腸道菌群與老年肌少癥關系研究新進展

方向，丁西平，胡世蓮

[中國科學技術大學附屬第一醫(yī)院(安徽省立醫(yī)院)老年消化科，合肥 230001]

人口老齡化是21世紀全世界的重要社會問題之一。我國也已經(jīng)步入老齡化社會，且老齡化趨勢越來越明顯。據(jù)第六次全國人口普查統(tǒng)計顯示[1]，截至2010年底我國60歲以上的老年人口為1.78億，占總人口的13.3%；預測2050年我國老年人口將達到4億，占人口總數(shù)的30%以上。隨著我國人口老齡化加劇，肌少癥作為一種常見的老年綜合征越來越受到關注。老年人肌少癥可引起跌倒、骨折、活動障礙等事件發(fā)生率升高，增加了致殘和失能的風險[2],也給社會、家庭及個人帶來沉重的負擔。因此，了解老年人肌少癥的發(fā)病機制并進行干預，對降低老年人肌少癥并發(fā)癥、改善老年人生活質量具有重要的意義。人類的腸道中棲息著數(shù)以億萬計的細菌，種類超過1 000種，統(tǒng)稱為“腸道菌群”；通過介導多種不同形式的宿主反應起著腸道屏障、免疫和內分泌功能[3]。腸道菌群的組成從出生開始隨著年齡的增長而發(fā)生變化[4]。腸道微生物的變化與骨骼肌功能的生理衰退有關，腸道菌群在肌少癥的發(fā)病過程中可能發(fā)揮著一定的作用。本文旨在對肌少癥的發(fā)病機制以及腸道菌群變化所起的作用進行闡述。

1 肌少癥與腸道菌群概述

肌少癥的概念最初由美國Tufts大學Irwin Rosenberg于1989 年提出，泛指增齡性的肌量減少和肌力下降。目前有肌少癥、肌肉減少癥、骨骼肌減少癥及肌肉衰減綜合征等多個名稱，反映了認識的差異和爭議。目前較常用的稱法為“肌少癥”。1998年Delmonico等[5]首先使用雙能X線吸收儀(DXA) 測量肌肉質量，提出肌肉質量低于年青人群2個標準差者為肌少癥。但是目前全世界范圍內尚沒有統(tǒng)一的概念及診斷標準。2010年歐洲肌少癥工作組賦予了肌少癥新的定義[6]，它是指老年人骨骼肌質量、力量及功能下降的一種病征；主要強調骨骼肌質量下降和(或)力量下降，和(或)功能下降。

人類的腸道中棲息著數(shù)以億萬計的細菌，種類超過一千余種，統(tǒng)稱“腸道菌群”；腸道菌群可通過產(chǎn)出多種營養(yǎng)物質，如短鏈脂肪酸(SCFAs)、維生素B及K等，以及釋放多種細胞因子等多種途徑影響腸道功能、人體營養(yǎng)吸收與能量代謝等生理過程。近年來研究[7]發(fā)現(xiàn)老年人隨著年齡的增長；腸道菌群的多樣性較年輕人下降，菌群構成也發(fā)生顯著改變，主要表現(xiàn)在雙歧桿菌與乳酸菌等有益菌數(shù)量及比例的降低，產(chǎn)毒素的革蘭陰性桿菌等有害菌的數(shù)量及比例升高，同時伴隨產(chǎn)丁酸鹽菌群數(shù)量減少。衰老進程中常伴隨著慢性低度炎性反應，大多數(shù)老年人沒有紅、腫、熱、痛等炎癥等典型的臨床癥狀，而體內炎性因子水平卻明顯升高；許多慢性炎性反應性疾病的起因為腸道微生態(tài)失衡，即腸道菌群多樣性下降，常駐菌中致病菌的比例上升；常見致炎菌主要包括 E大腸桿菌與B脆弱類桿菌，兩者在炎性反應性腸病患者體內也增多。

