腸道菌群對(duì)骨骼肌的影響及SCFAs介導(dǎo)“腸-肌軸”的機(jī)制研究進(jìn)展

史益凡，王新穎

1南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬金陵醫(yī)院/東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院普通外科研究所，南京 210002；2江南大學(xué)附屬醫(yī)院胃腸外科，江蘇無(wú)錫 214122

人類腸道是一個(gè)復(fù)雜多樣的生態(tài)系統(tǒng)，由數(shù)千種不同的細(xì)菌及各種病毒、古生菌、真菌和真核生物組成，其數(shù)量超過(guò)1014，含有的基因數(shù)量是人類基因的150倍[1]。這些微生物與宿主互利共生，在促進(jìn)膳食營(yíng)養(yǎng)代謝、合成微量營(yíng)養(yǎng)素、調(diào)控黏膜免疫和調(diào)節(jié)能量平衡中發(fā)揮重要作用，被譽(yù)為“第二大腦”[2]。腸道菌群可從未消化的物質(zhì)中合成具有生物活性的化合物，這些活性物質(zhì)可進(jìn)入血液循環(huán)，調(diào)節(jié)宿主的生理功能[3]。研究證實(shí)，腸道微生態(tài)紊亂與多種慢性疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[4-6]，如肥胖、糖尿病、過(guò)敏和自閉癥等，其潛在的機(jī)制可通過(guò)菌群與宿主各器官之間的相互作用來(lái)闡釋，如腦-腸軸、腸-肝軸、腸-肺軸等[3,7]。

骨骼肌是人體最大的代謝器官，約占體重的40%，占靜息能量消耗的30%，占胰島素刺激葡萄糖攝取的80%[8]。骨骼肌的質(zhì)量和功能對(duì)維持機(jī)體健康起著重要作用[9-10]。近年來(lái)，腸道菌群與肌肉之間的相互作用已經(jīng)成為人類健康研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)，“腸-肌軸”被創(chuàng)新性地提出[11]，即肌肉的功能和代謝在很大程度上依賴于腸道菌群的數(shù)量及結(jié)構(gòu)，認(rèn)為腸道微生物有望成為預(yù)防和治療肌肉相關(guān)疾病如少肌癥、肌肉萎縮等的潛在生物靶點(diǎn)。同時(shí)，明確腸道菌群如何應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷、調(diào)節(jié)骨骼肌功能，對(duì)改善體能具有重要意義，特別是對(duì)增進(jìn)戰(zhàn)斗人員的軍事體能至關(guān)重要。本文就腸道菌群對(duì)骨骼肌生物學(xué)功能的影響及其機(jī)制研究進(jìn)展作一綜述。

1 腸道菌群對(duì)骨骼肌的影響

1.1 對(duì)骨骼肌質(zhì)量的影響 腸道菌群對(duì)維持骨骼肌質(zhì)量具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，抗生素干預(yù)幼鼠的肌肉質(zhì)量明顯降低，而體重保持不變，導(dǎo)致肌肉質(zhì)量/體重比值下降，而移植正常小鼠的糞便菌群后，骨骼肌質(zhì)量丟失被逆轉(zhuǎn)[12]。相似的是，無(wú)菌小鼠的肌肉質(zhì)量/體重比值也明顯降低，糞菌移植能夠使其恢復(fù)到正常水平[13]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，干酪乳桿菌或長(zhǎng)雙歧桿菌灌胃可增高小鼠的肌肉質(zhì)量，但不影響其體重[14]。

短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)是結(jié)腸菌群的主要終末代謝產(chǎn)物，被廣泛認(rèn)為介導(dǎo)了腸道菌群與骨骼肌之間的相互作用[15]。體外研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs雞尾酒可減輕地塞米松誘導(dǎo)的C2C12肌管萎縮[13]。非肥胖飲食小鼠補(bǔ)充丁酸，能夠防止衰老過(guò)程中的骨骼肌萎縮[16]。當(dāng)豬能量供應(yīng)不足時(shí)，補(bǔ)充SCFAs混合物(含有乙酸、丙酸和丁酸)可增加氮潴留[17]。然而，Henagan等[18]研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充乙酸和丁酸并不能增加高脂飲食小鼠的絕對(duì)骨骼肌質(zhì)量。由此可見(jiàn)，在代謝應(yīng)激或代謝需求增加的情況下，如衰老、生長(zhǎng)發(fā)育等，SCFAs對(duì)骨骼肌質(zhì)量可產(chǎn)生正性調(diào)節(jié)作用，而當(dāng)能量過(guò)剩時(shí)，SCFAs不會(huì)影響骨骼肌質(zhì)量。

