酪酸梭菌治療骨質(zhì)疏松癥的研究進(jìn)展

馮超 韓曉強(qiáng) 陳劍 溫楊寧 孫海飚*

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

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量減少、骨組織結(jié)構(gòu)退化為特征、導(dǎo)致骨脆性增高及骨折危險(xiǎn)性增加的一種全身性骨病，是老年人的常見病和多發(fā)病。OP與社會人口老齡化關(guān)系緊密，其最大的危害是骨質(zhì)疏松性骨折，髖骨骨折、椎體骨折和前臂遠(yuǎn)端骨折一直被認(rèn)為是典型的骨質(zhì)疏松性骨折，其中髖部骨折有最嚴(yán)重的后果。隨著世界人口老齡化，世界范圍內(nèi)髖部骨折的發(fā)病率每年增加1%～3%，髖部骨折越來越多見，這顯著增加了老年人死亡率以及社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，幸運(yùn)的是OP是可以預(yù)防的[1]。益生菌是一類由人體有益腸道菌組成的膳食或藥物補(bǔ)劑，通過抑制腸道內(nèi)有害菌生長、促進(jìn)有益菌增殖來改善或維持腸道菌群的平衡，促進(jìn)宿主機(jī)體健康[2]。

促炎細(xì)胞因子白介素-1 (interleukin-1，IL-1)，腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α，TNF-α)和抗炎因子白介素-10(interleukin-10，IL-10)，對腸道上皮屏障通透性具有很大影響，IL-1和TNF-α可使腸道上皮通透性增加，而IL-10有助于維持腸道上皮屏障的完整[3]。炎性腸病(inflammato bowel disease，IBD)是指一系列腸道慢性炎性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，IBD對骨骼的影響是復(fù)雜的，IBD患者腸道中的微生物相關(guān)分子白介素-6(interleukin-6,IL-6)、TNF-α可經(jīng)循環(huán)到達(dá)骨，激活骨髓中的免疫應(yīng)答作用于成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞，導(dǎo)致骨形成減少和再吸收增加[4]。臨床上常用酪酸梭菌(clostridiumbutyricum，C.butyricum)輔助治療IBD，其具有降低IBD體內(nèi)炎癥因子水平，抑制炎癥進(jìn)展惡化作用，此外C.butyricum還能夠調(diào)節(jié)人體腸道微生態(tài)并補(bǔ)充產(chǎn)丁酸細(xì)菌，在腸道內(nèi)能代謝產(chǎn)生低聚半乳糖、丁酸、葉酸等有益產(chǎn)物，受到學(xué)者們越來越多的關(guān)注。

綜上，C.butyricum通過影響成骨及溶骨相關(guān)炎癥因子來治療IBD，而上述炎癥因子對OP的發(fā)生發(fā)展起了關(guān)鍵作用。我們猜想C.butyricum可能對于OP的治療有一定的作用，因此文章對相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行綜述[9-23]，探討C.butyricum治療OP的可能機(jī)制，為OP的治療提供新的思路。

1 OP與益生菌

骨骼的重建是通過具有骨形成功能的成骨細(xì)胞與具有骨吸收功能的破骨細(xì)胞完成的。OP的基本病理機(jī)制是骨代謝過程中骨吸收和骨形成的偶聯(lián)出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致人體內(nèi)的鈣磷代謝不平衡，使骨密度(bone mineral density，BMD)逐漸減少而引起的一系列臨床癥狀，目前主要可分為原發(fā)性O(shè)P和繼發(fā)性O(shè)P，其中原發(fā)性O(shè)P除特發(fā)性外，還可分為I型和II型，I型又稱為絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopause osteoporosis，PMOP)，II 型又稱為老年性骨質(zhì)疏松癥(senile osteoporosis，SOP)[5]。多項(xiàng)研究表明益生菌可以調(diào)節(jié)骨代謝，Li等[2]通過給予PMOP小鼠模型市售的益生菌補(bǔ)充劑VSL # 3治療后，發(fā)現(xiàn)益生菌可以完全防止骨質(zhì)流失。Ohlsson等[6]研究表明給予PMOP小鼠模型益生菌治療后可以抑制去卵巢(ovariectomized，OVX)小鼠皮質(zhì)骨中破骨細(xì)胞形成，抑制骨吸收。可見益生菌對OP有一定的治療作用。

