腸道菌群代謝產(chǎn)物氧化三甲胺介導(dǎo)骨質(zhì)疏松機制研究

元寶華 李興勇 劉學(xué)睿 唐兆鵬 李大娟 劉曉婷 姚興璋 楊琛 楊博文

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué),甘肅 蘭州 730030

2.甘肅省人民醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030

3.甘肅省中醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030

4.蘭州市第一人民醫(yī)院,甘肅 蘭州 730030

腸道菌群(gut microbiome,GM)是人體內(nèi)最大的生態(tài)系統(tǒng),代表了一個隱藏的寶庫,其中包含數(shù)萬億種居住在宿主腸上皮屏障中的微生物[1]。在過去的十年中,隨著16 S核糖體RNA測序、宏基因組測序技術(shù)、代謝組和宏轉(zhuǎn)錄組測序等分子工具和技術(shù)的進步,宿主-GM之間復(fù)雜的相互作用正在逐步被破譯,揭示了GM維持許多機體生理功能,包括免疫力、新陳代謝和炎癥反應(yīng),可以影響人體健康的各個方面[2]。同時GM受到外界的侵擾,微生物組成和代謝能力發(fā)生的變化會影響宿主生物學(xué)相關(guān)分子,對免疫功能、神經(jīng)調(diào)控和疾病進展產(chǎn)生深遠的影響。然而,與人類基因組的穩(wěn)定性相比,腸道微生物群的可塑性使其成為個體化治療的有希望的機會。

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)作為一種全身性骨代謝疾病,與社會人口老齡化密切相關(guān),以骨密度降低、骨微結(jié)構(gòu)破壞和脆性骨折發(fā)生風(fēng)險增加為主要特征,已成為全球主要公共衛(wèi)生問題之一[3]。目前OP的治療策略主要集中在抗骨質(zhì)溶解(如雌激素、雙膦酸鹽)和合成代謝藥物(如特立帕肽、阿巴帕肽)上,上述藥物由于副作用大且缺乏長期療效的證據(jù),因此這類藥物的治療方案存在一些局限性[4],而“腸骨”軸理論證明了GM及其代謝產(chǎn)物有希望成為治療OP新的選擇,并且有很大的潛力和價值。

GM衍生代謝產(chǎn)物的種類和數(shù)量眾多,GM衍生代謝產(chǎn)物不僅影響遺傳和表觀遺傳調(diào)控,還影響免疫細胞的新陳代謝,包括免疫抑制和炎癥細胞[5]。氧化三甲胺(trimethylamine-N-oxide,TMAO)是一種重要的GM衍生代謝產(chǎn)物,又稱為三甲胺-N-氧化物(化學(xué)結(jié)構(gòu)式見圖1)[6],食物中的膽堿、甜菜堿和左旋肉堿等物質(zhì)在腸道菌群的作用下轉(zhuǎn)化為三甲胺(Trimethylamine,TMA),TMA極易被腸道上皮細胞吸收,通過門靜脈循環(huán)被轉(zhuǎn)運至肝臟并被黃素單加氧酶家族(flavin-containing mono-oxygenase,FMO)氧化,其中黃素單加氧酶3(flavin-containing mono-oxygenase 3,FMO3)在整個氧化過程中起主要作用,使TMA氧化為三甲胺-N-氧化物(trimethylamine N-oxide,TMAO)[7]。TMAO在心腦血管疾病中被認為是評估為不良心血管事件生物標志物之一[8],在阿爾茨海默氏癥、糖尿病、腎臟疾病、代謝功能障礙相關(guān)性脂肪肝、前列腺癌以及肥胖等疾病的發(fā)展扮演了重要角色[9],同時最新研究發(fā)現(xiàn)TMAO在OP的發(fā)生與發(fā)展發(fā)揮了重要作用,本文就TMAO促進OP的作用機制及藥物干預(yù)的研究進展做一綜述,探究TMAO作為OP的生物標志物及潛在治療靶點的可行性。

圖1 三甲胺-N-氧化物化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.1 Chemical structural formula of trimethylamine N-oxide

