短鏈脂肪酸通過免疫機(jī)制和內(nèi)分泌環(huán)境影響骨代謝的機(jī)制進(jìn)展

劉小峰 張賢 李超 邵家豪 劉智中

1.南京中醫(yī)藥大學(xué)，江蘇 南京 210023

2.南京中醫(yī)藥大學(xué)無錫附屬醫(yī)院，江蘇 無錫 214071

骨代謝是一個(gè)骨重建的動(dòng)態(tài)平衡過程，即以成骨細(xì)胞為主導(dǎo)的骨形成和破骨細(xì)胞為主導(dǎo)的骨吸收。骨質(zhì)疏松是由于骨形成減少，骨吸收增加，導(dǎo)致骨骼密度降低的一種疾病。近年來腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)在骨代謝方面的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。本文通過國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)就SCFAs是如何通過免疫機(jī)制和內(nèi)分泌環(huán)境影響骨代謝進(jìn)行綜述。

1 SCFAs的來源、代謝及分布

腸道菌群是多種微生物群落的總稱。人體攝入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大多在小腸中被吸收，剩余的難以被消化的碳水化合物(統(tǒng)稱為膳食纖維)被結(jié)腸中厭氧菌通過發(fā)酵形成SCFAs，SCFAs是含有不少于6個(gè)碳原子的飽和脂肪酸，最豐富的是乙酸、丙酸、丁酸，分別以大約3∶1∶1的比例存在于結(jié)腸中[1-2]。人體攝入的膳食纖維的數(shù)量和類型是腸道菌群產(chǎn)生SCFAs的數(shù)量和類型的主要決定因素之一[3]。乙酸鹽是由多種類型的細(xì)菌產(chǎn)生的，丙酸鹽和丁酸鹽是由數(shù)量有限的細(xì)菌產(chǎn)生，例如，艾克曼菌從腸黏液層的消化中產(chǎn)生乙酸和丙酸[4-5]，普拉梭菌和霍氏真桿菌從消化中產(chǎn)生丁酸[6]。其中大多數(shù)乙酸通過門靜脈到達(dá)肝臟被肝臟吸收，丁酸鹽被結(jié)腸細(xì)胞用作能量來源，乙酸鹽和丙酸鹽被代謝并部分氧化或用作糖異生和脂肪生成的底物。SCFAs可以影響機(jī)體的炎癥反應(yīng)、免疫應(yīng)答、內(nèi)分泌調(diào)節(jié)和能量代謝等過程，來維持整個(gè)機(jī)體的代謝過程。

2 SCFAs通過免疫機(jī)制調(diào)節(jié)骨代謝

SCFAs具有免疫調(diào)節(jié)功能，T細(xì)胞和B細(xì)胞是免疫機(jī)制中重要的免疫細(xì)胞，T細(xì)胞是由胸腺中淋巴干細(xì)胞分化而成；B細(xì)胞是由骨髓中的造血干細(xì)胞分化發(fā)育而成，二者都參與骨代謝過程的調(diào)控，對(duì)骨形成和骨吸收發(fā)揮重要作用。研究顯示SCFAs可以影響T細(xì)胞和B細(xì)胞的分化發(fā)育調(diào)節(jié)骨代謝。

