腸道菌群在運動改善肥胖性骨關節(jié)炎中的作用

劉 洋，李可峰，董貴俊，宗文浩，代路路，葛新發(fā)

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腸道菌群在運動改善肥胖性骨關節(jié)炎中的作用

劉 洋1，李可峰2，董貴俊2，宗文浩2，代路路2，葛新發(fā)2

1.上海體育學院 運動人體科學學院, 上海 200438; 2.山東體育學院, 山東 濟南 250102。

骨性關節(jié)炎是一種以關節(jié)疼痛和活動受限為主要臨床表現(xiàn)的慢性退行性疾病，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。肥胖是誘發(fā)骨性關節(jié)炎的重要因素，但是，過大的局部應力造成關節(jié)過度磨損不能完全解釋二者的關系，越來越多的研究表明，系統(tǒng)性因素在肥胖性骨性關節(jié)炎的發(fā)病中扮演著重要角色。新近研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)與機體肥胖表型的形成及代謝和免疫通路的激活密切相關，腸道革蘭氏陰性菌外壁主要成分脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）過多移位進入循環(huán)系統(tǒng)可能為肥胖性骨性關節(jié)炎的觸發(fā)因素之一，其介導的Toll樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）信號通路的異常表達參與該疾病的發(fā)生和發(fā)展?？茖W運動是防治骨性關節(jié)炎的有效手段，運動對肥胖患者腸道菌群及其下游分子信號通路的調(diào)控可能是其治療OA的潛在靶點，該機制的深入探索對肥胖人群骨性關節(jié)炎的治療有重要意義。腸道菌群與肥胖二者關系的重新認識與理解，適宜運動改善肥胖及骨性關節(jié)炎的深入探索及研究，信號通路調(diào)控理論的逐漸豐富與完善，為研究肥胖性骨性關節(jié)炎的病理學機制及運動療法的分子機制提供了嶄新視角，并有望成為預防及治療該疾病的新方向。

運動；腸道菌群；肥胖；骨性關節(jié)炎；脂多糖；TLR4

近年來，骨性關節(jié)炎（osteoarthritis, OA）的高患病率使之成為科研領域持續(xù)的研究熱點，至2020年OA將成為全球范圍內(nèi)患病率位居第4的疾病[58]。OA是一種以關節(jié)疼痛和活動受限為主要臨床表現(xiàn)的慢性退行性疾病，其病理學改變包括：關節(jié)軟骨完整性被破壞；軟骨下骨增生及硬化；關節(jié)滑膜炎及骨贅的形成[55]。

OA的致病因素包括肥胖、創(chuàng)傷、衰老、關節(jié)形態(tài)與力線異常等多種，區(qū)分不同類型的OA是選擇適宜治療手段的基礎[3]。在全球范圍內(nèi)肥胖人口比例不斷攀升的背景下，明確肥胖誘導OA的機制及尋找有效的防治手段是科研領域亟待解決的重要課題。近年來，系統(tǒng)性因素在肥胖性OA發(fā)病中的作用逐漸受到重視，肥胖機體腸道菌群與宿主固有免疫、代謝調(diào)控共同形成的信號網(wǎng)絡結構[4,23,63]在其中扮演重要角色。運動是被廣泛推薦的預防和治療OA的手段，對肥胖及代謝相關疾病的積極作用也被研究所證實[1,2,29]。運動對腸道菌群的重塑作用、對脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）及Toll樣受體4（Toll-like receptor4，TLR4）信號通路的調(diào)控可能是其治療OA的靶點，這為研究肥胖性OA的病理學機制及運動干預的分子機制提供了嶄新視角。因此，本研究梳理肥胖性OA的發(fā)病機制、運動干預對該疾病的影響以及調(diào)控機制等相關文獻，從肥胖機體腸道菌群平衡/失衡及LPS/TLR4信號通路轉導的視角對前人的研究成果進行歸納總結。

