基于腸-骨軸探討腸道菌群對骨代謝影響的研究進展

薛鵬 杜斌 劉鋅 陳浩 何帥 席洪鐘

南京中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院，江蘇 南京 210029

1 腸道菌群與骨代謝概述

1.1 腸道菌群

細菌、病毒、真菌和原生動物，所有這些定植在人體內(nèi)并且共同構(gòu)成的生物群被稱為人體微生物群。這些微生物群絕大多都位于人類的胃腸道中，它們構(gòu)成了人體的腸道菌群(gut microbiota)，其中細菌占據(jù)主導地位。腸道菌群數(shù)可達上萬億個，通過攝取機體的營養(yǎng)物質(zhì)維持生存和進行代謝[1]。據(jù)估計，腸道菌群的基因由人類腸道中超1000種不同微生物群相對應的獨特基因組組合構(gòu)成。根據(jù)相關(guān)研究證實，腸道菌群的基因組包含的基因數(shù)量極其宏大，預測結(jié)果是人類基因組的100多倍[2]?，F(xiàn)階段腸道菌群已被證實參與調(diào)節(jié)了多種多樣的生物過程，這些都與人類的各項生理病理活動密切相關(guān)。這些活動具體包括腸道自身的生理功能[3]、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝[4]、宿主生長[5]、代謝調(diào)節(jié)[6]、免疫系統(tǒng)功能[7]、大腦行為系統(tǒng)[8]以及炎癥過程[9]。腸道菌群在許多復雜疾病的重要生物過程和機制調(diào)控中起著重要作用，且腸道菌群可與疾病譜進行軸聯(lián)，比如臨床前證據(jù)證實腸道菌群可通過干擾腸-肝軸，進而影響肝臟脂肪代謝，導致非酒精性脂肪性肝病[10]；此外，腸道菌群可通過腸-膽汁酸軸引起膽汁酸的合成及調(diào)控異常，從而引起腸易激綜合征[11]；腸道菌群可通過腦-腸軸調(diào)控神經(jīng)炎癥而產(chǎn)生神經(jīng)退行性改變，引起阿爾茨海默病和帕金森病[12]。隨著對腸道菌群與機體骨代謝相關(guān)性的探索，腸道菌群或許與骨代謝也存在軸聯(lián)，即腸-骨軸[13]。目前對腸-骨軸的明確定義暫未提出，但根據(jù)現(xiàn)有腸道菌群影響骨代謝的研究，腸道菌群確可通過多種途徑對骨代謝產(chǎn)生影響。因此，本文提出腸-骨軸是腸道微生物對骨代謝發(fā)生關(guān)系和影響的途徑，腸道菌群通過該途徑對骨代謝產(chǎn)生影響。

1.2 骨代謝

骨骼是一個不斷重塑的動態(tài)器官，骨形成和骨吸收這兩個過程在體內(nèi)不斷地進行著，它們是與骨代謝相關(guān)的主要活動。骨細胞在體內(nèi)進行新陳代謝，參與人體骨骼組織的各項生理病理過程。在細胞層面，主要通過骨細胞間的相互作用實現(xiàn)骨的重塑。在骨代謝中，人體破骨細胞和成骨細胞起著重要作用，當骨代謝異常時，疾病就會發(fā)生。因此骨穩(wěn)態(tài)需要骨代謝的動態(tài)平衡來實現(xiàn)[14]。通常認為[15]，骨代謝平衡對于維持鈣、磷等礦物質(zhì)的代謝平衡以及骨密度、骨強度等具有重要的積極意義。骨代謝的失衡會導致諸多代謝性骨科疾病，如骨軟化癥、骨質(zhì)疏松癥等。多種因素如內(nèi)分泌功能、炎癥反應、體內(nèi)激素水平等均可影響骨代謝。隨著腸道菌群相關(guān)研究的進展，其與骨代謝的關(guān)聯(lián)性也在被不斷深挖。

2 基于腸-骨軸的腸道菌群對骨代謝作用的可能機制

腸-骨軸可指腸道微生物與骨骼系統(tǒng)之間的聯(lián)系，腸道菌群可以通過眾多方式影響腸-骨軸，進而對骨代謝發(fā)生調(diào)控作用，本文主要從以下幾點進行論述。

