基于“腸-關(guān)節(jié)”軸探討腸道微生物對膝骨關(guān)節(jié)炎的影響

譚春霞, 楊娜娜, 齊翎羽, 林璐璐, 李月婕, 楊靜雯,2, 劉存志,2, 石廣霞,2

(1.北京中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院, 北京 100029;2.北京中醫(yī)藥大學(xué)國際針灸創(chuàng)新研究院, 北京 100029)

骨關(guān)節(jié)炎(Osteoarthritis,OA)是一種高度流行和致殘的疾病,影響全球7%以上的人(約5.28億人),其中膝骨關(guān)節(jié)炎(Knee osteoarthritis,KOA)約占85%[1-2]。據(jù)估計(jì),在60歲或以上的老年人中,KOA的患病率在男性中約為10%,在女性中約為13%[3]。全球壽命的延長、飲食習(xí)慣和生活方式的改變、老齡化及肥胖流行等社會趨勢,增加了KOA的患病率,因此對KOA的防治應(yīng)該引起重視[4]。在KOA患者中發(fā)現(xiàn),血液中存在促炎因子/抑炎因子的比例失衡,促炎因子水平升高,抑炎因子水平降低,患者長期處于一種慢性低度炎癥反應(yīng)的狀態(tài)[5]。近年來,腸道微生物逐漸成為關(guān)節(jié)性炎癥疾病中的關(guān)注熱點(diǎn),腸道微生物失調(diào)和OA的發(fā)展息息相關(guān)[6-7]。伴隨著微生物組學(xué)研究的進(jìn)展,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)提出了“腸-關(guān)節(jié)”軸的概念即腸道和關(guān)節(jié)之間緊密相連,腸道的疾病可能誘發(fā)關(guān)節(jié)部位發(fā)生病變,相反,關(guān)節(jié)疾病也可影響腸道,兩者相互關(guān)聯(lián)[8]。腸道微生物可以正向地調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng),發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)效應(yīng)[9],保護(hù)免受病原微生物侵害[10],維持正常的生理功能。筆者擬從“腸-關(guān)節(jié)”軸角度闡釋腸道微生物與KOA之間的相關(guān)性,探討基于“腸-關(guān)節(jié)”軸來防治KOA的潛在方法。

1 “腸-關(guān)節(jié)”軸的現(xiàn)代醫(yī)學(xué)生物學(xué)證據(jù)

“腸-關(guān)節(jié)”軸的概念在1997年首次被提出,挪威奧斯陸大學(xué)教授Bradtzaeg認(rèn)為“腸-關(guān)節(jié)”軸可能是免疫細(xì)胞從腸道黏膜向滑膜發(fā)炎部位的血管歸巢,表明腸道免疫和慢性關(guān)節(jié)疾病之間存在聯(lián)系[11]。歐洲骨質(zhì)疏松癥、歐洲骨關(guān)節(jié)炎和歐洲肌肉骨骼疾病學(xué)會專家提出腸道微生物群是OA的主要潛在風(fēng)險(xiǎn)因素之一[12]。腸道微生物群數(shù)量和質(zhì)量的變化引起腸道微生物生態(tài)失調(diào)已被證明會維持慢性系統(tǒng)性低度炎癥,從而增強(qiáng)骨關(guān)節(jié)炎的病理進(jìn)程[12]。筆者就“腸-關(guān)節(jié)”軸作用機(jī)制綜述如下。

1.1 腸黏膜細(xì)胞歸巢至滑膜

生理狀態(tài)下,腸腔內(nèi)寄生著大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的菌群,而腸壁中存在眾多功能強(qiáng)大的淋巴細(xì)胞,兩者以腸黏膜為界,相互影響并制約,長期處于動態(tài)平衡的狀態(tài)[13]。腸道微生態(tài)失調(diào)和胃腸道黏膜屏障的改變導(dǎo)致腸道炎癥的發(fā)生[14]。腸道炎癥可能增加腸道的通透性,使得腸內(nèi)的抗原向腸外遷移引發(fā)全身系統(tǒng)性低度炎癥,從而影響關(guān)節(jié)炎的病程[15-16]。脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)、肽聚糖(Peptidoglycan,PGN)等腸道微生物的代謝物在一定條件下可能增加腸道的通透性,促進(jìn)系統(tǒng)性低度炎癥的發(fā)生[16],且腸道通透性的增加被認(rèn)為是關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制之一[17]。腸道微生物的紊亂以及腸道炎癥產(chǎn)生的細(xì)胞因子有可能通過淋巴循環(huán)、體循環(huán)影響腸道外的系統(tǒng)組織,并且在趨化因子和黏附分子的引導(dǎo)下進(jìn)入關(guān)節(jié)導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎癥[18-19]。

