La piel forma una interfaz que mantiene la vida entre el cuerpo humano y el medio ambiente, y una investigación reciente revela la importancia de las comunidades microbianas cutáneas en la salud y la enfermedad. La microbiota de la piel sana varía de forma amplia entre los individuos y cambia con la edad, el género, la variación genética, el estado de salud y el entorno de vida. También está claro que la microbiota de la piel no es una sola comunidad, sino una colección de comunidades comensales donde cada comunidad se adapta y modula el entorno fisiológico e inmunológico de los sitios que habitan. De forma típica, el microbioma de la piel humana sana es más estable dentro de un individuo a lo largo del tiempo. El mantenimiento de la homeostasis de la piel se basa en un equilibrio ajustado de manera fina entre el huésped y sus microbios en cada sitio, y una alteración de este equilibrio contribuya de forma probable a enfermedades inflamatorias de la piel como la dermatitis atópica (DA).
La DA es una enfermedad muy heterogénea caracterizada por erupciones cutáneas crónicas con prurito, inflamación e infecciones frecuentes de la piel, y en la actualidad es la enfermedad cutánea inflamatoria crónica más común en los países industrializados. Las lesiones de DA pueden extenderse desde los sitios típicos de predilección, tales como como pliegues corporales, en la mayoría de las superficies de la piel, y las manifestaciones varían de manera amplia según la edad, la gravedad, la edad de aparición y la etnia. Sin embargo, en la actualidad, los mecanismos precisos que impulsan la aparición y el curso de la DA no se comprenden del todo y se desconocen el tipo y el momento óptimos para la intervención. La investigación del papel del microbioma y su interacción con la piel en la DA revelará de forma probable pistas importantes sobre los mecanismos de la enfermedad y los biomarcadores mejorados para estratificar a los pacientes en subtipos de enfermedades. Esto también estimulará la investigación futura sobre tratamientos innovadores dirigidos a los componentes del endotipo.
Se reportó de forma previa que la microbiota de la piel con DA está alterada, lo que incluye una disminución de la diversidad microbiana en comparación con sujetos sanos. En muchos casos, el Staphylococcus aureus coloniza la piel, con una prevalencia de 70% en la piel lesionada y 39% en la piel no lesionada de pacientes con DA de acuerdo con métodos basados en el cultivo. Los estudios independientes del cultivo demostraron que la abundancia relativa de estafilococos, S. aureus y S. epidermidis en particular, se correlaciona de forma positiva con la gravedad de la DA durante los brotes. Un estudio reciente basado en cultivos apoyó estos hallazgos al demostrar que los pacientes con DA colonizados por S. aureus tienen síntomas más graves de la enfermedad, así como un grado mayor de desviación inmunitaria tipo 2 y alteración de la barrera en comparación con los pacientes no colonizados por S. aureus. Desde la perspectiva del huésped, varios estudios del transcriptoma de la piel humana encontraron una inducción de vías inmunes tipo 2 y alteraciones en el metabolismo de los lípidos y la función de la barrera. Sin embargo, la mayoría de estos estudios se limitaron por tamaños pequeños de muestra. El estudio reciente de los autores combinó el análisis de la microbiota cutánea y el análisis del transcriptoma del huésped de los mismos sujetos con un número mayor de muestras para dilucidar las interacciones microbiota-huésped en la DA.
Sólo unos pocos estudios de microbiomas y transcriptomas exploraron la heterogeneidad de la DA entre los sitios cutáneos. La mayoría de los estudios se centran en un solo sitio o en muestras agrupadas de diferentes sitios corporales para análisis estadísticos. Dado que se sabe que la ubicación anatómica es un determinante fuerte de la composición microbiana en individuos sanos, la fisiología local de la piel podría determinar el papel de la microbiota en la DA de una manera dependiente del sitio de la piel. Un estudio reciente analizó el efecto de diferentes sitios cutáneos y sus propiedades fisiológicas, como el perfil de lípidos a nivel del microbioma en pacientes con DA. La composición de los lípidos epidérmicos se correlacionó con fuerza con la diversidad y la composición bacterianas en los sitios predilectos de DA. Se encontró que niveles más altos de ácidos grasos insaturados de cadena larga se asociaban con mayor abundancia de Propionibacterias lipófilas y Corinebacterias.
