腸道菌落
——治療骨質(zhì)疏松癥新靶點(diǎn)

趙佳偉， 唐國濤

(南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院藥物藥理研究所 湖南省分子靶標(biāo)新藥研究協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南省衡陽市421001)

腸道菌落的失調(diào)不僅影響著成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化和活力，而且與人體早期的骨骼密度密切相關(guān)，是誘發(fā)骨質(zhì)疏松的重要因素。本文探討腸道菌落調(diào)控骨質(zhì)疏松的潛在機(jī)制。

1 骨質(zhì)疏松發(fā)病機(jī)制

骨骼受到損壞時(shí)，受損的骨骼和凋亡的骨細(xì)胞會被來源于單核吞噬細(xì)胞系的破骨細(xì)胞吸收，隨后經(jīng)間充質(zhì)干細(xì)胞在相關(guān)細(xì)胞因子，激素的調(diào)節(jié)作用下分化為成骨細(xì)胞并聚集于骨基質(zhì)表面上進(jìn)行增殖分化和鈣質(zhì)積累，最終形成新骨[1-3]。成年人每年有一定比例的骨骼進(jìn)行更新，但總體骨量會保持相對穩(wěn)定。骨骼重塑的穩(wěn)態(tài)會因長期營養(yǎng)不良、性激素水平降低、抽煙和喝酒等不良的生活方式被打破，進(jìn)而引發(fā)骨質(zhì)疏松(osteoporosis，OP)?；颊叱１憩F(xiàn)為骨微結(jié)構(gòu)破壞，骨脆性增大，骨折風(fēng)險(xiǎn)增加等癥狀[4]。目前，抑制破骨細(xì)胞吸收的藥物(雙磷酸鹽、雌激素類、降鈣素等)只能抑制骨質(zhì)的流失而不能增加骨量[5]。另外，一些藥物伴有頜骨骨折和乳腺癌等不良反應(yīng)[6]，患者也不宜長期服藥。OP是一種慢性疾病，骨質(zhì)積累周期漫長，因而需要進(jìn)行長期治療。因此探索其發(fā)病機(jī)制及治療方法才能有效改善骨骼健康。

2 腸道菌落對OP的影響

隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)的快速發(fā)展，人類微生物群對骨骼重塑起著重要的作用，調(diào)節(jié)腸道菌落的生長狀態(tài)逐漸成為改善骨質(zhì)健康的潛在靶點(diǎn)[7]。腸道菌落多樣性隨年齡而變化，與老年人的骨骼健康指數(shù)呈負(fù)相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥人群體內(nèi)的細(xì)菌豐富度和多樣性降低[8]。其中，骨質(zhì)流失人群的腸道菌落中大腸桿菌和韋氏菌高于健康人群，且與健康人群相比，骨質(zhì)疏松癥受試者體內(nèi)放線菌、埃格特菌、梭菌和乳酸桿菌的含量更高。這可能源于梭菌產(chǎn)生丁酸鹽調(diào)節(jié)了骨骼的重塑。研究發(fā)現(xiàn)，厚壁菌和放線菌與骨密度呈正相關(guān)，而擬桿菌與骨密度成反比，補(bǔ)充雙歧桿菌,乳酸菌等益生菌可逆轉(zhuǎn)小鼠骨質(zhì)的流失[9]。以上研究表明腸道菌落的改變與骨骼的重塑有著重要的聯(lián)系。不過，目前腸道菌落對骨質(zhì)的影響結(jié)果也存在一些矛盾研究[10]，這很可能是由于腸道菌落的差異性以及實(shí)驗(yàn)中選用動物模型不一致所導(dǎo)致的。

3 腸道菌落調(diào)節(jié)骨量的機(jī)制

3.1 促進(jìn)鈣吸收

腸道菌落狀態(tài)影響著胃腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。鈣是骨骼重塑所必須礦物質(zhì)，其經(jīng)成骨細(xì)胞吸收礦化后以磷酸氫鈣和羥基磷灰石的形式分布于舊骨上。許多腸道菌落會影響營養(yǎng)吸收。腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌水平升高可以促進(jìn)鈣、鎂和磷等礦物質(zhì)的吸收，從而增加骨密度[11]。臨床研究表明，單純補(bǔ)鈣效果往往不佳，而且常會引發(fā)高鈣血癥，故聯(lián)合維生素與鈣的治療可以提升腸道對鈣的吸收[12]。體內(nèi)維生素B、維生素K和維生素D可由腸道菌落自身生成，經(jīng)腸道內(nèi)壁被吸收并通過體循環(huán)分布至全身，促進(jìn)全身骨骼的發(fā)育。當(dāng)體內(nèi)鈣充足時(shí)，腸道中的維生素D及其代謝產(chǎn)物可維持腸道菌落的穩(wěn)態(tài)和促進(jìn)骨基質(zhì)中礦物質(zhì)的沉積[1]。