腸道黏膜效應(yīng)細(xì)胞能夠結(jié)合滑膜血管相關(guān)受體,向關(guān)節(jié)組織內(nèi)遷移,加重關(guān)節(jié)炎癥反應(yīng)。免疫細(xì)胞因子在腸道歸巢主要取決于α4β7整合素及其內(nèi)皮配體黏膜地址素細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá)[20],而在早期脊柱關(guān)節(jié)炎(Spondyloarthropathies,SpA)患者中,炎癥的滑膜組織中富集α4β7整合素,提示關(guān)節(jié)滑膜部位的細(xì)胞因子來自腸道黏膜[20]。機(jī)體炎癥過程中,血液循環(huán)中促炎因子的增加可上調(diào)TNF配體相關(guān)分子(TNF-like ytokine 1A,TL1A)的含量,TL1A的受體(Death Receptor 3,DR3)在各種免疫細(xì)胞表面表達(dá),TL1A/DR3又促進(jìn)腸外炎癥發(fā)展從而發(fā)生系統(tǒng)性低度炎癥[21]。在TL1A/DR3的驅(qū)使下,巨噬細(xì)胞可能在腸內(nèi)攝取細(xì)菌成分,隨后進(jìn)入體液循環(huán)并在腸外依賴p-選擇素與滑膜組織中的血管結(jié)合[21]。與此同時(shí),外周血淋巴系統(tǒng)的T細(xì)胞中高表達(dá)非腸道特異性黏附配體[極晚期抗原-4(Very late antigen-4,VLA-4),淋巴細(xì)胞功能相關(guān)抗原-1(Lymphocyte function associated antigen-1,LFA-1)][22]。先前的研究證明在LFA-1和VLA-4的作用下,外周血淋巴細(xì)胞或滑膜液淋巴細(xì)胞可以與滑膜部位結(jié)合[23]。攜帶外源性抗菌素的巨噬細(xì)胞進(jìn)入滑膜組織,從而感染滑膜組織或產(chǎn)生炎癥效應(yīng)[21]?；ぱ椎陌l(fā)生進(jìn)一步導(dǎo)致滑膜部位血管內(nèi)皮細(xì)胞活化[23]?；罨膬?nèi)皮細(xì)胞高表達(dá)p-選擇素,顯著促進(jìn)血液中的免疫細(xì)胞優(yōu)先歸巢至關(guān)節(jié)炎癥部位[23]?；ぱ軆?nèi)皮細(xì)胞的持續(xù)激活,導(dǎo)致滑膜局部結(jié)合抗原的增加,促進(jìn)細(xì)胞免疫反應(yīng),最終可能促進(jìn)慢性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展。

1.2 腸道微生物作用于關(guān)節(jié)

在飲食,年齡,性別,運(yùn)動等外界環(huán)境因素影響下,腸道微生物失調(diào),腸內(nèi)的細(xì)菌可能通過免疫細(xì)胞運(yùn)輸?shù)交?造成關(guān)節(jié)免疫紊亂[11-12]。Berthelot等[24]在OA和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(Rheumatoid arthritis, RA)的滑膜中發(fā)現(xiàn)了腸道微生物組的DNA,這可能是因?yàn)槿匀淮婊畹哪c道微生物通過血液從腸道轉(zhuǎn)移到了關(guān)節(jié)[25]。OA早期發(fā)生的軟骨血管生成可以促進(jìn)細(xì)菌或菌群部分產(chǎn)物短暫遷移至更深的軟骨層[26],從而導(dǎo)致局部的生物紊亂、低度炎癥、軟骨退化和OA惡化[27]。