1.2 對(duì)骨骼肌表型的影響 腸道菌群紊亂可引起骨骼肌表型改變。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)菌小鼠的線粒體功能明顯下降[13]，將肥胖哺乳動(dòng)物的糞便菌群移植到無(wú)菌小鼠，小鼠復(fù)制了供體的骨骼肌纖維特征[19]。這一關(guān)系在益生菌和益生元干預(yù)研究中也得到證實(shí)，補(bǔ)充植物乳桿菌TWK10可增高嚙齒動(dòng)物骨骼肌Ⅰ型纖維的比例，增強(qiáng)肌肉力量[20]。同時(shí)大量研究表明，丁酸和乙酸可增加高脂飲食嚙齒動(dòng)物Ⅰ型肌球蛋白重鏈和β氧化關(guān)鍵酶的表達(dá)，促進(jìn)氧化骨骼肌表型[18,21]。然而，在標(biāo)準(zhǔn)飲食小鼠中，補(bǔ)充丁酸并不影響肌纖維表型[22]，具體原因尚不清楚，可能與食物和干預(yù)時(shí)間有關(guān)。

1.3 對(duì)骨骼肌代謝的影響 腸道菌群是重要的“內(nèi)分泌器官”，可產(chǎn)生許多生物活性物質(zhì)，影響人體骨骼肌代謝。已知蛋白質(zhì)代謝對(duì)骨骼肌表型、質(zhì)量及功能等至關(guān)重要。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，腸道細(xì)菌可改變一些食物和內(nèi)源性蛋白質(zhì)來(lái)源氨基酸的生物利用率，影響肌肉蛋白質(zhì)的合成與分解[23]。腸道菌群紊亂可引起腸屏障通透性增加、內(nèi)毒素移位和胰島素抵抗等，導(dǎo)致肌細(xì)胞蛋白質(zhì)合成障礙。而補(bǔ)充乳酸桿菌則可減少小鼠肌肉萎縮標(biāo)志物的表達(dá)，如Atrogin-1、LC3蛋白等，并增加肌肉蛋白的合成[20]。同時(shí)體外研究發(fā)現(xiàn)，在生理濃度的多肽環(huán)境中，牛鏈球菌、反芻月形單胞菌及布氏普雷沃氏菌可從頭合成人體必需的氨基酸，包括賴氨酸和色氨酸等，其中，色氨酸為肌肉蛋白質(zhì)合成代謝的基礎(chǔ)底物[24]。人體實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，腸道菌群能夠合成賴氨酸，并參與維持機(jī)體的蛋白質(zhì)平衡[25]。

骨骼肌是葡萄糖代謝的重要器官。有研究報(bào)道，腸道菌群的結(jié)構(gòu)與肌糖原含量密切相關(guān)，微生態(tài)紊亂可降低骨骼肌的葡萄糖利用率和肌糖原含量，從而影響小鼠的生物能量代謝[26]。口服抗生素小鼠的肌糖原含量明顯降低，而待腸道菌群自然恢復(fù)后，肌糖原含量也隨之恢復(fù)[12]。Zarrinpar等[27]強(qiáng)調(diào)，抗生素誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸細(xì)菌耗竭可引起血糖水平降低，從而影響骨骼肌對(duì)血清葡萄糖的攝取和利用，導(dǎo)致肌糖原貯存減少。SCFAs作為腸道菌群的主要效應(yīng)分子，已在多種動(dòng)物模型中被證實(shí)可促進(jìn)肌糖原的合成[28]。此外，體外研究發(fā)現(xiàn)，乙酸和丙酸可分別增加L6和C2C12肌細(xì)胞非胰島素依賴性葡萄糖的攝取和代謝[15]。由此可見(jiàn)，腸道菌群及其代謝物對(duì)骨骼肌的葡萄糖攝取、貯存和氧化均有重要的調(diào)節(jié)作用。