此外，腸道內(nèi)未消化吸收的碳水化合物經(jīng)結(jié)腸內(nèi)厭氧菌酵解產(chǎn)生短鏈脂肪酸會提升骨形成標(biāo)志物的表達(dá)水平，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和抑制破骨細(xì)胞的吸收。短鏈脂肪酸的生成過程中降低了腸道內(nèi)的pH，增加鈣離子含量，進(jìn)一步增強(qiáng)骨質(zhì)對鈣的吸收[10]。在缺鈣的情況下，維生素D會抑制骨礦化，增強(qiáng)骨吸收，從而以犧牲骨量為代價(jià)維持血鈣穩(wěn)態(tài)。這在一定程度證明了骨質(zhì)疏松患者不可單純通過補(bǔ)維生素D來治療，而應(yīng)注重和鈣劑聯(lián)合使用。

3.2 調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)

免疫系統(tǒng)與骨密度降低、骨吸收增加和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。腸道菌落與腸道表面的樹突細(xì)胞和眾多免疫細(xì)胞密切接觸，影響著腸道內(nèi)炎性因子的釋放，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨量的平衡[13]。性類固醇缺乏會增加腸道通透性，增加輔助性T-17細(xì)胞的數(shù)量，并上調(diào)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細(xì)胞介素-17(interleukin 17,IL-17)和核因子κB受體活化因子配體在小腸和骨髓中的表達(dá)[14-15]。以上因子是骨質(zhì)疏松檢測評價(jià)的重要指標(biāo)，其遷移到骨組織直接調(diào)節(jié)核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)，進(jìn)而激活破骨細(xì)胞的分化和活化[16]。腸道菌落可以增加轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor,TGF-β)、IL-10等抗炎因子的分泌，抑制破骨細(xì)胞的增殖分化，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞凋亡，減少骨吸收，從而增加骨量改善原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥[15]。除此之外，短鏈脂肪酸是免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)劑，可調(diào)節(jié)結(jié)腸中T細(xì)胞的數(shù)量和功能，抑制免疫因子誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化和增殖[17]。

3.3 調(diào)節(jié)激素分泌

激素是影響人類骨骼重塑的重要刺激因素。一項(xiàng)隨機(jī)、雙盲、安慰劑對照臨床試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，向骨密度降低的老年人提供路氏乳桿菌會導(dǎo)致骨量增加[18]。無菌小鼠在雌激素阻滯后表現(xiàn)出大量的骨丟失癥狀，而口服益生菌和異黃酮苷元會刺激雌激素的產(chǎn)生，顯著減少雌激素缺乏引起的骨質(zhì)流失，從而改善OP[17]。胰島素生長因子-1(insulin-like growth factor-I，IGF-1)是改善骨骼重塑的重要激素。腸道菌落可以調(diào)節(jié)IGF-1水平，從而調(diào)節(jié)年輕和中年小鼠的骨形成和吸收。如抗生素治療后小鼠血清IGF-1顯著降低，導(dǎo)致骨形成受到抑制，而抗生素治療的小鼠補(bǔ)充短鏈脂肪酸可使IGF-1和骨質(zhì)量恢復(fù)至抗生素治療前的水平，表明腸道菌落可能通過其自身的代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)IGF-1影響骨骼的重塑[18]。腸道菌落的改變因個(gè)體性別不同而造成炎癥表型差異，這可能是由于不同性別對性激素靈敏度和耐受度等因素導(dǎo)致[16]。

3.4 調(diào)節(jié)腸-腦-骨軸

腸道菌落在神經(jīng)系統(tǒng)中具有合成激素和神經(jīng)遞質(zhì)的重要作用。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)已被認(rèn)為在骨發(fā)育和維持中起著重要的調(diào)節(jié)作用，按其生成位置可分為中樞型和外周型，且不同來源的5-HT對骨轉(zhuǎn)換有不同的作用。據(jù)報(bào)道，腸道來源的5-HT與骨丟失有關(guān)，而腦來源的5-HT導(dǎo)致骨形成[19]。其中腦干脊髓神經(jīng)元合成的5-HT作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，主要通過激活腹內(nèi)側(cè)下丘腦神經(jīng)元上的5-HT受體來促進(jìn)骨骼生長[13]。使用5-HT抑制劑降低5-HT水平可以防止卵巢切除術(shù)引起的骨丟失[13]，這可能是該抑制劑阻滯了腸來源的5-HT激活破骨細(xì)胞所致。