2.1 T細(xì)胞

SCFAs可以通過調(diào)節(jié)T細(xì)胞免疫機(jī)制影響骨代謝。Croes等[7]認(rèn)為，保持促炎輔助性T細(xì)胞17(T helper cell 17，Th17)和抗炎調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell，Treg)之間的平衡狀態(tài)是調(diào)節(jié)骨代謝的重要因素。之前的研究顯示，SCFAs可以通過調(diào)控TH17 細(xì)胞的分泌刺激骨吸收，也可以通過調(diào)控Treg細(xì)胞的分泌刺激骨形成和抑制骨吸收。一方面，SCFAs可以增加腸道中TH17細(xì)胞的分泌，一部分TH17細(xì)胞向骨髓中遷移，分泌IL-17、IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNF)，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的生成[8]；另外，IL-17可以促進(jìn)成骨細(xì)胞釋放核因子κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor kappa B ligand，RANKL)，當(dāng)RANKL與破骨前體細(xì)胞上表達(dá)的核因子-κB受體激活因子(receptor activator of nuclear factor-κB，RANK)結(jié)合后，通過TNF受體相關(guān)因子-6激活下游分子如核因子κB、AP-1、P38和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1[9]，啟動(dòng)破骨細(xì)胞分化的信號(hào)的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成[10]。另一方面，SCFAs誘導(dǎo)幼稚CD4+T細(xì)胞在骨髓中分化為Treg細(xì)胞，Treg細(xì)胞激活NFAT和SMAD信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，NFAT和SMAD結(jié)合Wnt10b啟動(dòng)子區(qū)(堿基為705～272)激活Wnt10b，誘導(dǎo)CD8+T細(xì)胞中Wnt10b的產(chǎn)生，CD8+T細(xì)胞是Wnt10b的主要來源，Wnt10b是Wnt信號(hào)傳導(dǎo)的有效激活劑，從而激活成骨細(xì)胞Wnt信號(hào)刺激骨形成[11]；另外，Zaiss等[12]也發(fā)現(xiàn)SCFAs可以抑制組蛋白脫乙?；?histone deacetylase，HDAC)誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的分化和下調(diào)破骨細(xì)胞代謝的重編碼，抑制破骨細(xì)胞的生成和分化；因此，保持TH17細(xì)胞和Treg細(xì)胞之間的平衡對(duì)調(diào)節(jié)骨代謝十分重要。最近研究顯示，SCFAs可增加幼稚CD4+T細(xì)胞的最大耗氧率，使其向Treg細(xì)胞分化增加，并減少向TH17細(xì)胞的分化[13]。機(jī)制是丁酸鹽激活PPARg重新編碼能量代謝，促使糖酵解減弱而糖化磷酸化增強(qiáng)，從而促進(jìn)T細(xì)胞更多的分化為Treg細(xì)胞，對(duì)骨代謝發(fā)揮作用[14]。除此之外，Yang等[15]研究發(fā)現(xiàn)SCFAs可以促進(jìn)CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生IL-22。IL-22是IL-10家族一員，IL-22可作用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的滑膜和纖維細(xì)胞中，提高單核細(xì)胞趨化因子的產(chǎn)生，有利于單核細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞。另一項(xiàng)研究表明，丁酸可以通過作用于GPR41和GPR43受體，促進(jìn)活化CD8+T細(xì)胞的代謝[16]。一方面，終末分化的效應(yīng)記憶CD8+T細(xì)胞可表達(dá)IFN-γ，IFN-γ的增加可抑制骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)的成骨分化，Xu等[17]發(fā)現(xiàn)局灶性照射大鼠模型后，骨髓中的CD8+T淋巴細(xì)胞增加，通過減少M(fèi)SCs的成骨分化，導(dǎo)致全身骨小梁減少和骨密度降低。另一方面，CD8+T細(xì)胞能夠大量表達(dá)骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)，OPG與RANK競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RANKL，當(dāng)OPG與RANKL結(jié)合之后，可抑制破骨細(xì)胞的分化；當(dāng)RANK與RANKL結(jié)合之后，激活核因子κB，引起破骨細(xì)胞的基因表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的生成。

2.2 B細(xì)胞

SCFAs可以通過調(diào)節(jié)B細(xì)胞免疫機(jī)制調(diào)節(jié)骨代謝。研究發(fā)現(xiàn)，B細(xì)胞家族可以產(chǎn)生骨髓中64%的OPG，其中40%來源于成熟B細(xì)胞，除此之外，T細(xì)胞通過CD40配體(CD40 L)到CD40共刺激，促進(jìn)B細(xì)胞在體內(nèi)產(chǎn)生OPG[18]。OPG可以抑制RANKL來促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，B淋巴細(xì)胞通過結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體1(tuberous sclerosis complex 1，TSC1)/哺乳動(dòng)物的雷帕霉素靶標(biāo)(mTOR)/蛋白激酶B(AKT)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑控制RANKL/OPG比率，從而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的形成。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)是mTOR的一個(gè)功能復(fù)合體。TSC1是mTORC1的上游負(fù)調(diào)控因子，Liu等[19]研究發(fā)現(xiàn)，在骨細(xì)胞TSC1缺失小鼠模型中，骨細(xì)胞mTORC1被激活，導(dǎo)致骨骼中的硬化素減少，促進(jìn)了骨吸收，這說明TSC1/mTORC1對(duì)調(diào)節(jié)骨代謝發(fā)揮重要作用。另外，Xu等[20]研究證明，mTORC1在B細(xì)胞中被激活后，能刺激RANKL的轉(zhuǎn)錄，但會(huì)通過AKT/β-catenin通路負(fù)調(diào)控OPG的表達(dá)。mTORC1是通過抑制AKT和破壞β-catenin mRNA來下調(diào)β-catenin，β-catenin已被證明可以抑制RANKL的轉(zhuǎn)錄和促進(jìn)OPG的轉(zhuǎn)錄，所以激活mTORC1會(huì)導(dǎo)致RANKL的轉(zhuǎn)錄增加，OPG表達(dá)下降。SCFAs通過影響mTOR轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，影響RANKL/OPG比率，SCFAs還可影響OPG的產(chǎn)生，從而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化。