1 肥胖和骨性關節(jié)炎

肥胖是誘發(fā)OA的重要風險因素[12,13,17,39]，傳統(tǒng)意義上肥胖機體關節(jié)的局部應力過大導致關節(jié)過度磨損是形成OA的主要原因，但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，過大的關節(jié)負載不能完全解釋肥胖與OA的關系。ob/ob和db/db小鼠體重較大，但是OA的患病率并沒有顯著增加[28]，因此，超重不是誘導OA的充分條件。而且，肥胖可使人體非承重關節(jié)，如手關節(jié)OA的患病率增加，可見，非力學因素參與了肥胖性OA的病理過程[60]。此外，相對于BMI，腰臀比是預測OA病程更為準確的指標[17]，腹部脂肪分泌的脂肪因子如脂聯(lián)素和瘦素、炎癥因子如IL-1β和IL-6均有報道參與OA的發(fā)生[13,47]。因此，全身系統(tǒng)性因素在肥胖誘導OA的病理進程中起重要作用。

近10年來，人們的觀念發(fā)生了緩慢而根本性的轉變，有關系統(tǒng)性因素在OA發(fā)病中的作用已開展了深入研究并取得了一定成果。但遺憾的是，目前單純針對炎癥因子或脂肪因子的治療尚未成功，基因水平上的治療，如敲除IL-6基因使小鼠出現(xiàn)更加嚴重（而不是減輕）的OA[16]。運動療法是被廣泛推薦的非藥物治療OA的方法，同時，運動改善肥胖機體代謝紊亂及免疫異常作用顯著。運動對肥胖OA患者的作用及其機制研究越來越多的被關注。

2 運動與肥胖性骨性關節(jié)炎

雖然過量的高強度運動會導致或加速OA的發(fā)生[26,38]，科學合理的運動鍛煉對OA的治療有積極作用。運動對膝關節(jié)骨性關節(jié)炎（Knee osteoarthritis, KOA）影響的系統(tǒng)性綜述指出，運動可以顯著降低患者膝關節(jié)疼痛[24]。同樣，OA療效的Meta分析通過對5 627例止痛藥物治療、4 179例運動療法的效果進行了系統(tǒng)評價，發(fā)現(xiàn)兩種治療手段減輕關節(jié)疼痛的效果相似[34]。有研究顯示，運動可顯著改善OA關節(jié)的功能和結構，自主轉輪運動逆轉了大鼠KOA建模側肢體因疼痛所致的承重減少，提高關節(jié)活動能力[14]。運動上調(diào)KOA大鼠關節(jié)軟骨表層骨形態(tài)發(fā)生蛋白BMPs表達，同時破骨細胞對軟骨下骨的吸收、骨贅的形成受到抑制[38]。

雖然運動作為OA的干預手段已被廣泛關注，但其潛在機制尚不十分明確。盡管如此，運動對機體炎癥的調(diào)控是研究領域密切關注的一個方向。研究發(fā)現(xiàn)，低量級、周期性的壓應力可降低炎癥誘導物對軟骨細胞的刺激，NF-κB轉錄受到抑制使炎癥因子分泌減少[9]，由此可推測，適宜的運動可使軟骨細胞抗炎能力增強。另有研究指出，抗阻練習可降低KOA患者關節(jié)液的炎癥標志物hs-CRP及軟骨細胞外基質(zhì)降解酶MMP3水平，抑制炎癥細胞因子TNF-α調(diào)控的關節(jié)軟骨降解，進而使膝關節(jié)損傷指數(shù)降低、OA臨床癥狀改善[64]。