2.1 腸道菌群-菌群及營養(yǎng)物質(zhì)代謝產(chǎn)物-骨代謝

腸道菌群促進骨穩(wěn)態(tài)的一個重要機制是腸內(nèi)代謝產(chǎn)物從腸腔擴散到體循環(huán)。在微生物群的代謝產(chǎn)物中，短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)(如丁酸、丙酸鹽及醋酸鹽)在過去幾十年一直是腸-骨軸研究的熱點[16]。SCFA主要由食物中難以消化的膳食纖維代謝產(chǎn)生，通過抑制活化B細胞的核因子-輕鏈增強子的激活而產(chǎn)生抗炎作用來減少自身免疫炎癥[17]。此外，研究也證實丙酸鹽以及丁酸鹽以下調(diào)TRAF6和NFATc1的方式抑制破骨細胞生成和骨吸收，在不直接改變成骨細胞的情況下增加骨密度。同時，SCFA影響破骨細胞前體細胞，誘導其凋亡，從而提高骨密度。丁酸不僅對破骨細胞有很強的抑制作用，它還直接誘導破骨細胞前體的代謝重編程，導致糖酵解增強，以氧化磷酸化為代價下調(diào)重要的破骨細胞基因[18]?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明SCFA是破骨細胞代謝和維持骨穩(wěn)態(tài)的有效調(diào)節(jié)因子[19]。研究表明素食者或地中海飲食的人SCFA水平較高，而這對骨骼健康有益[20]。飲食中添加低聚糖可增加SCFA的產(chǎn)生而提高BMD[21]，并且在抗生素治療的小鼠中，補充SCFA可減少骨量而不改變骨轉(zhuǎn)換率[22]。此外，腸道菌群的參與可增加無機鹽的溶解度以改善其在腸壁的吸收，而無機鹽如磷酸鹽的可用性對成骨細胞和骨穩(wěn)態(tài)的骨礦物質(zhì)沉積至關(guān)重要[23]。這種作用可能部分是由于微生物合成的植酸酶代謝成無機磷和肌醇磷酸衍生物[24]。

2.2 腸道菌群-免疫調(diào)節(jié)-骨代謝

為了使免疫系統(tǒng)充分發(fā)揮作用，人體必須能區(qū)分宿主環(huán)境中正常存在的微生物和不存在的外來微生物。腸道菌群是從環(huán)境中獲得的，它們的變化可以在腸道局部或全身引起免疫反應[25]。因此，在腸道菌群異常狀態(tài)下可能導致許多與骨代謝相關(guān)的細胞因子的增加。腸道菌群已被證明與免疫細胞相互作用，并調(diào)節(jié)涉及先天免疫和適應性免疫過程的特定信號通路[26]。許多研究表明腸道菌群與輔助性T細胞17(Th17)和調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)的平衡密切相關(guān)，即腸道菌群可誘導Th17和Treg免疫失衡[27]。Treg和Th17是兩個功能相反的重要淋巴細胞亞群，它們來源于相同的前體細胞，它們的分化需要參與TGF-β調(diào)節(jié)的信號通路。Treg和Th17對維持骨穩(wěn)態(tài)，尤其是破骨細胞分化至關(guān)重要[28]。研究表明，Treg細胞減少IL-17的表達抑制破骨細胞分化從而抑制骨吸收，而破骨細胞可被Th17細胞通過RANKL通路激活從而促進破骨細胞的分化[29]。在動物實驗中[30]，抗生素治療的小鼠比傳統(tǒng)飼養(yǎng)的小鼠有更高的骨密度和更好的骨力學性能。無菌小鼠的破骨細胞數(shù)量減少，骨中IL-6、RANKL和TNF-α水平降低，這些細胞因子具有促炎癥和促破骨細胞生成作用，可導致無菌小鼠骨轉(zhuǎn)換水平降低。

