腸道菌群在骨質(zhì)疏松癥中的研究進展

孟漢杰 孔令俊 趙軍 鄧葉龍 韓升龍 王植帥 陳文麗 袁劍 李萬潭 黃曉焱

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量低、骨組織微結(jié)構(gòu)受損為特征的最常見的骨代謝疾病之一，也是中老年骨折的高危因素[1]。相關(guān)流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國50歲以上人群中OP患病率高達19.20%[2]。我國城鄉(xiāng)居民對OP相關(guān)防治常識的知曉率僅為11.7%[3]。這就使得許多OP患者在發(fā)病初期貽誤治療，從而導(dǎo)致OP的不斷加重。西藥通過發(fā)揮促進骨形成和抑制骨吸收來減輕OP臨床不適癥狀，進而延緩其進程，是目前臨床上治療OP的主要方式。但不能從根本上預(yù)防或逆轉(zhuǎn)骨代謝失衡狀態(tài)[4]，同時西藥不可避免地存在胃腸道反應(yīng)及肝腎功損害等為表現(xiàn)的多種不良反應(yīng)。故西藥在發(fā)揮治療OP療效的同時，也帶來了身體其他臟器或其他系統(tǒng)的損害。因此圍繞既能有效治療OP，又能減輕機體不良反應(yīng)這一思路，筆者通過梳理文獻，發(fā)現(xiàn)腸道菌群是治療相關(guān)骨骼疾病的潛在靶點[5]，從腸道菌群入手，可較好地達到上述治療目標(biāo)。并且目前的研究表明腦-腸-腸道菌群軸、腦-骨軸和腸-骨軸是調(diào)節(jié)OP的主要機制，而益生菌和益生元是調(diào)節(jié)腸道菌群的重要途徑。因此，本文從腸道菌群調(diào)節(jié)OP的機制和益生菌及益生元調(diào)節(jié)在OP中的應(yīng)用兩個方面展開綜述，以期為臨床治療OP提供新思路。

1 腸道菌群與OP

腸道菌群是定植在人體腸道與糞便中的微生物的總集，是人體內(nèi)最大、最繁雜的生態(tài)系統(tǒng)，數(shù)量大約為100萬億，包括細(xì)菌、真菌和病毒[6]。人體的腸道菌群源自于母體子宮和產(chǎn)道，直至3歲時穩(wěn)定形成，擁有一定的自我調(diào)節(jié)能力，協(xié)助維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定[7]，并在人體的內(nèi)分泌系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和代謝系統(tǒng)中起重要調(diào)節(jié)作用。生理狀態(tài)下，腸道菌群能夠改善腸道通透性，減輕炎癥反應(yīng)，促進營養(yǎng)吸收，參與骨骼系統(tǒng)的免疫調(diào)控[8]。病理情況下，腸道的炎癥性疾病會導(dǎo)致鈣吸收不足和維生素D和維生素K循環(huán)水平的降低，從而引起骨量的減少，而腸道的益生菌可以減少腸道和骨的炎癥反應(yīng)，改善腸道通透性，防止骨流失[9]。作為骨代謝的重要調(diào)節(jié)劑，腸道菌群在骨骼的生長、發(fā)育、老化和骨的病理性變化過程中所發(fā)揮的作用不容忽視[10]。Blanton等[11]研究發(fā)現(xiàn)，嬰幼兒營養(yǎng)不良會導(dǎo)致腸道菌群的紊亂，破壞免疫系統(tǒng)發(fā)育成熟和骨骼系統(tǒng)正常生長，實驗發(fā)現(xiàn)移植了營養(yǎng)不良兒童腸道菌群的正常小鼠在一段時間后骨量出現(xiàn)顯著下降。Schwarzer等[12]實驗發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠較對照組小鼠存在體重增長較慢、骨量較低的情況，而補充植物乳桿菌的無菌小鼠能夠維持正常的生長速率，這表明腸道菌群促進了小鼠骨骼的生長發(fā)育。