運動對肥胖性OA的作用如何？遺憾的是，因傳統(tǒng)觀念的長期影響，即力學因素在OA發(fā)病中起關鍵作用，運動對肥胖人群OA影響的研究較為缺乏。盡管如此，有些研究并非針對肥胖群體但其招募的實驗對象大多數(shù)為超重或肥胖人士，也能從側面揭示運動對肥胖性OA的影響。1997年，Ettinger等[19]人在JAMA上發(fā)表了運動干預對KOA老年社區(qū)居民（53%參與者BMI超過30 kg/m2）存在有益影響的文章，指出有氧運動結合抗阻運動顯著改善患者膝關節(jié)功能、減輕關節(jié)疼痛，明確提出運動療法應該成為OA治療的重要組成部分。另有研究表明，下肢抗阻訓練可以提高OA患者（平均BMI為27.7）膝關節(jié)功能，如最大等長收縮力量、膝關節(jié)活動度等，進而增強患者身體平衡能力[48]?？棺柽\動除了可以維持早期OA患者（平均BMD為27.6）關節(jié)的正常功能，參與者日常體力活動水平也因此而增加，這對于超重或肥胖人群改善OA及控制常見代謝并發(fā)癥有重要意義[22]。因此，長期、規(guī)律的適宜運動可改善肥胖患者關節(jié)功能、緩解疼痛并提高身體活動能力。

近年來，有學者提出運動和控制飲食相結合的療法，如ADAPT和IDEA，對肥胖OA患者改善關節(jié)結構及功能、緩解疼痛有積極作用[49,50]。但是，因運動因素的復雜性、參與者肥胖程度以及運動依從性的不同，相關研究結果并不完全一致。有研究指出IDEA并沒有顯著改善肥胖OA患者膝關節(jié)間隙變窄[37]，但是，參與者關節(jié)間隙變化處于自然生理退化范圍0.15 mm/年之內(nèi)，可見，肥胖患者參加運動至少沒有加速關節(jié)退化的進程。總之，科學制定的運動方案對于超重或肥胖OA患者的治療是安全并有益的。

適宜運動對改善肥胖性OA的作用機制尚不清楚，運動對代謝異常以及相關炎癥的調(diào)控可能是作用途徑之一。Griffin等[29]人報道，4周自主轉輪運動減緩了肥胖小鼠股骨內(nèi)側OA的發(fā)病進程，其軟骨基質(zhì)糖胺聚糖缺失降低、軟骨下骨增厚減輕；同時，小鼠糖耐量受損改善、炎癥因子間相關性聚類被打破，體脂與空腹血糖、脂聯(lián)素、IL-1Ra水平不再呈現(xiàn)相關性。這提示，運動足以改善肥胖小鼠的代謝性炎癥，并且這種有益改變可能在保護OA中發(fā)揮積極作用。同時，該研究發(fā)現(xiàn)運動組肥胖小鼠的體重并沒有顯著降低，提示運動促進關節(jié)健康可能獨立于體重的變化。但是，運動如何在調(diào)控代謝性炎癥中發(fā)揮作用？腸道內(nèi)環(huán)境菌群穩(wěn)態(tài)的重塑可能在其中起關鍵作用。

3 運動對腸道菌群的調(diào)節(jié)

1 000～1 150種微生物定植在人體腸道，其龐大的基因組被稱為“微生物組”，也被認為是“人類第二基因組”[7]。腸道菌群與宿主相互協(xié)調(diào)維持機體內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，對人體的營養(yǎng)、代謝和免疫有重要影響。

腸道菌群作為環(huán)境因素調(diào)控機體脂肪積累的報道首見于2004年，B?ckhe等[4]人將普通飼料喂養(yǎng)的小鼠的腸道菌群植入了無菌小鼠腸道內(nèi)，發(fā)現(xiàn)接種菌群后的小鼠在攝食量明顯減少的情況下體脂顯著增加。這在科研領域內(nèi)引起了極大的關注，該研究結果提示，此前人們嚴重低估了腸道菌群在機體能量代謝、脂肪積累等方面的作用，并且腸道菌群結構失調(diào)很可能是形成肥胖的起點。