腸壁通透性增強(qiáng)后,腸內(nèi)微生物群或其代謝產(chǎn)物滲透到腸外[28],進(jìn)入血液循環(huán),在關(guān)節(jié)局部定植可引發(fā)關(guān)節(jié)內(nèi)的炎癥反應(yīng)[29]。一項(xiàng)糞菌移植研究顯示,在半月板和韌帶損傷模型的無菌小鼠中移植KOA患者的糞菌后,膝關(guān)節(jié)局部病理改變比模型對照組更明顯,腸道的通透性增加了,而膝關(guān)節(jié)局部和全身的炎癥反應(yīng)也明顯增強(qiáng)[30]。大腸桿菌和牛鏈球菌可以促進(jìn)抗壞血酸降解,促進(jìn)促炎反應(yīng),從而促進(jìn)炎癥性關(guān)節(jié)炎的發(fā)展[31]。在HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠中,正常飼養(yǎng)條件下會發(fā)生關(guān)節(jié)炎癥,而在無菌狀態(tài)下飼養(yǎng)則可防止腸道和關(guān)節(jié)炎癥[27]。

微生物可以通過模式識別受體(Pattern Recognition Receptors,PRRs)識別免疫調(diào)節(jié)因子,發(fā)生免疫應(yīng)答。趨化因子、黏附因子、促炎細(xì)胞因子和抗炎細(xì)胞因子等免疫調(diào)節(jié)因子,在炎癥性的骨關(guān)節(jié)疾病中發(fā)揮重要作用[32]。由細(xì)菌分泌或在細(xì)胞死亡后存留的脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白和細(xì)胞游離DNA等微生物相關(guān)分子(Microbial Associated Molecules, MAMPs),可通過腸道內(nèi)皮屏障進(jìn)入體循環(huán)[33]引起局部炎癥,從而影響關(guān)節(jié)炎的進(jìn)程。例如LPS是一種內(nèi)毒素,與多種革蘭陰性病原體外膜有關(guān),是先天免疫系統(tǒng)的經(jīng)典激活因子。它可以從腸道向循環(huán)系統(tǒng)遷移,并促進(jìn)低度炎癥形成[34],從而影響全身的生理功能。在25名KOA患者中,LPS的水平越高,KOA患者的癥狀就越嚴(yán)重[35],提示LPS和KOA患者的癥狀顯著正相關(guān)。PGN是細(xì)菌細(xì)胞壁的主要組成成分,可誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生炎癥反應(yīng)和免疫應(yīng)答[36]。在體外實(shí)驗(yàn)中,Schrijver等[37]發(fā)現(xiàn)PGN可以直接刺激滑膜成纖維細(xì)胞,誘導(dǎo)基質(zhì)金屬蛋白酶和促炎細(xì)胞因子的表達(dá),進(jìn)而加重關(guān)節(jié)炎的病理狀態(tài)。

2 基于“腸-關(guān)節(jié)”軸治療膝骨關(guān)節(jié)炎的可行性探討

性別、年齡、種族、飲食、肥胖、代謝、免疫和生活習(xí)慣等都是關(guān)節(jié)炎和腸道微生物的共同影響因素[12,16]。在各種影響因素干擾下,腸道微生物的失調(diào)可能招募體循環(huán)或者淋巴循環(huán)中的免疫細(xì)胞因子,誘導(dǎo)腸道局部的低度炎癥[38]。腸道局部的炎癥因子向腸外浸潤,在血管中蔓延可能導(dǎo)致發(fā)生全身系統(tǒng)性低度炎癥。腸道局部炎癥的細(xì)胞因子隨著體循環(huán)或淋巴循環(huán)到達(dá)機(jī)體的各個(gè)部位,在趨化因子、黏附分子等細(xì)胞因子的驅(qū)動下到達(dá)關(guān)節(jié),與關(guān)節(jié)滑膜局部的免疫細(xì)胞表面的受體結(jié)合,從而發(fā)生免疫反應(yīng),這可能促進(jìn)OA的發(fā)生和發(fā)展[21,30](圖1)。

