中藥通過調(diào)控短鏈脂肪酸防治骨質(zhì)疏松癥的研究進(jìn)展

趙寶寶 李興勇 董萬濤 孫東亮 張杰

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000

2.甘肅省人民醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

3.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一類以骨形成過程與骨吸收之間的平衡失調(diào)，即骨吸收大于骨形成，造成的慢性全身代謝性疾病，其主要特點(diǎn)是骨密度與骨的質(zhì)量下降，骨的微觀結(jié)構(gòu)遭到破環(huán)，容易發(fā)生骨折[1]。其引起的骨折已經(jīng)成為全世界普遍關(guān)注的問題，是世界嚴(yán)重的衛(wèi)生事件之一[2]。

腸道菌群微生物在各個(gè)領(lǐng)域的研究已經(jīng)成為一個(gè)熱點(diǎn)，尤其在代謝性疾病中的研究如火如荼，其不僅自身對(duì)疾病產(chǎn)生影響，還可以通過其代謝產(chǎn)物對(duì)疾病的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生影響[3]。短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)作為一種能夠反映腸道菌群微生物功能的重要代謝產(chǎn)物，越來越多的研究顯示其與骨代謝性疾病有著密切的聯(lián)系[4]。

“骨質(zhì)疏松癥”屬于中醫(yī)的“骨痿”“骨痹”“骨枯”“腰痛”等范疇[5]，骨質(zhì)疏松癥的病因病機(jī)主要責(zé)之于脾、腎、血瘀[6]，治療主要以健脾補(bǔ)腎為原則。

目前臨床上用來治療OP的藥物主要可以分為抑制骨吸收類藥物(如雙膦酸鹽、降鈣素等)和促進(jìn)骨形成類藥物(如甲狀旁腺激素類似物等)[7]。中藥作為一種重要的治療藥物，其主要也是通過上述兩種途徑治療骨質(zhì)疏松癥。筆者通過檢索文獻(xiàn)得到通過調(diào)控SCFAs影響骨質(zhì)疏松癥的單味中藥有效成分及提取物主要有女貞子、杜仲、黃連、葛根、淫羊藿、刺桐皮，中藥復(fù)方主要有青娥丸、健骨顆粒。本文就單味中藥有效成分及提取物與中藥復(fù)方如何調(diào)節(jié)SCFAs，從而影響骨代謝作一總結(jié)，以期為臨床上防治OP提供新的思路。

1 SCFAs概述

SCFAs屬于一類揮發(fā)性脂肪酸，是腸道微生物菌群代謝的主要終產(chǎn)物，它們主要由厭氧微生物的多糖、寡糖、蛋白質(zhì)、肽和糖蛋白前體形成[8]。其中由復(fù)合碳水化合物被腸道微生物分解為寡糖，然后發(fā)酵成SCFAs，通常是對(duì)宿主有益處的，然而由蛋白質(zhì)發(fā)酵形成的SCFAs則是對(duì)宿主會(huì)產(chǎn)生有害作用[9]。SCFAs通常含有2～6個(gè)碳原子。根據(jù)研究顯示在人體內(nèi)主要有3種SCFAs，分別是乙酸(C2)、丙酸(C3)、丁酸(C4)[10]。乙酸和丙酸主要由擬桿菌門產(chǎn)生，而厚壁菌門是丁酸鹽的主要貢獻(xiàn)者[11]。研究顯示丙酸和丁酸只能由有限的幾種細(xì)菌產(chǎn)生，例如擬桿菌門里的艾克曼菌是丙酸的主要產(chǎn)生細(xì)菌[12]，厚壁菌門里的普拉梭菌、直腸真桿菌、霍氏真桿菌和布氏瘤胃球菌等是丁酸的主要產(chǎn)生細(xì)菌[13]。然而乙酸則主要由大多數(shù)細(xì)菌產(chǎn)生，例如乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、嗜粘液阿克曼氏菌、擬桿菌屬、普氏菌屬、瘤胃球菌屬和鏈球菌屬[14]，不具有特異性。腸道中的大部分SCFAs來源于復(fù)雜碳水化合物的細(xì)菌分解，尤其是在近端腸道中，但隨著食物殘?jiān)ㄟ^腸道、蛋白質(zhì)和肽的消化對(duì)SCFAs產(chǎn)生的貢獻(xiàn)越來越大[15]。由于無法直接進(jìn)入人體的腸道對(duì)其腸道菌群進(jìn)行分析，只能通過采集糞便，通過分析糞便中的腸道菌群來預(yù)測(cè)人體的腸道菌群。研究顯示只有大約5%的結(jié)腸產(chǎn)生的SCFAs存在于糞便中；丁酸鹽被迅速用作結(jié)腸細(xì)胞的能量來源，而大部分乙酸鹽和丙酸鹽進(jìn)入門靜脈循環(huán)[16]。