腸道菌群失衡除了引起機體肥胖表型的改變外，與代謝紊亂、炎癥水平升高等病癥的發(fā)生密切相關。趙立平領導的實驗室在1例嚴重肥胖患者的腸道菌群中發(fā)現(xiàn)過度繁殖的LPS條件致病菌——陰溝腸桿菌，將該類細菌序列引導下分離得到陰溝腸桿菌菌株B29接種至無菌小鼠腸道內(nèi)，小鼠經(jīng)高脂飼料喂養(yǎng)后出現(xiàn)嚴重的肥胖、胰島素抵抗及炎癥水平升高，而對照組無菌小鼠同樣經(jīng)高脂飼料喂養(yǎng)并沒有出現(xiàn)類似的癥狀[23]。同樣，患有代謝綜合癥的小鼠其腸道LPS條件致病菌——硫酸鹽還原菌豐度顯著升高[63]。腸道菌群平衡狀態(tài)的重塑對炎癥的降低有積極作用。ob/ob肥胖小鼠的血液炎癥因子水平升高、肝細胞存在炎癥及氧化應激狀態(tài)，腸道菌群通過有益調(diào)整后腸道屏障功能改善、機體炎癥及氧化應激狀態(tài)減輕[8]。

腸道菌群失調(diào)是機體炎癥水平升高的重要觸發(fā)因素，同時亦參與肥胖機體OA的發(fā)生。Collins等[11]人發(fā)現(xiàn)，肥胖大鼠腸道乳桿菌數(shù)量減少，而該細菌的豐度與血液、關節(jié)液炎癥因子水平以及關節(jié)Mankin評分呈負相關；同時該研究指出，腸道菌群失衡、腸粘膜滲透性增加導致LPS入血增多，其誘導的炎癥反應可能參與OA的發(fā)病。有學者從肥胖、衰老、性別等不同角度分析營養(yǎng)素-腸道菌群-細菌代謝物軸在OA發(fā)病中的作用，從肥胖層面來說，腸道菌群結構紊亂導致代謝性炎癥、胰島素抵抗等疾病可能加速了OA的病理進程[45]。

運動作為有益于宿主健康的環(huán)境刺激因素，可改善腸道菌群結構及菌群代謝物與腸黏膜系統(tǒng)的相互作用，對機體產(chǎn)生積極影響。老年人進行6個月的健身氣功·八段錦練習后，其腸道雙歧桿菌豐度顯著升高[1]，雙歧桿菌可維持腸道黏膜屏障功能、預防細菌性內(nèi)毒素/LPS移位；同時，運動使老年人腸桿菌豐度顯著下降[1]，腸桿菌是引起敗血癥的重要病原菌。運動對腸道菌群帶來的有益改變可提高機體抗炎能力，研究者將進行過自主轉輪運動的小鼠及對照組小鼠的腸道細菌分別移植到無菌組小鼠腸道，再使用葡聚糖硫酸鈉誘導結腸炎，結果發(fā)現(xiàn)，移植運動組腸道細菌的小鼠結腸炎程度較輕[2]。因此，運動可重塑腸道菌群結構、保護腸道屏障功能、減少有害細菌代謝物進入循環(huán)系統(tǒng)且增強機體抗炎能力。

對于肥胖人群來說，運動是否同樣可以通過重建腸道菌群穩(wěn)態(tài)對機體帶來有益效應呢？研究表明，一些具有改善肥胖機體代謝及炎癥屬性的益生菌數(shù)量在運動干預后顯著升高，如乳桿菌對減少腸道革蘭氏陰性菌分泌LPS、減輕機體Ⅱ型糖尿病有積極作用[44]，中等強度跑臺訓練使肥胖大鼠腸道乳桿菌數(shù)量顯著增多，同時有氧運動能力增強[54]。長期的專業(yè)運動訓練使橄欖球運動員腸道菌群的多樣性明顯優(yōu)于普通人，并且運動員中BMI較低者其腸道嗜黏蛋白阿克曼氏菌豐度明顯高于BMI較高者[10]，該菌對改善腸道屏障功能、控制肥胖及代謝性疾病有重要作用[21]。盡管如此，運動對肥胖機體菌群的調(diào)控也存在一些爭議，有研究指出，運動可顯著逆轉高脂飲食所致腸道厚壁菌門和擬桿菌門細菌比值的失調(diào)性升高，使胰島素抵抗減輕、體重和體脂均降低[20]。但有研究持不同觀點，認為運動和高脂飲食對腸道菌群的影響多發(fā)生于不同種類細菌且相互作用獨立，而二者對厚壁菌門和擬桿菌門細菌的作用趨勢相同[40]。雖然各研究因運動方案以及檢測手段的不同使結果存在差異，但總體上為運動調(diào)控肥胖機體腸道菌群結構、改善肥胖及相關代謝疾病提供有力證據(jù)。

