Beestjes - Microbioom van de huid (2020-03)

Artikel in PDF
P.L.J.M. Zeeuwen, T.H.A. Ederveen, D.A. van der Krieken, G. Rikken, J. Schalkwijk, E.H. van den Bogaard

Atopisch eczeem is geassocieerd met een verstoorde samenstelling van het huidmicrobioom, gekenmerkt door een verminderde diversiteit aan micro-organismen en een overgroei van Staphylococcus aureus (S. aureus)- bacteriën. Ons recente onderzoek heeft aangetoond dat mutaties in het filaggrine-gen (FLG) van invloed zijn op de microbiotacompositie van de huid en de cutane afweerreactie van de gastheer. Om causale verbanden tussen genetische varianten, een verstoorde huidbarrière, microbiotadysbiose en ziektepathogenese te kunnen vinden, zijn uitgebreide en technisch uitdagende in-vitrostudies nodig die uiteindelijk zouden kunnen leiden tot nieuwe therapeutische (microbioom)-interventies voor behandeling van deze huidaandoening. 

Onze huid wordt bevolkt door miljoenen bacteriën, schimmels en virussen die de huidmicrobiota vormen. Micro-organismen hebben een belangrijke rol in de bescherming tegen binnendringende ziekteverwekkers, de vorming en het onderhoud van ons immuunsysteem, de productie van vitamines en voedingsstoffen via biosynthese en de afbraak van natuurlijke producten. [1] De eerste studies, die gebruikmaakten van de nieuwste sequentieanalysetechnologieën, meldden dat het huidmicrobioom van gezonde vrijwilligers grofweg kan worden ingedeeld in vier verschillende fyla, namelijk Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria en Bacteriodetes. Ook bleek dat specifieke bacteriën geassocieerd zijn met vochtige, droge en talgrijke delen van de huid. [2,3] Omdat microben zo belangrijk zijn voor het menselijk leven, zijn veranderingen in de samenstelling van microbiomen betrokken bij gezondheid en ziekte. [4] Ook dysbiose van cutane microbiota wordt in verband gebracht met het ontstaan van verschillende huidziekten zoals atopisch eczeem, psoriasis, acne, rosacea, primaire immunodeficiënties, seborroïsch eczeem en roos. [5,6] Bij atopisch eczeem wordt sinds lange tijd een verband gezien tussen de aanwezigheid van S. aureus en ziekteactiviteit. [7] Dit werd bevestigd in een longitudinale microbioomstudie van de lesionale huid van patiënten met atopisch eczeem tijdens behandeling met medicijnen. Er werd gesuggereerd dat behandeling van de ziekte microbiële diversiteit promoot, die dan leidt tot een klinische verbetering van de ziekte. [8] Aan de andere kant is het ook mogelijk dat het veranderende milieu van de lesionale atopische huid van eczeempatiënten misschien wel een goed micromilieu en substraat is voor specifieke Staphylococcus-soorten. Atopisch eczeem is gerelateerd aan een verstoorde huidbarrière, een defect immuunsysteem, en S. aureus-kolonisatie en - infecties. [9] Dus de vraag is of veranderingen in een huidmicrobioom kunnen leiden tot deze ontstekingsziekte van de huid, of dat kolonisatie door Staphylococcen-species mogelijk is ten gevolge van de veranderde huidomstandigheden bij eczeem? Ofwel, het verhaal van de kip of het ei.