En el presente estudio, el objetivo fue explorar más a fondo la interacción entre el huésped y el microbioma de la piel en la DA mediante el examen de dos sitios corporales distintos de forma fisiológica: la parte posterior del muslo y la parte superior de la espalda. La microbiota de la piel se determinó mediante secuenciación del gen ARNr 16S y el transcriptoma del hospedador mediante microarreglos de ADN. La integración de estos resultados reveló características específicas al sitio de la fisiopatología de la DA que tienen relevancia para comprender tanto los mecanismos de la enfermedad como los objetivos del tratamiento.
2 | MÉTODOS
2.1 | Reclutamiento y muestreo de sujetos
Se reclutaron para el estudio pacientes adultos (18-83 años) con DA crónica de moderada a grave (puntuación SCORAD >25, n = 91), así como voluntarios sanos (n = 126). Se obtuvieron muestras de frotis de microbioma de piel y biopsias de piel de áreas con enfermedad activa en la parte superior de la espalda o en la parte posterior del muslo (desde arriba de la poplítea hasta la parte inferior de las nalgas) en pacientes con DA. Se tomaron muestras de voluntarios sanos en las áreas correspondientes de piel. Todos los procedimientos clínicos se aprobaron por las Juntas de Revisión Institucional locales apropiadas (UH, Dnro 91/13/03/00/2011; HHU, 3647/2011; KINGS, 11/H0802/6), y todos los sujetos proporcionaron su consentimiento informado por escrito antes de la participación. Una descripción detallada del reclutamiento y el muestreo está disponible en Fyhrquist et al. Todas las muestras analizadas por affymetrix se emparejan con las muestras analizadas 16S.
2.2. | Procesamiento de amplicón 16S y análisis de datos
La preparación de la biblioteca y el preprocesamiento de la secuencia se realizaron como se describe en Fyhrquist et al. De forma breve, se extrajo ADN de las muestras de microbioma, se amplificaron las regiones V3-V4 con códigos de barras que utilizaron cebadores 341F/805R y se secuenció con titanio 454 FLX. Las secuencias se preprocesaron con Qiime y las unidades taxonómicas operativas (OTU) se seleccionaron con una identidad de 99.3%.
Las medidas de diversidad alfa se calcularon con el paquete vegano en R, se probaron con la prueba U de Mann-Whitney y el FDR corregido con Benjamini-Hochberg (BH). La diversidad beta se calculó con la disimilitud de Bray-Curtis y la ordenación se realizó con PCoA y UMAP. La prueba de Permanova para las diferencias dentro de los grupos se implementó con la función adonis del paquete vegano R. La prueba de abundancia diferencial de los clados se llevó a cabo con ANCOM del paquete python scikit-bio skbio.stats.composition.ancom versión 0.4.2. La prueba se ejecutó con los parámetros predeterminados y la corrección de comparaciones múltiples “holm-bonferroni”. Todos los análisis deben interpretarse como exploratorios.
2.3 | Procesamiento y análisis de datos de los microarreglos
El ARN total se extrajo de muestras de tejido cutáneo con el kit RNeasy Fibrous Tissue Mini (Qiagen), se amplificó de acuerdo con los protocolos de Affymetrix y se hibridó con placas de matriz.
La normalización, la corrección de los lotes y el análisis diferencial se realizaron en la plataforma eUTOPIA (https://github.com/Greco-Lab/eUTOPIA). En resumen, se normalizaron las matrices affymetrix y se eliminaron los efectos técnicos del lote originados en la preparación de la muestra (paquete SVA con función Combat). Para la identificación de genes expresados de manera diferencial, se ajustó un modelo lineal (paquete R Limma) a los datos (con utilización de edad, sexo, centro clínico como covariables) y se realizaron comparaciones por pares con el método empírico de Bayes. Los transcriptomas se definieron en función de un cambio de 1.5 veces o más y un valor de p < 0.05 ajustado por Benjamini-Hochberg.
El análisis de red se generó con el INfORM (https://github.com/Greco-Lab/INfORMhttps://github.com/Greco-Lab/INfORM) por Greco-Lab con parámetros predeterminados. Los análisis de enriquecimiento funcional se realizaron con herramientas basadas en la web Enrichr (http://amp.pharm.mssm.edu/Enrichr/) y PANTHER Ontología Genética versión 13.1 y el Ingenuity Pathway Analysis de Qiagen. Los mapas de calor se generaron con Perseus.
2.4 | Asociación con la gravedad
La asociación entre la gravedad de la DA y la abundancia de S. aureus se realizó mediante la correlación de Spearman. Se utilizaron dos medidas de gravedad: (a) SCORAD objetivo como una medida de la gravedad global de la DA, y (b) SCORAD local, una medida específica del estudio de la gravedad de las lesiones muestreadas, basada en los criterios objetivos de SCORAD.