運動是否可通過糾正肥胖機體腸道菌群失調(diào)進而保護關節(jié)鮮有報道，該領域的深入探討對揭示運動改善肥胖性OA的內(nèi)在機制具有重要意義。

4 脂多糖誘發(fā)骨性關節(jié)炎的機制及運動的調(diào)節(jié)作用

LPS是腸道革蘭氏陰性菌細菌壁的主要成分，屬病原相關分子模式（Pathogen-associated molecular pattern，PAMP），可激活固有免疫系統(tǒng)引起炎癥反應應答[43]。對于細菌性LPS的研究已經(jīng)接近100年，最初研究主要集中于高劑量LPS對機體的危害，大量LPS進入循環(huán)系統(tǒng)會引起嚴重的系統(tǒng)性炎癥及多器官的損傷，因此，LPS又被稱為內(nèi)毒素。

2007年，Cani等[6]人首次把高脂飲食所致血液LPS/內(nèi)毒素低倍數(shù)的增加，即正常濃度的2～3倍，定義為“代謝性內(nèi)毒素血癥”，并指出腸道LPS條件致病菌數(shù)量的增加是形成該病癥重要的原因。同時，研究者把低劑量LPS注射至小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)LPS在肥胖、胰島素抵抗和炎癥的形成中具有關鍵作用。后續(xù)研究提出代謝性內(nèi)毒素血癥形成的可能機制如下：腸道菌群結構失調(diào)，LPS條件致病菌增多，而雙歧桿菌等具有保護腸道屏障功能的細菌大量減少[63]；內(nèi)源性大麻素系統(tǒng)調(diào)節(jié)障礙造成腸道緊密連接蛋白表達下降，腸道粘膜滲透性增加[51]；肝臟功能受損使內(nèi)化清除LPS的能力下降[32]。

代謝性內(nèi)毒血癥可激活免疫細胞及部分組織細胞TLR4受體介導的固有免疫信號通路，參與代謝綜合癥、炎癥、心血管病等疾病的發(fā)生[35,43]（圖1），而這多種代謝性疾病都與OA的發(fā)生密切相關。研究表明，OA人群同時患有代謝綜合征的比率遠大于非OA人群[56]；代謝性炎癥使大鼠OA發(fā)病率增加[11]，大鼠系統(tǒng)性炎癥標志物hs-CRP水平與OA關節(jié)Mankin評分呈正相關性[27]。此外，II型糖尿病、高血糖和高血脂等疾病與心血管疾病的危險因素成聚集性，心血管代謝疾病增加了OA的患病風險[59]。這些均為肥胖機體內(nèi)源性LPS參與OA的發(fā)病提供了間接證據(jù)。

圖1 肥胖誘導OA機制示意圖

Figure 1. Pathophysiological Mechanisms UnderlyingBetween Obesity and OAin Organ Pathology

雖然LPS可誘導軟骨細胞炎癥反應已被充分證實[31]，但代謝性內(nèi)毒素血癥如何開啟或加速OA的病理進程尚不清楚。有學者提出“Two-hit model”解釋其內(nèi)在機制[35]: LPS激起固有免疫反應從而引發(fā)機體炎癥狀態(tài)是第1個要素；第2要素是關節(jié)內(nèi)部組織結構的損傷和破壞協(xié)同激活固有免疫，如組織損傷時釋放低分子量透明質(zhì)酸，作為配體激活滑膜巨噬細胞上的受體TLR4引起炎癥反應，分泌TNF-α、IL-β等炎癥因子加速組織損傷，由此形成惡性循環(huán)加劇關節(jié)損傷進程（圖1）。但是，能夠引起炎癥反應的因素眾多，代謝性內(nèi)毒素血癥在多大程度上影響OA的病理進程仍缺乏相關研究。