從“腸-關(guān)節(jié)”軸角度出發(fā),通過調(diào)節(jié)腸道微生物,改善低度炎癥反應(yīng),可能有利于KOA損傷的恢復(fù)。這或許可以作為一個(gè)潛在的干預(yù)靶點(diǎn)預(yù)防和治療KOA。

2.1 補(bǔ)充外源性微生物

通過補(bǔ)充微生物來調(diào)節(jié)微生態(tài)失調(diào)和代謝功能障礙可能會防止膝關(guān)節(jié)損傷的發(fā)展[40]。例如益生元能通過積極地改變腸道菌群,降低全身炎癥反應(yīng),并保護(hù)KOA嚙齒類動物模型的關(guān)節(jié)軟骨[41]。在單碘乙酸鹽(Monoiodoacetate,MIA)誘導(dǎo)的KOA期間,施用益生菌顯著降低了大鼠膝關(guān)節(jié)軟骨中促炎細(xì)胞因子的表達(dá)[42]。在HFS飲食誘導(dǎo)的肥胖大鼠膝關(guān)節(jié)損傷的模型中,益生元纖維補(bǔ)充和有氧運(yùn)動2種干預(yù)措施的單獨(dú)療法和結(jié)合療法均改善了膝關(guān)節(jié)損傷[41]。2種單獨(dú)療法的結(jié)果都沒有顯著改變大鼠體脂的含量,其中有氧運(yùn)動不會影響腸道微生物群,主要影響宿主參數(shù),可能有助于維持骨轉(zhuǎn)換的穩(wěn)態(tài)[41]。益生元纖維補(bǔ)充可以預(yù)防血脂異常,直接調(diào)節(jié)腸道菌群向有利的方向發(fā)展,可能通過增加雙歧桿菌的豐度降低血清內(nèi)毒素水平來維持膝關(guān)節(jié)內(nèi)環(huán)境平衡[41]。雙歧桿菌已被證明可顯著降低促炎因子白介素-6 (Interleukin-6, IL-6) 和腫瘤壞死因子-α(Tumor necrosis factor, TNF-α)的產(chǎn)生,上調(diào)緊密連接蛋白Occludin、Claudin-3和ZO-1的表達(dá),降低腸道通透性,從而保護(hù)腸道屏障[43]。在豚鼠自發(fā)性O(shè)A模型中,口服雙歧桿菌CBi0703能顯著改善軟骨結(jié)構(gòu),并具有全面的關(guān)節(jié)保護(hù)作用[44]。Schottet等[45]研究了高脂飲食喂養(yǎng)誘導(dǎo)的肥胖小鼠模型體內(nèi)的微生物群落變化,當(dāng)肥胖小鼠補(bǔ)充了不可消化的低聚果糖纖維時(shí),并不能減少肥胖小鼠的體脂率,但可緩解腸道微生物的失調(diào),而且OA的進(jìn)程也基本停止。因此控制腸道微生物群被認(rèn)為是一種可行的改善肥胖相關(guān)OA疾病的治療策略[45]。靶向腸道微生物及代謝產(chǎn)物,改善腸黏膜通透性,使紊亂的腸道微生物恢復(fù)正常狀態(tài),有可能預(yù)防或減輕OA病程的發(fā)展。