2 腦、腸、骨之間的聯(lián)系

2.1 腦-腸-腸道菌群軸

中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)和腸道菌群存在的雙向神經(jīng)體液調(diào)節(jié)系統(tǒng)稱為腦-腸-腸道菌軸，腦-腸-腸道菌軸將宿主腸道和大腦間的信息進行了傳遞[13]。腸道菌群可以通過不同的信號分子直接與大腦反饋，也可以通過腦-腸軸間接與大腦通信。同樣，大腦既可直接調(diào)節(jié)腸道菌群，亦可通過改變腸道環(huán)境來調(diào)節(jié)腸道菌群[14]。Hayes等[15]研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)系統(tǒng)通過腸道杯狀細(xì)胞調(diào)節(jié)胃酸、黏液、碳酸氫鹽、腸肽和抗菌肽的分泌，影響腸道黏液層的厚度和質(zhì)量。此外，還可以誘導(dǎo)腸道內(nèi)的生理變化，影響微生物的棲息地，從而調(diào)節(jié)微生物群落的組成和活性[16]。如丘腦-垂體-腎上腺軸可以通過釋放皮質(zhì)酮、腎上腺素和去甲腎上腺素，干擾細(xì)菌間信息傳遞來影響腸道菌群[18]。應(yīng)激會影響上皮細(xì)胞的完整性，改變腸道蠕動、腸道內(nèi)分泌以及黏蛋白產(chǎn)生，進而改變腸道共生菌的菌群組成及活性[19]。因為腦-腸-腸道菌群軸整合了大腦和腸道之間的神經(jīng)、激素和免疫信號，并成為腸道菌群及其代謝產(chǎn)物影響大腦的途徑[17]，所以腸道菌群也能借助此途徑夠反向作用于大腦，例如念珠菌、鏈球菌和腸球菌產(chǎn)生的5-羥色胺，乳酸菌和雙歧桿菌合成和釋放的γ-氨基丁酸，芽孢桿菌和酵母菌產(chǎn)生的去甲腎上腺素，這些神經(jīng)遞質(zhì)既能在局部相關(guān)位置發(fā)揮應(yīng)有的作用，也可穿過黏膜影響周圍系統(tǒng)和潛在的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)臟層[20]。

2.2 腦-骨軸

骨代謝直接受到CNS介導(dǎo)的神經(jīng)通路的控制，感覺神經(jīng)纖維和自主神經(jīng)纖維也參與了骨組織的調(diào)節(jié)。谷氨酸、腎上腺素(E)、去甲腎上腺素(NE)、P物質(zhì)(Substance P，SP)、血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)和神經(jīng)肽Y(NPY)在這一過程中發(fā)揮了重要作用[21]。谷氨酸是一種中樞興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，Suva等[22]在小鼠顱骨中分離的成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)中發(fā)現(xiàn)了谷氨酸受體和轉(zhuǎn)運體的表達和功能，表明谷氨酸可以調(diào)節(jié)OB的表達和轉(zhuǎn)化。VIP是一種具有抗炎和免疫調(diào)節(jié)作用的神經(jīng)肽，參與骨吸收、代謝和骨折愈合的重建，可有效改善關(guān)節(jié)炎癥狀，抑制軟骨損傷[23]。李祥澤等[24]研究發(fā)現(xiàn)，甲狀旁腺激素能夠在骨重建過程中加強骨的強度、改善人體對于鈣和磷的吸收，具有升高血鈣、降低血磷的功能，從而促進骨骼的礦化，間接促進骨骼的生長發(fā)育。P物質(zhì)是一種從感覺神經(jīng)末梢釋放出來的神經(jīng)肽，廣泛分布于外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)[25]。Matayoshi等[26]通過SP刺激滑膜細(xì)胞來誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成，研究發(fā)現(xiàn)從周圍感覺神經(jīng)末梢釋放的SP是導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎發(fā)展的危險因素之一。SP誘導(dǎo)滑膜增生和肥大，上調(diào)滑膜成纖維細(xì)胞中RANKL的表達，下調(diào)骨保護素(OPG)的表達，從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)的生成。骨是腦-腸軸中的一個作用點，腦信號和腸道信號通過單一或整合的形式直接或間接地作用于骨，從而影響各種骨細(xì)胞的數(shù)量和活性，特別是OB和OC，最終導(dǎo)致骨密度的降低[27]。因此，中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在平衡OB和OC以及骨形成和骨吸收中起著主導(dǎo)作用[28]。此外，骨骼會調(diào)節(jié)激素和多肽等骨源性分子以作用于大腦。當(dāng)骨感知到拉伸、壓力的信號時，會將信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的生化反應(yīng)傳遞給中樞神經(jīng)系統(tǒng)[29]。