最近研究者在肥胖OA患者的關節(jié)液中成功檢測到LPS，為其直接參與OA的發(fā)病提供重要證據(jù)，研究表明，血液及關節(jié)液LPS的水平均與OA的嚴重程度呈正相關[36]。此前也有報道顯示，關節(jié)液中巨噬細胞標志物可溶性CD14與關節(jié)間隙狹窄及骨贅形成相關，而CD14可結合LPS形成復合體被受體TLR4所識別引起免疫炎癥反應[15]。更重要的是，除巨噬細胞外，關節(jié)內(nèi)多種組織細胞，如軟骨細胞[41]、滑膜細胞[18]及軟骨下骨細胞[33]等，均存在受體TLR4。因此，LPS可能激活關節(jié)內(nèi)不同組織TLR4炎癥信號通路，對細胞“重新編碼”引發(fā)炎癥以及合成、分解代謝失衡從而引起OA的發(fā)?。▓D1）。

運動對機體代謝性內(nèi)毒素血癥有改善作用。系統(tǒng)性內(nèi)毒素水平與體力活動水平呈負相關性，長期久坐成人血液中LPS水平較高，而運動活躍人群血液中LPS水平較低[46]。運動對LPS信號通路也有調(diào)控作用，負重游泳除了可以顯著降低小鼠血液LPS水平外，還能下調(diào)多種組織TLR4蛋白表達，從而減輕肥胖及胰島素抵抗[53]。但遺憾的是，運動是否可以降低循環(huán)系統(tǒng)LPS水平對關節(jié)產(chǎn)生影響尚未見報道。

綜上所述，肥胖機體內(nèi)毒素血癥可能通過“Two-hit model”途徑引發(fā)炎癥反應從而導致OA的發(fā)生，而關節(jié)液中LPS的成功檢測為其直接參與OA的病理過程提供了有力的支持。運動可減輕肥胖機體內(nèi)毒素血癥，但是，運動是否能通過調(diào)控機體內(nèi)LPS水平發(fā)揮改善或治療肥胖性OA的作用需要更多探索。

5 TLR4對骨性關節(jié)炎發(fā)病的作用及運動的調(diào)控

TLR4是介導內(nèi)毒素/LPS應答的主要受體，屬模式識別受體(Pattern recognition receptor，PRRs)，可引起固有免疫反應應答。TLR4適度激活對實現(xiàn)機體正常免疫功能具有重要意義，但其失控性表達可引起組織免疫損傷。TLR4與許多代謝性疾病，如肥胖、代謝綜合征、動脈粥樣硬化等的發(fā)病有關[57]，同時，TLR4參與OA的病理演進過程也得到證實。

5.1 TLR4在關節(jié)不同組織中的表達情況

TLR4在關節(jié)多種組織細胞，如軟骨細胞、滑膜細胞和軟骨下骨細胞等都有表達，其異常激活與OA的發(fā)病密切相關。

OA患者軟骨組織破損處TLR4蛋白表達明顯增多[25]，TLR4過度激活后軟骨細胞IL-1β、MMPs基因表達上調(diào)、NO釋放增多，蛋白聚糖和Ⅱ型膠原蛋白合成減少[41]，引起合成與分解代謝失衡。抑制軟骨細胞TLR4可降低炎癥誘導劑IL-1β對細胞的刺激，減少炎癥因子IL-6及軟骨基質(zhì)降解酶MMP13的分泌[30]；LPS使OA患者關節(jié)置換術取出的軟骨組織加速降解，但是，LPS并未使TLR4-/-小鼠的軟骨細胞分解代謝增強[41]，這提示，TLR4可能為治療OA的重要靶點。而有趣的是，與跨膜型受體TLR4不同，可溶性受體TLR4參與機體的自我保護性調(diào)控。第1腕掌關節(jié)發(fā)生OA后，其關節(jié)軟骨TLR4 mRNA轉錄上調(diào)，但蛋白表達未同步升高，而關節(jié)液中可溶性受體TLR4卻明顯增多，這在一定程度上通過抵消作用減少膜上受體的過多激活及后續(xù)通路的活動實現(xiàn)保護關節(jié)的作用[5]，但具體調(diào)控機制還需更多的研究探索。

