Hair follicle bacterial dysbiosis: a distinct finding in patients with inflammatory hair diseases

Abstract

Introduction: A diverse community of microorganisms, usually non-pathogenic, resides on human skin and in hair follicle (HF) openings. Their role in promoting the innate and adaptive immune system to help maintain homeostasis has received increasing attention. While cutaneous dysbiosis associations with inflammatory skin diseases like acne and atopic dermatitis are well-studied in recent studies, the follicular microbiome of the scalp and its relation to hair inflammatory disorders like lichen planopilaris (LPP), frontal fibrosing alopecia (LPP) or alopecia areata (AA), remained mostly underexplored. We hypothesized that exposure to external triggers such as microbial components or metabolites, may elicit dynamic immune responses, potentially initiating or perpetuating inflammatory reactions like alopecia. Our objective was to investigate the bacterial composition and the production of selected inflammatory markers within this area.

Methods: In an observational, cross-sectional, descriptive study, data from FFA patients were collected via patient chart review or by active patient interview, to identify demographic, health characteristics, comorbidities, cosmetics used and treatments associated with the severity of FFA. In an exploratory experimental study, we further investigated the bacterial composition of the scalp and plucked HF of patients with FFA, LPP and AA, compared with healthy individuals, in relation to cellular infiltrates and the expression of defense mediators.

Results: The most common comorbidity found in FFA patients was thyroid disease, whereas abnormal testosterone and estrogen values were associated with a lower disease activity. Our correlation analyses did not support the previously hypothesized association between leave-on cosmetic products and the pathophysiology of frontal. Our microbiome analyses confirmed the presence of bacteria below the infundibulum, both in healthy and patients. FISH revealed biofilm structures formed by Cutibacterium acnes and Staphylococcus sp. below the infundibulum in heathy plucked HFs. Metagenomic analyses revealed Staphylococcus to be the most abundant genus in lesional and non-lesional areas of LPP and FFA patients, while Lawsonella dominated in healthy individuals and in AA patients. We also found statistically significant differences in the ratio of Firmicutes to Actinobacteria between healthy scalp, lesional, and non-lesional samples of FFA and LPP patients. An enhanced beta-defensin production was observed in HFs from LPP and FFA patients.

Conclusion: Our findings represent the first report of dysbiosis in LPP and FFA. However, the possible link between bacterial shifts and the inflammatory infiltrate along the HF is yet to be explored. Larger-scale studies, employing advanced metagenomic technologies, are needed to identify the potential functions and metabolic activities of the microbial community within the follicular microenvironment.

Hintergrund: In menschlicher Haut sind besonders die Haarfollikel (HF) dicht von Mikroorganismen besiedelt. Ihre vielfältige Rolle bei der Formung des angeborenen und des adaptiven Immunsystems findet zunehmend Anerkennung. Obwohl Assoziationen von Dysbiose mit entzündlichen Hauterkrankungen wie Akne und atopischer Dermatitis, intensiv erforscht werden, liegen kaum Daten zum Mikrobiom von Terminalhaarfollikeln und Beziehungen zu entzündlichen Haarerkrankungen, wie Lichen planopilaris (LPP), frontal fibrosierende Alopezie (FFA) oder Alopecia areata (AA), vor. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Exposition gegenüber mikrobiellen Stimuli über dynamische Immunantworten zur Entzündung bei LPP und FFA beitragen kann. Das Ziel dieser Arbeit war es daher, bakterielle Besiedlung und ausgewählte Entzündungsmarker entlang von menschlichen Kopfhaarfollikeln zu untersuchen.

Methodik: In einer beobachtenden, deskriptiven Studie wurden Daten von FFA-Patienten/Patientinnen gesammelt, um demographische, gesundheitliche Merkmale, Komorbiditäten, verwendete Kosmetika und Behandlungen zu identifizieren, die mit dem Schweregrad der FFA in Verbindung stehen. Darüber hinaus untersuchten wir in einer explorativen experimentellen Studie anhand von Extrakten aus unterschiedlichen Kompartimenten gezogener Haare die Verteilung von Bakterien und die Expression von Abwehrmediatoren bei Patientinnen mit FFA, LPP und AA, im Vergleich zu gesunden Personen.

Ergebnisse: Die häufigste Komorbidität in FFA-Patienten/Patientinnen waren Schilddrüsenerkrankungen, während abnormale Testosteron- und Östrogenwerte mit einer geringeren Krankheitsaktivität verbunden waren. Unsere Korrelationsanalysen sprechen nicht für eine Rolle von Leave-on-Kosmetikprodukten in der Pathophysiologie der FFA. Unsere Mikrobiom-Analysen bestätigten dagegen das Vorhandensein von Bakterien unterhalb des Infundibulums. FISH-Analysen zeigten Biofilmstrukturen, die von Cutibacterium acnes und Staphylococcus sp. infrainfundibulär gebildet wurden. Metagenomische Analysen ergaben, dass insgesamt Staphylococcus die am häufigsten vorkommende Gattung in läsionalen und nicht-läsionalen HFs von LPP- und FFA-Patientinnen war, während Lawsonella bei gesunden Personen und bei AA-Patientinnen dominierte. Wir fanden statistisch signifikante Unterschiede in der Ratio von Firmicutes zu Actinobacteria zwischen gesunder Kopfhaut, läsionalen und nicht-läsionalen Proben von FFA- und LPP-Patientinnen, welche mir erhöhter Beta-Defensin-Produktion einherging.

Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse stellen den ersten Bericht einer Dysbiose bei LPP und FFA dar. Es bleibt weiterhin unklar, ob bakterielle Verschiebungen einen Zusammenhang mit dem entzündlichen Infiltrat entlang der HF haben. um die potenziellen Funktionen und metabolischen Aktivitäten des Mikrobioms innerhalb des HF zu identifizieren, sind größere Studien erforderlich, bei denen hochentwickelte metagenomische Technologien eingesetzt werden.