3.5 其他因素

通過基因測序分析人體腸道菌落的組成和豐富度有助于發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松人群中異樣的腸道菌落，從而診斷多種疾病。盡管骨密度與腸道菌落遺傳之間的聯(lián)系目前還不清楚，但宿主基因也會通過腸道菌落影響骨骼的重塑[4]。除此之外，服用藥物和運(yùn)動行為也參與著腸道菌落的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用抗生素破壞幼年小鼠的腸道菌落時(shí)，IGF-1的水平降低[18]，因而合理適度地使用抗生素對于腸道菌落的保護(hù)有著重要的作用。長期使用抗生素會大大降低腸道菌落的生物多樣性，提升腸道來源的5-HT水平，進(jìn)而降低骨對礦物質(zhì)的吸收。除此之外，運(yùn)動對于腸道菌落也起到一定的調(diào)節(jié)作用[16]。

4 改善腸道菌落促進(jìn)骨骼健康

4.1 飲食調(diào)節(jié)改善腸道菌落

食物供應(yīng)著人體生長發(fā)育所需的營養(yǎng)外，還決定著宿主體內(nèi)的菌落類型和比例。通過長期合理的飲食方式維持骨骼健康和預(yù)防骨折可能是目前最經(jīng)濟(jì)有效，可持續(xù)的方法之一。長期高脂高糖的飲食方式會改變腸道菌落的結(jié)構(gòu)和代謝活性，造成骨質(zhì)流失加劇[20]。適當(dāng)補(bǔ)充益生菌能促進(jìn)成骨細(xì)胞對體內(nèi)礦物質(zhì)元素的吸收，增強(qiáng)骨質(zhì)量。除補(bǔ)充鈣劑和維生素外，飲食補(bǔ)充低聚糖、碳水化合物和膳食纖維可以恢復(fù)腸道菌落的平衡、改變腸道菌落的組成和抵抗炎癥反應(yīng)。高纖維食品可降低腸道酸度，促進(jìn)礦物質(zhì)的吸收[8]。乳酸桿菌或市售益生菌補(bǔ)充劑喂養(yǎng)摘除卵巢小鼠，完全抑制了與雌激素缺乏相關(guān)的骨丟失[14]。因而攝入定量的發(fā)酵食物和膳食纖維對于改善腸道菌落組成和促進(jìn)腸上皮黏膜屏障對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與骨骼代謝密切相關(guān)。相反，飲食不均衡可能會對骨代謝產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.2 運(yùn)動調(diào)節(jié)改善腸道菌落

運(yùn)動鍛煉會影響腸道菌落的組成，對于早期骨量的積累很有益處。研究表明，腸道菌落產(chǎn)生的脂多糖可誘導(dǎo)OP小鼠骨流失，而鍛煉可以重塑腸道菌落的生態(tài)系統(tǒng)，降低體內(nèi)的脂多糖水平[21]。炎性因子是刺激宿主免疫系統(tǒng)和腸道菌落組成的重要因子。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動改變了實(shí)驗(yàn)動物上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞的標(biāo)志基因表達(dá)，具體表現(xiàn)為促炎因子下調(diào)，抗炎細(xì)胞因子和抗氧化酶上調(diào)[22]，這有助于調(diào)節(jié)腸道菌落的炎性因子環(huán)境，促進(jìn)骨質(zhì)積累。

4.3 減少抗生素使用改善腸道菌落

β-內(nèi)酰胺類非甾體抗炎藥等抗生素的使用會引起腸道菌落嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致腸道菌落對礦物質(zhì)吸收效率下降，破壞腸黏膜屏障引發(fā)宿主免疫系統(tǒng)釋放相關(guān)免疫因子激活破骨細(xì)胞的分化，加劇骨質(zhì)疏松患者骨質(zhì)流失[23]。盡管抗生素導(dǎo)致骨質(zhì)流失的機(jī)制還不清楚，但抗生素嚴(yán)重影響機(jī)體對礦物質(zhì)元素的吸收以及誘導(dǎo)骨質(zhì)流失加劇已得到證實(shí)[21]。

除了繼發(fā)性O(shè)P，腸道菌落在影響肥胖、糖尿病、炎癥性腸病和類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等原發(fā)性O(shè)P也顯示出一定的潛力[23]。不過目前大多數(shù)的研究模型為動物或者體外腸道模型，缺乏大規(guī)模和長期隨機(jī)試驗(yàn)，因而在未來的研究中進(jìn)一步闡明腸道菌落調(diào)節(jié)骨骼重塑的機(jī)制和建立腸道菌落療法改善骨骼健康具有重要的意義。