董萬(wàn)濤 黃凱 宋敏* 侯紅燕 宋志靖 周靈通 劉小鈺 蔣林博

1. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730020

腸道微生態(tài)(gut microflora)是腸道菌群與其宿主相互作用相互影響的統(tǒng)一體，是人體最為龐大的微生態(tài)系統(tǒng)。腸道微生態(tài)失衡與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，包括骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的代謝性疾病。近年來(lái)，腸道菌群結(jié)構(gòu)和骨代謝之間的關(guān)系備受關(guān)注，通過(guò)調(diào)控腸道菌群來(lái)促進(jìn)骨骼健康、抑制骨鈣流失，從而為骨質(zhì)疏松提供新的靶點(diǎn)治療是目前研究的熱點(diǎn)之一。本文就腸道微生態(tài)失衡與骨質(zhì)疏松癥的聯(lián)系作一探討。

1 腸道微生態(tài)平衡具有重要的生理意義

腸道菌群是一個(gè)強(qiáng)大的人體“功能器官”，成人腸道中定植著數(shù)目龐大(1014)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜(超過(guò)1 000種細(xì)菌)的微生物群落，重達(dá)1～1.5 kg，是人體體細(xì)胞的10倍，編碼330萬(wàn)個(gè)基因，是人類基因數(shù)的150倍左右[1]。宿主體內(nèi)的腸道菌群形成了復(fù)雜而又龐大的微生態(tài)系統(tǒng)，具有非常重要的功能。生理情況下，腸道菌群與宿主共棲互助，既相互依存，又相互影響。腸道微生態(tài)的平衡直接影響著宿主健康，其在促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)食物消化吸收、產(chǎn)生有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、抵御外來(lái)致病菌的侵襲以及調(diào)節(jié)免疫機(jī)制等方面有著重要作用。

腸道微生態(tài)平衡指的是人體腸道菌群與菌群之間、菌群與宿主之間構(gòu)成的平衡關(guān)系，是人類在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中逐漸形成的正常微生物菌群與其宿主在不同發(fā)育階段互動(dòng)的生理性組合，維持著機(jī)體的生理功能和健康[2]。O’Hara等[3]提出腸道菌群是個(gè)“代謝器官”；Cani等[4]進(jìn)一步認(rèn)為腸道微生態(tài)系統(tǒng)具有作為潛在藥物治療靶點(diǎn)的可能性。隨著人類對(duì)腸道微生態(tài)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷深入，其與多種疾病的關(guān)聯(lián)日益受到重視，腸道微生態(tài)的臨床應(yīng)用價(jià)值亦備受關(guān)注。研究[5-7]認(rèn)為，當(dāng)宿主內(nèi)、外環(huán)境改變時(shí)，腸道菌群的種類和結(jié)構(gòu)隨之改變，破壞了菌群內(nèi)部以及宿主與腸道菌群間的平衡狀態(tài)，可引發(fā)消化道疾病(如腸炎)、免疫性疾病(如風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和脊柱關(guān)節(jié)病)以及代謝性疾病(如骨質(zhì)疏松、肥胖癥和糖尿病等)。

2 腸道菌群結(jié)構(gòu)是宿主重要的“微環(huán)境”

腸道菌群包含了益生菌、有害菌和機(jī)會(huì)致病菌等3類菌群，主要由專性厭氧菌構(gòu)成的優(yōu)勢(shì)菌群和需氧菌或兼性厭氧菌構(gòu)成的次要菌群組成。人體腸道菌群結(jié)構(gòu)隨著年齡的變化不斷發(fā)生變化。嬰兒攜帶的菌群基本都是一致的，但分娩方式、哺乳等因素都會(huì)影響嬰兒菌群結(jié)構(gòu)，剖腹產(chǎn)嬰兒優(yōu)勢(shì)菌群是Staphylococci(葡萄球菌)，接近于產(chǎn)婦皮膚的微生物群，陰道分娩嬰兒的優(yōu)勢(shì)菌群則是Lactobacillus(乳酸菌)、Prevotella(普雷沃氏菌)和Atopobium(阿托波氏菌)；離乳期則以Bacteroidaceae(類桿菌)、Peptococcaceae(消化球菌)和Clostridium(梭菌)等為主，兼性厭氧菌開(kāi)始出現(xiàn)，且數(shù)量持續(xù)增加；成年期腸道菌群是非常穩(wěn)定，以Bifidobacteria(雙歧桿菌)、B.Adolescentis為優(yōu)勢(shì)；老年期腸道菌群的組成和功能也隨之轉(zhuǎn)變，兼性厭氧菌升高，Bifidobacteria數(shù)量顯著降低，免疫系統(tǒng)功能開(kāi)始下降。

