《Bioengineering & Translational Medicine》：Staphylococcal proliferation on skin models to investigate novel anti-infective treatments against dysbiosis
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本研究针对反向性痤疮等炎症性皮肤病的菌群失调（dysbiosis）难题，开发了一种简化、可重复的体外皮肤模型（Gel-Alg）。研究人员通过探究生物膜形成、皮肤低营养环境及气液界面等因素如何影响混合细菌培养物对抗感染治疗的敏感性，揭示了皮肤样环境（如32°C、气液界面）会显著改变细菌间相互作用（如表皮葡萄球菌（S. epidermidis）占据优势）及对药物（如槐糖脂与万古霉素联合治疗）的反应，为开发针对特定应用的靶向抗菌疗法提供了有价值的简化筛选平台。
我们的皮肤是人体最大的器官，也是一个充满挑战的战场。一方面，共生菌群与人体和谐共处，是健康屏障的守卫者；另一方面，病原菌的入侵和过度增殖则会引发皮肤感染和慢性炎症，例如一种被称为反向性痤疮（Acne inversa，又称化脓性汗腺炎）的疾病。这种疾病不仅给患者带来剧烈的疼痛和持续的排脓性皮损，其背后的“元凶”——皮肤微生物群落失衡（即菌群失调，dysbiosis）——更是治疗的巨大障碍。在菌群失调状态下，致病菌（如金黄色葡萄球菌）的丰度超过共生菌，它们甚至会团结起来，形成一种被称为生物膜（biofilm）的“铜墙铁壁”。细菌们将自己包裹在自身分泌的胞外聚合物基质（EPS）中，这不仅为其提供了物理保护，还严重阻碍了抗生素的渗透扩散，导致常规抗生素治疗（如利福平和克林霉素）效果不佳，且容易引发抗生素耐药性等问题。
为了突破这一瓶颈，科学家们亟需能够在实验室中模拟真实皮肤环境，并能有效评估新疗法潜力的工具。然而，传统的液体培养基培养方法，虽然操作简便，却忽略了皮肤表面的几个关键特征：干燥的气液界面、极其有限的营养供应，以及不同于体内核心温度的皮肤表面温度（约32°C）。这些因素恰恰会深刻影响细菌的生存状态、相互作用以及对药物的敏感性。那么，能否建立一个既具备生理相关性，又成本可控、易于重复的实验模型，来填补基础研究与临床应用之间的鸿沟呢？这正是发表于《Bioengineering》上的一项研究所要解决的核心问题。
该研究采用了多层次的实验体系，旨在模拟从简单到复杂的皮肤环境。核心是开发了一种名为Gel-Alg的简化皮肤底物，由明胶、透明质酸、硫酸软骨素和海藻酸组成，可模拟气液界面和低营养环境。研究选择了反向性痤疮病灶中常见的金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌作为模式细菌。通过比较它们在四种条件（营养肉汤、Gel-Alg底物、商业化重构人表皮模型EpiDerm?、离体人皮肤）下的增殖、代谢活性以及在单一及混合培养时的相互作用，系统评估了不同环境因素对细菌行为的影响。进一步，研究人员测试了生物膜溶解剂槐糖脂和抗生素万古霉素联合治疗在不同模型、温度（37°C vs 32°C）及培养模式下的疗效。细菌定量采用了菌落形成单位计数、PMA活性qPCR（一种可区分死/活细胞的定量方法）和代谢活性检测（Presto Blue染色）等技术。此外，研究还包括了一个针对18名反向性痤疮患者病灶与健康部位皮肤拭子的小型宏基因组学分析，以了解疾病相关的菌群变化。
