Efficacy and safety of human skin microbiome-derived strains as topical treatment for acne: in vitro and in vivo study

Abstract

Acne, common among adolescents and young adults, often leads to persistent scarring like keloids and atrophic scars. The skin microbiome plays a crucial role in defending against pathogens and modulating immunity, with dysregulation linked to various skin issues, including acne. Particularly, Cutibacterium acnes phylotype IA-2, IB-1, and IC are associated with acne, exacerbating inflammation. In a prior study, we compiled a comprehensive skin microbiome database from healthy individuals, identifying four strains—Staphylococcus epidermidis(S. epidermidis) B424F-5, S. epidermidis BS47C-1, Dermacoccus profundi(D. profundi) BS35F-3, and Streptococcus salivarius(S. salivarius) BS320F-4—that exhibit antimicrobial activity against acne-causing bacteria. The effectiveness and safety of these strains on acne-related inflammation were evaluated through in vitro and in vivo experiments. C. acnes treatment did not exhibit cytotoxicity but increased mRNA expression of acne-related inflammatory mediators in keratinocytes without significant changes in fibroblasts. In vivo studies using a mouse model revealed that these strains reduced expression levels of inflammatory mediators. In conclusions, our study provides compelling evidence supporting the efficacy and safety of human skin microbiome-derived strains as a potential topical treatment for acne. By targeting both microbial colonization and inflammatory pathways, these strains offer a promising avenue for the development of novel acne therapeutics.

여드름은 사회적 활동량이 가장 높은 시기인 청소년기 및 젊은 성인에 호발하며, 치료 중 켈로이드, 비후성 반흔과 같은 난치성 흉터가 발생할 수 있어 환자의 정신, 사회적 활동에 심각한 지장을 초래할 수 있는 질환이다. 휴먼 마이크로바이옴은 인간의 몸에 서식하는 미생물과 유전정보를 포함하는 생태계를 통칭한다. 이 중 피부에 존재하는 스킨 마이크로바이옴은 병원체 감염에 대한 보호작용 및 면역에 관여하고 여러 물질을 분해하는 역할을 한다고 알려져 있으며, 이러한 방어장벽이 무너지거나 균형이 파괴되면 피부 질병을 유발할 수 있다고 알려져 있다. 특히 여드름에서는 Cutibacterium acnes(C. acnes) phylotype IA-2, IB-1, IC가 정상인의 피부에서보다 여드름 환자의 피부에서 많이 발견되며, 염증성 반응을 유도하고 여드름의 중증도 증가와 연관이 있다고 보고된 바가 있다. 본 연구의 선행연구에서는 정상인의 피부 시료를 수집하여 피부 마이크로바이옴 데이터베이스를 구축하고 피부 유래 균주를 분리하였다. 해당 균주에 대해 피부 상재균 및 외인성 병원균에 대한 항균활성을 평가한 결과 여드름 병인과 관련이 있다고 알려진 C. acnes에 항균 활성을 가진 피부 유래 균주 4종을 확보하였다. (Staphylococcus epidermidis(S. epidermidis) BS47C-1, B424F-5, Dermacoccus profundi(D. profundi) BS35F-3, and Streptococcus salivarius(S. salivarius) BS320F-4) 본 연구에서는 in vitro 및 in vivo 실험을 통하여 해당 균주의 여드름 관련 염증반응 감소에 대한 유효성 및 안전성을 평가하고자 하였다. 피부 각질세포 및 진피 섬유아세포에 해당 균주를 처리한 결과 세포독성이 없음을 확인하였으며, 피부 각질세포에서 C. acnes에 의해 유도된 여드름 관련 염증반응 물질 발현 증가가 해당 균주 처리 시 감소함을 확인하였다. Mouse를 이용한 여드름 동물 모델 연구에서도 해당 균주 도포에 의하여 염증반응 물질 발현이 감소됨을 확인하였다. 따라서 본 연구 결과, 피부 마이크로바이옴 유래 균주를 이용한 항균 활성 및 항염증 효과를 기대할 수 있는 새로운 여드름 치료 도포제 개발로 이어질 수 있을 것으로 기대한다.