腸道菌群對骨代謝影響的研究進(jìn)展

陳晨 王邦茂 馮淑芝 王琳

1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院保健醫(yī)療部，天津 3000522.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院消化科，天津 300052

人類體表及體內(nèi)所寄居的微生物數(shù)量巨大，這些微生物在人體的生理活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用。其中人體中最大的微生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)屬腸道微生態(tài)系統(tǒng)，其微生物總數(shù)可達(dá)1014，而且其所攜帶的基因組是人基因組的150倍[1]。近年來，人們已經(jīng)開始強(qiáng)烈地關(guān)注腸道菌群與人體健康之間的關(guān)系。腸道菌群除了在促進(jìn)食物消化、產(chǎn)生維生素等營養(yǎng)物質(zhì)、抵御外來致病菌侵入等方面有著重要作用之外，還影響著人體腸道以及免疫系統(tǒng)等的功能[2-3]。正常情況下，腸道微生態(tài)系統(tǒng)會(huì)保持相對的穩(wěn)定狀態(tài)，這種動(dòng)態(tài)平衡對人體有益無害；但多種因素(如藥物、酗酒、精神因素、胃腸道手術(shù)、放射治療以及衰老等)可以將這種平衡打破，從而引起一系列疾病發(fā)生，包括多種腸炎、糖尿病、哮喘、肥胖、骨質(zhì)疏松以及代謝綜合征[4-6]。

骨質(zhì)疏松癥是與社會(huì)人口老齡化關(guān)系最為密切的疾病之一，是以骨量減少、骨組織結(jié)構(gòu)退化為特征的一種常見骨骼疾病，其最大的危害就是骨質(zhì)疏松性骨折。在骨質(zhì)疏松的發(fā)病過程中，骨丟失起到了重要的作用[7-8]。目前，腸道微生態(tài)與骨代謝的關(guān)系已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，特別是近年來的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與人體的骨量降低及骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病相關(guān)[9-11]，這些微生物可能通過自身代謝產(chǎn)物、影響宿主代謝及免疫系統(tǒng)等途徑來改變破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的相對活性，從而影響骨代謝[12]。本文將對腸道菌群與骨代謝間潛在的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群與鈣和維生素D

雖然遺傳是骨峰值的主要決定因素，但后天的營養(yǎng)狀況，特別是膳食中的鈣攝入量，在整個(gè)生命過程中，對于骨的生長起到了至關(guān)重要的作用[13]。膳食中的鈣是通過位于小腸上皮的鈣通道，經(jīng)過主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)通過小腸而吸收入血液的，又通過被動(dòng)運(yùn)輸分布到整個(gè)腸道。在以往的研究[14]當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖等作為益生元，可以通過增加雙歧桿菌、乳桿菌及丁酸梭菌等益生菌的數(shù)量，促進(jìn)分泌更多的短鏈脂肪酸，降低腸道pH值而提高了鈣在腸腔內(nèi)的溶解度，增加了機(jī)體對鈣的吸收，從而增加了青年人群骨骼礦物質(zhì)含量和骨骼礦物質(zhì)密度[15-16]。

維生素D與骨代謝密切相關(guān)，對于鈣的吸收也起到了至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用[17]，雖然目前關(guān)于維生素D代謝與腸道菌群相互關(guān)系的研究還為數(shù)尚少，但是一些研究結(jié)果也顯示了二者與骨代謝之間有一定聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)[18]， Cyp27b1-/-小鼠不能生產(chǎn)1,25(OH)2維生素D3(維生素D的活化形式)，并且經(jīng)過葡聚糖硫酸鈉的誘導(dǎo)之后，比野生型對照組出現(xiàn)了更嚴(yán)重的結(jié)腸炎。而在補(bǔ)充維生素D或者給予抗生素之后結(jié)腸炎得到了改善，說明維生素D的缺乏可以引起腸道炎癥，從而引起了腸道菌群失調(diào)，使厚壁菌門(乳桿菌屬、梭菌屬等)比例減少，而變形菌門(大腸桿菌、沙門氏菌等)和擬桿菌門比例升高。