2 腸道菌群對肌少癥及其發(fā)病機制的影響

研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群的變化與骨骼肌功能的衰退有關[8]。目前認為腸道菌群可直接通過炎性反應、激素水平以及營養(yǎng)、維生素的合成等方面對肌少癥的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響。

2.1 腸道菌群通過炎性反應對肌少癥的影響 炎性反應被認為是肌少癥發(fā)生發(fā)展的重要因素之一；目前研究[9]顯示炎性因子如干擾素α(IFN-α)、干擾素γ(IFN-γ)、白細胞介素1(IL-1)、白細胞介素6(IL-6)等均與骨骼肌的質量或力量有關。隨著機體的衰老，老年人機體炎性標志物如腫瘤壞死因子α(TNF-α)、C反應蛋白(CRP)、白細胞介素1β(IL-1β)及IL-6等在循環(huán)系統(tǒng)中的水平顯著升高，且與老年人骨骼肌的質量和力量下降直接相關。TNF-α可通過抑制Akt/mTOR通路，以及通過線粒體產(chǎn)生活性氧(ROS)激活核因子κB(NF-κB)；加速骨骼肌的分解代謝[9]。血清中CRP水平升高也與蛋白質合成減少及蛋白質分解代謝增加有關。IL-6參與肌蛋白更新調控，被認為是肌肉分解代謝細胞因子。

腸道菌群能將膳食中的營養(yǎng)物質在結腸中發(fā)酵生成SCFAs，主要包括醋酸、丙酸和丁酸；醋酸和丙酸主要由擬桿菌門參與生成，丁酸主要由厚壁菌門參與生成。SCFAs不僅作為宿主的供能物質，還作為信號分子在免疫調節(jié)中發(fā)揮抗炎作用[10]。SCFAs可以促進Treg細胞的增殖活化，激活腸上皮細胞內AP-1信號通路從而抑制促炎因子IL-2、IL-6和TNF-α等的釋放[11]。丁酸和丙酸均能抑制結腸上皮細胞和免疫細胞內組蛋白去乙?；?HDAC)的活性，從而下調促炎因子如IL-6及IL-12的表達，抑制炎癥的產(chǎn)生[12]；丁酸還可激活腸道上皮中GPR41、GPR43和GPR109a等，減少促炎因子、ROS及環(huán)氧合酶2(COX-2)等合成和分泌，降低機體慢性炎癥狀態(tài)[11]；還能夠抑制炎癥相關通路NF-κB和JAK/STAT的活性，從而調控機體的免疫反應。丁酸鹽因其抗炎和促合成代謝作用而聞名，通過抑制組蛋白去乙酰化酶，改善老齡小鼠肌肉質量和橫截面積[13]。從骨骼肌的角度來看，SCFA中最重要的介質是丁酸鹽；除了已知的抗炎特性，丁酸鹽可能會激活幾種調節(jié)通路，如UCP2-AMPK-ACC及PGC1-α等，導致ATP產(chǎn)量的增加，最終提高肌纖維的代謝效率[14]。丁酸鹽也有抑制組蛋白去乙酰化酶的作用，可預防和保護肌肉蛋白的凋亡分解代謝。有研究[15]證明了丁酸鹽對小鼠衰老的作用，并與生理年齡相關的肌肉質量損失有關。Picca等[16]研究了特定腸道細菌豐度和血清不同炎癥生物分子水平之間的關系，表明存在一種腸道微生物群的變化可能會影響衰弱及肌少癥病理生理學的額外途徑。