3 SCFAs通過內(nèi)分泌環(huán)境調(diào)節(jié)骨代謝

SCFAs可以通過內(nèi)分泌環(huán)境參與骨代謝的調(diào)控，通過影響相關(guān)激素的分泌影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的分化發(fā)育，目前研究較多的是胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1，IGF-1)和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)。

3.1 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1

IGF-1主要來源于肝臟，其他肌肉、組織或臟器通過旁分泌和自分泌方式發(fā)揮作用。IGF-1通過與成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞的同源受體結(jié)合，發(fā)揮調(diào)節(jié)骨代謝的作用。IGF-1通過激活A(yù)KT-mTOR通路，促進(jìn)成骨細(xì)胞mRNA翻譯，刺激成骨細(xì)胞的活化、增殖[21]。成骨細(xì)胞又通過胰島素受體底物應(yīng)答IGF-1信號(hào)，促進(jìn)RANKL分泌增加，RANKL與RANK結(jié)合之后，激活核因子κB，引起破骨細(xì)胞的基因表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的活化、增殖，使骨周轉(zhuǎn)率加快。

年齡、營(yíng)養(yǎng)狀況等都會(huì)影響體內(nèi)IGF-1的分泌，Schwarzer等[22]用同齡且喂食相同的小鼠做對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，正常腸道菌群定植小鼠的生長(zhǎng)速度比無菌(GF)小鼠生長(zhǎng)速度快，且股骨長(zhǎng)度和骨量都比GF小鼠高，表明腸道菌群影響骨骼的生長(zhǎng)和重塑。另外，他們檢測(cè)了小鼠血清IGF-1水平，發(fā)現(xiàn)正常定植的小鼠血清IGF-1水平比GF小鼠升高兩倍，且成骨細(xì)胞中IGF-1的mRNA水平顯著高于GF小鼠，同時(shí)矮小相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子(Runx2)(骨髓中IGF通路的下游靶標(biāo))水平也增加[23]。這與他們之后用BALB/C背景小鼠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致[24]，說明腸道菌群可以上調(diào)肝臟來源的IGF-1水平來調(diào)節(jié)骨骼的生長(zhǎng)。然而在另外一項(xiàng)研究中，Yan等[25]用GF小鼠定植腸道菌群1個(gè)月后，骨小梁減少，體重減輕，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)定植1個(gè)月小鼠，血清IGF-1水平增加，血清骨吸收標(biāo)志物Ⅰ型膠原C端肽(CTX-1)增加，同時(shí)血清骨形成標(biāo)志物前膠原I型N末端前肽(P1NP)也顯著增加，繼續(xù)定植8個(gè)月后骨小梁增加，體重增加，血清IGF-1水平仍明顯升高，這表明腸道菌群可以上調(diào)血清IGF-1的水平，腸道菌群短期定植可同時(shí)促進(jìn)小鼠骨形成和骨吸收，但是骨小梁減少的原因可能是由于骨吸收的瞬時(shí)增加所致；長(zhǎng)期定植的小鼠骨小梁增加，體重增加，原因可能是此時(shí)骨形成作用遠(yuǎn)超過骨吸收。腸道菌群的發(fā)酵產(chǎn)物主要是SCFAs，正常定植小鼠體內(nèi)SCFAs濃度比GF小鼠更高。為了探討腸道菌群影響IGF-1水平的中間介質(zhì)，Yan等[26]的研究將常規(guī)小鼠用抗生素(廣譜抗生素或萬古霉素)治療后，小鼠盲腸中SCFAs的濃度顯著降低，血清IGF-1、PINP水平顯著下降。繼而在抗生素水中添加SCFAs進(jìn)行4周處理后，SCFAs補(bǔ)充劑將小鼠體內(nèi)的循環(huán)IGF-1水平恢復(fù)至非抗生素治療的小鼠水平，但骨小梁和骨量降低，血清胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白3沒有變化，表明SCFAs可能增加了小鼠游離的IGF-1水平，IGF-1對(duì)骨代謝的作用類似于短期定植。因此，他們做了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SCFAs補(bǔ)充劑處理的小鼠體內(nèi)肝臟和脂肪組織IGF-1水平升高。這表明腸道微生物群影響骨骼形成的一種機(jī)制是通過非消化性纖維生成SCFAs，直接或間接作用于宿主的肝臟和脂肪組織，促進(jìn)宿主循環(huán)IGF-1的產(chǎn)生并調(diào)控機(jī)體的骨代謝。以上研究結(jié)果表明，SCFAs可以提高IGF-1水平，但腸道菌群短期定植和長(zhǎng)期定植的小鼠骨小梁卻有顯著的差異，其中原因是否是由IGF-1分泌導(dǎo)致，或者是否存在其他的分泌物影響骨代謝，還需要進(jìn)一步的探討。