2 SCFAs對(duì)骨代謝的調(diào)控作用

SCFAs已被認(rèn)為是連接微生物和骨組織的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為SCFAs的3種主要成分的乙酸、丙酸、丁酸，對(duì)骨代謝都有一定的調(diào)控作用[16-17]。SCFAs對(duì)機(jī)體的作用主要是通過兩個(gè)不同的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。第一種機(jī)制主要是激活作用，即依靠G蛋白偶聯(lián)受體(G-protein-coupled receptors，GPCR)的激活。SCFAs可以使機(jī)體的某些GPCR直接激活，然后發(fā)生一系列的后續(xù)反應(yīng)，調(diào)控骨代謝；第二種機(jī)制主要起到抑制作用，依靠的是乙酰化。SCFAs使核Ⅰ類組蛋白脫乙酰酶(HDAC)在細(xì)胞內(nèi)發(fā)生直接抑制有關(guān)，從而調(diào)控骨代謝[18]。

在較高、超生理濃度下，SCFAs對(duì)成骨細(xì)胞表型和存活的影響明顯不同，導(dǎo)致細(xì)胞毒性和RANKL生成增強(qiáng)。Chang等[19]通過用丁酸干預(yù)MG-63成骨細(xì)胞發(fā)現(xiàn)，不同濃度的丁酸會(huì)對(duì)骨代謝產(chǎn)生不同的調(diào)節(jié)作用，給予丁酸的濃度>4 mmol/L時(shí)，刺激MG-63成骨細(xì)胞RANKL的產(chǎn)生，降低骨保護(hù)素(OPG)的表達(dá)，促進(jìn)骨橋蛋白的分泌和表達(dá)，誘導(dǎo)骨破壞、抑制骨修復(fù)，影響成骨細(xì)胞活性，而給予的丁酸濃度在1～4 mmol/L暴露3 d后，OPG表達(dá)增加，RANKL產(chǎn)生減少，組蛋白H3乙酰化增加，從而促進(jìn)成骨。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽在一定的濃度范圍內(nèi)，可增加人成骨細(xì)胞礦化結(jié)節(jié)的礦化和鈣含量[20]，增加小鼠顱骨器官培養(yǎng)中堿性磷酸酶(ALP)的產(chǎn)生，增加MC3T3-E1細(xì)胞Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2)的轉(zhuǎn)錄，提高OPG的產(chǎn)生[21]。丙酸還被證明能在體外低濃度下增強(qiáng)原代成骨細(xì)胞的活力。有研究證明丙酸下調(diào)了小鼠軟骨發(fā)生和成骨的重要調(diào)節(jié)因子Sox9和Runx2，降低了Ⅱ型膠原和硫酸化蛋白聚糖等軟骨發(fā)生標(biāo)志物[22]。

SCFAs通過與GPCR結(jié)合發(fā)揮多種免疫和代謝功能，主要是游離脂肪酸受體2(free fatty acid receptor 2，F(xiàn)FAR2)。有學(xué)者通過研究SCFAs和FFARs對(duì)牙槽骨中的影響，以同樣的高纖維飲食喂養(yǎng)，以增加循環(huán)中的SCFAs，通過觀察自野生型(WT)和FFAR2缺陷小鼠(FFAR2-/-)的骨樣本。發(fā)現(xiàn)在使用高纖維飲食喂養(yǎng)后，F(xiàn)FAR2-/-小鼠表現(xiàn)出正畸牙移動(dòng)(OTM)顯著增加以及骨細(xì)胞數(shù)量和重塑標(biāo)志物表達(dá)的變化。高纖維飲食部分逆轉(zhuǎn)了FFAR2-/-小鼠上頜骨的骨質(zhì)流失[4]。說明SCFAs可以使牙槽骨的骨吸收受到抑制。