飲食、益生菌及抗生素的使用均可改變或修飾腸道菌群的組成和結(jié)構(gòu)。腸道菌群通過(guò)消化道結(jié)構(gòu)與功能影響物質(zhì)代謝，產(chǎn)生大量的生物活性代謝分子，從而發(fā)揮“激素樣”效應(yīng)，參與宿主的物質(zhì)代謝、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消化吸收，在維持腸道正常生理、拮抗病原微生物定植以及調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等方面發(fā)揮重要作用[8]。

3 骨質(zhì)疏松的危險(xiǎn)因素與腸道菌群失調(diào)相關(guān)

3.1 衰老與胃腸道功能不足是老年性骨質(zhì)疏松的危險(xiǎn)因素

隨著人體年齡增長(zhǎng)，機(jī)能逐漸老化，胃黏膜的萎縮程度和范圍隨之?dāng)U大，分泌胃蛋白酶和胃酸的上皮細(xì)胞和壁細(xì)胞數(shù)量逐漸減少并萎縮，從而引起胃腸功能的紊亂并影響消化功能，使得骨質(zhì)疏松的易感性明顯增加，這與人體腸道菌群的功能和結(jié)構(gòu)紊亂有著密切的關(guān)系。

胃腸道是人體最主要的消化吸收部位，腸道菌群好比土壤中存在的大量微生物，在分解物質(zhì)的同時(shí)形成新的有益代謝產(chǎn)物，重新進(jìn)入循環(huán)利用。隨著衰老的進(jìn)程，老年人腸道內(nèi)條件致病菌、有害菌、腐敗菌逐漸增多，有益菌特別是乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌逐漸減少，必然導(dǎo)致胃腸功能下降，消化吸收功能受影響，食物通過(guò)腸道的時(shí)間縮短，或者胃腸病變導(dǎo)致腸壁上轉(zhuǎn)運(yùn)通路減少，相應(yīng)受體數(shù)量不足，即使有足夠的鈣、磷及1,25(OH)2D3也不能發(fā)揮其生物學(xué)作用。

衰老與胃腸道功能不足，直接或間接影響腸道鈣、磷的吸收及1,25(OH)2D3的生物學(xué)功能。換言之，胃腸功能下降，宿主所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不能進(jìn)入機(jī)體，食物中的鈣、磷無(wú)法入血，血鈣水平下降，無(wú)法進(jìn)行正常的新陳代謝，從而影響與骨代謝相關(guān)的激素的調(diào)節(jié)。當(dāng)血鈣下降到一定水平時(shí)，骨吸收加速，促使骨骼中的骨鈣釋放入血，維持血中的鈣的濃度，導(dǎo)致骨吸收增加，骨形成減少，骨量流失，最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。

3.2 炎癥性腸病是并發(fā)骨質(zhì)疏松的危險(xiǎn)因素

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是病因尚未明確的慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥性疾病，包括克羅恩病(Crohn disease，CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)。腸道菌群在腸道免疫及 IBD的發(fā)病機(jī)制中起到了關(guān)鍵的作用，IBD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變，有益菌減少，有害菌增多，抑制Treg細(xì)胞，激活Th1和Th17介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，失去免疫耐受功能[9]。

近年越來(lái)越多的證據(jù)表明，IBD誘發(fā)骨量減少和骨質(zhì)疏松的發(fā)病率分別達(dá)22%～77%、17%～41%，顯著髙于正常健康人群[10]。研究認(rèn)為，IBD患者比正常健康人群骨折的風(fēng)險(xiǎn)增加了40%[11]，Card等[12]對(duì)16550例IBD患者和82917例正常對(duì)照者進(jìn)行隊(duì)列研究，結(jié)果顯示UC發(fā)生髖部骨折的相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)是正常對(duì)照的1.49倍，而CD的風(fēng)險(xiǎn)是正常對(duì)照的2.08倍。此外，Vestergaard等[13]對(duì)丹麥16,416患者調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者脊柱骨折的風(fēng)險(xiǎn)較正常人增加了6.5倍。