2.5 | Deconvolución de leucocitos y detección de módulos
Para evaluar la fracción celular relativa de los subconjuntos de leucocitos involucrados en todos los sitios estudiados de la piel, se utilizó el algoritmo CIBERSORT (CS) para estimar las proporciones celulares de 22 células inmunes individuales con la matriz de firma genética validada “L22”. Las estimaciones se basan en 1000 permutaciones. No se aplicó ningún filtro de significación a las fracciones de células estimadas para incluir todas las muestras para un análisis adicional.
Se utilizó el análisis ponderado de coexpresión génica (Weighted Gene Co-Expression Analysis, WGCNA) para integrar la relación de abundancia relativa de S. aureus y S. epidermidis, así como la estimación de la fracción celular del algoritmo CS en la piel lesional de la parte posterior del muslo. Los parámetros utilizados fueron mín-CorKME=0.5 y minKMEtoStay=0.3 y minModuleSize=50, con resultado de un total de 15 módulos. Los genes propios del módulo generados se correlacionaron con los rasgos microbianos y celulares de interés. Los módulos con un coeficiente de correlación >0.5 y un valor de p < 0.001 se analizaron de forma adicional para el enriquecimiento génico y el análisis de la vía con clusterProfiler.
3 | RESULTADOS
3.1 | Las diferencias en la dinámica microbiana de la piel con DA entre el muslo y la parte superior de la espalda se caracterizaron por S. aureus
La microbiota de la piel tanto de pacientes con DA (n = 84) como de sujetos sanos (n = 117) fue dominada por los phyla Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria y Bacteroidetes como se esperaba. De estos, Firmicutes y Proteobacteria mostraron diferencias en abundancia entre los grupos clínicos (análisis ANCOM). Los Firmicutes aumentaron tanto en la piel con DA lesional como en la piel no lesionada en comparación con los controles sanos, mientras que las proteobacterias disminuyeron en las muestras de DA lesional en comparación con las de los controles y no lesionadas.
A nivel de género, Staphylococcus fue el género más común observado en las muestras de DA, con S. aureus como la especie más prevalente. El S. aureus (OTU 883 806) mostró una diferencia significativa abundante entre los grupos. El S. aureus se incrementó en las muestras de lesiones de DA y no lesionadas en comparación con los controles, y fue abundante de forma diferencial entre la DA y controles sanos en las muestras de muslo (n = 45), pero la evidencia en las muestras de espalda no fue concluyente (n = 39).
Para investigar más las diferencias en el sitio de la piel, se determinó la diversidad microbiana alfa (en este caso el índice de Shannon), que mide la riqueza y distribución de especies dentro de una población. En la parte posterior del muslo, la diversidad alfa se redujo de forma progresiva de piel sana a piel no lesionada con DA y más adelante a piel lesionada con DA. Un examen más detenido de la composición microbiana de las muestras sugirió que un aumento gradual de S. aureus de una persona sana a una piel no lesionada con DA y, además, a una piel lesionada con DA, es un impulsor importante de la reducción de la diversidad alfa. En contraste, la diversidad alfa no difirió entre ninguno de los grupos estudiados en las muestras de la parte superior de la espalda. Es de destacar, que la diversidad microbiana fue menor en la espalda sana en comparación con la parte posterior del muslo sano (n = 92), de acuerdo con estudios previos. Se obtuvieron resultados similares con el índice de Simpson. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el número bajo de muestras de la espalda de sujetos de control sanos (n = 13) limita la potencia del análisis del microbioma.
También se llevó a cabo un análisis de la diversidad beta, se midió el grado de similitud entre los grupos de muestras. Se encontró que las muestras de piel lesionada y no lesionada con DA de ambos sitios de la piel formaban un grupo de muestras de DA, mientras que el grupo de piel sana del muslo mostraba cierta superposición con las muestras de DA, y los controles sanos de la espalda superior formaban un grupo más separado. Estos resultados indicaron que existe un “microbioma similar a la DA” que es independiente del sitio de la piel.
