The skin microbiome: Elucidating the structure and function of bacterial communities in health and disease

Koch, Nadine

doi:10.24355/dbbs.084-202602021525-0

Thesis Mon Feb 2 2026 CC BY-NC 4.0

Published

The skin microbiome : Elucidating the structure and function of bacterial communities in health and disease

Koch, Nadine

English
German

In this thesis, 20 healthy individuals were swabbed on 14 different body parts and analysed for their bacterial community, whereby the active, as well as the present community was examined. It could be shown that analysis of the 16S rRNA and thus active community should be preferred over the standard protocol of analysing the 16S rDNA gene, not only because the skin is an open environment, but also because only the active community will play a role in the manifestation of a disease. Following this approach, the knowledge of the healthy bacterial community on human skin and on different skin microhabitats could be further extended. The role of Corynebacterium spp. is less pronounced than was assumed over the last years. It could be shown that Staphylococcus spp. are key species that are active all over the skin of humans. The 10 volunteers who were Staphylococcus aureus carriers (as defined by its presence in its the natural habitat, the anterior nares) showed generally elevated levels of S. aureus on the skin, but the dominant regions were the hands and the facial area. This leads to the conclusion that S. aureus is mainly transferred there by hands that touched the nose before. This knowledge can be useful in preventing self-infections during hospital stays.

To evaluate the potential role of Staphylococcus hominis which was present on every tested skin site on every volunteer, a strain was isolated from one volunteer. The skin isolate of S. hominis was living in a bacterial community in which its contribution to the active bacterial community was > 63 %. The further analyses showed that it is a versatile organism that grows aerobically as well as anaerobically and is able to produce all amino acids except for asparagine and histidine. Its genome encodes some virulence factors like poly-γ-glutamic acid (PGA) and PSMb. The transcriptomic analysis revealed that both were upregulated under in vivo conditions on the skin. Transporters for the uptake of phosphate, the transport and the synthesis of the osmoprotectant glycine betaine, as well as the synthesis and salvation of the cofactor thiamine pyrophosphate were also upregulated.

Patients with the skin disease "Acne Inversa" (AI) are suffering life-long from pain, rash and fistula formation. It is believed that bacteria play a role in this disease; however, no factor has yet been identified that determines the development of this disease. Swab samples were taken from 15 patients and analysed for their active bacterial content to evaluate the theory that not one pathogen causes this disorder but that dysbiosis of the community and therefore the potential absence of important key species result in disease. It could be shown here that contrary to previous assumptions, S. aureus is not responsible for the onset of the disease. AI skin showed a change in the bacterial community composition of the skin, irrespective of being lesional or non-lesional.

In dieser Arbeit wurde von 20 gesunden Personen an 14 verschiedenen Körperstellen Abstriche genommen und auf ihre bakterielle Gemeinschaft untersucht, wobei sowohl die aktive als auch die vorhandene Gemeinschaft untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Analyse der 16S rRNA und damit der aktiven Gemeinschaft dem Standardprotokoll der Analyse des 16S rDNA-Gens vorzuziehen ist, nicht nur, weil die Haut eine offene Umgebung ist, sondern auch, weil nur die aktive Gemeinschaft eine Rolle bei der Manifestation einer Krankheit spielt. Diesem Ansatz folgend konnte das Wissen über die gesunde Bakteriengemeinschaft auf der menschlichen Haut sowie in verschiedenen Mikrohabitaten der Haut erweitert werden. Die Rolle von Corynebacterium spp. ist weniger ausgeprägt, als in den letzten Jahren angenommen wurde. Es konnte gezeigt werden, dass Staphylococcus spp. Schlüsselarten sind, die überall auf der Haut des Menschen aktiv sind. Die 10 Probanden, die Träger von Staphylococcus aureus waren (definiert durch dessen Vorhandensein in seinem natürlichen Habitat, den Nasenlöchern), wiesen generell erhöhte Werte von S. aureus auf der Haut auf, wobei jedoch die Hände und der Gesichtsbereich die höchste Abundaz aufwiesen. Entsprechend kann gefolgert werden, dass S. aureus hauptsächlich über Hände übertragen wird, die zuvor die Nase berührt haben. Dieses Wissen kann nützlich sein, um Selbstinfektionen während eines Krankenhausaufenthalts zu verhindern.

Um die potenzielle Rolle von Staphylococcus hominis zu bewerten, der bei jedem Probanden an jeder untersuchten Hautstelle vorhanden war, wurde ein Stamm von einem Probanden isoliert. Das Hautisolat von S. hominis lebte in einer bakteriellen Gemeinschaft, in der sein Anteil an der aktiven Gemeinschaft > 63 % betrug. Die weiteren Analysen zeigten, dass es sich um einen vielseitigen Organismus handelt, der sowohl aerob als auch anaerob wächst und in der Lage ist, alle Aminosäuren mit Ausnahme von Asparagin und Histidin selbst zu produzieren. Sein Genom kodiert für einige Virulenzfaktoren wie Poly-γ-Glutaminsäure (PGA) und PSMb. Die Transkriptomanalyse ergab, dass beide unter in vivo Bedingungen auf der Haut hochreguliert waren. Außerdem waren Transporter zur Aufnahme von Phosphat, der Transport und die Synthese des Osmoprotektivums Glycinbetain, sowie die Synthese und der Abbau des Cofaktors Thiaminpyrophosphat hochreguliert.

Patienten mit der Hautkrankheit „Acne Inversa“ (AI) leiden lebenslang unter Schmerzen, Ausschlag und Fistelbildung. Es wird vermutet, dass Bakterien dabei eine Rolle spielen; allerdings wurde noch kein Faktor identifiziert, der für die Entstehung dieser Krankheit ausschlaggebend ist. Von 15 Patienten wurden Hautabsriche genommen und auf ihre Zusammensetzung der aktiven Bakterien hin untersucht, um die Theorie zu überprüfen, dass nicht ein einziger Erreger diese Erkrankung verursacht, sondern dass eine Dysbiose der bakteriellen Gemeinschaft und damit das mögliche Fehlen wichtiger Schlüsselarten zur Krankheit führt. Hierbei konnte gezeigt werden, dass entgegen früherer Annahmen nicht S. aureus für den Ausbruch der Krankheit verantwortlich ist. Die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaften von AI Patienten war abweichend im Vergleich zu der von Gesunden, unabhängig davon, ob es sich um erkrankte oder nicht erkrankte Haut handelte.