A novel human nasal Staphylococcus epidermidis strain shapes respiratory immunity by driving protective Type 17 responses

Abstract

Upper respiratory tract infections (URIs), predominantly occurring in the nasal cavity, represent a significant global health burden, accounting for over 17 billion cases annually. The nasal mucosa provides a critical immunological barrier through epithelial defenses, antimicrobial peptides, and mucociliary clearance, supported by diverse T helper subsets (Th1, Th2, Th17, Treg). Among these, IL-17a driven Type 17 immunity, mediated by Th17, Tc17, and γδ17 T cells, is particularly crucial for mucosal defense. Recent evidence highlights the essential role of the commensal nasal microbiome, notably Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis), in modulating this immune balance through enhanced IL-17a production and antimicrobial activity. However, the precise immunomodulatory mechanisms and strain-specific immune effects of nasal S. epidermidis remain poorly understood. This thesis aims to identify and characterize immunologically potent S. epidermidis strains isolated from human nasal samples, elucidating the molecular and cellular mechanisms underlying their ability to enhance Type 17 immune responses. Ultimately, this study provides critical insights into commensal-host interactions in the nasal cavity, paving the way for novel pharmabiotic approaches to treat respiratory diseases.

본 논문은 인간 비강에서 분리한 Staphylococcus epidermidis 아종 중 면역조절 기능을 가지는 아종을 선별하고, 이들의 면역조절 매커니즘을 설명하는 데에 목적을 가지고 있다. 비강 공간은 여과, 가습 뿐만 아니라, 흡입한 공기와 함께 침투한 병원균에 대하여 방어하면서 면역학적 장벽으로 작용한다. 비강 상피세포는 융합막(tight junction), 항미생물 화합물, 분비세포 및 섬모세포ㄹ가 형성하는 물리적 장벽에 더해 Th17 세포, Tc17 세포, γδ17 T 세포가 분비한 IL-17a에 의해 유도된 Type 17 면역 반응을 통해 비강 공간 내에서 병원균을 제거하고 조직을 보수(repair)한다. 비강 공생세균 중 우세종인 S. epidermidis는 선천 면역과 후천 면역을 조절함으로써 면역 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 하며, IL-17a 생산과 항미생물 펩타이드 분비를 통해 병원균의 집락화(colonization)를 방지하고 점막 면역을 향상시키는 것으로 보여져 왔다. S. epidermidis가 면역조절에 있어서 이러한 역할을 하는 것이 알려져 있음에도 불구하고 S. epidermidis가 비강 면역 방어를 강화하는 정확한 매커니즘은 연구된 바가 없다. 본 연구에서는 인간 비강 조직 유래 S. epidermidis 중 비강 집락화 후 Th17 세포와 γδ17 T 세포를 통해 Type 17 면역 반응을 강화하는 SE13을 규명하였다. 또한, 매커니즘 연구를 통해 Th17 세포는 SE13으로부터 분비된 물질에 의해 IL-6 자극을 받아 활성화되고, γδ17 T 세포는 생균이 가지는 열에 불안정한 물질에 의해 조직 내 IL-6 유무에 무관하게 유도됨을 보여줌으로써 이들이 Type 17 면역반응을 일으키기 위해 다른 매커니즘을 가지고 있음을 확인하였다. 이 결과는 Type 17 면역반응 강화를 통한 호흡기 감염을 치료하기 위한 새로운 파마바이오틱스(pharmabiotics, 의약용 프로바이오틱스) 개발에 기여할 것으로 기대된다.