Un análisis adicional reveló dinámicas adicionales específicas al sitio de la piel en la DA, como lo indican las medidas de diversidad alfa. En las muestras de muslo, sanas, no lesionadas y lesionadas formaron grupos claros pero superpuestos de forma parcial. El S. aureus y Staphylococcus spp. fueron abundantes de forma diferencial entre las tres condiciones. Por el contrario, las muestras sanas de la parte superior de la espalda formaron un grupo separado de las muestras correspondientes de DA, pero las muestras con lesiones y sin lesiones se agruparon de forma estrecha que las muestras correspondientes de muslo. Dos OTU, etiquetadas como Herbaspirillum spp. y Curvibacter spp., fueron abundantes de forma diferencial en la DA de la espalda superior en comparación con los controles, pero estos se identificaron como contaminantes comunes del kit. También se identificó un grupo de muestras con un perfil bacteriano distinto. Estas muestras contenían OTU de las familias Burkholderiaceae, Enterobacteriaceae, Microbacteriaceae y Oxalobacteraceae, con Cryocola spp. y Halomonas phoceae como los taxones más abundantes.
3.2 | El transcriptoma de piel no lesionada en la DA difiere del de la piel sana y el sitio anatómico tiene mucha influencia en él
Para identificar los procesos cutáneos alterados en la DA en las dos ubicaciones anatómicas muestreadas, se comparó el perfil transcripcional de la piel no lesionada con DA con controles sanos. En la parte posterior del muslo, 108 genes se expresaron de forma diferencial (cambio de veces [FC] >1.5, valor de P < 0.05) entre muestras de piel no lesionada con DA y piel sana, mientras que la misma comparación en la parte superior de la espalda resultó en 371 genes expresados de forma diferencial (DEG).
El análisis de las firmas de genes identificadas para el enriquecimiento funcional basado en categorías de ontología genética (GO) reveló diferencias claras entre las ubicaciones anatómicas. La piel no lesionada con DA en la parte posterior del muslo mostró un enriquecimiento en los procesos biológicos relacionados con la cornificación y la diferenciación de las células epidérmicas, así como la quimiotaxis de linfocitos, en comparación con los controles de muslo sano. En la parte superior de la espalda, la misma comparación reveló de forma principal el enriquecimiento del metabolismo de lípidos, moléculas pequeñas, cofactores y ácidos orgánicos, sin ningún componente inmunitario. El análisis de la vía del ingenio (IPA) sugirió que las funciones relacionadas con las respuestas inflamatorias, el movimiento celular y el tráfico de células inmunes se activaron en los sitios de DA no lesionados del muslo en comparación con las muestras de control sanas. Por el contrario, en los sitios de piel no lesionada con DA en la parte superior de la espalda, la bioquímica de moléculas pequeñas y el metabolismo de los lípidos disminuyeron su expresión de manera fuerte en comparación con las muestras de control.
3.3 | La piel lesionada con DA se caracteriza por un aumento de las respuestas inmunitarias tipo Th2 de manera independiente de la ubicación anatómica
También se compararon los perfiles transcripcionales de la piel de los sitios lesionados y no lesionados de los pacientes con DA. Se encontraron 709 DEG entre las muestras con lesiones y no lesiones del muslo, mientras que se encontró que 328 genes difieren en la expresión entre las muestras con lesiones y sin lesiones de la espalda. La caracterización funcional de los genes expresados de forma diferencial con IPA reveló que muchas de las mismas vías (ejemplo, vía Th2, regulación MIF de la inmunidad innata, transmisión de señales de extravasación de leucocitos) se activaron en sitios de lesión en ambas regiones anatómicas. Sin embargo, también hubo diferencias importantes entre los dos sitios diferentes. En la parte posterior del muslo, la vía Th1 y la transmisión de señales iCOS-iCOSL en las células T colaboradoras se encontraban entre las vías activadas de forma más significativa. En la parte superior de la espalda, la activación de LXR/RXR, involucrada en la regulación del metabolismo de los lípidos y la inflamación, se suprimió más fuerte en los sitios lesionados en comparación con la piel no lesionada.
El análisis de IPA de las funciones celulares y moleculares de los DEG entre muestras de DA con lesiones y sin lesiones también mostró un grado alto de similitud entre el muslo y la espalda. En ambos sitios, las funciones asociadas con el movimiento celular, el tráfico de células inmunes, la interacción y la transmisión de señales de célula a célula y la función del sistema hematológico fueron las que se enriquecieron de manera más significativa.
