林杰， 金甬， 龐清江

1.寧波市中醫(yī)院骨科，寧波 315016； 2.寧波市第二醫(yī)院骨科，寧波 315099

隨著人口老齡化的加劇，包括骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis,OP）在內(nèi)的骨科疾病發(fā)病率不斷增加，給家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)[1]。胃腸道菌群（gut microbiome）是定植在胃腸道內(nèi)的龐大微生物群落，除了影響胃腸道外還在一定程度上影響著人體其他系統(tǒng)功能，與人體的健康緊密相關(guān)，同時(shí)也受到飲食及抗生素使用等因素的影響。本文通過(guò)對(duì)近年研究較多的胃腸道菌群對(duì)OP 的影響及具體機(jī)制進(jìn)行歸納和綜述，旨在從胃腸道菌群角度深入理解OP 發(fā)病機(jī)制和幫助臨床選擇更合理的治療策略提供依據(jù)。

1 正常人體胃腸道菌群的特點(diǎn)

正常人類胃腸道內(nèi)含有多達(dá)400～1000 種不同種類的菌種，總數(shù)近100 萬(wàn)億個(gè)，構(gòu)成復(fù)雜的胃腸道菌群微生態(tài)系統(tǒng)，是人體內(nèi)最大的生態(tài)系統(tǒng)，這些微生物被稱為胃腸道菌群，對(duì)人體生命活動(dòng)產(chǎn)生重要作用，從營(yíng)養(yǎng)、物質(zhì)能量代謝、腸道發(fā)育、免疫系統(tǒng)成熟、炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激以及水合狀態(tài)等方面的作用已經(jīng)被逐一證實(shí)，對(duì)于人體各系統(tǒng)的影響及具體機(jī)制也已經(jīng)或者正在被挖掘出來(lái)。胃腸道菌群包括4 種主要的細(xì)菌門類：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門的菌群占據(jù)腸道菌群的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，厚壁菌門占比更是達(dá)到50%～75%[2]。不同門類的腸道菌群參與構(gòu)成了腸道內(nèi)的微生態(tài)環(huán)境，并且參與了人體自出生至死亡的整個(gè)生命過(guò)程。

2 胃腸道菌群對(duì)骨代謝的影響及其作用機(jī)制

近年來(lái)，胃腸道菌群與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系逐漸成為研究熱點(diǎn)，證實(shí)胃腸道菌群可以通過(guò)自身代謝產(chǎn)物影響宿主骨代謝，也可以通過(guò)內(nèi)分泌及免疫系統(tǒng)等幾個(gè)方面來(lái)影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的相對(duì)活性，從而實(shí)現(xiàn)促進(jìn)或者預(yù)防OP 發(fā)生的作用。而胃腸道菌群影響骨代謝的具體途徑和內(nèi)在機(jī)制也在逐步被發(fā)現(xiàn)和證實(shí)。

（1）短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA） 膳食中的鈣攝入量與骨代謝密切相關(guān)，膳食中的鈣通過(guò)位于小腸上皮的鈣通道，經(jīng)過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)吸收入血液，又通過(guò)被動(dòng)運(yùn)輸分布到整個(gè)腸道[3]。腸道中的某些益生菌（雙歧桿菌、乳桿菌及丁酸梭菌等）在自身代謝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些以短鏈脂肪酸（SCFA）為主的代謝產(chǎn)物，SCFA 包括乙酸、丙酸和丁酸，一方面降低腸道pH 值，提高鈣在腸腔內(nèi)的溶解度，使鈣更容易被吸收；另一方面直接增加小腸絨毛結(jié)構(gòu)和小腸上皮表面積，增加細(xì)胞旁途徑的鈣吸收及鈣結(jié)合蛋白的表達(dá)，增加小腸對(duì)鈣的吸收[4]。