2 IBD與OP

研究[7]表明結(jié)腸炎的多種動物模型，包括4%葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium，DSS)誘導(dǎo)鼠、人白細(xì)胞抗原-B27(human lymphocyte antigen-B27，HLA -B27)轉(zhuǎn)基因鼠和IL-10基因敲除小鼠的骨量都減少，并且其骨強(qiáng)度和骨體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，可見腸炎模型通過腸道內(nèi)的微生物影響免疫系統(tǒng)，能影響骨的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)。其相關(guān)機(jī)制如下。

2.1 IBD通過炎癥因子參與OP的發(fā)生

IBD患者和實(shí)驗(yàn)性腸炎小鼠模型中炎性因子TNF-α、IL-1β和IL-6水平升高，這些炎性因子可以通過p38 MAPK信號通路促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟而導(dǎo)致骨量丟失增加。IL-1β能刺激并加強(qiáng)破骨細(xì)胞活性，增強(qiáng)骨吸收能力，導(dǎo)致吸收過度；TNF-α可通過誘導(dǎo)破骨細(xì)胞自身前體細(xì)胞分化，產(chǎn)生大量破骨細(xì)胞從而促進(jìn)骨吸收，降低骨基質(zhì)鈣水平，抑制成骨細(xì)胞功能，最終造成OP；IL-6可以促進(jìn)破骨細(xì)胞分化，抑制破骨細(xì)胞凋亡以延長其壽命，高水平IL-6會降低BMD水平，抑制骨小梁形成[8]。

2.2 IBD通過炎性介質(zhì)一氧化氮(nitric oxide，NO)參與OP的發(fā)生

Armour等[9]認(rèn)為炎性介質(zhì)NO與OP密切相關(guān)，并用炎癥誘導(dǎo)的OP動物模型，解釋了IBD易發(fā)生OP的機(jī)制，即炎癥所致的促炎因子增加可通過激活骨髓部位的誘導(dǎo)型一氧化氮合成酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)產(chǎn)生大量NO，這種機(jī)制產(chǎn)生的NO能增強(qiáng)IL-1和TNF對骨細(xì)胞的影響，導(dǎo)致了OP的發(fā)生，而利用一氧化氮合成酶(nitric oxide synthase, NOS)抑制劑L-NMMA可以反轉(zhuǎn)炎癥誘導(dǎo)OP動物的骨量減少。另有研究表明iNOS可在其翻譯前被調(diào)控，心血管病變、革蘭氏陰性菌內(nèi)毒素即脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)、TNF-α和 IL-1β等可誘導(dǎo)其產(chǎn)生大量NO，而抗炎因子IL-10、血小板衍化生長因子 (platelet-derived growth factor, PDGF)、胰島素樣生長因子-1 (insulin-like growth factor 1, IGF-1) 等可抑制其產(chǎn)生NO[10]。IBD患兒由于營養(yǎng)不良及炎癥會導(dǎo)致血清IGF-1的水平降低，可能對成骨細(xì)胞分化和功能以及骨形成產(chǎn)生不利影響[4]。而PDGF 能夠促進(jìn)各種來源的成骨細(xì)胞分裂、增殖，并抑制破骨細(xì)胞，具有治療OP作用[11]。這些研究表明通過避免IGF-1、PDGF減少，對于預(yù)治OP有一定意義，其機(jī)制可能是這兩種因子通過調(diào)節(jié)iNOS，降低NO水平進(jìn)而降低IL-1、TNF活性，實(shí)現(xiàn)預(yù)治OP作用。

3 C.butyricum干預(yù)OP

C.butyricum可以補(bǔ)充腸道內(nèi)產(chǎn)丁酸細(xì)菌，體內(nèi)存在著脫氫酶、氫化酶、糖苷酶、內(nèi)酰胺酶等酶系，能在腸道內(nèi)參與代謝產(chǎn)生低聚半乳糖、丁酸、葉酸，對機(jī)體有極大益處[12]。