3.4 | Las diferencias transcripcionales entre el muslo y la espalda se definen por variaciones importantes en el metabolismo de los lípidos
Para comprender la base molecular detrás de las diferencias fisiológicas entre la parte posterior del muslo y la parte superior de la espalda, se comparó la expresión génica en estos sitios tanto para pacientes con DA como para controles sanos. Se encontraron 117 genes que se expresaron de forma diferencial entre el muslo y la parte superior de la espalda en las tres condiciones clínicas, es decir, DA no lesional, lesional y controles sanos. Funciones como el metabolismo de los ácidos grasos de cadena larga y la biosíntesis de ácidos grasos insaturados se enriquecieron mucho en las muestras de la parte superior de la espalda en comparación con la parte posterior del muslo, de manera independiente de la condición clínica. Además, también se indujo el metabolismo del ácido linoleico, alfa-linolénico y araquidónico en muestras de la parte superior de la espalda.
3.5 | La asociación entre la abundancia de S. aureus y la gravedad de la enfermedad es dependiente del sitio de la piel
Así como estudios previos señalaron la abundancia de S. aureus en piel lesionada y no lesionada con DA hacia la gravedad de la DA, se examinó como esta asociación estuvo presente en los dos diferentes sitios de la piel. En la base de datos, la abundancia de S. aureus en muestras lesionales y sin lesiones de los muslos se correlacionó de forma positiva con el SCORAD objetivo (como una medida de la gravedad global de la DA), mientras que no se encontró tal correlación en ninguno de los tipos de muestra de las muestras de la parte superior de la espalda. Se obtuvieron resultados similares al evaluar la correlación entre S. aureus y las medidas de gravedad locales específicas de la muestra.
Una inspección más cercana de la asociación entre S. aureus y los niveles de SCORAD objetivo reveló que las lesiones graves (SCORAD objetivo >40) en la región del muslo se colonizan más a menudo de manera densa por S. aureus, a diferencia de las lesiones graves en la región superior de la espalda. Las muestras de lesiones de muslo y espalda se dividieron en tres grupos según la abundancia relativa de S. aureus: las muestras con 1% o menos de S. aureus se etiquetaron como “ausentes”, las muestras con 80% o más de S. aureus se etiquetaron como “alta”, y las muestras intermedias se etiquetaron como “media”.
3.6 | La abundancia de S. aureus en la parte posterior del muslo se asocia con genes que regulan la queratinización y el ritmo circadiano
Para investigar los vínculos entre la colonización por S. aureus y los perfiles transcripcionales en muestras de piel lesionada, se compararon los perfiles de expresión génica entre muestras de lesiones del muslo colonizadas de manera abundante por S. aureus (denominadas muestras “altas” de S. aureus) y las que carecían de S. aureus (referido como muestras “ausentes” de S. aureus). Esto resultó en la identificación de 99 DEG, muestras que separaron de forma clara en dos categorías basadas en análisis de agrupamiento jerárquico. Los análisis de enriquecimiento funcional revelaron sobrerrepresentaciones de procesos biológicos como la queratinización y la diferenciación de células epidérmicas, así como la regulación circadiana de la expresión génica. El análisis IPA identificó además la transmisión de señales del ritmo circadiano como la vía enriquecida más significativa en este conjunto de genes. La inferencia de redes basadas en el nivel de coexpresión, importancia y centralidad de los genes apoyó aún más estos hallazgos, reveló tres grupos, enriquecidos para la queratinización, la expresión génica de la regulación circadiana y la división celular, de forma respectiva.
Se examinaron más a fondo los genes específicos que regulan los ritmos circadianos y se observó que en las muestras de piel lesionada de muslo, cuatro genes (BHLHE41, CIART, NR1D1 y PER1) se correlacionaron de forma negativa con el SCORAD objetivo, mientras que NOCT se correlacionó de manera positiva. Además, los genes relacionados con la diferenciación de queratinocitos se correlacionaron de forma negativa con el SCORAD objetivo. El uso del mismo enfoque al comparar muestras de piel lesionada y no lesionada en la región superior de la espalda no reveló ninguna asociación significativa entre la abundancia de S. aureus y la gravedad. Para concluir, los resultados muestran vínculos entre la gravedad de la enfermedad, la expresión de genes relevantes para la enfermedad y la abundancia de S. aureus, pero de una manera específica al sitio.