腸道微生物能夠產(chǎn)生許多免疫原性的內毒素，如脂多糖(LPS)，LPS是革蘭陰性菌細胞壁的組成成分，會誘發(fā)宿主的炎性反應。衰老的實驗模型表明，年齡相關的腸道微生物群組成的改變提高了腸黏膜的通透性。這一現(xiàn)象導致包括LPS在內的細菌產(chǎn)物全身吸收增加，激活炎性反應，最終導致循環(huán)中促炎細胞因子如IL-6、腫瘤壞死因子水平升高[17]。老年人群腸道中產(chǎn)LPS的菌群如腸桿菌等數(shù)量增加，抑制LPS的菌如雙歧桿菌等數(shù)量減少；同時還發(fā)生腸上皮細胞的改變，增加了腸道的通透性，使得LPS進入循環(huán)系統(tǒng)，LPS與巨噬細胞相互作用導致大量炎性因子釋放，如TNF-α和IL-6等[18]。系統(tǒng)性炎癥與衰弱及肌少癥的相關性之前已經(jīng)被證明；從這個角度來看，系統(tǒng)性炎癥可能代表了“內臟-肌肉軸”的效應物之一。目前觀點認為腸道屏障功能受損引起腸道菌群移位，進而導致機體的炎性反應，可以促進肌少癥的發(fā)生發(fā)展[19]。在這一可能的腸肌軸中，年齡相關的腸黏膜屏障功能障礙可能在發(fā)揮核心作用，有利于微生物產(chǎn)物或微生物自身進入體循環(huán)，并有助于激活炎性反應，誘發(fā)免疫系統(tǒng)失調[17]。骨骼肌組織表達的相關Toll樣受體(TLR)，如TLR2和TLR4等[7]；可以識別不同的病原體相關分子模式，如TLR2可以識別革蘭陰性菌的脂蛋白和革蘭陽性菌細胞壁上的肽聚糖，TLR4可以識別革蘭陰性菌的LPS；最終激活骨骼肌中的NF-κB轉化因子導致骨骼肌的萎縮。由此可見，移位的腸道細菌也可以通過TLRs/NF-κB通路介導老年肌少癥的發(fā)生。

2.2 腸道菌群對相關激素及類固醇水平的影響 目前發(fā)現(xiàn)的50多種胃腸激素中有20多種是腦腸肽，胃腸道可能通過這些腦腸肽參與到腦-腸互動中，主要包括生長激素釋放肽(Ghrelin)及胰高血糖素樣肽1(GLP-1)等，在食欲調控、能量攝入以及肥胖的形成過程中起著重要的作用。腸道菌群是腦-腸軸體系的另一個重要參與者，被稱為“人體的第二大腦”，介導了腦-腸軸之間的信號傳導，其產(chǎn)生的信號可能通過迷走神經(jīng)、外周循環(huán)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)，進而影響人體的生理代謝和病理過程。

隨著機體的衰老，伴發(fā)的慢性炎性反應可導致機體生長激素(GH)、胰島素樣生長因子-1(IGF-1)水平降低及胰島素抵抗，誘發(fā)蛋白質合成抵抗及骨骼肌肌量的下降，誘發(fā)肌少癥的發(fā)生[20]。IGF-1通過與受體結合作用于磷脂酰肌醇三激酶(PI3K)促使磷脂酰肌醇二磷酸(PIP2)向磷脂酰肌醇三磷酸(PIP3)轉化，正向調節(jié)絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶B途徑進而增強下游的雷帕霉素靶蛋白(mTOR)活性，促進蛋白質合成并且抑制 FOXO去磷酸化進而影響蛋白質的分解[21]。IGF-1可能是促進骨骼肌生長和修復的重要介質，其過度表達可增強正常和肌營養(yǎng)不良小鼠骨骼肌的再生[22]；還可通過增加肌衛(wèi)星細胞數(shù)量和刺激蛋白質合成提高骨骼肌功能[21]。生長激素也是通過IGF-1的介導發(fā)揮作用。已經(jīng)有實驗證實老化的肌細胞受到胰島素的作用以后，其蛋白質的生成能力會明顯地降低[4]。微生物代謝產(chǎn)物甜菜堿可激活胞質鈣內流，細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)信號轉導和人成骨細胞中IGF-1的合成[23]。微生物來源的吲哚氧基硫酸酯的循環(huán)水平與肌生成抑制素和atrogin-1的表達呈正相關，這代表了骨骼肌質量的兩個主要負調節(jié)因子。