研究顯示SCFA 可以通過(guò)抑制組蛋白去乙?；浮⒓せ钐囟ǖ腉 蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors，GPRs）及誘導(dǎo)自噬等幾個(gè)方面來(lái)完成對(duì)骨代謝的調(diào)節(jié)[5]。研究已經(jīng)證實(shí)SCFA 依賴GPR43（乙酸和丙酸受體）來(lái)誘導(dǎo)外周調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的發(fā)育，受刺激的骨髓細(xì)胞分化形成的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞表達(dá)了GPR41（丙酸和丁酸受體）和GPR109（丁酸和煙堿受體），證實(shí)了SCFA 通過(guò)激活GPRs 來(lái)影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性[6]。

另一方面，SCFA 中的丁酸鹽、醋酸鹽、丙酸鹽和色氨酸中的吲哚等成分可以促進(jìn)肌肉合成，抑制分解，抗炎抗氧化及調(diào)節(jié)骨代謝，有助于預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。Charles 等認(rèn)為SCFA 作為腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物之一，還可以直接作用于骨細(xì)胞，增加骨密度及骨強(qiáng)度[7]。小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示SCFA 可以增加小鼠的骨密度及骨強(qiáng)度，在病理狀態(tài)（如炎癥）下小鼠腸道益生菌數(shù)量減少，短鏈脂肪酸減少，促進(jìn)了OP 的發(fā)病[8]。所以說(shuō)當(dāng)胃腸道菌群紊亂，益生菌減少時(shí)，SCFA 生成減少，導(dǎo)致了骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生。

（2）脂多糖 胃腸道菌群的細(xì)菌細(xì)胞壁主要成分脂多糖既能可通過(guò)慢性炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)骨量減少。也能通過(guò)誘導(dǎo)破骨細(xì)胞形成和活化引起骨丟失[9]。胞壁酰二肽則可通過(guò)下調(diào)RANKL/OPG 比值來(lái)間接抑制破骨細(xì)胞分化，減少骨吸收，增加骨量[10]。

（3）5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT） 5-HT 對(duì)于骨量的增加有著積極的作用，它既可以增加骨的形成，也可以抑制骨的吸收。超過(guò)90%的5-HT 是在人體腸道中合成的，研究證實(shí)腸源性5-HT 的直接作用靶位是成骨細(xì)胞[11]，腸道菌群通過(guò)調(diào)節(jié)腸道來(lái)源的5-HT 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)骨骼發(fā)育和骨量的調(diào)節(jié)。比如研究發(fā)現(xiàn)健康小鼠腸道中的鏈球菌和大腸桿菌可以上調(diào)血清5-HT 水 平[12]。

3 胃腸道菌群與OP 發(fā)生及其機(jī)制

有不少研究發(fā)現(xiàn)胃腸道菌群和骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生具有密切聯(lián)系，在我國(guó)高達(dá)15.7%的老年人群患有骨質(zhì)疏松癥，據(jù)估計(jì)到2050 年我國(guó)老年人骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率可達(dá)25%，屆時(shí)老年骨質(zhì)疏松癥患者人數(shù)將超過(guò)2 億[13]。老年人骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生與許多因素有關(guān)，胃腸道菌群的改變是其中比較重要又比較容易被忽視的因素。研究發(fā)現(xiàn)老年人與年輕人的腸道微生物種群相比有著顯著差異，老年人的腸道微生物種群數(shù)量少，結(jié)構(gòu)較單一，擬桿菌屬的比例較高[14]。這可能與老年人隨著年齡增長(zhǎng)而產(chǎn)生的膳食纖維減少等飲食習(xí)慣改變、慢性疾病增多、營(yíng)養(yǎng)狀況變差等因素相關(guān)[15]。年齡增長(zhǎng)導(dǎo)致的腸道生態(tài)紊亂狀態(tài)可進(jìn)一步導(dǎo)致腸道屏障功能障礙、有害菌毒素增多、有益次級(jí)代謝產(chǎn)物減少，并引發(fā)機(jī)體炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激損傷，可以引起骨代謝紊亂；另外從免疫角度來(lái)看，老年人胃腸道菌群中，致病菌增多而抗炎菌減少，處于炎癥狀態(tài)下，活化的T 細(xì)胞介導(dǎo)破骨細(xì)胞分化，也會(huì)增加骨質(zhì)疏松的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)。胃腸道菌群的改變還可以調(diào)節(jié)與年齡有關(guān)的生理機(jī)能，包括免疫反應(yīng)和認(rèn)知功能等，這些生理機(jī)能的改變也可能促進(jìn)了包括骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的肌骨系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展[16]。