試驗所用垃圾焚燒飛灰樣品采自某生活垃圾焚燒發(fā)電廠。該廠使用半干法脫硫、尾部活性炭噴射及布袋除塵器凈化煙氣。垃圾焚燒飛灰放置于真空干燥箱中，在70 ℃的條件下烘干24 h，過100目(0.15 mm)篩后取篩下物料待用。

滑膜炎也是OA的重要病征。有研究指出，OA患者滑膜組織成纖維細胞TLR4蛋白表達增多[18]；過度激活的TLR4信號通路上調(diào)TLR4通路依賴性的RANKL分泌，從而調(diào)控破骨細胞增殖造成關節(jié)損傷[61]。動物實驗發(fā)現(xiàn)，小鼠顳下頜關節(jié)滑膜襯里層細胞TLR4的激活可引起IL-1β分泌增多，導致滑膜炎及軟骨的降解參與關節(jié)炎的形成[42]。

軟骨下骨的病理改變在OA早期就可以被觀察到，關節(jié)軟骨潮線處被激活的TLR4可能參與軟骨下骨的增厚以及骨贅的形成[33]。用LPS和IL-1β作為激動劑分別處理成骨細胞和牙周韌帶成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)LPS激活TLR下游通路的時間較IL-1β引起反應的時間延后[52]。因此，各組織細胞對不同刺激敏感程度相異，而肥胖機體關節(jié)各組織細胞對LPS以及組織損傷誘發(fā)的炎癥因子反應的敏感性、作用的時序性尚不清楚，完全揭示其背后的機制需要更多深入的研究。

總之，關節(jié)多種組織細胞TLR4的異常激活在OA的發(fā)生和發(fā)展中扮演重要角色，而其在肥胖性OA病理過程中的作用還有待近一步探究。

5.2 TLR4/ NF-κB信號通路

LPS激活TLR4受體蛋白及下游蛋白NF-κB有兩條途徑: 髓樣分化因子88(Myeloid differentiation factor 88, MyD88)依賴的信號通路及MyD88非依賴信號通路[25,30,65]。

5.2.1 MyD88依賴的信號通路

LPS與細胞膜上TLR4結合后，MyD88接頭樣蛋白（MyD88 adaptor-like，MAL）引起MyD88聚合招募白介素1受體相關激酶（IL-1 receptor-associated kinase, IRAKs），IRAKs自動磷酸化繼而激活NF-κB抑制物的激酶（Inhibitor of NF-kB kinases, IKKs）復合物。IKKs復合物磷酸化IkB使NF-κB的抑制狀態(tài)得以解除，NF-κB轉入細胞核中誘導炎癥因子的表達，如NOS、TNF、IL-1β等。

5.2.2 MyD88非依賴信號通路

由β干擾素TIR結構域銜接蛋白（TIR-domain-containing adaptor inducinginterferon-β,TRIF）連接的信號通路被稱為Myd88非依賴途徑，其下游蛋白腫瘤壞死因子受體相關分子TRAF6、TANK結合激酶（TANK Binding Kinase 1, TBK1）作用蛋白激酶-1（Receptor interacting protein kinase, RIPK1）最終激活NF-κB入細胞核調(diào)控相關基因的轉錄。

5.3 運動對TLR4表達的調(diào)控

雖然運動對關節(jié)各組織細胞TLR4表達及下游炎癥通路影響的相關文獻尚未見報道，但是，運動可以降低TLR4表達、減輕炎癥反應在其他多種組織中已被證實。有氧運動下調(diào)缺血性腦卒中大鼠腦組織TLR4的表達、降低組織炎癥水平，使建模大鼠腦梗死區(qū)域體積縮小[65]；動脈粥樣硬化大鼠血管內(nèi)皮細胞的MicroRNA-TLR4通路可被運動激活，通過下調(diào)內(nèi)皮細胞TLR4表達減輕血管炎癥損傷[62]。