腸道菌群對骨骼肌功能影響的研究最多的推定介質是SCFA。SCFA可以通過循環(huán)進入全身，被骨骼肌細胞吸收；SCFA在骨骼肌細胞中可與游離脂肪酸受體2(FFAR-2)和游離脂肪酸受體3(FFAR-3)配體相結合[24]；這些受體在調節(jié)葡萄糖攝取和代謝，以及促進胰島素敏感性方面起著關鍵的作用[25]。SCFA的減少可能引發(fā)胰島素抵抗，導致肌肉內脂肪酸沉積增加；隨之而來的肌肉質量下降可能進一步促進胰島素抵抗，形成惡性循環(huán)，促進衰弱及肌少癥的發(fā)生和發(fā)展[26]。此外SCFA可以上調NAD依賴性蛋白脫乙酰酶sirtuin-1 (SIRT1)受體，即線粒體生物合成的調節(jié)劑；同時線粒體蛋白表達與炎癥性腸病患者腸道SCFA產(chǎn)物的平均相對豐度成正相關，提示線粒體功能與腸道微生物之間關系密切[27]。所涉及的線粒體蛋白可能決定了產(chǎn)生能量的效率，氧化還原的平衡，炎癥級聯(lián)激活的調節(jié)。

有研究[15]顯示醋酸鹽的全身濃度與胰島素抵抗的增加和肥胖相關，而且醋酸鹽的存在可能損害到骨骼肌的合成，并可能對肌少癥產(chǎn)生負面影響。骨骼肌細胞線粒體的生物合成理論上可能受到次級膽汁酸的調控，次級膽汁酸是由初級膽汁酸通過腸道菌群合成。胰島素抵抗的發(fā)生與腸道菌群的失調有一定的關聯(lián)，Vrieze等[28]將健康人群的腸道菌群經(jīng)腸鏡灌注移植到存在胰島素抵抗的代謝綜合征患者體內，6周后發(fā)現(xiàn)受試者肌肉組織胰島素敏感性較前增加。

2.3 腸道菌群對營養(yǎng)及維生素合成的影響 腸道微生物群最近被定義為宿主營養(yǎng)信號的“傳感器”。腸道菌群受到飲食的影響，能夠產(chǎn)生影響新陳代謝、胰島素敏感性和炎癥的介質。Backhed等[29]對無菌小鼠喂食高熱量、高脂肪的食物，并最終表現(xiàn)出瘦的表型。事實上，腸道菌群能夠通過飲食產(chǎn)生的衍生介質向宿主發(fā)出促合成代謝信號。

老年人骨骼肌蛋白質合成與分解的穩(wěn)態(tài)失衡明顯，攝入及吸收的蛋白質下降導致肌肉蛋白及肌纖維合成減少，低于肌肉蛋白質的分解，導致肌肉質量及力量明顯下降。腸道菌群具有高效的蛋白代謝機制。食物和內源性的蛋白被宿主和細菌產(chǎn)生的蛋白酶和肽酶水解為肽和氨基酸，釋放出的氨基酸被宿主和微生物利用。腸道共生菌對丙氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸和色氨酸等氨基酸的分離、合成和吸收具有重要作用。有研究[30]表明，相對于正常鼠，無菌鼠出現(xiàn)了胃腸道氨基酸分布的改變，提示腸道菌群可能在宿主的氨基酸平衡和健康中起到重要作用。大量的腸道菌群能夠利用無機氮如銨鹽，進而生成人體必需和非必需氨基酸。一些亞種的類桿菌甚至能夠利用元素氮合成有機氮類。小腸中含量最多的氨基酸發(fā)酵細菌是梭狀芽孢桿菌菌群，結腸中數(shù)量最多的氨基酸發(fā)酵細菌是梭菌屬細菌和消化鏈球菌；這些細菌對于腸道內氨基酸的吸收與合成起著重要作用。腸道菌群能夠合成一些氨基酸，例如色氨酸，它是骨骼肌蛋白合成代謝的基本底物。色氨酸還可刺激骨骼肌細胞中IGF-1/p70s6k/mTor通路，促進參與肌原纖維合成基因的表達[31]。在最近的一項對38名超重人群進行的隨機對照試驗顯示腸道菌群可以通過增加氨基酸的生物利用度，刺激骨骼肌胰島素的分泌和反應，促進宿主體內的蛋白質合成代謝[32]。高蛋白飲食對微生物群的影響實際上可能并不總是有利于肌肉，F(xiàn)ord 等[33]通過隨機對照試驗研究顯示高蛋白飲食同時補充益生菌，有利于降低高蛋白飲食對腸道菌群的影響，并從高蛋白飲食獲益。

