰度在健康头皮（38.42%）与头皮屑头皮（33%）之间差异无统计学意义（P≥0.05）。然而，在头皮屑头皮上，限制性马拉色菌与球形马拉色菌的比率明显较高（P=0.004）。

ITS1扩增子的很大一部分（＞总读数的40%）被指定为不典型马拉色菌属的操作分类单元（OTUs）。这些OTUs中的一种（约占总读数的20%）属于不可培养的马拉色菌属，其他的则属于未知的马拉色菌属，其中6个OTUs与限制性马拉色菌的同一性≥85%，并被指定为马拉色菌的亚群。因此，不典型马拉色菌属的序列形成3个亚群：①不可培养的马拉色菌属（约占总读数的20%）；②马拉色菌（约占总读数的7%）；③限制性马拉色菌近似菌属（约占总读数的4%）。研究发现，头皮屑头皮中不可培养的马拉色菌属的丰度（25.26%）明显高于健康头皮（14.44%）（P≤0.000 1）。头皮屑头皮中未知的马拉色菌属和限制性马拉色菌近似菌属也明显高于健康头皮（P≤0.01）。最近在巴西人群中进行的一项研究也发现了很大比例的不典型马拉色菌（＞总读数的37%）。这些发现表明，迄今为止的不典型马拉色菌属在头皮屑的病理生理学中发挥着关键作用。

此外，头皮样本的宏基因组分析结果证实，在健康头皮和头皮屑头皮中，限制性马拉色菌和球形马拉色菌都是丰度最高的真菌；糠秕马拉色菌、钝形马拉色菌、厚皮马拉色菌和caprae马拉色菌的丰度都较低。

在健康头皮和头皮屑头皮中，丙酸杆菌、葡萄球菌、棒状杆菌、芽孢杆菌和假单胞菌的含量丰富。健康头皮与头皮屑头皮细菌种群的α多样性没有显示出明显的差异。头皮屑头皮中表皮葡萄球菌的丰度（28.1%）明显高于健康头皮（14.8%）（P=0.000 2），痤疮丙酸杆菌的丰度（30.83%）与健康头皮（24.42%）之间没有明显差异（P≥0.05）。然而，健康头皮中痤疮丙酸杆菌与表皮葡萄球菌的比值明显高于头皮屑头皮（P=0.01）。此外，健康头皮中硝酸还原假单胞菌的丰度（21.2%）也明显高于头皮屑头皮（9.9%）（P≤0.000 1）。

核心微生物组的确定对于了解任何环境中微生物组的稳定性和一致性非常重要。因为该研究中所有志愿者的头皮生理学参数都存在较大差异，所以在一些样本中占优势的核心OTUs可能在其他样本中罕见或缺失。因此，研究对80%的样本使用了丰度≥1%的不太严格的标准来界定头皮核心微生物组。结果发现，痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌构成了细菌的核心组分，限制性马拉色菌和球形马拉色菌以及马拉色菌的亚群（1、2和3）构成了头皮真菌的核心组分。与健康头皮相比较，头皮屑头皮中不典型马拉色菌亚群的丰度明显较高，并且其在个体中的存在值得关注，这可能是印度人群所特有的。

2.微生物种类与宿主的临床及生理学参数相关性：结果发现，头皮屑评分、瘙痒和TEWL之间存在显著性正相关。水合作用与皮脂水平也呈正相关，而TEWL与这两个参数呈负相关。在头皮屑头皮中，头皮屑评分和瘙痒的程度明显较高（P≤0.000 1），TEWL也明显高于健康头皮（P=0.035）。

在3个马拉色菌亚群中，球形马拉色菌与不可培养的马拉色菌的头屑评分和瘙痒程度呈显著性正相关（FDR调整后P≤0.05），而在健康头皮中丰度较高的球形马拉色菌则与这些参数呈负相关。不可培养的马拉色菌也与水合作用之间呈显著性负相关。这些结果再次表明，不典型马拉色菌亚群与头皮屑之间具有正向关系。

在细菌种群中，表皮葡萄球菌和葡萄球菌属与头皮屑评分、TEWL和瘙痒之间呈显著性正相关（FDR调整后P≤0.05）。这些物种与水合作用呈负相关。丰度较低的假单胞菌属与这些参数呈负相关。其他低丰度的细菌和真菌也与这些参数之间具有显著相关性。

3.头皮微生物组的功能分析：全面的宏基因组分析微生物组潜在功能发现，头皮屑头皮真菌代谢的KO多样性高于健康头皮，这与头皮屑头皮中真菌种群的α多样性较高相一致。健康头皮与头皮屑头皮之间的几种真菌KEGG通路存在显著性差异（P≤0.05，Wilcoxon检验）。健康头皮中的氨基酸代谢通路（组氨酸、半胱氨酸和蛋氨酸代谢）和硫辛酸代谢通路明显比头皮屑头皮中更丰富。而且，在头皮屑头皮中富含参与细胞-宿主相互作用的N-聚糖生物合成通路。KEGG模块注释表明，在头皮屑中富含N-聚糖前体生物合成和N-糖基化作用的模块，并且限制性马拉色菌被发现可以明显促进N-聚糖的生物合成通路。