Dit brengt ons bij het microbioomonderzoek dat de afgelopen jaren in Nijmegen is uitgevoerd. Omdat de buitenste laag van de opperhuid een vitale barrière voor het milieu is, hebben we ons de vraag gesteld of mutaties in huidbarrièregenen de microbiotasamenstelling van de menselijke huid en de cutane afweerreactie van de gastheer kunnen beïnvloeden. Filaggrinenul allelen veroorzaken de huidziekte ichthyosis vulgaris en predisponeren voor het ontwikkelen van atopisch eczeem. [10] Wanneer filaggrine wordt afgebroken in de bovenste epidermale laag, dient het als de belangrijkste bron van zogenaamde natuurlijke hydraterende factoren (Natural Moisterizing Factors), die ervoor zorgen dat de buitenste lagen van het stratum corneum gehydrateerd blijven. [11] We hebben onderzocht of filaggrinedeficiëntie de microbiotasamenstelling van niet-eczemateuze huid van ichthyosis-vulgarispatiënten beïnvloedt. Met behulp van 16S amplicon sequencing en specifieke bio-informatica werd een significant effect van filaggrinedeficiëntie op de samenstelling van de aanwezige microbiota gevonden, met name een lagere relatieve hoeveelheid proteolytische grampositieve anaerobe kokken (bekend als GPAC) (figuur 1). [12] Deze bacteriën omvatten de geslachten Finegoldia, Anaerococcus en Peptoniphilus en zijn peptinofiele microben. Peptonen zijn afbraakproducten die vrijkomen bij de hydrolyse van eiwitten en we veronderstelden daarom dat de afbraakproducten van filaggrine voedsel zou kunnen zijn voor deze bacteriën. Met behulp van een recent ontwikkelt in-vitro-stratum corneum-model, waarin callus (eelt van de voet) als voedingsbron wordt gebruikt, is de groei van de GPAC-stam Finegoldia magna onderzocht. [13] We hebben vastgesteld dat callus afkomstig van filaggrinedeficiënte patiënten een minder gunstig substraat is voor deze bacteriën, in vergelijking met callus van gezonde personen die een normale filaggrine-eiwitexpressie lieten zien. [12] Door deze associatie van verminderde GPAC-aanwezigheid op de huid in relatie tot filaggrine-expressie is er nieuw onderzoek gestart naar de mogelijke (causale) rol van GPAC in de pathogenese van eczeem. Er is onderzocht wat de effecten zijn van deze bacteriën op de immuunafweermechanismen van de gastheer en de samenstelling van het huidmicrobioom. Humane primaire keratinocytmonolaagkweken, 3D-epidermale constructen en mononucleaire cellen uit perifeer bloed (PBMCs) zijn gestimuleerd met een breed panel van levende en hittegedode huidbacteriën. Zo is er experimenteel vastgesteld dat GPACs als een alarmsignaal kunnen fungeren en ook betrokken zijn bij de afweer van de gastheer. GPACs kunnen immuuncellen stimuleren om cytokines af te scheiden die op hun beurt keratinocyten kunnen triggeren om antimicrobiële peptiden uit te scheiden. GPACs kunnen ook direct keratinocyten stimuleren om antimicrobiële peptiden te produceren. Als gevolg hiervan kunnen deze gastheereigen antimicrobiële moleculen de kolonisatie en infectie van S. aureus remmen (van der Krieken et al. manuscript in voorbereiding). Concluderend kunnen we stellen dat we nieuwe en potentieel belangrijke biologische aspecten van een veel voorkomend genetisch polymorfisme hebben ontdekt. Deze gegevens kunnen biologische gevolgen hebben voor atopisch eczeem. De waargenomen snelle inductie van antimicrobiële peptiden door GPAC suggereert dat dit een belangrijk signaalmechanisme voor de keratinocyten kan zijn wanneer de huidbarrière wordt doorbroken en een commensale bacterie in nauw contact komt met de epidermale keratinocyten. Volledige of gedeeltelijke afwezigheid van GPACs kan dan verminderd of vertraagd gevaar signaleren voor de keratinocyten bij personen met filaggrinemutaties waardoor deze eerder vatbaar zijn voor S. aureus-kolonisatie en -infectie.