1 TMAO和OP的關(guān)系

TMAO是一種關(guān)鍵的GM衍生代謝物,血漿TMAO升高致使促炎細胞因子增加,最終導(dǎo)致多種炎癥相關(guān)疾病,包括OP、心血管疾病、糖尿病、腦卒中和代謝綜合征[10]。根據(jù)現(xiàn)有報道,TMAO主要從氧化應(yīng)激(oxidative stress,OS)、NF-κB信號通路、NLRP3炎癥小體、骨髓間充質(zhì)干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)等方面來介導(dǎo)促進OP,加速OP的病程進展[11]。TMAO通過促進OS激活炎癥通路,進而促進破骨細胞(osteoclast,OC)的形成導(dǎo)致骨量流失加重。另一方面TMAO激活炎癥通路導(dǎo)致BMSCs成脂分化比例增多并抑制BMSCs成骨分化,使成骨細胞(osteoblast,OB)的分化減少,骨形成的量大幅度降低,繼而導(dǎo)致OP的發(fā)生與加重,同時OP相對特殊的內(nèi)環(huán)境會加速一些炎癥因子的生成與釋放,反過來促進OP的進展,形成一個循環(huán)。因此TMAO對于OP病程具有顯著推進作用,并且主要是以炎癥反應(yīng)為作用渠道。

1.1 TMAO誘導(dǎo)活性氧促進并加重OS

活性氧(reactive oxygen species,ROS)引發(fā)的OS介導(dǎo)了多條關(guān)于OP形成的通路,在OP的整個進程中扮演了重要角色[12]。TMAO可以抑制 SIRT3-SOD2信號通路促使線粒體ROS(mtROS)的產(chǎn)生[13],SIRT3-SOD2信號通路對于調(diào)節(jié)mtROS產(chǎn)生至關(guān)重要,SIRT3通過脫乙酰激活線粒體超氧化物歧化酶(superoxide dismutase 2,SOD2),并將超氧自由基轉(zhuǎn)化為無害的氧[14]。TMAO誘導(dǎo)過量的ROS產(chǎn)生并導(dǎo)致OS,TMAO還可通過上調(diào)尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(NADPH oxidase 4,NOX4)和下調(diào)SOD2來加重OS[15]。過量的ROS積累會使天然抗氧化防御機制引起的氧化還原穩(wěn)態(tài)失衡,繼而阻礙成骨細胞的形成,從而導(dǎo)致骨吸收相對增加,從而導(dǎo)致OP的發(fā)生[16]。同時mtROS的大量累計會導(dǎo)致信號改變、膜損傷、細胞色素c的釋放以及線粒體蛋白質(zhì)和DNA的氧化損傷,引起線粒體凋亡并促進ROS的產(chǎn)生,引起OB凋亡造成骨量丟失,促進OP的發(fā)生和病程進展[17]。

1.2 TMAO激活NF-κB信號通路和NLRP3炎癥小體

TMAO會導(dǎo)致ROS在機體過量積累,ROS是核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎癥小體被激活的已知機制之一,其中mtROS的形成對于NLRP3激活尤其重要[18]。NLRP3炎癥小體活化后致使白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-18(IL-18)的生成增加,IL-1β作為骨吸收的強刺激劑,與巨噬細胞的受體結(jié)合并促進核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for NF-KappaB,RANKL)的產(chǎn)生,RANKL與OC前體細胞上的受體活化因子(receptor activator of NF-KappaB,RANK)結(jié)合,導(dǎo)致破骨細胞活化[19]。在下頜骨缺損模型小鼠的研究中發(fā)現(xiàn),NLRP3缺乏可以顯著促進成骨細胞分化并加速下頜骨愈合[20]。NLRP3炎癥小體廣泛參與OC形成及骨吸收的過程,NLRP3炎癥小體被激活之后會持續(xù)刺激體內(nèi)OC分化,導(dǎo)致骨吸收升高和隨后的骨質(zhì)流失[21]。

TMAO升高和隨后的OS會進一步抑制組蛋白去乙?；?(sirtuin 6,Sirt6)表達,研究發(fā)現(xiàn)骨髓Sirt6缺乏會促進卵巢切除術(shù)誘導(dǎo)的小鼠加快衰老和松質(zhì)骨質(zhì)流失,Sirt6缺乏會激活NF-κB和組織蛋白酶K(cathepsin K,CTSK)促進小鼠破骨形成并抑制成骨細胞的生成[22]。NF-κB是一種轉(zhuǎn)錄因子,涉及固有免疫和適應(yīng)性免疫的多種功能,可作為炎癥和骨重塑的主要調(diào)節(jié)因子,而持續(xù)的慢性炎癥和ROS水平升高也會增強NF-κB活性。研究發(fā)現(xiàn)在NF-κB信號傳導(dǎo)缺陷的轉(zhuǎn)基因小鼠中觀察到過量的骨形成,表明NF-κB在骨形成和重塑中起著重要作用[23]。NF-κB被OS以及其他細胞因子激活后繼而促進腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白介素-6(IL-6)等相關(guān)炎癥過度表達,TNF-α與TNF-α受體(TNFR)結(jié)合后,促使RANKL分泌增多,促進OC的增殖與分化,TNFα也可以通過Smad或Smad非依賴機制抑制骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)誘導(dǎo)的OB分化,TNF-α還可以刺激OC分泌IL-6,IL-6進而促進OC前體的分化與成熟,從而促進骨吸收[24]。TNF-α也可以激活NF-κB通路加速骨質(zhì)的流失,形成一個骨量丟失的惡性循環(huán)。