3.2 胰高血糖素樣肽-1

GLP-1是一種氨基酸激素，由腸L細(xì)胞以酰胺肽的形式分泌。相關(guān)研究已證明GLP-1能促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收，能增加骨密度和改善骨質(zhì)量。在促進(jìn)骨形成方面，GLP-1與GLP-1受體結(jié)合后，激活蛋白激酶A，經(jīng)由骨陷窩細(xì)胞上的Wnt/β-catenin通道介導(dǎo)，使骨陷窩分泌的硬化蛋白水平降低，對(duì)骨形成標(biāo)志物堿性磷酸酶(ALP)和Ⅰ型膠原合成抑制減弱，從而促進(jìn)骨形成[27]。在抑制骨吸收方面，GLP-1與GLP-1受體結(jié)合后，破骨細(xì)胞的數(shù)量降低，骨吸收的標(biāo)志物下降[28]。另外，研究顯示，GLP-1受體表達(dá)于甲狀腺C細(xì)胞，并能由cAMP介導(dǎo)促進(jìn)降鈣素的分泌，從而間接抑制骨吸收[29]。

腸道菌群的代謝物SCFAs會(huì)影響GLP-1的分泌，影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的活性從而影響骨代謝。眾所周知，SCFAs主要與腸道內(nèi)分泌L細(xì)胞上的SCFAs受體FFAR2(GPR43)、FFAR3(GPR41)結(jié)合，促進(jìn)GLP-1的分泌[30]。Psichas等[31]用生理濃度的丙酸注入到野生型小鼠的結(jié)腸中，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組小鼠體內(nèi)的GLP-1水平明顯高于用生理鹽水處理的小鼠體內(nèi)的GLP-1水平。繼而用丙酸處理FFAR2[-]小鼠，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠體內(nèi)的GLP-1水平明顯高于FFAR2[-]小鼠。說明SCFAs是通過與G蛋白偶聯(lián)受體FFAR2、FFAR3結(jié)合影響GLP-1的分泌。Tolhurst等[32]研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs與L細(xì)胞上的SCFAs受體結(jié)合后，L細(xì)胞中Ca2+水平增加與GLP-1分泌增強(qiáng)之間存在直接聯(lián)系。除此之外，SCFAs似乎還可以通過上調(diào)胰高血糖素原以及前激素轉(zhuǎn)化酶1的表達(dá)來增加GLP-1的合成[33]。然而，Arora等[34]研究發(fā)現(xiàn)，GF小鼠體內(nèi)的GLP-1分泌水平比常規(guī)飼養(yǎng)小鼠高2倍以上。腸道菌群定植的小鼠體內(nèi)SCFAs水平較GF小鼠SCFAs水平高，但抑制L細(xì)胞的數(shù)量。Zhao等[35]做了進(jìn)一步的研究，表明SCFAs驅(qū)動(dòng)腸上皮細(xì)胞中蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)O連接N-乙酰葡萄糖胺糖基化(O-GlcNAcylation)的水平，負(fù)調(diào)節(jié)L細(xì)胞發(fā)育。他們用廣譜抗生素(慶大霉素、萬古霉素、新霉素等)治療C57BL/6小鼠2周，通過16 s RNA測(cè)序發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)腸道微生物群多樣性顯著下降，SCFAs的分泌水平顯著降低，同時(shí)伴有結(jié)腸O-GlcNAcylation水平的下降。此外，給小鼠口服SCFAs(乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽)的混合物之后，可以明顯恢復(fù)小鼠結(jié)腸O-GlcNAcylation水平。他們做了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，用OSMI-1(O-GlcNAcylation抑制劑)處理小鼠，發(fā)現(xiàn)可以逆轉(zhuǎn)SCFAs對(duì)GLP-1的抑制作用，增加了GLP-1的分泌。這些結(jié)果表明，SCFAs通過促進(jìn)蛋白O-GlcNAcylation水平來抑制腸道L細(xì)胞的數(shù)量，從而影響腸道L細(xì)胞分泌GLP-1。同樣，Larraufie等[36]研究也發(fā)現(xiàn)，SCFAs特別是丙酸鹽、丁酸鹽都會(huì)抑制小鼠體內(nèi)L細(xì)胞的數(shù)量，從而抑制GLP-1的分泌，從而影響骨代謝。出現(xiàn)以上差異的原因可能是由多方面導(dǎo)致的，不能排除其他微生物與宿主相互作用引起GLP-1水平的變化，或者SCFAs在與機(jī)體相互作用時(shí)，是否衍生出其他代謝物或信號(hào)分子來影響GLP-1的變化，還需要進(jìn)一步探討SCFAs影響GLP-1分泌的內(nèi)在機(jī)制。除此之外，法尼醇X受體也參與SCFAs誘導(dǎo)的GLP-1水平分泌。法尼醇X受體的激活，使FFAR2基因表達(dá)下調(diào)，抑制GLP-1水平的分泌,從而影響骨代謝[37]。