2.3 腸-骨軸

腸道菌群直接影響著腸道神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和腸道的通透性[30]。它在食物消化、維生素營養(yǎng)、抵御外來病原微生物入侵等方面也發(fā)揮著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，飲食攝入的微生物均可通過腸道代謝、內(nèi)分泌和免疫調(diào)節(jié)等途徑作用于骨骼[31]。此外，經(jīng)由腸道菌群代謝而由腸道吸收的營養(yǎng)物質(zhì)可進一步作用于骨，減緩OC的破骨作用及相關(guān)因素，從而促進成骨分化[32]，改善OP。Gehrig等[33]以嬰幼兒、小鼠、小豬為研究對象，發(fā)現(xiàn)補充微生物導(dǎo)向性食物可改善上述研究對象營養(yǎng)不良引起的病態(tài)腸道菌群分布，減輕免疫炎癥反應(yīng)并增加骨量。例如，Treg細(xì)胞可以分泌轉(zhuǎn)化生長因子β1，抑制T細(xì)胞活化，限制炎癥的發(fā)展與擴散，減少IFN-γ和TNF-α的生成，抑制OC活性[34]。Th17細(xì)胞受致病菌刺激后會引發(fā)炎癥反應(yīng)，大量分泌IL-17因子，聚集免疫細(xì)胞來吞噬、清除腸道易位的致病菌，同時也增加RANKL的表達，激活OC功能，增加骨吸收與溶解[35-36]。由于Th17細(xì)胞的作用是與Treg細(xì)胞相互拮抗的，故通過免疫調(diào)節(jié)影響估量的內(nèi)在機制可能是腸道菌群通過免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)腸道Treg細(xì)胞與Th17細(xì)胞的平衡，影響腸道乃至全身的免疫炎癥狀態(tài)，從而建立OC和OB新的動態(tài)平衡，最終維持骨量的穩(wěn)定[37]。

3 益生菌和益生元在防治OP中的應(yīng)用

隨著腸道微生物相關(guān)生物制劑研究的日益加深，益生菌和益生元作為新的預(yù)防和治療疾病的手段開始被人們所重視。腸道菌群作為維持包括宿主骨穩(wěn)態(tài)在內(nèi)的各種生命活動的動態(tài)平衡的重要因素，在“腸道菌群-腸-骨”軸已經(jīng)被證實的前提下，適當(dāng)補充調(diào)節(jié)腸道菌群的益生菌和益生元不失為預(yù)防和治療OP的一種有效方法。

3.1 益生菌

益生菌是定殖在腸道內(nèi)，對宿主有益的活性微生物。益生菌能夠穩(wěn)定腸道菌群的定植，調(diào)節(jié)腸道菌群的構(gòu)成[38]。益生菌通過免疫調(diào)節(jié)、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)和腸道代謝調(diào)節(jié)等方式調(diào)節(jié)腸道內(nèi)菌群平衡，促進營養(yǎng)吸收保持腸道健康的作用，從而可均衡宿主腸道內(nèi)微生物菌群的結(jié)構(gòu)并以維持骨穩(wěn)態(tài)。例如，益生菌通過發(fā)酵未完全消化的碳水化合物產(chǎn)生短鏈脂肪酸，為腸道上皮細(xì)胞提供能量，進而影響腸道上皮屏障，調(diào)節(jié)T細(xì)胞和B細(xì)胞介導(dǎo)的特異性免疫[39]。此外，益生菌干預(yù)還降低了TNF-α和IL-1β兩種細(xì)胞因子的表達，減少了炎癥反應(yīng)，增加了OC抑制劑骨蛋白的表達，減少骨丟失，進而實現(xiàn)治療OP的目的[40]。此外，益生菌鼠李糖乳桿菌(LGG)和益生菌補充劑VSL#3可降低腸道通透性，抑制腸道炎癥，防止雌激素缺乏引起的骨丟失[41]。羅伊氏乳桿菌通過調(diào)節(jié)腸道菌群，減弱了鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的T1D(1型糖尿病)介導(dǎo)的小鼠骨丟失，阻止了骨鈣素和礦物質(zhì)沉積率的降低，表明益生菌對骨合成代謝有積極作用[42]。另一項研究表明，口服羅伊氏乳桿菌可以減少性腺完整的雄性小鼠的腸道炎癥，改善骨密度。Fabiana Carvalho Rodrigues等[43]研究發(fā)現(xiàn)，益生菌與長雙歧桿菌聯(lián)合使用可提高大鼠骨礦物質(zhì)含量。以上均表明，通過益生菌維持骨穩(wěn)態(tài)是一種有效的途徑。

