我们都佩戴的疫苗：皮肤微生物群可以改造成局部疫苗

当病原体感染宿主时，会释放出一连串的防御机制，目的是清除病原体。免疫学中的许多基本原则都源自对这些反应的研究。相比之下，对我们微生物组的免疫力则更加神秘。这个和平的微生物群落在人体上定植，为其宿主提供必要的支持。尽管有这些好处，但免疫系统对微生物定植者反应强烈。为什么我们的免疫系统会将其大部分资源用于有益微生物？过去 15 年的研究告诉我们，与对病原体的反应类似，对共生微生物的免疫力可以是类似的抗原特异性 （1， 2），并涉及全身循环的共生特异性细胞 （3）。此外，微生物的身份决定了引发的语气和反应 （4）。然而，与对病原体的免疫形成鲜明对比的是，这些反应是通过完整的屏障发生的，没有炎症。为什么免疫系统会在没有威胁的情况下产生如此复杂的反应？我和我的同事们假设，宿主先发制人地监测和建立对共生体的免疫力，以防止通过屏障突破（例如皮肤上的伤口）不可避免地暴露。为了解决这个问题 （5），我们专注于共生皮肤微生物引发的免疫反应，特别是流行的细菌表皮葡萄球菌。表皮葡萄球菌定植会产生参与伤口愈合的抗原特异性 T 细胞 （6）。相比之下，人们对 B 细胞对皮肤微生物的反应知之甚少。鉴于 B 细胞在皮肤病理学中发挥的重要作用 （7） 以及微生物群对其他解剖位置抗体反应的影响 （8），我们想知道皮肤微生物群在 B 细胞反应中的作用。

两项观察结果表明，皮肤共生体可以诱导 B 细胞反应：人类皮肤拭子中存在涂有抗体的微生物 （9），以及发现 B 细胞存在于健康的皮肤中，而不仅仅是以前认为的疾病状态 （10）。我们首先测试了表皮葡萄球菌小鼠的定植是否会导致抗体反应。我们用棉签轻轻摩擦小鼠的皮肤，将细菌培养物涂抹在小鼠的头部。这些定植小鼠具有令人印象深刻的全身 B 细胞反应，并携带高滴度的类别转换循环抗表皮葡萄球菌抗体。我们还在非人灵长类动物和人类中观察到针对天然皮肤共生微生物的类似高抗体滴度，这表明这种反应是保守的（见图）。

接下来，我们试图确定抗体反应的分子靶标。我们在 Belkaid 实验室的合作者证明，抗原采样是由朗格汉斯细胞通过完整皮肤介导的 （11）。然而，与大多数共生来源的抗原一样，表皮葡萄球菌抗原的身份仍然未知。我们使用一系列细胞表面突变体结合生物信息学来识别细胞壁附着的积累相关蛋白 （Aap） 作为主要抗原。Aap 中的主要表位，就像在肠道中鉴定的一些 T 细胞抗原 （12， 13） 一样，是高度保守的，存在于革兰氏阳性菌中。这一发现表明，皮肤中的 B 细胞，就像肠道 T 细胞一样，可以识别广泛共享的共生抗原。这种机制可以扩大免疫系统可以立即识别的共生体的范围。

这种反应可以被利用来获得治疗益处吗？如果对共生体的免疫力确实是先发制人的，那么人们可能会想象将这种针对病原体的反应作为一种新的疫苗接种形式。我们之前表明，这种方法可以通过重定向表皮葡萄球菌引发的 T 细胞反应来产生有效的抗肿瘤反应 （3）。由于 Aap 是主要的 B 细胞抗原，我们推断它必须已经包含 B 细胞疫苗接种的最佳结构、定位和可及性。因此，我们将新抗原直接插入 Aap 中。值得注意的是，表达 Aap 与破伤风毒素无毒片段融合的表皮葡萄球菌定植产生了有效的血清抗体反应，可以防止毒素的致命攻击，这与免疫系统先发制人地对微生物组做出反应的模型一致（见图）。

我们想知道这种策略是否也与现代疫苗中发现的复杂抗原兼容。虽然细菌抗原（如破伤风毒素片段）可在表皮链球菌中表达，但病毒或肿瘤免疫原通常难以在细菌中产生。为了规避这一挑战，我们推断免疫原可以从其他来源（例如哺乳动物细胞培养物）纯化并直接连接到表皮链球菌的表面，而不是在细菌中产生抗原。为了实现这一目标，我们为表皮葡萄球菌配备了与 SpyCatcher 融合的 Aap 变体 （14）;这使得任何外源纯化的 SpyTagged 蛋白都能共价连接到表皮链球菌的表面，而不会影响其活力或定植效率。然后用与纯化的破伤风毒素片段偶联的表皮葡萄球菌定植小鼠，该片段传递抗原的“脉冲”，而不是细菌的持续产生。这些小鼠受到保护，免受破伤风毒素的致命攻击，即使在定植数量显着减少之后也是如此。也许更值得注意的是，这种策略在他们的肺粘膜中产生了局部免疫力，这很难用传统免疫来诱导，但对于防止呼吸道病原体至关重要。因此，通过简单地在皮肤上应用工程微生物，我们表明共生特异性 B 细胞反应可以重定向到强大的全身和粘膜免疫。尽管与我们的微生物组和平相处，但我们的免疫系统一直在监测共生。了解并利用这种免疫力为制定无针疫苗接种策略打开了大门。

病原体教会了我们关于免疫学的重要课程，但仍有许多有待发现。我们的工作展示了共生微生物和免疫系统之间的非炎症相互作用如何对全身和局部免疫产生深远影响。正如 Janeway 优雅地提出的那样，免疫学的进步“将需要免疫学家重新发现微生物学”[（15），第 4486 页]。也许答案在于对大部分免疫反应的研究，这些免疫反应不是针对病原体的，而是针对共生微生物群的。

致谢

我非常感谢我的博士后导师 M. Fischbach，多年来，他一直是灵感和支持者的源泉。我还要感谢我的共同导师 C. Barnes 和 Y. Belkaid，他们的指导以及 Fischbach 实验室的过去和现在的成员，特别是那些使这项工作成为可能的人。该项目得到了瑞士国家科学基金会的博士后奖学金和美国国立卫生研究院的 K99/R00 过渡奖的支持。

作者

特等奖获得者

Djenet Bousbaine 拥有瑞士联邦理工学院 （EPFL） 的本科学位和硕士学位，以及麻省理工学院的博士学位。她目前是斯坦福大学 Michael Fischbach 实验室的博士后研究员。她的研究结合了细菌遗传学、免疫学和生物化学，以探索微生物组和免疫系统之间的分子相互作用，并利用新的机制见解开发无创方法来诱导靶向免疫反应。她最近的工作揭示了 B 细胞对皮肤微生物群的反应，她用它来将皮肤细菌改造成一种以前未探索过的局部疫苗模式。www.science.org/doi/10.1126/science.adz0485