3 單味中藥有效成分及其提取物調(diào)控SCFAs影響骨代謝

3.1 女貞子

女貞子(FLL)是一種具有抗骨質(zhì)疏松活性的可食用草本植物。研究通過用FLL水溶液干預(yù)OVX骨質(zhì)疏松癥模型大鼠，發(fā)現(xiàn)FLL水溶液顯著增加了乙酸、丙酸、丁酸的濃度，并改善了骨礦物質(zhì)密度和生物力學(xué)強(qiáng)度，提高大鼠血清中I型膠原n端前肽(PINP)，降低I型膠原c端肽(CTx-I)的含量，增加鈣吸收[23]。得出FLL可以通過增加SCFAs的濃度，增加鈣吸收，從而調(diào)節(jié)骨代謝。

3.2 杜仲葉

杜仲為杜仲科杜仲屬落葉喬木，主要生長(zhǎng)在我國(guó)南方，作為傳統(tǒng)中藥已有3000多年的歷史。杜仲葉提取物(EUL)改變腸道微生物組成，增加SCFAs的產(chǎn)生，抑制破骨細(xì)胞的形成起到改善骨質(zhì)疏松作用。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)通過用EUL干預(yù)衰老加速的小鼠P6，發(fā)現(xiàn)干預(yù)之后小鼠腸道厚壁菌門和其他SCFAs產(chǎn)生菌的豐度增加，乙酸和異丁酸的生成量增加，BMD和骨小梁增加[24]。得出杜仲葉主要通過促進(jìn)SCFAs產(chǎn)生菌的豐度，增加BMD和骨小梁，起到抗骨質(zhì)疏松的作用。

3.3 葛根素

葛根素是從中藥葛根里提取出來的一種組分，葛根素作為一種植物雌激素已被證明可以改善絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥(postmenopausal osteoporosis，PMOP)。有研究通過用葛根素干預(yù)OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠，發(fā)現(xiàn)服用葛根素后提高了OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠SCFAs水平和修復(fù)腸黏膜完整性，骨微環(huán)境得到改善，并且股骨遠(yuǎn)端骨小梁變細(xì)，數(shù)量減少，密度降低得到改善，降低血清TRAcP-5b和CTX-1，起到抗骨質(zhì)疏松的作用[25]。

3.4 黃連

小檗堿(BBR)是一種從黃連中分離出來的天然異喹啉生物堿，常被用來治療絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥[26]。有研究通過用BBR干預(yù)OVX-牙周炎大鼠，發(fā)現(xiàn)BBR能夠增加OVX-牙周炎大鼠體內(nèi)產(chǎn)生丁酸鹽的菌屬(例如異桿菌屬、丁酸菌屬和丁酸單胞菌屬)的豐度，上調(diào)糞便中丁酸鹽的濃度，并且單位組織體積的骨體積和骨小梁分離狀況得到改善，抗酒石酸酸性磷酸酶陽性破骨細(xì)胞減少，骨鈣素陽性成骨細(xì)胞增多[27]。因此BBR可以提高產(chǎn)生丁酸鹽的菌屬的豐度，抑制破骨細(xì)胞，增加牙成骨細(xì)胞，從而減少骨流失。

3.5 淫羊藿

淫羊藿苷是補(bǔ)腎類中藥淫羊藿的主要成分，具有促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，抑制破骨細(xì)胞分化及其活性的作用。研究通過給OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠給予淫羊藿苷，然后采集其糞便，并分析其腸道菌群，發(fā)現(xiàn)給予淫羊藿苷治療后的小鼠腸道內(nèi)促進(jìn)SCFAs生成普雷沃氏菌屬(prevotellaceae)、擬桿菌屬(Bacteroides)的相對(duì)豐度較OVX組明顯上升，并且檢測(cè)其骨代謝標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)接受淫羊藿組小鼠的BV、BV/TV值顯著高于OVX組，血清β-CTX 濃度、鈣、磷濃度顯著降低，破骨活動(dòng)被抑制[28]。因此淫羊藿苷可以通過提高促進(jìn)腸道內(nèi)SCFAs生成細(xì)菌的豐度，來抑制破骨活動(dòng)，從而起到抗骨質(zhì)疏松癥的作用。