OP 是骨代謝失平衡的結(jié)果，其發(fā)病率隨年齡增加而增加，主要表現(xiàn)為成骨不足和破骨有余所致的骨結(jié)構(gòu)損害，主要特征為骨量減少和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。人口老齡化使OP 的防治工作更加緊迫。骨量是衡量骨健康的重要指標(biāo)，其維持依賴于骨代謝動(dòng)態(tài)平衡，即成骨細(xì)胞的骨形成和破骨細(xì)胞的骨吸收共同介導(dǎo)的過(guò)程。目前研究認(rèn)為胃腸道菌群與OP 發(fā)生及其機(jī)制可以從免疫、內(nèi)分泌和腸-骨軸三個(gè)方面來(lái)闡述。

3.1 免疫

胃腸道菌群失衡可以影響免疫系統(tǒng)，而腸道免疫系統(tǒng)是人體內(nèi)最大的免疫系統(tǒng)之一，與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展關(guān)系密切。包括炎癥、應(yīng)激、炎性反應(yīng)性腸?。↖BD）以及腹腔疾病等在內(nèi)的許多情況都可以導(dǎo)致腸道免疫系統(tǒng)失調(diào)，腸道免疫系統(tǒng)失調(diào)導(dǎo)致腫瘤壞死因子（TNF）、白細(xì)胞介素-1（IL-1）和白細(xì)胞介素-6（IL-6）等細(xì)胞因子的失調(diào)，這些細(xì)胞因子的失調(diào)與骨丟失以及骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展密切相關(guān)[17]。由于免疫系統(tǒng)與骨質(zhì)疏松等骨代謝相關(guān)疾病關(guān)系密切，因而近年來(lái)有“骨免疫學(xué)”的概念被提出來(lái)。

腸道菌群是腸道免疫系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)因子，口服羅伊桿菌、鼠李糖乳桿菌等益生菌則可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道免疫功能，抑制單核細(xì)胞產(chǎn)生TNF，降低IL-17 表達(dá)來(lái)增加骨量、減少骨丟失，實(shí)現(xiàn)防治OP 的目的[18]。益生菌干酪乳桿菌則改變了巨噬細(xì)胞表型，抑制巨噬細(xì)胞的骨溶解和促炎狀態(tài)[19]。進(jìn)一步表明通過(guò)口服益生菌、改善腸道菌群，可以有效調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)，防治OP。

3.2 內(nèi)分泌

內(nèi)分泌激素作用于身體的各種器官，在包括骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的許多肌骨系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮作用。

（1）胰島素樣生長(zhǎng)因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1） IGF-1 是一種促生長(zhǎng)的內(nèi)分泌激素，在細(xì)胞增殖、分化和細(xì)胞周期中起關(guān)鍵作用,并通過(guò)內(nèi)分泌、旁分泌/自分泌的機(jī)制發(fā)揮調(diào)控作用。研究發(fā)現(xiàn)IGF-1 在骨形成和骨改建過(guò)程中發(fā)揮重要作用，因而也在OP 發(fā)病中起關(guān)鍵作用。

IGF-1R 是與IGF-1 結(jié)合的受體，廣泛表達(dá)于脂肪、肝和骨骼中，骨骼內(nèi)的IGF-1 與IGF-1R 結(jié)合會(huì)引起IGF-1R 信號(hào)活性標(biāo)志物的Akt 磷酸化，啟動(dòng)級(jí)聯(lián)傳導(dǎo)而調(diào)節(jié)骨代謝。研究發(fā)現(xiàn)缺失IGF-1R 的成骨細(xì)胞增殖能力受到抑制，凋亡活性增加，可導(dǎo)致骨小梁減少和礦化不足，這提示IGF-1 具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖、分化和耦合基質(zhì)礦化的能力；軟骨細(xì)胞的IGF-1R 基因敲除后，小鼠的生長(zhǎng)板骨化延遲，僅少量骨骼礦化，說(shuō)明IGF-1 在生長(zhǎng)板成熟和次級(jí)骨化中心形成中起重要作用[20]。另外，IGF-1 還可以通過(guò)促進(jìn)甲狀旁腺素分泌來(lái)增加鈣沉積，刺激骨骼形成。IGF-1 在骨形成和骨重塑過(guò)程中發(fā)揮重要作用，而體內(nèi)的IGF-1 主要是由包括肝、肌肉等多個(gè)器官在包括乳桿菌在內(nèi)的胃腸道益生菌群的誘導(dǎo)下產(chǎn)生的，當(dāng)胃腸道菌群紊亂時(shí)IGF-1 水平降低，這與OP 的發(fā)病和進(jìn)展密切相關(guān)。