已經(jīng)有文獻(xiàn)[19]證實(shí)了維生素D可以通過作用于巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞、上皮細(xì)胞及T細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用，它可以抑制炎癥性腸病動(dòng)物模型的Th1/Th17細(xì)胞，并誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的Treg細(xì)胞。1,25(OH)2D3可以阻止樹突細(xì)胞的成熟且不能誘導(dǎo)T細(xì)胞的活化，也可以減少巨噬細(xì)胞對TNFa和IL-12等炎性細(xì)胞因子的釋放[18]。而在維生素D干預(yù)后，厚壁菌門的比例也得到了恢復(fù)。維生素D可能正是由于此作用穩(wěn)定了腸道正常菌群，促進(jìn)了小腸對鈣的吸收從而影響骨代謝，這一機(jī)制值得深入研究。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物與骨代謝

腸道菌群中的某些益生菌(如乳酸桿菌、丁酸梭菌等)在自身代謝過程中會(huì)產(chǎn)生一些代謝產(chǎn)物，以短鏈脂肪酸為主。這些代謝產(chǎn)物除了具有抗炎作用外，也可能直接作用于骨細(xì)胞[20]。已經(jīng)有研究[21]證實(shí)短鏈脂肪酸可以增加小鼠的骨密度及骨強(qiáng)度，而在一些病理狀態(tài)(如炎癥)下腸道益生菌的數(shù)量減少[18]，導(dǎo)致了這些益生菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸減少，從而促進(jìn)了骨質(zhì)疏松的發(fā)病，不過該機(jī)制還需后續(xù)的研究加以證實(shí)。

一般來說，短鏈脂肪酸對宿主的調(diào)節(jié)主要通過抑制組蛋白去乙酰化酶、激活特定的G蛋白偶聯(lián)受體及誘導(dǎo)自噬等幾個(gè)方面來完成[22]。丁酸作為其中一種短鏈脂肪酸，可以直接抑制離體狀態(tài)下破骨細(xì)胞的生長[23],但是對于這種抑制作用究竟是通過抑制組蛋白去乙?；高€是激活特定的G蛋白偶聯(lián)受體途徑來實(shí)現(xiàn)的目前尚不明確。

除此之外，短鏈脂肪酸還可以影響鈣的吸收[24]。一方面，短鏈脂肪酸可以直接增加小腸的絨毛結(jié)構(gòu)和小腸上皮的表面積，增加細(xì)胞旁途徑的鈣吸收及鈣結(jié)合蛋白的表達(dá)，從而增加了小腸絨毛對鈣的吸收。另一方面，短鏈脂肪酸也可以降低腸腔內(nèi)的pH值[14]，有助于提高礦物溶解度使鈣更容易被吸收。

還有一些研究顯示，血清素對成骨細(xì)胞有抑制作用[25]，而腸道菌群中，一些微生物種類(如大腸桿菌及鏈球菌等)可以直接合成5 -羥色胺，而其他一些微生物種類(如芽孢桿菌及芽孢乳桿菌等)可以通過增加色氨酸羥化酶水平來調(diào)節(jié)5 -羥色胺前體—色氨酸的可用性[26]。因此可以推測，腸道菌群也可以通過血清素的代謝影響骨量[27]。

3 腸道菌群、免疫功能與骨代謝

骨骼的發(fā)育與重建是通過成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的[28]。我們已知單核細(xì)胞是破骨細(xì)胞的前驅(qū)細(xì)胞[29]。

巨噬細(xì)胞集落刺激因子能夠幫助單核細(xì)胞誘導(dǎo)分化為破骨細(xì)胞，并可以增加破骨細(xì)胞的活性。因此可以看出，局部微環(huán)境影響著單核細(xì)胞的分化方向。

骨代謝與免疫的關(guān)系比較明確，研究表明，一些與自身免疫相關(guān)發(fā)病過程中可以產(chǎn)生大量的由T細(xì)胞釋放的炎性因子，而這些炎性因子可以導(dǎo)致骨量的丟失[30]，甚至能夠引起骨質(zhì)疏松癥。IL-17 A可以直接或間接的促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞中RANKL的表達(dá)，從而增加以及延長破骨細(xì)胞的存活。而干擾素-γ和IL-4可以抑制破骨細(xì)胞的形成，這種作用可能是通過細(xì)胞相關(guān)抗原通路實(shí)現(xiàn)的[31]。但關(guān)于T細(xì)胞對成骨細(xì)胞作用的研究尚少，而且其對成骨細(xì)胞的作用依賴于疾病的狀態(tài)[32]。