4 結(jié)語

在SCFAs通過免疫機(jī)制調(diào)節(jié)骨代謝方面，研究認(rèn)為保持TH17細(xì)胞和Treg細(xì)胞之間的平衡狀態(tài)是調(diào)節(jié)骨代謝的重要因素。TH17細(xì)胞分泌增加會(huì)促進(jìn)骨吸收。Treg細(xì)胞通過激活Wnt10b信號(hào)通路有助于骨形成，還可以下調(diào)破骨細(xì)胞代謝的重編碼過程抑制骨吸收。SCFAs能促進(jìn)CD4+T細(xì)胞更多的向Treg細(xì)胞分化，并減少其向TH17細(xì)胞的分化，這有助于機(jī)體骨量的健康。SCFAs能促進(jìn)CD8+T細(xì)胞的代謝，從而大量表達(dá)OPG，通過RANKL/RANK/OPG通路直接或間接調(diào)控骨代謝。SCFAs可以影響mTOR轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，通過TSC1/mTOR/AKT信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑控制RANKL/OPG比率，從而調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的水平，參與骨代謝的調(diào)節(jié)。在SCFAs通過內(nèi)分泌環(huán)境調(diào)節(jié)骨代謝方面，SCFAs能促進(jìn)宿主循環(huán)IGF-1水平的增加，并調(diào)控機(jī)體的骨代謝。SCFAs是通過與G蛋白偶聯(lián)受體FFAR2、FFAR3結(jié)合影響GLP-1的分泌，另外，SCFAs似乎還可以通過上調(diào)胰高血糖素原以及前激素轉(zhuǎn)化酶1的表達(dá)來增加GLP-1的合成，GLP-1分泌增加能促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收，從而影響機(jī)體的骨代謝。

綜上所述，本文就SCFAs如何通過免疫機(jī)制、內(nèi)分泌環(huán)境影響骨代謝作了進(jìn)一步的闡述。對(duì)于免疫機(jī)制，目前研究較多的是T細(xì)胞和B細(xì)胞；對(duì)于內(nèi)分泌系統(tǒng)，目前研究較多的是IGF-1和GLP-1，它們都會(huì)對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的增殖和分化產(chǎn)生影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，SCFAs通過影響免疫機(jī)制、內(nèi)分泌環(huán)境發(fā)揮調(diào)控骨代謝的作用已經(jīng)取得了一些進(jìn)步，但是這一領(lǐng)域仍然存在一些有待解決的問題。例如，SCFAs影響GLP-1分泌水平調(diào)節(jié)骨代謝的過程中，一部分研究者表明SCFAs可促進(jìn)GLP-1分泌，另一部分研究者表明SCFAs抑制GLP-1分泌，不同研究者出現(xiàn)相對(duì)立的研究結(jié)果，這都需要進(jìn)一步探討SCFAs影響GLP-1分泌的內(nèi)在機(jī)制。進(jìn)一步研究這些機(jī)制將從SCFAs途徑防治骨質(zhì)疏松提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。