益生菌干預(yù)骨質(zhì)疏松癥相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展

陳劍 孫海飚 韓曉強(qiáng) 張子楠 鄭彩玉

1.山西醫(yī)科大學(xué)第一臨床學(xué)院，山西 太原 030001 2.山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院骨科，山西 太原 030001 3.廈門大學(xué)附屬第一醫(yī)院內(nèi)分泌科，福建 廈門 361000

1 骨質(zhì)疏松癥概述

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種表現(xiàn)為骨量減低和骨組織微結(jié)構(gòu)退化的骨骼疾病。OP引起的脆性骨折會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的殘疾，使醫(yī)療費(fèi)用的支出和死亡率增加[1]。OP患者骨折主要發(fā)生在應(yīng)力集中的部位，如椎體、股骨近端和前臂遠(yuǎn)端[2]。在美國，OP的男性患者發(fā)生骨折的幾率為13%，女性為40%，其死亡率也隨之增加[3]。隨著社會(huì)人口步入老齡化，OP的發(fā)病率不斷增加。其中，絕經(jīng)期的女性隨著體內(nèi)雌激素激素水平的下降或者消失，加劇了骨質(zhì)的流失。OP給衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，是一個(gè)很嚴(yán)重的公共健康問題[4]。研究表明，到2020年將會(huì)有超過一半的美國人會(huì)發(fā)生骨密度減低甚至OP。

目前，藥物在減少骨質(zhì)流失或者增加骨鈣含量方面有著一定的成效。臨床上常用的治療OP的藥物有維生素D、鈣制劑、鈣的復(fù)合制劑和抗骨吸收藥等。然而藥物在長時(shí)間、大劑量使用后其副作用也隨之出現(xiàn)[5]，如鈣制劑會(huì)引起高鈣血癥，雙膦酸鹽類會(huì)發(fā)生胃腸道反應(yīng)，雌激素替代療法會(huì)增加乳腺癌風(fēng)險(xiǎn)等。因此尋找和研發(fā)新的且副作用小的抗OP治療方法將會(huì)是一場革命。

2 益生菌概述

人體胃腸道內(nèi)定植著巨大而又復(fù)雜的微生物群落，其中絕大多數(shù)的微生物屬于專性厭氧菌，這些菌群與機(jī)體的健康息息相關(guān)，這部分菌群稱為正常的腸道菌群(gut microbiota，GM)[6]。GM由萬億的細(xì)菌組成，其所含有的基因組數(shù)量比人類多150倍[7]。GM在出生的時(shí)候獲得，隨著接觸外界環(huán)境及各種刺激因素后，菌群也在不斷的變化和完善。GM與人類基因組存在明顯的相互作用，能夠以多種方式與宿主進(jìn)行反饋并影響宿主[8]。益生菌屬于GM，是指適當(dāng)攝取后能夠給予機(jī)體健康效應(yīng)的有生命的微生物[9]。益生菌的種屬繁多，現(xiàn)乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、埃希氏桿菌屬、腸球菌屬和芽孢桿菌屬的益生菌已經(jīng)得到廣泛的使用[10]。

3 研究現(xiàn)狀

相關(guān)報(bào)道證實(shí)益生菌對諸多疾病有確切的療效，如嬰兒腹瀉、壞死性小腸結(jié)腸炎、抗生素相關(guān)性腹瀉、復(fù)發(fā)性艱難梭菌結(jié)腸炎、幽門螺桿菌感染、癌變傾向的炎癥性腸病、女性泌尿生殖器感染和手術(shù)感染等[11]。隨著研究的深入，研究者逐漸意識到益生菌可以作為一種新的治療手段來干預(yù)OP，并且在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)獲得了初步的成果，而其中涉及到相關(guān)機(jī)制的文章目前少有報(bào)道[14-16,19,23-25,,29]。益生菌干預(yù)OP的機(jī)制不同于以往的認(rèn)識，其不只局限于影響鈣離子的吸收。隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)益生菌與機(jī)體的免疫系統(tǒng)、基因的表達(dá)、配體及通道的調(diào)節(jié)存在著密切的關(guān)系，益生菌可能通過復(fù)雜的方式對OP進(jìn)行干預(yù)。為此，積極探索益生菌干預(yù)OP的機(jī)制，能夠?yàn)槲磥鞳P的治療及益生菌的研究提供更多幫助。