（2）雌激素 絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的發(fā)生與雌激素水平變化密切相關(guān)。在腸道菌群中編碼葡萄糖醛酸酶的微生物參與了雌激素的腸肝循環(huán)。雌激素可以通過(guò)NO/cGMP 依賴性磷酸化途徑和Fas/Fas 配體系統(tǒng)促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和存活，另外雌激素還可以通過(guò)低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白的途徑減少破骨細(xì)胞分化，維持骨內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，增加OPG/RANKL 比值[21]。

3.3 腸-骨軸

不管是腸道菌群代謝產(chǎn)物，還是內(nèi)分泌，或者是免疫系統(tǒng)方面來(lái)看，腸道菌群和骨代謝存在著密切而復(fù)雜的聯(lián)系。

在此基礎(chǔ)上近年Alessandro de Sire 等闡述了“腸-骨軸”的概念，闡明了膳食補(bǔ)充和益生菌在改善骨健康和預(yù)防骨質(zhì)疏松中的重要作用，并引起了廣泛關(guān)注[15]。提示我們可以通過(guò)分析患者具體情況為每一位患者定制個(gè)性化的胃腸道干預(yù)措施，比如鐘小惠等基于腸道菌群對(duì)骨生成障礙影響的研究就認(rèn)為通過(guò)個(gè)性化飲食，單獨(dú)或者同時(shí)控制血液中特定分子的水平（鈣離子、維生素和氧化三甲胺等）可能成為未來(lái)研究通過(guò)個(gè)性化營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)骨生成的關(guān)鍵[22]。

4 胃腸道菌群對(duì)OP 的治療作用

胃腸道菌群在骨質(zhì)疏松發(fā)生發(fā)展中起的重要作用，因此益生菌可能是治療骨質(zhì)疏松癥的可行方法。傳統(tǒng)乳酸桿菌和雙歧桿菌已經(jīng)被證實(shí)具有治療骨質(zhì)疏松的作用。在臨床研究中，Li 等[23]報(bào)道了一項(xiàng)口服羅伊氏乳桿菌治療老年骨質(zhì)疏松的前瞻性隨機(jī)對(duì)照研究，發(fā)現(xiàn)其中10 例患者在口服羅伊氏乳桿菌后骨量丟失情況和炎癥水平明顯好轉(zhuǎn)，是所以說(shuō)補(bǔ)充羅伊氏乳桿菌有可能阻止腸道菌群和炎癥狀態(tài)的惡化，具有治療骨質(zhì)疏松的作用。

目前有學(xué)者提出一種名為嗜黏蛋白-阿克曼菌的新型益生菌在治療骨質(zhì)疏松方面具有更強(qiáng)的作用。 Chevalier 等[24]報(bào)道嗜黏蛋白-阿克曼菌可以增加骨小梁體積、連接密度和厚度，從而改善成年雌性和年輕雄性小鼠的骨生物力學(xué)強(qiáng)度，從而防止卵巢切除術(shù)引起的骨丟失，為嗜黏蛋白-阿克曼菌治療骨質(zhì)疏松提供了有力證據(jù)。