人體腸道內的微生物也是供給機體維生素的一種重要途徑，人體腸道內的正常菌群如雙歧桿菌、乳酸桿菌等可合成多種B組維生素(如B1、B2、B6及B12等)和維生素K等。腸道菌群產(chǎn)生或修飾的葉酸、維生素B2、維生素B12及色氨酸等化合物可以進入體循環(huán)并最終影響骨骼肌細胞[34]。近年關于維生素的研究顯示維生素D和維生素B12可能在肌肉功能中起到重要作用，而維生素D和維生素B12的缺乏可能是老年肌少癥的一個重要的促進因素[35]。正常的腸道菌群通過產(chǎn)生葉酸和維生素B12，可能改善骨骼肌的合成代謝并防止高同型半胱氨酸血癥引起的氧化應激和內皮損傷導致骨骼肌功能下降。研究[36]表明與成年組和幼年組相比，老年組小鼠維生素B12的生物合成明顯不足。在43歲及以下的人群中，約1/2的人有一個微生物組編碼基因cbiN，這個基因可以編碼維生素 B12的生物合成；而在43歲以上的人群中，僅約10%的人有該基因[37]。除了維生素B12，腸道微生物也能影響維生素D的吸收；研究[38]發(fā)現(xiàn)腸道菌群中普氏菌比例高的組別維生素D吸收情況最好，而糞球菌和雙歧桿菌與25羥維生素D呈負相關。Siddhart等[39]證明，與肌肉質量正常的大鼠相比，年齡相關性骨骼肌減少癥的大鼠表現(xiàn)出不同的腸道微生物群組成；肌肉減少的大鼠菌群也表現(xiàn)出不同的功能，參與碳水化合物、蛋白質、脂質消化和維生素生物合成的基因表達減少。與這些年齡相關的功能改變相關的大量營養(yǎng)元素和維生素生物利用度的降低可能在決定肌肉質量減少方面發(fā)揮相關的病理生理作用。