3.1 產(chǎn)生低聚半乳糖

黃永坤等[13]研究表明C.butyricum產(chǎn)品，C.butyricum二聯(lián)活菌散劑含有大量低聚糖，尤其是低聚半乳糖， Whisner等[14]發(fā)現(xiàn)青少年女性攝入低聚半乳糖 3 周后，鈣吸收量增大，腸道菌群中雙歧桿菌的比例增高。而Han等[15]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌能減少細(xì)胞內(nèi)自噬相關(guān)蛋白的水平和分布，能有效抑制LPS誘導(dǎo)的腸道上皮細(xì)胞的自噬，從而改善和維持腸道上皮屏障功能。此外低聚半乳糖還可以被微生物發(fā)酵產(chǎn)生醋酸、丙酸、丁酸、乳酸等，從而降低腸道pH值，促進(jìn)鈣和鎂的吸收，降低促炎性反應(yīng)[16]。這些研究表明C.butyricum二聯(lián)活菌散劑可以通過代謝產(chǎn)生低聚半乳糖，增加腸道中雙歧桿菌的比例，改善和維持腸道上皮屏障功能，促進(jìn)鈣吸收，增加骨鹽沉積并進(jìn)一步提高骨量。

3.2 產(chǎn)生葉酸

葉酸在葉酸還原酶、二氫葉酸還原酶和其他酶的作用下, 最終形成甲基四氫葉酸，進(jìn)一步促進(jìn)合成四氫生物喋呤(tetrahydrobiopterin，BH4)，提高內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase, eNOS)的活性，增加血漿NO的合成及生物利用率，還可以恢復(fù)受損NO的生物利用度[17]。王海敏等[18]發(fā)現(xiàn)OVX大鼠血漿NO水平降低，導(dǎo)致氧化應(yīng)激參與了OVX大鼠OP的發(fā)生，而高劑量葉酸能提高血漿NO水平，改善氧化應(yīng)激，提升OVX大鼠腰椎和股骨BMD，可能是防治OVX大鼠OP的機(jī)制之一。這些研究表明C.butyricum通過在腸道內(nèi)代謝產(chǎn)生大量葉酸，可能具有調(diào)節(jié)血漿NO的水平及功能、減輕BMD降低趨勢，從而可能具有預(yù)治PMOP作用。

3.3 產(chǎn)生丁酸

研究[19]表明DSS誘發(fā)結(jié)腸炎的模型中，腸黏膜通透性增加最早出現(xiàn)，后期才檢測到組織學(xué)病理變化，而丁酸鹽可以反轉(zhuǎn)粘膜通透性的增加，表明黏膜通透性的增加是炎癥性腸病黏膜炎癥發(fā)生的重要因素，丁酸通過降低粘膜通透性發(fā)揮治療結(jié)腸炎疾病的作用。而另有研究[20]表明C.butyricum是通過增加緊密連接蛋白表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)降低腸道通透性的作用。Lucas等[21]給小鼠補(bǔ)充丁酸后發(fā)現(xiàn)小鼠的骨小梁間隔縮小、骨體積分?jǐn)?shù)增加、骨量明顯增加，表明丁酸可以抑制破骨細(xì)胞分化，可能具有預(yù)防PMOP作用。而Li等[2]表明PMOP小鼠模型的腸道上皮屏障通透性增加，腸上皮緊密連接蛋白表達(dá)減少，并通過給予其市售的益生菌補(bǔ)充劑VSL # 3治療后，發(fā)現(xiàn)益生菌可以通過降低腸道通透性，抑制腸道和骨髓的炎癥，完全防止骨質(zhì)流失。這些研究表明，結(jié)腸炎模型和PMOP模型鼠的腸道上皮屏障通透性都增加、骨量都減少，而丁酸可能通過上調(diào)緊密連接蛋白基因的表達(dá)、降低腸道通透性、抑制腸道炎癥反應(yīng)、抑制破骨細(xì)胞分化進(jìn)而提升骨量對腸炎所致的OP與PMOP，可能有一定預(yù)治作用。