中醫(yī)藥也在通過(guò)改善胃腸道菌群實(shí)現(xiàn)對(duì)OP 干預(yù)的實(shí)踐中取得了顯著的效果。Zhang 等[25]報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于傳統(tǒng)中醫(yī)藥治療腸道菌群紊亂的骨質(zhì)疏松癥的有研究，發(fā)現(xiàn)采用口服薏苡的21 例患者治療3 個(gè)月后他們的平均骨密度由(-2.814±0.176)提升到(-2.262±0.132)。另外，這些患者的擬桿菌屬、埃希菌-志賀菌屬、糞桿菌屬、巨單胞菌屬、布勞蒂亞、克雷伯菌屬和普雷沃菌等轉(zhuǎn)基因微生物豐度發(fā)生明顯變化，并且觀察到主要變化胃腸道菌群的代謝物是辣椒平，苯丙氨酸，二氯丙酸，d -焦谷氨酸和坦索羅辛，因此中醫(yī)藥干預(yù)下骨質(zhì)疏松癥患者胃腸道菌群和微生物代謝物的變化對(duì)骨代謝具有積極影響。

5 小結(jié)與展望

胃腸道菌群在骨科疾病領(lǐng)域的研究正在成為改善骨健康的一個(gè)新的熱門領(lǐng)域。目前的研究主要以胃腸道菌群和OP、骨關(guān)節(jié)炎為主，發(fā)現(xiàn)胃腸道菌群主要依靠其自身成分及代謝產(chǎn)物通過(guò)代謝、免疫及內(nèi)分泌途徑對(duì)骨科疾病的發(fā)病和進(jìn)展產(chǎn)生影響。當(dāng)胃腸道菌群發(fā)生紊亂時(shí)，益生菌減少，代謝產(chǎn)物發(fā)生不利于人體的變化，進(jìn)而誘發(fā)相關(guān)疾病或者促使疾病進(jìn)展、使癥狀加劇。事實(shí)上，人體是一個(gè)整體，胃腸道菌群不僅可以通過(guò)免疫和內(nèi)分泌途徑對(duì)骨科疾病產(chǎn)生影響，還可以通過(guò)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)（腸-腦軸）、心血管系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)（腸-肺軸）等其他系統(tǒng)的作用間接對(duì)骨關(guān)節(jié)、骨骼肌系統(tǒng)發(fā)揮多方面多重的影響，進(jìn)而影響骨科領(lǐng)域疾病的發(fā)生和發(fā)展。盡管胃腸道菌群治療骨質(zhì)疏松還處于起步階段，但是作為一種潛在的干預(yù)手段，通過(guò)胃腸道菌群干預(yù)調(diào)節(jié)、依靠胃腸道益生菌群激活人體自身內(nèi)分泌和免疫機(jī)制治療骨科領(lǐng)域疾病，使病情向有利的方向發(fā)展，這是骨科領(lǐng)域疾病的臨床診療中的一種全新的干預(yù)思路、研究方向和治療策略。與傳統(tǒng)的藥物以及手術(shù)治療方法相比，通過(guò)調(diào)節(jié)胃腸道菌群緩解治療骨科疾病的方法對(duì)人體正常生理狀態(tài)打擊破壞最小，具有不良反應(yīng)少、恢復(fù)快、風(fēng)險(xiǎn)小、患者依從性好等其他醫(yī)學(xué)干預(yù)手段所不具備的優(yōu)勢(shì)。在OP 治療中，臨床推薦的治療藥物包括雙磷酸鹽、激素類（雷洛昔芬、降鈣素和甲狀旁腺素）和免疫球蛋白類藥物（地舒單抗和雷諾單抗等），但是這些化學(xué)藥物容易引起胃腸不適、肌肉疼痛和低鈣血癥等不良反應(yīng)，但是胃腸道菌群干預(yù)調(diào)節(jié)的途徑預(yù)防和治療OP 患者可以在盡量避免上述副作用的情況下并取得相似、甚至更好的療效?，F(xiàn)階段報(bào)道的益生菌治療和中醫(yī)藥治療可以起到改善患者胃腸道菌群并達(dá)到治療骨質(zhì)疏松癥的作用，但是基于臨床上廣泛存在的迫切需求，其具有廣闊的發(fā)展空間和美好的應(yīng)用前景，亟需進(jìn)一步深入的基礎(chǔ)與臨床研究探索為臨床合理胃腸道菌群干預(yù)治療骨科疾病提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。