3.7 | Las respuestas inmunitarias modulares en la piel lesionada de la parte posterior del muslo se asocian con abundancias de S. aureus y S. epidermidis
Las abundancias relativas de S. aureus y S. epidermidis se correlacionaron de forma inversa (R = −0.52; P < 0.001) en la piel lesionada en la zona posterior del muslo. Para evaluar el impacto transcripcional de estos microbios y su relación en la piel lesionada, se empleó la deconvolución de leucocitos, así como el análisis de coexpresión génica ponderada (WGCNA) para detectar módulos asociados dentro de este sitio específico de la piel. En primer lugar, se buscó identificar cambios importantes en los leucocitos dentro de la piel afectada mediante un algoritmo de deconvolución de leucocitos en todo el transcriptoma. La piel lesionada exhibió cambios importantes en la composición de leucocitos, con proporciones más altas de forma significativa de células dendríticas (en reposo y activadas) y macrófagos, así como células cebadas en reposo y células asesinas naturales activadas más bajas de forma significativa en comparación con la piel no lesionada y los controles sanos. Por lo tanto, la relación microbiana y las fracciones de células relativas estimadas se utilizaron además como rasgos en el WGCNA. Por lo tanto, se identificaron 2 módulos asociados con la relación de abundancia relativa de S. aureus y S. epidermidis; 1 módulo con correlación positiva (módulo de color canela, también denominado módulo de S. aureus, SAMod) y 1 con correlación negativa (módulo de color marrón, también denominado módulo de S. epidermidis, SEMod). El SAMod mostró enriquecimiento para la organización de la matriz extracelular, la activación del complemento, la angiogénesis y la migración de leucocitos. Además, el enriquecimiento de la vía KEGG identificó la infección por S. aureus y las cascadas de complemento y coagulación como términos muy enriquecidos. Sin embargo, este módulo no se correlacionó mucho (p < 0.001) con ningún tipo de célula inmunitaria. Por el contrario, el SEMod exhibió un enriquecimiento de GO BP para la diferenciación de células grasas y el desarrollo de la epidermis. De manera interesante, este módulo se asoció de manera importante con las fracciones estimadas de células cebadas.
4 | DISCUSIÓN
Este estudio destaca la importancia de los nichos ecológicos de la piel en la definición de la interacción microbio-huésped, y esto debe tenerse en cuenta al estudiar la etiología y la progresión de la DA. Al analizar una gran cohorte de pacientes con DA y controles sanos y centrarse en dos ubicaciones anatómicas: la parte superior de la espalda y la parte posterior del muslo, se pudo demostrar que, aunque la DA selecciona microbios similares en ubicaciones anatómicas−un “microbioma similar a la DA”, la dinámica microbiana en la DA difiere de forma significativa entre los diferentes sitios. Además, se mostró que la abundancia de S. aureus se asocia con la gravedad de la enfermedad sólo en la región posterior del muslo y no en la región superior de la espalda. El análisis del transcriptoma reveló distintos procesos relacionados con la enfermedad según la ubicación anatómica, donde la queratinización desempeñó un papel importante en la parte posterior del muslo y el metabolismo de los lípidos dominó en la espalda, lo que sugiere posibles vínculos entre el microambiente de la piel y la dinámica microbiana. Por lo tanto, los resultados enfatizan el concepto de nichos ecológicos que definen la interacción microbio-huésped en la DA: el transcriptoma del huésped define el nicho ecológico (producción lipídica rica en las glándulas sebáceas versus pobre), y el nicho define la existencia y la coexistencia de microbios.
La diversidad microbiana reducida se asocia por lo general con la DA, pero se observa tal disminución sólo en la parte posterior del muslo, y existen discrepancias similares en la literatura. Los resultados sugieren la existencia de un “microbioma similar a la DA”, consistente con Baurecht et al: La enfermedad exhibe un ambiente que se enriquece en una comunidad microbiana rica de manera particular en Staphylococcus en los diferentes sitios de la piel independiente de la influencia de la fisiología local. El modelo del microbioma similar a la DA ayuda a explicar por qué la diversidad alfa no siempre disminuye; los sitios saludables menos diversos como “espalda alta” pueden pasar a un estado “similar a DA” sin un cambio visible en sus métricas de diversidad alfa. Las lesiones de la parte superior de la espalda mostraron una diversidad algo mayor que las lesiones del muslo en estos pacientes. Una posible explicación de esto podría ser que las lesiones del muslo fueron más graves en promedio. También se observó que el efecto de la enfermedad para la selección de microbios es fuerte de manera particular en las lesiones, pero también se puede observar en la piel no lesionada.