2.2 針刺治療

針刺可以增加有益菌群并降低致病菌群,通過改變腸道微生物的組成調(diào)節(jié)免疫炎癥反應(yīng),達(dá)到治療疾病的作用[46-47]。電針可通過改變腸道微生物多樣性及代謝成分[48],調(diào)節(jié)免疫平衡[49],改善慢性低度炎癥的狀態(tài)達(dá)到治療關(guān)節(jié)炎癥的效果。KOA患者有結(jié)腸黏膜通透性增加的病理現(xiàn)象[50],而針刺可調(diào)節(jié)腸道微生物結(jié)構(gòu),增加腸道微生物的多樣性及上調(diào)腸屏障相關(guān)益生菌豐度,并介導(dǎo)緊密連接蛋白ZO-1和Occludin表達(dá)水平升高從而促進(jìn)腸緊密連接[51]。本課題組關(guān)于電針調(diào)節(jié)KOA患者腸道微生物的最新研究中發(fā)現(xiàn),在電針治療KOA中,與無有效應(yīng)答率的患者相比,有效應(yīng)答率的患者顯著降低了致病菌鏈球菌的豐度,同時(shí)也增加了有益菌擬桿菌的豐度,與健康受試者的菌群更為接近[52]。肥胖誘導(dǎo)的KOA模型大鼠中,采用足三里、陽陵泉單一療法和足三里、陽陵泉聯(lián)合療法均能預(yù)防肥胖誘導(dǎo)的軟骨基質(zhì)降解和基質(zhì)金屬蛋白酶(Matrix metalloproteinase, MMP)表達(dá)[53]。相比單一療法,聯(lián)合的治療方案抗炎效果較好,其可通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝,緩解腸道微生物失調(diào)引起的全身慢性低度炎癥,減輕肥胖所致的膝關(guān)節(jié)損傷[53]。但結(jié)果中電針治療并不能降低肥胖大鼠的體質(zhì)量,表明針刺改善肥胖大鼠膝關(guān)節(jié)損傷的機(jī)制可能跟腸道微生物有關(guān)[53]。針灸可能通過調(diào)節(jié)腸道微生物的數(shù)量和比例,調(diào)節(jié)腸道黏膜的通透性,控制慢性低度炎癥,發(fā)揮抗炎的作用,進(jìn)而對KOA的癥狀發(fā)揮預(yù)防和治療的效果。

2.3 中藥療法

中藥的主要給藥途徑是口服,通過胃腸可與腸道內(nèi)微生物直接接觸,其主要化學(xué)成分被人體消化道吸收后可通過血液循環(huán)到達(dá)目標(biāo)器官[54]。腸道微生物可能在中藥的治療效果中發(fā)揮重要作用[55]。研究表明,中藥可增加益生菌的豐度,降低致病性LPS產(chǎn)生菌的豐度[56]。一種改良的大黃蒽醌苷制劑,改善了腸道微生態(tài)失調(diào),增加了乳酸菌和短鏈脂肪酸生產(chǎn)菌的豐度,并可通過增加黏液蛋白降解菌的豐度和緊密連接蛋白和黏附蛋白的表達(dá)加強(qiáng)腸道屏障功能[57]。黃連解毒湯通過增加產(chǎn)生短鏈脂肪酸(Short chain fatty acids, SCFAs)的數(shù)量和抗炎菌豐度、減少條件致病菌并降低LPS產(chǎn)生菌豐度,使失調(diào)的菌群結(jié)構(gòu)和功能恢復(fù)到正常狀態(tài)恢復(fù)失衡的腸道微生態(tài),達(dá)到改善代謝性內(nèi)毒素血癥和炎癥反應(yīng)的作用[58]。此外,靈芝菌絲體的水提取物可增加緊密連接蛋白的表達(dá),維持了腸道屏障的完整性,還可降低產(chǎn)LPS菌的豐度,改善代謝性內(nèi)毒素血癥[59]。2018年一項(xiàng)多中心、單盲、隨機(jī)對照研究評估了中藥治療KOA的療效和安全性,相較于西藥而言,中藥治療顯著降低WOMAC疼痛評分,顯著改善生理功能和軀體疼痛[60]。針對KOA患者伴有慢性低度炎癥和腸道通透性增加的癥狀[5,50]，中藥可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群,提高緊密連接蛋白的水平,增強(qiáng)腸壁的緊密性,并降低致病性的LPS產(chǎn)生菌的豐度,減輕KOA患者系統(tǒng)性慢性炎癥狀態(tài),從而達(dá)到治療KOA的作用。