细菌微生物组中KEGG代谢通路的数量高于真菌微生物组，这在健康头皮与头皮屑头皮之间存在显著性差异（P≤0.05）。与维生素和辅酶因子有关的通路（生物素、卟啉和叶绿素、维生素B6、烟酸和烟酰胺的代谢，泛醌和其他萜烯醌的生物合成），以及氨基酸在健康头皮中的含量明显高于头皮屑头皮，且其KEGG模块也显示出相似的趋势。这些通路与头皮屑评分和瘙痒呈负相关。在微生物组中还可以观察到高丰度的抗生素抗性和生物合成通路，证实健康头皮与头皮屑头皮之间存在显著性差异，且与头皮屑评分和瘙痒之间呈显著负相关。

4.健康头皮的细菌微生物组中富含生物素和维生素代谢通路：与头皮屑头皮相比较，健康头皮中的生物素代谢通路显著富集（P=0.000 1，Wilcoxon检验）。在健康头皮中还富含生物素代谢的3个模块，即M00123、M00573（BioI）和M00577（BioW），它们参与了来自庚二酰ACP/CoA的生物素的生物合成。生物素是头发生长和头皮健康的必需营养物质。有报道显示，其在蛋白合成（更确切地说是在角蛋白的生成）中发挥着重要作用，对健康头发的生长是必需的。

虽然在数据集中可以观察到完整的生物素代谢通路的基因，但是详细分析显示，与头皮屑头皮相比较，在健康头皮中生物素合成的主要真菌代谢的KO及其转运蛋白富集。有趣的是，丙酸杆菌属是健康头皮微生物组中含量最丰富的细菌种群，同时也携带有生物素合成及其转运蛋白的基因，这表明了其在为宿主提供生物素中的关键作用。丙酸杆菌属与氨基酸和维生素代谢通路（包括生物素代谢通路）之间呈显著正相关。人类和其他哺乳动物不能合成生物素，因此需要通过外源性来源来获得。通过钠依赖性复合维生素转运蛋白（SMVT），人体宿主角质形成细胞可以输出（输入）生物素、硫辛酸和泛酸等维生素，这些维生素对于健康的皮肤或头皮表面是至关重要的，而且还可以表达生物素特异性转运组分。因此，可以假设，头皮角质形成细胞可以摄取头皮微生物组合成的生物素和其他维生素来为头皮提供营养，这有助于维持头皮的健康状态。

三、讨论

该研究使用互补高通量测序方法，首次全面概述了头皮微生物组及其与健康头皮和头皮屑头皮的关联性。痤疮丙酸杆菌和表皮葡萄球菌是印度人群中的主要定植细菌，研究显示，痤疮丙酸杆菌与健康头皮相关，而表皮葡萄球菌则与头皮屑头皮相关。与头皮屑头皮相比较，健康头皮中痤疮丙酸杆菌与表皮葡萄球菌的比率更高。因此可推断，痤疮丙酸杆菌与表皮葡萄球菌的比率可能是诊断和预防头皮屑的重要生物标志物。限制性马拉色菌和在较低程度上的球形马拉色菌是头皮上的主要定植真菌，并且限制性马拉色菌与球形马拉色菌的比率较低与健康头皮相关。

另一个重要结果是，头皮屑头皮微生物组中不可培养的马拉色菌属的丰度（25.26%）高于健康头皮（14.44%），并且与头皮屑相关性参数呈显著正相关。最近在中国和巴西进行的队列研究也注意到，相似但较低（＜总读数的4%）的OTUs存在与不可培养的马拉色菌属相对应。之前在头皮屑、脂溢性皮炎和银屑病中也观察到较高丰度的不典型马拉色菌及其菌株变异。该研究还对宿主生理相关性参数进行了系统的测量。结果表明，球形马拉色菌与头皮屑评分和瘙痒呈负相关，进一步证实该研究和另一项对于中国人群研究中显示的球形马拉色菌在健康头皮中的作用。此外，头皮屑相关性细菌种类，即表皮葡萄球菌，与头皮屑评分、TEWL和瘙痒呈显著正相关。

该研究首次对健康和头皮屑状态下的头皮微生物组的未知功能潜能提供了见解。头皮屑头皮中富含N-聚糖生物合成通路，后者对于真菌细胞壁完整性的维持和糖蛋白的生物合成至关重要。这些糖蛋白被真菌细胞用于粘附在宿主的表面，因此，该通路的富集表明其具有促进真菌在头皮上生长的作用。这说明，与头皮部皮肤角质层屏障功能损伤有关的马拉色菌的粘附，可能会进一步促进马拉色菌在头皮屑区域的发展。与健康头皮相比较，头屑头皮中与一般功能和遗传信息及处理有关的通路（硫传递系统、蛋白酶体通路、酵母细胞周期及减数分裂）丰度较高，这表明其与限制性马拉色菌呈显著正相关。“酵母细胞周期”和“减数分裂”是涉及真菌细胞周期和增殖的重要通路，其在头皮屑头皮中的丰度较高，表明它们在提高头皮屑头皮上马拉色菌属的增殖方面发挥了作用。该研究的结果提示，对限制性马拉色菌的确认研究可能有助于抗头皮屑中新抗真菌策略的开发。

与头皮屑头皮相比较，健康头皮的细菌微生物组中维生素及其辅助因子的生物合成和代谢通路明显富集。强调头皮细菌微生物组在向宿主提供必需维生素和氨基酸方面的可能有益作用。

该研究首次提出了微生物组在健康头皮和头皮屑中的潜能。核心发现是预见了不典型马拉色菌属和不可培养的马拉色菌属在头皮屑中的重要作用。虽然真菌微生物组中的一些菌种对头皮屑的发病率有很强影响，但细菌微生物组中的一些菌种可以为头皮提供维持健康状态所必需的营养物质。