2.1.1 葡萄球菌在不同皮肤模型中的增殖
通过比较四种培养条件，研究发现，除了离体人皮肤上细菌生长显著降低且变异较大外，金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌在肉汤、Gel-Alg和重构人表皮（RHE）模型中的增殖水平（以菌落形成单位计）基本相当。然而，代谢活性（通过Presto Blue染色评估）在所有条件间均存在显著差异。液体肉汤培养下的代谢活性最高，而处于气液界面的Gel-Alg和皮肤上的代谢活性则大幅降低，这表明营养和环境压力深刻影响着细菌的生理状态。
2.1.2 细菌共培养
当将两种葡萄球菌以1:1的比例在肉汤、Gel-Alg和RHE中进行混合培养时，通过活性PMA qPCR定量发现，在模拟皮肤环境的Gel-Alg底物上，表皮葡萄球菌展现出明显的生长优势。这提示作为主要的皮肤共生菌，表皮葡萄球菌可能更适应皮肤样的低营养和气液界面环境。
2.1.3 槐糖脂的效力
在肉汤中测试槐糖脂对单一物种生物膜的破坏作用，通过结晶紫染色和SYPRO ruby基质染色证实，槐糖脂能有效减少生物膜生物量（约50%）并破坏胞外聚合物基质，且对两种葡萄球菌的效果相似。
2.1.4 槐糖脂与万古霉素的联合治疗
在肉汤中测试联合治疗时发现，单独使用万古霉素或低/高浓度槐糖脂，杀菌效果有限。然而，高浓度槐糖脂与万古霉素联用，在37°C下对两种葡萄球菌均显示出强大的协同杀菌效应。温度是影响疗效的关键变量：在32°C（皮肤表面温度）下，此联合方案对表皮葡萄球菌的杀灭效果甚至优于37°C，但对金黄色葡萄球菌的效果则大幅减弱。这凸显了在评估皮肤感染疗法时，考虑实际感染部位温度的重要性。
2.1.5 皮肤模型和细菌共培养中的敏感性
将联合治疗扩展至不同模型后发现，在肉汤中观察到的强效杀菌作用，在Gel-Alg和RHE模型中大幅减弱，尤其是在Gel-Alg上，杀菌效果不足1个对数值。在细菌共培养模型中测试敏感性也发现，治疗反应在单一培养和混合培养之间存在差异。在Gel-Alg上，原本占优的表皮葡萄球菌在联合治疗下反而遭受了更强的杀灭。
2.2.1 反向性痤疮拭子中的细菌丰度
对18名患者的病灶与健康部位皮肤拭子进行的宏基因组学分析显示，患病部位的菌群组成与健康部位存在显著差异。在患病部位，包括表皮葡萄球菌在内的多种细菌丰度升高。α多样性分析显示健康样本有更高的多样性趋势，而β多样性分析则表明患病样本间的菌群组成差异更大、更分散，这符合菌群失调的特征。
该研究的结论强调了实验模型和培养条件在抗菌药物开发中的核心重要性。首先，简化但关键的皮肤模拟模型（如Gel-Alg）能够揭示在标准肉汤培养中无法观察到的细菌行为，例如表皮葡萄球菌在皮肤样环境中的竞争优势。其次，环境因素，特别是温度，能极大地改变抗菌疗法的效果，这解释了为何在体表感染的治疗中需考虑局部微环境。再者，细菌间的相互作用（共培养）会进一步影响它们对治疗的反应，单一物种的测试结果可能无法准确预测混合菌群中的疗效。
这项工作的意义在于构建了一个从简单（Gel-Alg）到复杂（RHE，离体皮肤）的模型光谱，为早期筛选针对特定皮肤感染（如反向性痤疮）的抗菌药物提供了成本可控且可重复的平台。它证明，即使是不包含活细胞的简化模型，只要能抓住关键环境特征（气液界面、低营养），也能提供有价值的预测信息，指导后续在更复杂、更昂贵的模型中进行验证。最终，这种研究策略有望加速开发出能有效对抗生物膜、针对菌群失调的精准疗法，从而改善如反向性痤疮这类棘手皮肤病的治疗结局。