已經(jīng)有很多研究證實(shí)了腸道菌群與T細(xì)胞的調(diào)節(jié)與分化之間有著密切的關(guān)系。腸內(nèi)分節(jié)絲狀菌作為一種小鼠的腸內(nèi)定植菌，可以于回腸末端誘導(dǎo)血清淀粉樣蛋白A，而后者具有促進(jìn)Th17細(xì)胞分化的作用[33]。梭狀芽胞桿菌也可以通過增加轉(zhuǎn)化生長因子β(TGF-β)含量，促進(jìn)小鼠Treg細(xì)胞的分化[34]。

有研究顯示[35]，無菌小鼠(腸道菌群缺乏)對于研究腸道菌群與骨量之間的關(guān)系起了重要的作用，其股骨遠(yuǎn)端骨量較正常小鼠有明顯的上升，而且骨密度較正常小鼠有了明顯的增加。但主要表現(xiàn)在骨小梁數(shù)量的增加與骨小梁間隙增寬，無菌小鼠骨小梁厚度較正常小鼠并沒有改變。

通過對無菌小鼠的骨髓培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠骨骼中破骨細(xì)胞減少，骨髓產(chǎn)生的CD4+T細(xì)胞與破骨前驅(qū)細(xì)胞也隨之明顯減少，而無菌小鼠骨形成速率較正常小鼠并沒有改變，表明無菌小鼠骨量的增加主要是通過抑制破骨細(xì)胞的生成，從而減少骨吸收來實(shí)現(xiàn)的。而當(dāng)為其種植正常腸道菌群之后，無菌小鼠的骨量便會(huì)降低到正常水平，CD4+T細(xì)胞和破骨細(xì)胞前體細(xì)胞的生成速率也會(huì)增加，這是由于沒有腸道菌群作為抗原，從而血液及淋巴組織中CD4+T細(xì)胞數(shù)量少于正常小鼠，所以骨髓中CD4+T細(xì)胞形成率降低。這也進(jìn)一步論證了腸道菌群對骨密度的影響與T細(xì)胞的調(diào)節(jié)與分化及破骨細(xì)胞生成減少密切相關(guān)[36]。

4 老年人腸道菌群變化對骨代謝的影響

隨著人口老齡化的加劇，骨質(zhì)疏松也越來越普遍，在不同性別的50歲以上人群當(dāng)中，患有骨質(zhì)疏松性骨折的患者比例分別是男性1/5，女性1/3[37]。雖然腸道菌群的種類個(gè)體差異很大，但老年人群腸道菌群的組成有了顯著的變化，從專性厭氧菌為主變?yōu)榧嫘詤捬蹙鸀橹鱗38]，而且致病性變形菌數(shù)量增多而抗炎的乳酸桿菌減少[7]，從而導(dǎo)致炎癥風(fēng)險(xiǎn)的增加。

成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞負(fù)責(zé)骨重建。而自身局部不同的微環(huán)境狀態(tài)，可以對造血干細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞或者是T細(xì)胞的過程產(chǎn)生影響。在炎癥狀態(tài)下，活化的T細(xì)胞可以介導(dǎo)破骨細(xì)胞的分化成熟[29]，這說明老年人群腸道菌群的特征性改變，增加了骨質(zhì)疏松的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[39]。如此看來，對于腸道菌群成分的分析，似乎可以評估骨密度與特定細(xì)菌種屬之間的關(guān)系，從而可以預(yù)測低骨量及發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，腸道菌群對于骨代謝的影響是多方面共同調(diào)控的，無論是腸道菌群對宿主的鈣吸收影響，還是菌群自身代謝產(chǎn)物、免疫反應(yīng)及菌群組成變化等對骨代謝的影響，機(jī)制都是極其復(fù)雜的。因此對于腸道菌群的深入研究與分析，將有助于揭示其影響骨代謝的深層機(jī)制，甚至借此找到治療代謝性骨病新的靶點(diǎn)。