4 益生菌干預(yù)骨質(zhì)疏松機(jī)制

4.1 益生菌影響炎癥因子的表達(dá)

炎癥因子與成骨、破骨細(xì)胞關(guān)系密切，Yang等[12]發(fā)現(xiàn)TNF-α、IL-1b與牙槽骨的體積、密度關(guān)系密切，TNF-α、IL-1b減少時(shí)，牙槽骨的體積和密度增加。Wu等[13]發(fā)現(xiàn)TNF受體家族的新成員骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)能夠以劑量依賴性的方式阻斷破骨細(xì)胞分化。

腸道菌群內(nèi)的某些菌群發(fā)生變化時(shí)，可以出現(xiàn)相應(yīng)的炎癥因子水平的改變，與此同時(shí)，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的數(shù)量也隨之發(fā)生改變。Sj?gren等[14]發(fā)現(xiàn)缺少腸道菌群的無菌(germ-free，GF)小鼠骨和骨髓中TNF-α表達(dá)減少時(shí)，其骨密度增加。Ohlsson等[15]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)副干酪乳桿菌、植物乳桿菌能夠減少卵巢切除(ovariectomy，OVX)小鼠體內(nèi)的炎癥因子TNF-α和IL-1b表達(dá)，增加具有抑制溶骨作用的OPG表達(dá)，最終導(dǎo)致小鼠皮質(zhì)骨的骨量丟失減少。McCabe等[16]用羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)ATCC PTA 6475飼喂雄性小鼠3～4周，檢測發(fā)現(xiàn)L.reuteri 6475抑制了雄性小鼠空腸及回腸內(nèi)TNF-α mRNA表達(dá)，使TNF-α表達(dá)減少，小鼠的骨密度增加。實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了L.reuteri 6475的治療能夠增加雄性小鼠的股骨遠(yuǎn)端干骺區(qū)及腰椎的松質(zhì)骨參數(shù)，如骨礦物密度、骨體積分?jǐn)?shù)、骨小梁數(shù)和小梁厚度，但對皮質(zhì)骨的相關(guān)參數(shù)沒有影響。但在雌性小鼠的實(shí)驗(yàn)中并未得出以上結(jié)論，可見益生菌干預(yù)OP存在受體性別的差異。因此，益生菌可能通過調(diào)節(jié)與相關(guān)炎癥因子的表達(dá)，來控制破骨細(xì)胞的生成和分化，以實(shí)現(xiàn)對OP的干預(yù)，其對促進(jìn)成骨作用的炎癥因子是否有作用，仍需進(jìn)一步研究來證實(shí)。

4.2 益生菌影響基因表達(dá)，參與配體及信號通路的調(diào)節(jié)

Sparc基因和Bmp-2與骨骼的鈣化、形成及發(fā)育關(guān)系密切。Sparc(secreted protein, acidic and rich in cysteine)是一種細(xì)胞基質(zhì)糖蛋白，它與組織重塑、修復(fù)、發(fā)育、細(xì)胞轉(zhuǎn)化以及骨的礦化有關(guān)[17]，其也是一種鈣結(jié)合的受體[18]，Sparc基因的表達(dá)能夠增加骨的鈣化[19]。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的關(guān)鍵因素[20]，而其中的BMP-2主要參與出生后骨骼內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持，提供骨固有的修復(fù)能力所需要的成骨信號[21]。Parvaneh等[19]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)飼喂了長雙歧桿菌(B. Longum)的OVX小鼠的股骨微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，其中骨形成的相關(guān)參數(shù)如血清骨鈣蛋白、成骨細(xì)胞增加，而骨吸收的相關(guān)參數(shù)如血清C-末端肽、破骨細(xì)胞減少。該研究發(fā)現(xiàn)B. Longum引起OVX小鼠股骨的骨密度增加是由Sparc和Bmp-2基因表達(dá)的上調(diào)引起的。