La disponibilidad de datos del transcriptoma de los mismos sitios de piel que se muestrearon para la microbiota, permitió examinar los procesos del huésped que podrían explicar las diferencias en la fisiología de la piel de los diferentes sitios y las condiciones de la enfermedad. El metabolismo de los lípidos constituyó la principal diferencia entre el muslo y la espalda en el análisis del transcriptoma, y se observaron perturbaciones en los genes del metabolismo de los lípidos en ambos sitios de la piel entre los controles sanos y la piel no lesionada. Se especula que esto puede tener importantes implicaciones en la colonización microbiana de la piel con DA y, en consecuencia, en las manifestaciones de la enfermedad. Dos estudios sugirieron una conexión entre la composición de lípidos epidérmicos y la composición de la comunidad bacteriana. Aquí, se demostró que el metabolismo del ácido linoleico, alfa-linolénico y araquidónico se estimula en la espalda y estas moléculas demostraron tener actividad antimicrobiana, y pueden inhibir de manera selectiva ciertos grupos de bacterias como el Staphylococcus. También se demostró que ciertas cepas de S. aureus desarrollaron mecanismos de defensa intrínsecos para hacer frente a estos ácidos grasos.
La diferenciación de queratinocitos, que se encontró desregulada en la DA, contribuye a la función de la barrera cutánea. En estos datos, la diferenciación de los queratinocitos y los procesos biológicos relacionados mostraron diferencias entre la piel no lesionada y la piel de control sana en muestras de muslo, y entre el muslo y la espalda en la DA. Además, las respuestas inflamatorias se activaron en la piel no lesionada del muslo en comparación con la piel de control sana, lo que no se observó en las muestras de la parte superior de la espalda. Estos resultados indican qué si bien existen diferencias entre la piel de control sana y no lesionada en ambos sitios de la piel, la piel no lesionada del muslo muestra signos de inflamación subclínica y una mayor susceptibilidad a las lesiones, como se refleja en la predilección clínica. Estudios previos del transcriptoma identificaron alteraciones en la expresión de genes de cornificación epidérmica en piel con lesión y sin lesión de la DA, pero no reportaron de qué sitios de la piel se tomaron las muestras.
En la piel lesionada, los genes asociados con la inflamación se expresaron de manera diferente en la piel de ambos sitios corporales en comparación con la piel no lesionada de los pacientes con DA. Los genes bien descritos de la vía de la inflamación tipo 2, como el IL4R, el receptor de quimiocina con motivo C-C tipo 4 (CCR4) y la quimiocina 22 con motivo C-C (CCL22), aumentaron su expresión tanto en el muslo como en la espalda en la piel lesionada en comparación con la no lesionada. Estos genes no se expresaron de forma diferencial en muestras de piel no lesionada de DA en comparación con muestras de control sanas. La activación de la vía Th2 se reportó antes en lesiones agudas de DA, y de forma reciente en un subgrupo de pacientes con DA caracterizados como endotipo tipo 2 alto, que exhiben una forma más grave de la enfermedad. Mientras que la DA se reconoce en la actualidad como enfermedad multifactorial, heterogénea con diferentes subconjuntos inmunes, las respuestas Th2 desempeñan un papel importante tanto en las lesiones agudas como en los estados de enfermedad crónica.
A pesar de la reducción en la variabilidad del sitio entre la piel impulsada por la enfermedad, las diferencias detectadas en los transcriptomas entre los sitios, tanto en sitios no lesionados como lesionados, podrían ayudar a explicar la dinámica microbiana específica del sitio de la piel observada en la DA, que se reportó también para otras enfermedades cutáneas como la psoriasis. En particular, se ve un aumento en la abundancia de S. aureus desde la piel no lesionada hasta la piel lesionada en el muslo, que no se observa en la parte superior de la espalda. Además, se muestra que la asociación positiva descrita antes entre S. aureus y la gravedad de la enfermedad (medida por SCORAD) se observa sólo en la parte posterior del muslo, pero no en la región superior de la espalda. Se obtuvieron resultados comparables al considerar una medida de gravedad específica de la lesión. Kong et al obtuvieron resultados similares en los pliegues antecubital y poplíteo (húmedo), así como en el antebrazo volar (seco), pero no en los sitios nasales (húmedo y rico en S. aureus). Esto plantea interrogantes sobre la presencia y el papel de diferentes cepas de S. aureus en la DA, como si las cepas específicas de S. aureus contribuyen de manera activa a un aumento de la gravedad y si ciertas cepas colonizan de preferencia ubicaciones específicas. Estos resultados subrayan la necesidad de explorar más a fondo el papel de la variabilidad del sitio de la piel como una parte crucial del diseño experimental en los estudios de la DA y otras enfermedades cutáneas.