總之，長期規(guī)律的運動可下調(diào)多種組織中TLR4的表達并對下游炎癥通路的激活發(fā)揮保護作用。然而，運動是否能夠經(jīng)由LPS-TLR4途徑改善或治療肥胖性OA尚未有完整通路上的研究報道，更深入的研究對于正確認識運動與肥胖性OA的關系及尋找干預的關鍵靶點具有重要意義。

6 研究展望

近年來，人們的觀念發(fā)生了緩慢而根本性的轉變，除力學因素作用外，全身系統(tǒng)性因素在肥胖性OA病理機制中的角色逐漸強化。腸道菌群失調(diào)引起內(nèi)毒素血癥為誘發(fā)OA的重要潛在因素，關節(jié)液LPS的成功檢測為其直接參與OA發(fā)病提供了有力的支持，LPS可能通過代謝性炎癥以及激活關節(jié)內(nèi)多種組織TLR4固有免疫信號通路造成關節(jié)損傷。運動是被廣泛推薦的預防和治療OA的手段，科學運動對超重或肥胖OA患者是安全且有益的，運動對腸道菌群、內(nèi)毒素血癥及TLR4/NF-κB信號通路的調(diào)控為攻克肥胖性OA的治療難題提供了新思路。

該主題的完善有待于完整通路上的進一步探討，同時還有幾個問題需要明確：1）運動調(diào)控肥胖機體腸道菌群結構的機制還不十分清楚；2）關節(jié)不同組織細胞固有免疫信號通路與炎癥信號通路激活的敏感性和時序性尚不清楚；3）機體對跨膜型及溶解型受體TLR4的調(diào)控機制有待探索。明確上述問題將有助于進一步闡明肥胖性OA的發(fā)病機制及運動療法的分子機制，并且為該疾病的診治提供新的藥物靶點。

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Role of Intestinal Microflora on Obesity-Associated Osteoarthritis Improved by Exercise

LIU Yang1，LI Ke-feng2，DONG Gui-jun2，ZONG Wen-hao2，DAI Lu-lu2，GE Xin-fa2

1.Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China; 2. Shandong Sport University, Jinan 250102, China.

Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative disease with joint pain, limb disorders and limited mobility which reduces the life quality of patients seriously. Obesity is an important factor in the induction of OA. In addition to the abrasion of local mechanical stress, the systemic factors gradually strengthened in the pathological process. Imbalance in intestinal microflora constitution could be involved in the pathogenesis of obesity-induced OA. Lipopolysaccharide (LPS) may be an important trigger, which induces the abnormal expression of Toll-like receptor 4(TLR4) signal network promoting inflammation in OA. Physical exercise is commonly recommended for obesity- associated OA patients, but the working mechanism behind the positive effects on joint is a black box. we propose that intestinal microflora and LPS/TLR4 signaling pathway may be potential targets of exercise therapy for obesity-induced OA. Efforts to identify how those possible mediators work between exercise and obesity-induced OA will reveal new signalling mechanisms and present new strategies for treatment of OA.

1000-677X(2018)04-0085-07

10.16469/j.css.201804010

G804.7

A

2017-12-27；

2018-03-10

山東省自然科學基金資助項目(ZR2017LC012, ZR2017MC059); 國家體育總局全民健身領域課題(2015B088);山東省高?？萍加媱濏椖?J16LE14)。

劉洋,女,在讀博士研究生,主要研究方向為運動與健康促進, E-mail:liuyangtyky@163.com; 李可峰,女,副教授,博士,碩士研究生導師,主要研究方向為運動訓練適應的分子機制,E-mail:jmlikefeng@163.com;董貴俊,男,教授,博士,博士研究生導師,主要研究方向為運動與慢性病的分子機制,E-mail:donggj@163.com。