骨骼肌脂質(zhì)代謝也受到腸道菌群的調(diào)控。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高脂高蔗糖飲食小鼠骨骼肌脂肪含量增加，可能與普氏菌屬相對(duì)豐度降低有關(guān)[29]。將肥胖榮昌豬的腸道菌群移植到無(wú)菌小鼠，后者復(fù)制了供體的骨骼肌脂質(zhì)代謝特征，即三酰甘油濃度增高和脂肪沉積明顯增多[19]。同時(shí)，抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)可減少三酰甘油的分解，增加脂肪酸的攝取及從頭合成，最終導(dǎo)致骨骼肌脂肪堆積[30]。雖然直接影響骨骼肌脂質(zhì)代謝的細(xì)菌仍不明確，但大量研究已經(jīng)證實(shí)，SCFAs可增加骨骼肌對(duì)脂肪酸的攝取和氧化，并防止脂質(zhì)累積?？诜∷?0 d后，C57BL/6J小鼠骨骼肌中三酰甘油和膽固醇濃度明顯降低[22]，而補(bǔ)充丁酸10個(gè)月則可預(yù)防標(biāo)準(zhǔn)飲食小鼠的骨骼肌脂肪堆積[16]。體外研究也有相似的報(bào)道，在L6肌管細(xì)胞中給予0.5 mmol/L丁酸后，脂肪酸氧化增加約30%，給予0.5 mmol/L乙酸則可增高脂肪酸的攝取率[31]，這些效應(yīng)的潛在機(jī)制可能與脂質(zhì)代謝相關(guān)酶的表達(dá)改變有關(guān)。

1.4 對(duì)骨骼肌功能的影響 目前，已有多項(xiàng)研究報(bào)道了腸道微生物對(duì)骨骼肌功能(包括肌肉力量和耐力運(yùn)動(dòng))的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，幼齡無(wú)菌小鼠抓力和游泳耐力明顯下降[13,32]；抗生素干預(yù)小鼠跑步耐力減弱，體外肌肉疲勞增加[12]。在幼齡無(wú)菌小鼠體內(nèi)定植直腸真桿菌或梭狀芽孢桿菌后，其力竭游泳時(shí)間明顯延長(zhǎng)[32]。另外，人群隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充凝結(jié)芽孢桿菌GBI-30可提高運(yùn)動(dòng)員的無(wú)氧運(yùn)動(dòng)能力[33]，補(bǔ)充乳酸桿菌PS128能夠改善鐵人三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員的體能表現(xiàn)，減輕高強(qiáng)度訓(xùn)練誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[34]。由此可見(jiàn)，某些特定的細(xì)菌分類可能是維持肌肉功能的基礎(chǔ)。

最近Scheiman等[35]發(fā)現(xiàn)，馬拉松運(yùn)動(dòng)員比賽后，糞便中韋榮氏球菌屬相對(duì)豐度顯著增加，并證實(shí)非典型韋榮球菌可通過(guò)代謝乳酸生成丙酸，從而延長(zhǎng)小鼠的力竭跑步時(shí)間。目前SCFAs改善骨骼肌功能已被廣泛報(bào)道，如補(bǔ)充SCFAs混合物能夠提高無(wú)菌小鼠的抓力[13]，而持續(xù)皮下注射乙酸可恢復(fù)抗生素干預(yù)小鼠的耐力表現(xiàn)[12]。另外，如上所述，SCFAs可以調(diào)節(jié)骨骼肌代謝，包括抑制糖酵解、增加肌糖原含量和促進(jìn)脂肪酸氧化等，而在長(zhǎng)時(shí)間的次極限運(yùn)動(dòng)中，肌糖原和脂類是骨骼肌供能的主要底物，運(yùn)動(dòng)能力減弱與內(nèi)源性糖類儲(chǔ)備不足密切相關(guān)[15]。因此，SCFAs這種能量底物利用的轉(zhuǎn)變可能有助于增強(qiáng)骨骼肌的力量和耐力。

當(dāng)前，有關(guān)老年人“腸-肌軸”的研究較少。近期Fielding等[36]報(bào)道，高肌肉力量老年人糞便中普氏菌科、普氏菌屬和巴恩斯菌屬相對(duì)豐度顯著高于對(duì)照組，將兩組糞便菌群移植到無(wú)菌小鼠后，小鼠分別復(fù)制出了供體的表型特征。值得注意的是，巴恩斯菌屬和普氏菌科都屬于SCFAs產(chǎn)生菌[37]。然而，SCFAs能否改善老年人的肌肉力量，目前尚不清楚。