TMAO和后續(xù)的OS可以激活NLRP3炎癥小體和NF-κB信號通路,促進OC分化,導(dǎo)致骨質(zhì)流失,最終引發(fā)OP[25]。

1.3 TMAO降低BMSCs的分化能力

骨髓間充質(zhì)干細胞(BMSCs)是一種廣泛存在于骨髓腔中的干細胞,具有分化成多個細胞譜系的能力,包括OB、脂肪細胞、成纖維細胞和軟骨細胞,并且BMSCs的分化過程受多種分子通路的調(diào)控,BMSCs在成骨性疾病的干細胞治療中顯示出良好的潛力[26]。BMSCs的成骨和脂肪形成之間的平衡在維持骨穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用,并且是OP發(fā)展的決定因素[27]。研究表明骨質(zhì)疏松性的BMSCs內(nèi)在信號具有不同程度的缺陷,導(dǎo)致其正常分化功能改變,成骨分化能力差,并有利于脂肪生成增加[28]。Lin等[11]研究發(fā)現(xiàn),TMAO水平與骨密度(bone mineral density,BMD)值呈顯著負相關(guān),TMAO可誘導(dǎo)和促進BMSCs的成脂分化,并抑制BMSCs的成骨分化。同時,成脂分化標志蛋白過氧化物酶增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors,PPARγ)和CCAAT增強子結(jié)合蛋白β(C/EBP-α)的表達上調(diào),成骨分化蛋白Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2 (runt-related transcription factor 2,Runx 2)蛋白和骨橋蛋白(osteopontin,OPN)的表達下調(diào),在經(jīng)過TMAO處理后的BMSCs細胞增殖顯著降低,促炎細胞因子水平(IL-1β、TNF-α、IL-6)顯著增加。另一項TMAO處理BMSCs的實驗研究結(jié)果表明,TMAO可以明顯促進BMSCs的成脂分化同時提高ROS濃度水平和活性,并且使IL-1β、IL-6和TNF-α等促炎細胞因子大量產(chǎn)生,抑制BMSCs的成骨分化,導(dǎo)致骨代謝失衡,加重骨量丟失,進而導(dǎo)致或加重OP發(fā)生和進程[29]。

TMAO可以干預(yù)BMSCs的成骨分化能力,使骨量生成減少,繼而骨量吸收-增加的平衡被打破,總體骨量出現(xiàn)減少,導(dǎo)致OP的出現(xiàn)并時期進程加快。見圖2。

圖2 TMAO生成途徑和TMAO介導(dǎo)OP路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of TMAO generation pathway and TMAO mediated OP pathway

2 小結(jié)

TMAO對于OP的發(fā)生和發(fā)展有直接關(guān)聯(lián),主要通過介導(dǎo)OS、NF-κB信號通路、NLRP3炎癥小體和BMSCs等方面來促進OP,但大部分GM衍生代謝產(chǎn)物是通過多渠道、多階段及多步驟介導(dǎo)機體相關(guān)生理病理過程,因此TMAO不單獨通過炎癥相關(guān)通路介導(dǎo)OP,其他信號通路(如自噬信號通路)也可能參與其中,同時TMAO抑制BMSCs成骨分化的具體機制過程也不明確,這些內(nèi)容還需要在相關(guān)研究中進一步去驗證。

TMAO作為心血管不良疾病的生物標志物之一,其臨床檢測方式已經(jīng)成熟且結(jié)果快速準確,并且TMAO和OP因果關(guān)系已經(jīng)明確,因此TMAO作為OP的觀測指標是十分合理的,能夠方便快捷地檢測臨床這一指標更具有推廣研究的實際意義。隨著關(guān)于TMAO和OP的作用機制被逐步揭示,未來其已有望成為OP的生物標志物之一。藥物干預(yù)TMAO治療OP的研究目前較少,但根據(jù)已有的研究結(jié)果表明藥物干預(yù)TMAO治療OP是有效的[30-32]。然而目前這方面的研究開展的較少,還需要等多相關(guān)研究來支持豐富上述結(jié)論。因此將TMAO作為OP治療靶點的觀點還有待商榷,但其有望在未來成為OP新的治療靶點,從而為OP的新藥研發(fā)和治療方案提供新的方向和理論支持。