3.6 刺桐皮

刺桐皮(EC)是一種民間藥物，異黃酮是EC的主要植物成分。研究者通過用EC提取物干預(yù)OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠，發(fā)現(xiàn)大鼠血清循環(huán)中SCFAs主要成分乙酸和丙酸水平顯著提高，ALP、Runx2的mRNA表達(dá)均顯著上調(diào)，組織蛋白酶k(Ctsk)的mRNA表達(dá)被顯著抑制[29]。因此EC提取物可以提高SCFAs主要成分乙酸和丙酸的水平，上調(diào)ALP和Runx2，下調(diào)Ctsk的表達(dá)起到抗骨質(zhì)疏松的作用。

4 中藥復(fù)方調(diào)控SCFAs影響骨代謝

4.1 青娥丸

青娥丸是一種由鹽杜仲以及鹽補(bǔ)骨脂等組成的治療OP的經(jīng)典名方，對(duì)去卵巢引起的OP具有良好的治療效果。研究通過用青娥丸干預(yù)OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠，發(fā)現(xiàn)干預(yù)組的乙酸、丙酸以及丁酸的含量明顯增加，BMD、骨體積分?jǐn)?shù)(BV/TV)、骨面密度(BS/TV)、骨小梁數(shù)量(Tb.N)明顯增加，骨小梁分離度(Tb.Sp)減少[30-31]。證明青娥丸可以通過提高SCFAs的主要組成乙酸、丙酸、丁酸的含量，增加BMD、BV/TV、BS/TV、Tb.N，降低Tb.Sp來起到抗骨質(zhì)疏松的作用。

4.2 健骨顆粒

健骨顆粒是主要由淫羊藿、骨碎補(bǔ)、山茱萸、黨參、山藥等中藥組成的中藥復(fù)方, 具有補(bǔ)腎健脾、強(qiáng)筋健骨的功效，常用于治療PMOP。Sun等[32]研究發(fā)現(xiàn)用健骨顆粒干預(yù)OVX骨質(zhì)疏松模型大鼠，發(fā)現(xiàn)其能夠增加OVX大鼠糞便中SCFAs的含量，明顯改善骨小梁數(shù)量及形態(tài)，骨體積和骨體積/組織體積，促進(jìn)骨形成生物標(biāo)志物BALP和PINP的表達(dá)，抑制骨吸收標(biāo)志物Tracp-5b和CTX-1的表達(dá)。證明健骨丸能夠增加SCFAs的含量，抑制骨吸收，從而有效的發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松的作用。

單味中藥有效成分及提取物與中藥復(fù)方調(diào)控SCFAs防治骨質(zhì)疏松詳見表1。

表1 單味中藥有效成分及提取物與中藥復(fù)方調(diào)控SCFAs防治骨質(zhì)疏松Table 1 The effective components and extracts of single Chinese medicine and Chinese medicine compound regulate SCFAs to prevent osteoporosis

5 小結(jié)與展望

腸道菌群與宿主之間是一種互利互惠的關(guān)系，其不僅自身可以影響宿主，還可以通過其代謝產(chǎn)物如SCFAs、5-羥色胺等對(duì)宿主產(chǎn)生一定的影響，所以研究腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可以為臨床提供廣闊的思路。對(duì)于骨質(zhì)疏松癥的治療主要是抑制骨吸收和促進(jìn)骨形成，然而目前臨床上用于治療OP的藥物也顯示出了明顯的不良反應(yīng)。例如，降鈣素會(huì)引起骨痛，而三肽不能長(zhǎng)期使用。OP的預(yù)防和治療在藥物研發(fā)領(lǐng)域引起了全世界的關(guān)注，研發(fā)新的藥物迫在眉睫。中醫(yī)藥在治療慢性病方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)祖國(guó)傳統(tǒng)治療方式很有必要。本研究發(fā)現(xiàn)單味中藥有效成分及提取物與中藥復(fù)方可以促進(jìn)產(chǎn)生SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸的細(xì)菌的豐度，增加BMD、BV/TV、BS/TV、Tb.N，降低Tb.Sp，增加成骨數(shù)量，減少破骨細(xì)胞數(shù)量，從而起到一定的抗骨質(zhì)疏松作用。應(yīng)用中醫(yī)藥來治療代謝性疾病如骨質(zhì)疏松癥，具有廣闊的前景，是當(dāng)下的熱點(diǎn)問題。