2 SCFAs介導(dǎo)“腸-肌軸”的機(jī)制

2.1 抗炎癥和氧化應(yīng)激 炎性因子水平升高被認(rèn)為是骨骼肌萎縮、胰島素抵抗及脂質(zhì)代謝紊亂的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。SCFAs包括乙酸、丙酸和丁酸都具有抗炎作用，主要是由GPR41/GPR43激活或組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)抑制所介導(dǎo)的[38]。GPR41和GPR43表達(dá)于多種免疫細(xì)胞，如中性粒細(xì)胞、單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等。SCFAs激活GPR41/GPR43可抑制腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)和IL-17A等炎性因子的釋放[38-39]。丁酸和丙酸通過(guò)抑制巨噬細(xì)胞和樹(shù)突細(xì)胞中的HDAC，阻斷核因子-κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)信號(hào)通路的激活，從而發(fā)揮抗炎效應(yīng)[38]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，一些微生物具有直接抗炎作用，如脆弱擬桿菌可通過(guò)作用于Toll樣受體2而促進(jìn)IL-10分泌，抑制Th17淋巴細(xì)胞增殖，進(jìn)而減輕炎癥反應(yīng)[40]；乳酸桿菌科和雙歧桿菌科能通過(guò)影響IL-10、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β，TGF-β)、色氨酸-2,3-雙加氧酶等抗炎因子的分泌，進(jìn)而抑制炎癥反應(yīng)[41]。

氧化應(yīng)激能夠產(chǎn)生過(guò)多的活性氧(reac t i ve oxygen species，ROS)，引起脂質(zhì)和蛋白質(zhì)過(guò)氧化，使肌肉細(xì)胞膜成分及結(jié)構(gòu)完整性受損，最終導(dǎo)致骨骼肌功能下降[42]。腸道菌群和SCFAs均具有抗氧化應(yīng)激的作用。乳酸桿菌屬和雙歧桿菌屬能提高腸道谷胱甘肽(glutathione，GSH)水平，有效清除腸腔內(nèi)的羥自由基[43]。植物乳酸桿菌、加氏乳酸桿菌和嗜熱鏈球菌等可增強(qiáng)超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)的活性，減輕氧化反應(yīng)[44]。一項(xiàng)健康人群的隨機(jī)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，給予生理濃度的丁酸能夠增加GSH含量、抑制ROS生成，同時(shí)GSH合成的限速酶谷氨酸半胱氨酸連接酶催化亞基(GCLC)表達(dá)明顯增加[45]。因此，靶向干預(yù)腸道微生物和(或)增加SCFAs的生成，能夠預(yù)防或減輕炎癥及氧化應(yīng)激對(duì)骨骼肌功能的負(fù)性作用。

2.2 增加腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)磷酸化AMPK是調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝的基礎(chǔ)因子，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ATP供應(yīng)不足時(shí)被激活，啟動(dòng)分解代謝[46]。研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs可增高骨骼肌組織中AMP濃度和AMP/ATP比值，從而磷酸化AMPK[47]。AMPK激活能夠促進(jìn)脂肪酸攝取和氧化、葡萄糖攝取和糖原合成并抑制脂肪生成和糖酵解[46]。同時(shí)，活化的AMPK還能磷酸化下游靶點(diǎn)，包括p38絲裂原活化蛋白激酶(p38 MAPKs)和過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(PGC1α)等[31]。其中，PGC1α是調(diào)節(jié)線粒體功能和生物合成的主要因子，其活性上調(diào)可能在促進(jìn)氧化骨骼肌表型中起重要作用[48]。因此，AMPK磷酸化可能是SCFAs調(diào)節(jié)骨骼肌代謝和肌纖維表型的關(guān)鍵機(jī)制。

