The Pathologic Role of Intracellular Cutibacterium acnes in Intractable Oral Inflammation

Abstract

Cutibacterium acnes (C. acnes), a Gram-positive anaerobic commensal bacterium of the skin and mucosa, has recently emerged as potential pathogen in various chronic inflammatory diseases. Notably, its ability to persist intracellularly within macrophages suggests a mechanism of immune evasion and chronic inflammation. However, the role of intracellular C. acnes in chronic oral inflammatory diseases remains poorly understood. In this study, intracellular C. acnes strains were isolated from the lesions of the peri-implantitis and apical periodontitis and their characteristics of intracellular pathogen were investigated using both in vitro and in vivo models. The isolated strains survived within Raw 264.7 macrophages for several days without being degraded, as confirmed by immunofluorescence imaging and recovery from anaerobic bacterial culture. Although intracellular proliferation was not evident, transmission to neighboring uninfected macrophages was observed, indicating intercellular spreading capacity. These findings support the hypothesis that C. acnes can persist within host cells and disseminate through macrophage populations. C. acnes infection triggered robust pro-inflammatory responses in macrophages. RT-qPCR and cytokine array revealed significant upregulation of key inflammatory cytokines and chemokines, including IL-6, CCL2 and CSF. Bulk RNA sequencing further identified 1,672 upregulated and 1,464 downregulated genes associated with microbial infection, cytokine signaling, and microbial recognition pathways. In vivo, subcutaneously injected C. acnes was detected within CD68+ macrophages in mouse tissues, accompanied by granulomatous inflammation and elevated expression of IL-1β, IL-23, and TNF-α. These findings suggest that C. acnes acts as a persistent intracellular pathogen in chronic oral inflammatory diseases, capable of resisting degradation, inducing pro-inflammatory cytokines, and contributing to granuloma formation. This mechanism may underlie therapeutic resistance and highlights the need for intracellular-targeted treatment strategies in intractable oral inflammation.

Cutibacterium acnes (C. acnes)는 피부 및 점막에 서식하는 혐기성 세균으로 정상세균총에 속하지만, 최근 다양한 만성 염증성 질환에서 병원균으로 작용할 수 있음이 밝혀지고 있다. 특히 대식세포 내에서 장기간 생존하는 특성은 면역 회피 및 만성 염증 유발과 관련이 있는 것으로 추정되나 세포 내 생존이 구강 염증성 질환에서 어떤 병리학적 역할을 하는지에 대한 연구는 미비하다. 본 연구에서는 치과 임플란트 주위염 및 근관 치료 후 치근단 병소로부터 세포 내 감염된 C. acnes를 분리하여, 이 균주들이 세포 내 감염의 특징을 가지는 지에 대해 세포 실험 (in vitro) 및 생체 내 마우스 모델 (in vivo)를 통해 분석하였다. 그 결과, 분리된 C. acnes 균주는 Raw 264.7 대식세포주에서 10일 이상 관찰이 되었으며, 일부 균주는 세포 내에서 사멸되지 않은 채 존재하는 것이 확인되었다. 세포 내 C. acnes의 증식은 정량화 된 결과로 증명되지는 않았지만, 감염된 대식세포로부터 인접한 대식세포로의 전파 (intercellular propagation)가 형광 이미지 분석으로 확인되었다. 즉, 구강 염증성 질환 유래 C. acnes가 대식세포에 지속적으로 존재하며 세포 간 확산이 가능함을 시사한다. 또한, C. acnes의 감염은 대식세포에서 강한 염증성 사이토카인 반응을 유도하였다. 역전사 중합효소 연쇄 반응 (RT-PCR) 및 사이토카인 어레이 분석 결과 IL-6, CCL2, CSF2와 같은 염증성 사이토카인 및 케모카인이 공통적으로 증가하였다. 전장 전사체 분석 (RNA sequencing)에서 C. acnes의 감염은 1,672개의 유전자의 발현 증가와 1,464개의 감소가 확인되었으며, 증가된 유전자들은 주로 미생물 감염, 사이토카인 신호전달, 세포 내 감염에 대한 반응 들과 관련되었다. 마우스 피하 주입 실험에서 살아있는 C. acnes를 주입한 부위에서 CD68+ 대식세포 내에 장기간 잔존하고 있는 세균이 관찰되었으며, 육아종성 염증 반응이 유도되었다. 또한 염증 부위에서 IL-1β, IL-23, TNF-α의 발현 증가가 관찰되었다. 열사멸된 세균에서도 염증 반응은 유도되었으나, 살아 있는 균을 주입했을 때 더 심한 괴사성 염증반응이 관찰되었다. 본 연구는 C. acnes가 대식세포 내에서 생존하며 염증을 유발하는 세포 내 병원균으로 작용할 수 있음을 강하게 시사한다. 특히 치료에 반응하지 않는 구강 염증성 질환에서 C. acnes의 세포 내 병원균으로서 특징이 치료 저항성 및 재발의 병리적 원인으로 작용할 수 있음을 시사한다. 나아가 기존 항생제나 치료 방식으로는 해결이 어려운 난치성 염증 병소에서 세포 내 감염균을 표적으로 하는 새로운 치료 전략의 필요성을 제시하고자 한다.