2.4 其他療法

基于“腸-關(guān)節(jié)”軸的療法除了上述療法外，還有通過增加機(jī)體運(yùn)動，調(diào)控藥食等調(diào)節(jié)機(jī)體腸道微生物的療法。KOA患者有結(jié)腸黏膜通透性增加的病理現(xiàn)象[50],體育鍛煉可調(diào)節(jié)腸道微生物的組成,提高腸黏膜免疫力[61],是指南推薦防治OA的一線干預(yù)措施[2]。高脂飲食(HFDs)是一種導(dǎo)致肥胖的不健康飲食模式,導(dǎo)致腸道微生物多樣性降低,內(nèi)毒素產(chǎn)生菌增多,腸道屏障保護(hù)菌減少。在HFDs飲食誘導(dǎo)C57BL/6J小鼠膝關(guān)節(jié)發(fā)生OA的基礎(chǔ)上使用了自由輪跑進(jìn)行治療,結(jié)果發(fā)現(xiàn)自愿輪跑可以重塑腸道微生物生態(tài)系統(tǒng),降低LPS循環(huán)水平,從而有助于緩解慢性炎癥和OA[62]。機(jī)體對藥食及營養(yǎng)的攝取會影響腸道微生物，一項(xiàng)非盲隨機(jī)臨床試驗(yàn)對38名KOA患者進(jìn)行研究。每個(gè)參與者接受為期12周的營養(yǎng)補(bǔ)充劑治療,綠唇貽貝(Green-lipped mussel,GLM)和氨基葡萄糖硫酸鹽(Glucosamine sulphate,GS),并在第一周和第12周收集糞便進(jìn)行糞便微生物分析。結(jié)果表明GLM和GS治療可能通過調(diào)節(jié)腸道微生物的代謝和免疫活動,減少炎癥反應(yīng),達(dá)到了改善KOA臨床癥狀的效果[63]。在小鼠內(nèi)側(cè)半月板失穩(wěn)模型中，抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群變化可導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)損傷后MMP-13表達(dá)降低，改善骨性關(guān)節(jié)炎[64-65]。

3 展望

通過“腸-關(guān)節(jié)”軸,我們發(fā)現(xiàn)OA與腸道微生物之間存在聯(lián)系。在未來的臨床研究和動物實(shí)驗(yàn)中,可以采用特異性的菌種,或是用益生元、益生菌以及糞便移植等調(diào)控腸道微生物的干預(yù)性方法,增加有利于KOA恢復(fù)的益生菌或者降低致病菌群的相對豐度,探索腸道微生物對KOA的直接治療作用。迄今為止,已有大量研究報(bào)道了OA與腸道微生物變化的關(guān)系,但偏向于觀察腸道微生物數(shù)量及多樣性的變化,分析腸道微生物與疾病作用機(jī)理之間關(guān)系的研究較少。腸道微生物在飲食、肥胖、代謝障礙、年齡等因素的干擾下會產(chǎn)生紊亂,同時(shí)這些干擾因素也會影響到KOA的發(fā)展[12,16,66]。腸道微生物的失衡會導(dǎo)致腸道局部免疫紊亂,改變腸道通透性,增加內(nèi)毒素的產(chǎn)生,促進(jìn)慢性炎癥的發(fā)生發(fā)展,導(dǎo)致代謝障礙、身體肥胖等變化,從而促進(jìn)KOA的病理變化進(jìn)程[38,45,67]。簡單來說,腸道微生物和KOA其他誘因彼此相互影響,共同作用于KOA的病理進(jìn)程。通過微生物補(bǔ)充治療方式可以減緩OA的病理變化,提示腸道微生物對OA有直接治療的作用[44]。改變干擾環(huán)境可適當(dāng)改善腸道微生物的失衡,若再加上調(diào)節(jié)腸道微生物紊亂的治法將會成為調(diào)節(jié)KOA很有優(yōu)勢的綜合治療方案。未來的研究應(yīng)該重視可能預(yù)防治療KOA的發(fā)生發(fā)展的多種潛在途徑,更多的呈現(xiàn)出通過調(diào)節(jié)失衡的腸道微生物,緩解慢性炎癥,減輕KOA癥狀的證據(jù);進(jìn)一步研究腸道微生物與疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系,以明晰腸道微生物在KOA治病機(jī)理中扮演的角色,為基于“腸-關(guān)節(jié)”軸防治關(guān)節(jié)炎提供科學(xué)依據(jù)。