2.3 腸道菌群-腸粘膜屏障-骨代謝

腸上皮屏障是由不同類型的腸上皮細胞組成的腸道內(nèi)壁，腸道屏障功能的完整是胃腸道免疫的組成部分。腸粘膜層是一種化學屏障，為上皮提供第一層防御，由一層粘液形成，并限制微生物組與上皮細胞之間的接觸[31]。健康的腸道上皮屏障可防止受損帶來的高通透性。腸道菌群的異?？芍率鼓c粘膜屏障高通透性或“腸漏”，滲出異常高水平的炎癥細胞因子，產(chǎn)生全身性炎癥，導致破骨細胞過度活躍和骨吸收[32]。粘液層的缺乏導致腸道炎癥和各種代謝性疾病的發(fā)生，隨著腸道屏障功能障礙，體循環(huán)內(nèi)脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)會隨之增加，LPS又可以引起通透性增加，這被認為是絕經(jīng)后婦女發(fā)生骨質(zhì)疏松的一個機制[33]。Hamilton等[34]表示代謝紊亂的一個原因可能是腸道菌群組成的變化引起腸道通透性的增加，進而釋放各種代謝產(chǎn)物及炎癥因子所導致的。此外，LPS在抑制成骨細胞分化的同時促進破骨細胞生成，且其促進破骨細胞生成的功能不依賴于RANKL、IL-1或TNF-α的作用[35]。研究表明，LPS可促進體內(nèi)股骨骨丟失和體外破骨細胞的存活，同時LPS還可以抑制小鼠成骨細胞前體細胞的成骨分化，減少骨形成[36]。腸上皮細胞表達雌激素受體，雌激素受體信號激活MAPK信號通路，從而間接影響骨代謝[37]。

2.4 腸道菌群-內(nèi)分泌-骨代謝

腸道菌群作為一個身體虛擬的內(nèi)分泌器官可以與內(nèi)分泌系統(tǒng)相互作用，并可能對骨代謝產(chǎn)生影響，相關(guān)激素的缺乏可能會導致骨丟失增加并影響骨形成[38]。葡萄糖依賴性促胰島素多肽(GIP)由腸道分泌，以葡萄糖依賴性方式促進胰島素分泌。GIP與胰高血糖素樣肽1(GLP-1)和胰高血糖素樣肽2(GLP-2)一樣，都是屬于腸源性激素，作為腸內(nèi)分泌-骨軸的一部分，影響著骨重塑[39]。它們對骨代謝的影響主要依賴特定受體進行，通過影響成骨細胞、破骨細胞的增殖與凋亡實現(xiàn)骨穩(wěn)態(tài)，其中GIP和GLP-1均有可以雙向調(diào)節(jié)骨吸收與骨形成，GLP-2一般對骨形成無影響，僅影響骨吸收[40]。以GIP為例，當人體通過各種途徑攝入葡萄糖后，十二指腸K細胞就會感應并且分泌GIP釋放入血循環(huán)，GIP可作用骨細胞上的GIP受體(GIPR)。有研究表明，GIP可能促進鈣離子進入骨組織，即血鈣向骨鈣的轉(zhuǎn)化[41]。在GIPR受體拮抗劑GIP(3-30)NH2的作用下，可減少GIP誘導的CTX和P1NP反應，表明這些作用是GIPR介導的，而GIPR拮抗可能會干擾骨吸收[42]。此外，腸道菌群還調(diào)節(jié)腸道5-羥色胺的產(chǎn)生，在腸內(nèi)主要由十二指腸粘膜嗜鉻細胞生成，占全身總量的90%，被認為是骨量的調(diào)節(jié)因子，對骨重塑具有重要而復雜的生理影響，其通過作用于骨細胞上的5-羥色胺受體(5-HTR)發(fā)揮作用[43]。

3 基于腸道菌群為靶點的治療方式

目前以腸道菌群為靶點的治療方式正在被不斷挖掘，同樣，以該方式進行治療的疾病譜也日益增多。盡管如此，腸道菌群與諸多疾病之間的因果關(guān)系，作用機制尚待進一步研究來發(fā)掘闡明，目前基于腸道菌群為靶點的治療方式為預防及治療疾病提供了極具潛力方向?，F(xiàn)階段，腸道菌群的靶向治療與骨相關(guān)的方式主要有以下幾個：