En este estudio, las muestras de lesiones de muslo con niveles elevados de S. aureus tenían un perfil distinto del transcriptoma cutáneo en comparación con las muestras con niveles bajos de S. aureus. En particular, los genes relacionados con la queratinización y el ritmo circadiano se expresaron de forma diferencial entre los grupos de muestras. La queratinización se relaciona con alteraciones en la barrera cutánea, como se señaló antes, mientras que el ritmo circadiano influye en el flujo sanguíneo cutáneo, así como en la función de la barrera epidérmica. Si bien se propuso que el ritmo circadiano desempeña un papel en la patogénesis de la DA, la evidencia mecánica de esto aún es escasa, en especial con respecto a la relevancia de la expresión génica circadiana en la piel. Sin embargo, hay estudios que relacionan los genes circadianos con la inflamación de la piel similar a la psoriasis. Además, el prurito y el rascado, que son partes integrales de la DA, pueden provocar trastornos del sueño y, a su vez, también pueden influir en los genes que se regulan por el ritmo circadiano. Se requieren más investigaciones para determinar la importancia de los genes del ritmo circadiano en la patogenia de la DA.
La abundancia relativa de S. aureus y S. epidermidis mostró una correlación inversa en la piel lesionada de la parte posterior del muslo. La abundancia relativa de S. aureus, pero no de S. epidermidis, también se correlacionó de forma positiva con la gravedad de la enfermedad. En consonancia con esto, se reporta que los pacientes con DA grave se colonizan de manera más predominante por cepas de S. aureus, mientras que los pacientes con enfermedades más leves demuestran más S. epidermidis en los brotes cutáneos. Para explorar la posible interacción entre S. aureus y S. epidermidis, los tipos de células cutáneas y los perfiles de expresión génica en la piel lesionada del muslo, se empleó la deconvolución de leucocitos y el análisis de coexpresión de WGCNA. Se identificaron dos módulos de coexpresión que se correlacionan de forma positiva con las abundancias de S. aureus y S. epidermidis. El módulo asociado a S. aureus mostró un enriquecimiento de la organización de la matriz extracelular y la migración de leucocitos, pero este módulo no pudo asignarse a ningún tipo de célula inmunitaria específica. Por el contrario, el módulo de expresión asociado a S. epidermidis exhibió un enriquecimiento del desarrollo de la epidermis y se asoció mucho con las proporciones estimadas de células cebadas en la piel. Al considerar la relación inversa entre la abundancia de S. aureus y S. epidermidis en los sitios de piel lesionada, estos resultados sugieren que S. epidermidis podría desempeñar un papel en la función de los células cebadas, lo que a su vez también puede tener un impacto en la gravedad más leve de la enfermedad en comparación con erupciones cutáneas dominadas por S. aureus.
Los autores utilizaron en este estudio una gran cohorte de pacientes que incluye muestras de sitios corporales que representan dos microambientes ecológicos diferentes: seco y sebáceo. Este conjunto de datos permitió examinar la influencia de los lípidos de la superficie epidérmica en la colonización microbiana y la expresión génica en la piel, e identificar características que son comunes para la enfermedad de forma independiente del sitio. El presente estudio también incluyó una mayor cantidad de muestras que la mayoría de los estudios anteriores que se centraron en el efecto de la composición de la microbiota cutánea y el transcriptoma del huésped en la fisiología de la DA. Se justifican más estudios con metagenómica de escopeta para dilucidar aún más el papel funcional de los microbios en la enfermedad.
En conclusión, estos hallazgos sugieren que en la DA, la microbiota de la piel interactúa por medio de mecanismos locales impulsados por el huésped, formó diferentes nichos ecológicos y, por lo tanto, distintas interacciones microbio-huésped, que deben tenerse en cuenta al considerar las opciones de tratamiento. Además, los autores proponen que el aumento del metabolismo de los lípidos en las áreas sebáceas puede ser un factor que contribuya a la disminución de la colonización por S. aureus mediante la producción de lípidos antimicrobianos.
Microbial and transcriptional differences elucidate atopic dermatitis heterogeneity across skin sites
First published: 01 October 2020
Centro Regional de Alergia e Inmunología Clínica CRAIC
Hospital Universitario “Dr. José Eleuterio González” UANL
Monterrey, México
Dra. Med. Sandra Nora González Díaz Jefe y Profesor
Dr. Carlos Macouzet Sánchez Profesor
Dra. Daniela Robles Rodríguez Residente 1er Año
Dra. Alejandra Macías Weinmann Profesor
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