Smith等[22]通過將高劑量LPS置入雄性SD大鼠皮下，發(fā)現(xiàn)其會導(dǎo)致大鼠椎體BMD減低，脛骨干骺端骨小梁處骨質(zhì)減少、骨小梁減少、骨小梁分離并且該處的IL-1、TNF-α的水平增高，表明LPS所誘導(dǎo)的炎癥模型與骨質(zhì)流失密切相關(guān)，并且可能是由骨組織局部高水平IL-1、TNF-α所介導(dǎo)的。Ohlsson等[6]研究表明給予PMOP小鼠模型益生菌治療后，可減少TNFα和IL-1β這兩種炎性細(xì)胞因子的表達(dá)，從而抑制雌激素缺乏小鼠皮質(zhì)骨中破骨細(xì)胞的形成，證實(shí)了聯(lián)合阻斷兩種細(xì)胞因子(IL-1β，TNF-α)可以抑制骨吸收。這些研究表明，炎癥所致的骨質(zhì)丟失與雌激素缺乏所致的骨質(zhì)丟失可能都與IL-1、TNF-α水平同時(shí)增高相關(guān)。

丁酸能下調(diào)由LPS刺激外周血單核細(xì)胞(peripheral blood monouclear cells，PBMC)所產(chǎn)生的TNF-α、IL-1β水平，上調(diào)IL-10水平，進(jìn)而下調(diào)炎癥免疫反應(yīng)，而對非LPS刺激PBMC產(chǎn)生的炎癥因子無顯著的影響[23]。這表明丁酸能特異性降低由LPS刺激PBMC所產(chǎn)生的炎癥因子水平，可能通過聯(lián)合降低IL-1β、TNF-α水平而減輕IBD、雌激素缺乏所導(dǎo)致的骨質(zhì)丟失。

4 結(jié)論及對未來的展望

近年來研究表明腸道菌群通過免疫系統(tǒng)可以影響破骨細(xì)胞的生成，從而達(dá)到調(diào)節(jié)骨代謝的目的[6]。IBD患者血清中的IL-6水平增加，而通過降低IL-6水平，可以反轉(zhuǎn)其血清導(dǎo)致骨外植體中成骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞活性降低的作用[4]。胃腸道功能障礙后，血清IL-6水平增加，而C.butyricum能降低IL-6水平[20]?？梢奀.butyricum可能通過降低腸炎患者血清IL-6水平，對IBD所致的OP有一定預(yù)治作用。此外男性在55歲以后低骨量現(xiàn)象常見，而在70歲以后低雄性激素是男性O(shè)P癥的獨(dú)立危險(xiǎn)因素，雄激素替代能減輕性腺機(jī)能減退患者BMD降低趨勢[24]。C.butyricum可以通過改變腸道菌群和腸肝循環(huán)以恢復(fù)腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)，能增加雄甾酮(一種高效的雄性激素)水平，從而影響類固醇激素的生物合成途徑[25]。因而其可能對老年男性O(shè)P也具有一定預(yù)治作用。

總之C.butyricum及其相關(guān)產(chǎn)品在腸道內(nèi)能夠代謝產(chǎn)生低聚半乳糖、丁酸、葉酸，通過調(diào)節(jié)腸道菌群(增加產(chǎn)丁酸細(xì)菌、雙歧桿菌比例)、恢復(fù)腸道上皮屏障功能、降低腸粘膜通透性、修復(fù)受損腸黏膜、聯(lián)合降低IL-1、TNF-α水平、提高抗炎因子IL-10水平、提高血漿NO的合成及生物利用率并恢復(fù)其正常功能等途徑從而降低腸道pH從而促進(jìn)鈣吸收、抑制骨吸收、避免骨組織結(jié)構(gòu)的破壞，提升骨量。目前C.butyricum主要用于治療腸炎，其對PMOP、SOP和IBD患者所并發(fā)的OP可能具有一定預(yù)治作用，但仍缺乏一定的數(shù)據(jù)支持，需大量研究者從事有關(guān)C.butyricum與骨代謝、OP之間的研究來提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。