3.1 益生菌

益生菌是指具有活力的微生物，適量給藥可以起到有益作用。益生菌干預的幾種機制如下[44]：①調(diào)節(jié)RANKL、CD4+T細胞和部分促炎細胞因子，改變Wnt10B、IGF-1和OPG間接調(diào)節(jié)破骨細胞的功能和分化。②促進健康的腸道菌群和增加雙歧桿菌、乳酸桿菌和羅伊氏乳桿菌等有益菌群來預防腸道局部的炎癥刺激和通透性增加，進而益于保持骨穩(wěn)態(tài)和骨骼健康。③增加短鏈脂肪酸等代謝物，從而提高鈣在腸道和骨骼中的吸收。一項隨機對照雙盲的臨床研究證實羅伊氏乳桿菌可減少骨質(zhì)密度低的老年婦女的骨質(zhì)流失，預防骨質(zhì)疏松[45]。另一研究深挖了羅伊氏乳桿菌對骨代謝影響的機制，表明羅伊氏乳桿菌對骨丟失的影響是通過丁酸信號傳導介導的[46]。多品種益生菌制成的補充劑對絕經(jīng)后婦女的骨骼健康有良好的影響，因為改制劑可以減緩骨轉(zhuǎn)換的速度?，F(xiàn)代醫(yī)學研究表明維生素D在鈣吸收過程是必不可少的，口服益生菌能通過增加腔內(nèi)乳酸的產(chǎn)生和7-脫氫膽固醇的合成顯著促進循環(huán)中25-羥維生素D的水平以改善骨代謝，促進骨重建[47]。

3.2 益生元

益生元一般作為腸道微生物的食物存在于各種食物中，包括不可消化的低聚糖和大豆低聚糖，也可來自于洋薊、大蒜、韭菜、蒲公英、香蕉、洋蔥和菊苣。在許多情況下，必須消耗大量的食物才能獲得足夠的益生元以發(fā)揮活性。益生元影響骨骼的機制主要體現(xiàn)在兩個方面[48]。一方面，益生元間接增加已知調(diào)節(jié)骨密度的腸促胰島素和血清素等分泌因子和腸道激素。另一方面，微生物組的組成可以被攝入的益生元改變，以影響SCFA的產(chǎn)生方式來影響骨代謝。臨床實驗表明[49]，富含益生元的低聚果糖菊粉可通過增加骨形成，降低骨吸收來改善兒童骨代謝。隨機交叉實驗也證實每日食用可溶性玉米纖維也顯著改善了絕經(jīng)后婦女骨鈣潴留，改善了骨鈣平衡[50]。

4 結(jié)論

綜上，研究證實腸道菌群可通過多種途徑影響骨代謝，這說明腸道菌群與骨代謝之間可能存在某種軸聯(lián)。雖然腸-骨軸的概念尚未被明確定義，但本文認為腸-骨軸或許可以用來概括兩者之間的關(guān)聯(lián)，即可初步將腸-骨軸理解為腸道微生物調(diào)控骨代謝的途徑，腸道菌群通過該途徑對骨代謝產(chǎn)生影響。當前越來越多的證據(jù)表明腸道菌群與骨代謝之間存在這種緊密但復雜的關(guān)聯(lián)，并且這個緊密聯(lián)系體現(xiàn)在多方面。目前腸道菌群通過腸-骨軸影響骨代謝的諸多機制暫未完全明確，但腸道菌群的改變與許多可變因素(如腸道代謝產(chǎn)物、免疫功能、腸上皮屏障功能、營養(yǎng)物質(zhì)吸收代謝、雌激素、內(nèi)分泌等)有關(guān)，這些因素都可參與到骨代謝的調(diào)控。在腸-骨軸中，腸道菌群與骨代謝之間的關(guān)聯(lián)錯綜復雜，它們兩者之間的“橋梁”是由多種方式、途徑構(gòu)成的。除本文論述的幾種途徑外，可能仍存在未被探討的途徑，這些有待進一步深入研究。隨著研究不斷深入，在探明機制的前提下，可嘗試基于腸-骨軸中可變因素的靶向給藥，為臨床治療骨科疾病如骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎、骨壞死等提供新途徑、新靶點。