3.2 益生元

益生元指一些不被宿主消化吸收卻能夠選擇性地促進體內(nèi)有益菌的代謝和增殖、從而改善宿主健康的有機物質(zhì)[44]。它們既可以天然存在于植物性食品中，如蘆筍、甜菜、大蒜、菊苣、洋蔥、菊芋、黑小麥、蜂蜜、香蕉、大麥、番茄、豆類等[45]，也可以通過酶轉(zhuǎn)化來合成，以多種難以消化的寡糖為主要代表，其中最常見的是低聚半乳糖(GOS)、低聚果糖(FOS)、低聚木糖(XOS)和乳糖等[46]。菊粉是菊科植物毛菊苣根莖的提取物，研究表明，攝入不可消化的菊粉可以促進人和動物腸道對礦物質(zhì)吸收，提高骨骼中的鈣含量，進而增強宿主的骨密度[47]。龍舌蘭果聚糖可促進礦物質(zhì)在腸道的吸收轉(zhuǎn)化，提高骨礦物質(zhì)含量[48]。低聚果糖則可以更有效地促進高鈣飲食喂養(yǎng)的大鼠的鈣吸收[49]。此外，益生元還能增加對骨的保護[50]。果糖低聚糖和大豆異黃酮作為混合益生元，能提高去卵巢大鼠的骨強度[51]，且當(dāng)大豆異黃酮的含量相對較低時，該混合益生元對骨強度的增加效果也愈發(fā)顯著，充分表明益生元和對與其搭配的不同成分可以起到協(xié)同促進作用，比益生元的單一使用具有更好的骨強化效果。因此，益生元在調(diào)節(jié)腸道菌群和維持骨穩(wěn)態(tài)方面具有重要作用。但當(dāng)益生元過量時，腸道中未消化的糖和發(fā)酵的纖維會導(dǎo)致腸胃脹氣和腹部不適[52]。因此，應(yīng)用時要考慮個體差異和身體耐受性。

3.3 益生元和益生菌的聯(lián)合使用

另外研究發(fā)現(xiàn)，益生元和益生菌的聯(lián)合使用會對骨骼健康有積極的影響[53]。如FOS與長雙歧桿菌聯(lián)合使用可增加大鼠骨中鈣、鎂、磷的含量，提高大鼠骨的最大應(yīng)力，增加骨形成面積[43]。還有雙歧桿菌和乳糖的類似組合可以改善骨量，F(xiàn)OS和二果糖Ⅲ促進胃切除大鼠對鈣的吸收。此外，寡聚半乳糖增加了大鼠腸道中雙歧桿菌的比例，能夠起到增加骨量的作用[54]。

綜上所述，腸道菌群可通過不同途徑調(diào)節(jié)宿主的免疫、代謝和內(nèi)分泌系統(tǒng)，在防治OP方面發(fā)揮重要作用。同時將益生菌和益生元應(yīng)用于改變宿主腸道菌群的組成，可為腸道菌群防治OP提供一個新的靶點。筆者認(rèn)為腸道菌群運用于治療OP既價格低廉、便于攝入，又因調(diào)節(jié)腸道菌群能減少口服西藥所帶來的不良反應(yīng)。因此，通過腸道菌群的干預(yù)，改善骨代謝，調(diào)節(jié)骨穩(wěn)態(tài)，可達到治療OP的目的，具有重要意義。但目前的相關(guān)研究多集中在動物實驗領(lǐng)域，缺乏大樣本的臨床研究及循證數(shù)據(jù)，且個體特異性、生物安全性等問題仍有待進一步研究，因此仍需要對腸道菌群進行深入研究，進而為腸道菌群治療OP提供更多堅實的理論及實驗依據(jù)。