Wnt10是骨形成過程中表達(dá)的一種典型的Wnt配體，其與間充質(zhì)祖細(xì)胞的功能相關(guān)。Stevens等[22]在研究中證實(shí)Wnt10在維持成體骨髓間充質(zhì)祖細(xì)胞的活性中起重要作用，而Wnt信號通路在胚胎發(fā)育和出生后骨穩(wěn)態(tài)的維持起重要作用。Baron等[23]證實(shí)人類Wnt信號通路的激活能夠顯著促進(jìn)骨的形成和骨量的增加，其中Wnt10b是骨形成的正向調(diào)節(jié)劑，能夠促進(jìn)成骨細(xì)胞分化。眾所周知，I型糖尿病(T1D)的患者常發(fā)生OP，而OP的發(fā)生與Wnt10b和Wnt信號通路有著密切的聯(lián)系。Zhang等[24]的研究發(fā)現(xiàn)L. reuteri的治療能夠防止由T1D引起的Wnt10b和Wnt10信號通路的抑制，并且能夠阻止T1D小鼠成骨細(xì)胞活性及骨形成的抑制。以上可見益生菌可以通過調(diào)節(jié)基因表達(dá)、參與配體及信號通路的調(diào)節(jié)的方式干預(yù)OP，其中成骨細(xì)胞扮演重要角色。

4.3 益生菌抑制破骨細(xì)胞形成

成骨細(xì)胞及破骨細(xì)胞參與骨代謝的調(diào)節(jié)，兩者數(shù)量及活性的相對平衡狀態(tài)對骨量的維持及其重要。Britton等[25]使用L.reuteri治療OVX小鼠，研究發(fā)現(xiàn)L.reuteri的治療顯著保護(hù)了OVX小鼠免受骨質(zhì)的流失。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過L.reuteri治療的OVX小鼠的破骨細(xì)胞重吸收的標(biāo)志物Trap5、激活物RANKL以及破骨細(xì)胞的數(shù)量都顯著減少，并且骨髓CD4+T淋巴細(xì)胞的生成受到抑制(CD4+T淋巴細(xì)胞具有促進(jìn)破骨細(xì)胞發(fā)生的作用)。在體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)L.reuteri能夠直接抑制破骨細(xì)胞形成。由此可見益生菌可以直接或間接的方式抑制破骨細(xì)胞形成，實(shí)現(xiàn)OP的干預(yù)。

4.4 益生菌影響鈣離子的吸收

骨骼的主要的礦物質(zhì)是鈣，美國膳食指南將鈣認(rèn)定為機(jī)體缺乏的營養(yǎng)素[26]，鈣的攝入量增加能夠提升骨量[27]。機(jī)體鈣的來源主要來自腸道吸收的鈣離子，影響鈣離子吸收的因素包括活性維生素D、腸道內(nèi)酸堿度、鈣離子通道和載體數(shù)量、體內(nèi)相關(guān)的激素水平變化等[28]。Gilman等[29]在Caco-2細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)唾液乳桿菌能夠增加鈣的吸收，這種鈣代謝的調(diào)節(jié)可能是通過促進(jìn)腸上皮細(xì)胞吸收鈣離子實(shí)現(xiàn)的，但該研究未說明具體的轉(zhuǎn)運(yùn)方式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其他益生菌無該作用，例如雙歧桿菌無法增加鈣離子的吸收，由此可見益生菌影響鈣離子的吸收存在菌種間的差異。另外，Sj?gren等[14]發(fā)現(xiàn)GF小鼠與正常的小鼠相比其皮質(zhì)骨與松質(zhì)骨的骨密度增加，但兩者血清鈣、25-羥維生素D[25-(OH)D3]及血漿甲狀旁腺激素的水平無顯著變化，可見鈣離子可能不是益生菌干預(yù)OP的主要機(jī)制。

5 總結(jié)與展望

益生菌與OP關(guān)系的研究是一個(gè)全新、充滿未知和挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。益生菌干預(yù)OP是通過復(fù)雜的方式實(shí)現(xiàn)的，并且存在菌種、菌屬和受體性別等的差異。根據(jù)目前的研究來看，益生菌干預(yù)OP可能機(jī)制是：①通過免疫系統(tǒng)(如炎癥因子、免疫細(xì)胞等)、基因、配體及信號通路等影響成骨和破骨細(xì)胞生成和分化，實(shí)現(xiàn)OP的干預(yù)；②直接影響成骨和破骨細(xì)胞生成和分化干預(yù)OP；③增加鈣離子的吸收干預(yù)OP等等。益生菌作為一種副作用小甚至是沒有副作用的治療方法，其干預(yù)OP的具體機(jī)制仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究及臨床試驗(yàn)來闡明。相信未來益生菌在OP治療方面的研究會(huì)有巨大的突破，并且益生菌對于其他疾病的治療也會(huì)有新的進(jìn)展。其會(huì)改變未來諸多疾病治療的理念，為患者創(chuàng)造福音。