2.3 誘導(dǎo)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體(PPARs)的表達(dá) PPARs是配體激活的轉(zhuǎn)錄因子，屬于核受體超家族成員。PPARs有3種亞型，即PPAR-α、PPAR-δ和PPAR-γ。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，丁酸能夠促進(jìn)C57BL/6J小鼠骨骼肌中PPAR-δ的表達(dá)[31]。PPAR-δ是骨骼肌葡萄糖和脂質(zhì)代謝以及肌纖維表型的主要調(diào)節(jié)因子，能通過(guò)抑制糖酵解延長(zhǎng)小鼠的力竭跑步時(shí)間[49]。因此，SCFAs對(duì)骨骼肌代謝和功能的影響，至少部分是由PPAR-δ表達(dá)上調(diào)所介導(dǎo)的。

2.4 抑制HDAC HDAC又稱賴氨酸去乙?；?，主要參與修飾染色體結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。HDAC與骨骼肌的功能和代謝密切相關(guān)，包括促進(jìn)骨骼肌萎縮、抑制線粒體生物合成以及調(diào)控葡萄糖和脂質(zhì)氧化等[50]。Gao等[31]報(bào)道，小鼠補(bǔ)充丁酸后，骨骼肌細(xì)胞核中HDAC的活性降低了50%，有利于促進(jìn)氧化骨骼肌表型和脂肪酸代謝。在動(dòng)物模型中，丁酸能通過(guò)抑制HDAC的活性而促進(jìn)組蛋白H3賴氨酸9乙酰化，進(jìn)而增加胰島素受體底物1基因的表達(dá)[51]。由此可見(jiàn)，SCFAs可改善胰島素敏感性，至少部分與HDAC抑制相關(guān)。

2.5 促進(jìn)激素分泌 SCFAs可促進(jìn)一些器官組織釋放激素入血，調(diào)節(jié)骨骼肌代謝。如SCFAs可作用于腸道內(nèi)分泌L細(xì)胞表面的GPR41/GPR43，促進(jìn)胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)釋放，GLP-1作為抗糖尿病激素，能夠增加骨骼肌的葡萄糖攝取、代謝和糖原合成[52]。血液中的SCFAs還能刺激脂肪組織分泌瘦素，從而增加骨骼肌的脂質(zhì)和葡萄糖氧化，這一效應(yīng)可能與AMPK磷酸化有關(guān)[53]。此外，在抗生素干預(yù)的小鼠模型中，補(bǔ)充SCFAs能夠恢復(fù)血清胰島素樣生長(zhǎng)因子1(insulin like growth factor 1，IGF-1)的水平，有助于調(diào)控骨骼肌脂代謝和增加胰島素敏感性[54]。

3 總結(jié)與展望

腸道微生態(tài)改變能夠影響骨骼肌的代謝和生理功能，這一關(guān)系至少部分是由SCFAs介導(dǎo)的。但是由于外部環(huán)境的復(fù)雜性和微生物特征的差異，很難定義一個(gè)單一有效的菌群譜或代謝譜。在體育科學(xué)領(lǐng)域，益生菌補(bǔ)充劑已被證實(shí)可對(duì)骨骼肌功能產(chǎn)生積極影響，從而改善某些類型運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練參數(shù)，提高其運(yùn)動(dòng)能力[33-34]。不過(guò)，對(duì)于部隊(duì)官兵而言，由于他們需要進(jìn)行長(zhǎng)期、反復(fù)的高強(qiáng)度體能訓(xùn)練，加之在執(zhí)行軍事任務(wù)時(shí)經(jīng)常面臨休息和睡眠時(shí)間、膳食攝入不足以及極端的自然環(huán)境等問(wèn)題，因此，在復(fù)雜的軍事背景下，益生菌能否調(diào)節(jié)其骨骼肌功能或何種代謝物介導(dǎo)“腸-肌軸”尚未可知。重要的是，戰(zhàn)斗人員的肌肉功能直接影響軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力，如何有效提高士兵的體能是當(dāng)前軍事醫(yī)學(xué)亟待解決的問(wèn)題。因此，仍需通過(guò)進(jìn)一步研究來(lái)充分闡明“腸-肌軸”的確切機(jī)制，明確在不同類型人群中哪些特定的細(xì)菌分類或代謝物直接參與調(diào)節(jié)骨骼肌功能，這不僅有利于肌肉相關(guān)性疾病的治療，促進(jìn)人類健康，而且還能基于腸道菌群和(或)代謝物靶向干預(yù)開(kāi)發(fā)新型體能增進(jìn)策略，對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)員的競(jìng)技水平和士兵的軍事體能具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的應(yīng)用前景。