Voor dit onderzoek is tevens een in-vitro-3D infectie/kolonisatiemodel ontwikkeld waarop enkele bacteriestammen of hele huidmicrobiomen kunnen worden aangebracht, (Rikken et al. manuscript in voorbereiding). In toekomstige experimenten zal dit model gebruikt worden om nieuwe antibiotica te testen. Bijvoorbeeld nieuwe stoffen die alleen de ziekteverwekker aanvallen en de goede commensalen niet doden, om te zien of we prebiotica kunnen gebruiken om ‘goede’ bacteriën te promoten en daarmee ‘slechte’ micro-organismen te verdrijven, of op probiotische wijze door levende ‘goede’ organismen toe te voegen aan een ‘ziek’ microbioom. [14]

Literatuur
1. Byrd AL, Belkaid Y, Segre JA. The human skin microbiome. Nat Rev Microbiol 2018; 16:143-55.
2. Costello EK, Lauber CL, Hamady M, Fierer N, Gordon JI, Knight R. Bacterial community variation in human body habitats across space and time. Science 2009;326:1694-7.
3. Grice EA, Kong HH, Conlan S, et al. Topographical and temporal diversity of the human skin microbiome. Science 2009;324:1190-2.
4. Cho I, Blaser MJ. The human microbiome: at the interface of health and disease. Nat Rev Genet 2012;13:260-70.
5. Zeeuwen PLJM, Schalkwijk J. The skin microbiota. In Nibali L, Henderson B (Ed.) The human microbiota and chronic disease - dysbioses as a cause of human pathology. Wiley Blackwell, 2016: 81-94.
6. Zeeuwen PL, Kleerebezem M, Timmerman HM, Schalkwijk J. Microbiome and skin diseases. Curr Opin Allergy Clin Immunol 2013;13:514-20.
7. Leyden JJ, Marples RR, Kligman AM. Staphylococcus aureus in the lesions of atopic dermatitis. Br J Dermatol 1974;90:525-30.
8. Kong HH, Oh J, Deming C, et al. Temporal shifts in the skin microbiome associated with disease flares and treatment in children with atopic dermatitis. Genome Res 2012;22:850-9.
9. Weidinger S, Beck LA, Bieber T, Kabashima K, Irvine AD. Atopic dermatitis. Nat Rev Dis Primers 2018;4:1.
10. Palmer CN, Irvine AD, Terron-Kwiatkowski A, et al. Common loss-offunction variants of the epidermal barrier protein filaggrin are a major predisposing factor for atopic dermatitis. Nat Genet 2006;38:441-6.
11. Brown SJ, McLean WH. One remarkable molecule: filaggrin. J Invest Dermatol 2012;132:751-62.
12. Zeeuwen PL, Ederveen TH, van der Krieken DA, et al. Gram-positive anaerobe cocci are underrepresented in the microbiome of filaggrindeficient human skin. J Allergy Clin Immunol 2017;139:1368-71.
13. van der Krieken DA, Ederveen TH, van Hijum SA, et al. An in vitro model for bacterial growth on human stratum corneum. Acta Derm Venereol 2016;96:873-9.
14. Maguire M, Maguire G, The role of microbiota, and probiotics and prebiotics in skin health. Arch Dermatol Res 2017;309:411-21. 15. Nolte H, MacVicar TD, Tellkamp F, Kruger M. Instant clue: a software suite for interactive data visualization and analysis. Sci Rep 2018; 8:12648.

Samenvatting 
Een decennium geleden startten wetenschappers het onderzoek naar de microbiële gemeenschappen in en op ons lichaam, ook wel het humane microbioom genoemd. Men dacht dat een beter zicht op de microbiële compositie en functie van die micro-organismen zou kunnen leiden tot een betere ziektediagnostiek, behandeling en preventie. Ook bij veelvoorkomende huidziekten zijn huidmicrobiota, en dan met name veranderingen in de samenstelling hiervan (ofwel: dysbiose), in verband gebracht met de pathogenese van deze aandoeningen. Microbioomstudies vinden echter in principe alleen correlaties en associaties, terwijl causale relaties hiermee niet rechtstreeks kunnen worden opgehelderd. In dit artikel wordt een studie aanpak gegeven hoe van associatie naar causaliteit te gaan, met een specifieke focus op huid (micro)biologie.

Trefwoorden 
huidmicrobiota – atopisch eczeem – ichthyosis – filaggrine – grampositieve anaerobe kokken

Correspondentieadres 

Patrick Zeeuwen
E-mail: patrick.zeeuwen@radboudumc.nl