3 補充腸道有益細菌對老年肌少癥的影響

目前針對老年肌少癥的干預措施主要包括營養(yǎng)干預以及運動干預。評估腸道微生物群改變對骨骼肌質量及功能影響的研究尚不多見，且大部分是集中在動物模型的研究上。Varian等[40]研究顯示通過給予腫瘤小鼠模型含有羅伊氏乳桿菌的益生菌制劑，對其惡病質具有改善和緩解作用，并可能與其骨骼肌質量的保存有關。近年來有研究[41]發(fā)現(xiàn)，食用乳桿菌后的小鼠握力明顯高于對照組，并與服用乳桿菌的劑量呈正相關；同時小鼠的腓腸?、裥屠w維數(shù)量也明顯增加。Bindels等[42]的研究發(fā)現(xiàn)，補充乳酸桿菌可以改善 BAF小鼠的全身炎癥和肌肉萎縮狀況；還可以改善小鼠脛骨和腓骨的骨骼肌質量減少及骨骼肌萎縮標志物的表達。另有研究[38]發(fā)現(xiàn)，對易患惡病質的ApcMIN小鼠和自然衰老的野生型小鼠，喂食益生菌羅伊氏乳桿菌均可降低肌肉萎縮風險，且兩組小鼠較各自的對照組均顯示出更大的平均肌纖維橫截面積。Fielding等[43]研究顯示不同身體功能的老年人糞菌移植到無菌小鼠中，相比于移植低功能老年人糞菌的無菌小鼠，移植高功能老年人糞菌的無菌小鼠肌力顯著提高。對惡病質模型小鼠給予reuteri乳桿菌可導致肌肉重量和肌纖維大小增加，這可能是由FoxN1轉錄因子上調介導的，從而減少全身炎性反應[44]。Buigues等[45]通過一項針對老年患者探索使用益生元對骨骼肌影響的干預研究，在他們的隨機對照研究中人，60名老年患者接受為期13周治療，益生元制劑包括低聚果糖、菊粉，并以安慰劑對照；令人驚訝的是治療組在肌肉抗疲勞和握力力量等兩項骨骼肌功能方面有明顯改善。有力地支持腸道菌群調節(jié)肌肉功能的假設，但目前為止該領域的探索研究尚少。

目前益生菌改善肌少癥的具體機制尚不清楚，可能與腸道菌群改變后對慢性炎癥的影響有關。益生菌可能通過抗炎作用，促進肌肉的合成代謝，維護骨骼肌的質量和功能。研究[46]發(fā)現(xiàn)，短雙歧桿菌M-16V和鼠李糖乳酸桿菌 NutRes 1均可以顯著降低哮喘小鼠巨噬細胞、中性粒細胞以及促炎因子IL-2、IL-4、IL-6和TNF-α的水平。在腹瀉小鼠中，嬰兒沙門菌改善炎性因子水平并不顯著，與丁酸梭菌聯(lián)合服用對炎性因子的改善效果較單一益生菌更為明顯[47]。腸易激綜合征小鼠的研究[48]顯示，補充雙歧桿菌和乳酸桿菌不僅可以緩解腸道癥狀，改善腸道通透性和屏障功能，還可以抑制促炎因子IL-6、IL-17的釋放，減輕血管內炎癥狀態(tài)。一些動物模型的研究也評估了抗生素引起的腸道菌群紊亂的全身效應；Guss等[49]研究證明腸道菌群失調可能與骨骼肌強度和機械性能受損有關，可能由于缺乏合成代謝刺激而導致成骨減少。

4 總結

目前最新研究支持腸道菌群可能參與肌少癥的發(fā)生發(fā)展過程中。由于營養(yǎng)是腸道微生物組成的主要決定因素之一，也參與了肌少癥的發(fā)病機制；因此腸道菌群可能是營養(yǎng)與肌少癥之間的重要節(jié)點。一些關鍵的腸道菌群可能通過產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，如甘氨酸、色氨酸、膽汁酸和SCFA即丁酸鹽等；并被腸道黏膜吸收后對宿主生理產(chǎn)生影響，在肌肉結構和功能方面發(fā)揮相關作用。從理論上講，糞便中的這些分子以及產(chǎn)生它們的細菌可能是肌少癥的生物標志物，其檢測可能成為肌少癥研究領域的一個重點。目前干預腸道菌群在衰弱和肌少癥中的作用及其機制的研究較少，益生菌或益生菌對骨骼肌影響的干預研究主要集中在動物模型上，其結果能否在人體轉化尚不確定。因此未來的研究應該圍繞可能存在的腸道-肌肉軸和臨床相關內容進行研究；將腸道菌群組成與營養(yǎng)、肌肉功能和結構相關，且易于研究和評估[50]；腸道菌群與肌肉生理學間的聯(lián)系應該是老年營養(yǎng)、衰弱和肌少癥研究的重點。