腸道對(duì)鈣、維生素D、維生素K的吸收不良是IBD誘發(fā)骨質(zhì)疏松的主要病因。IBD患者由于腸道菌群結(jié)構(gòu)紊亂，腸道微生態(tài)失衡，機(jī)體攝入的鈣和維生素D等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足，加之患者腸道黏膜功能受損，維生素D腸肝循環(huán)障礙及長(zhǎng)期、大量使用糖皮質(zhì)激素，腸道對(duì)鈣、維生素D等吸收不良。維生素D缺乏可激活T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，導(dǎo)致小腸黏膜屏障的破壞，從而加重鈣的吸收不良[14]。維生素D缺乏(低于30ng/mL)及鈣吸收不良引發(fā)繼發(fā)性甲狀旁腺功能亢進(jìn)，從而增加骨量丟失[15]。Ulitsky等[16]研究提示維生素D缺乏在IBD患者中發(fā)生率較高，缺乏率達(dá)到了49.5%(n=504，P=0.04)，Shirazi等[17]研究認(rèn)為維生素D亞臨床缺乏可能促使IBD患者骨量丟失。維生素K缺乏與骨質(zhì)疏松關(guān)系密切：維生素K可促進(jìn)谷氨酸γ羧基化骨鈣素的合成和分泌，從而抑制骨吸收、促進(jìn)骨形成以提高骨量；其水平減低可引起未羧化的骨鈣素增高和骨密度下降，骨量流失。此外，維生素K還可調(diào)節(jié)鈣平衡，間接影響骨代謝，其機(jī)制與影響骨鈣素及IL-1、IL-6水平有關(guān)[18]。

IBD高水平的炎癥因子通過(guò)多種途徑誘發(fā)骨質(zhì)疏松。目前，眾多的研究報(bào)道證實(shí)IBD患者腸道炎癥在骨質(zhì)疏松的發(fā)生發(fā)展中扮演重要角色。IBD患者腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能異常，與腸上皮細(xì)胞及免疫細(xì)胞之間的“應(yīng)答對(duì)話”受到抑制，體內(nèi)出現(xiàn)異常的免疫應(yīng)答反應(yīng)，導(dǎo)致免疫細(xì)胞分泌如腫瘤壞死因子(tumour necrosis factor，TNF)-α、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-1、IL-2、IL-6、核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor-κB，NF-κB)等各種促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生。且NF-κB能夠調(diào)節(jié)TNF-α、粘附因子、IL-1、IL-6等的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)一步促進(jìn)炎癥因子的產(chǎn)生[19]。而最新研究證明，IL-6是骨質(zhì)疏松的一個(gè)重要致病因子，IL-6、TNF-α、IL-1α、IL-1β等炎癥因子能夠促進(jìn)破骨細(xì)胞的活性，在骨質(zhì)疏松的進(jìn)程中具有重要作用，IL-1受體拮抗劑和IL-6基因的遺傳變異與IBD臨床病程和骨質(zhì)丟失的嚴(yán)重程度相關(guān)[20]。此外，IBD高水平的炎癥因子通過(guò)RANKL/RANK/OPG信號(hào)通路誘發(fā)骨質(zhì)疏松：NF-κB受體活化因子配體(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)- NF-κB受體活化因子(RANK)-骨保護(hù)蛋白(osteoprotegerin，OPG)途徑是破骨細(xì)胞生物學(xué)和骨代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，IBD患者釋放高水平的炎癥因子抑制OPG的表達(dá)，使RANK與RANKL發(fā)生交互作用，破骨細(xì)胞分化和活性明顯增強(qiáng)，發(fā)生骨量丟失，最終導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。Bernstein等[21]研究證明外源性的OPG可逆轉(zhuǎn)IBD動(dòng)物模型的骨量減少，由此認(rèn)為，OPG可能是IBD繼發(fā)骨質(zhì)疏松患者的治療靶點(diǎn)之一。

3.3 糖皮質(zhì)激素是IBD誘發(fā)骨量減少及骨質(zhì)疏松的重要因素

皮質(zhì)類固醇激素是治療中重度IBD的重要藥物，但同時(shí)其被認(rèn)為是IBD誘發(fā)骨量減少及骨質(zhì)疏松的主要因素之一。皮質(zhì)類固醇激素可抑制骨基質(zhì)蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)骨基質(zhì)蛋白的分解，抑制成骨細(xì)胞及前體分化，減少骨膠原合成，減少骨鈣素的合成和分泌，從而導(dǎo)致骨形成降低，此外皮質(zhì)類固醇激素還可直接作用于破骨細(xì)胞促進(jìn)其活性，影響鈣磷代謝從而促進(jìn)骨吸收。

研究[22]發(fā)現(xiàn)，臨床使用強(qiáng)的松或其等效劑量大于5 mg/d的IBD患者，骨丟失量在治療最初的3～6月中最大，停止應(yīng)用糖皮質(zhì)激素之后骨折風(fēng)險(xiǎn)顯著降低，說(shuō)明IBD患者服用糖皮質(zhì)激素藥物后骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。此外，有學(xué)者研究認(rèn)為，當(dāng)累積量激素大于5 g時(shí)，骨量減少及骨質(zhì)疏松的發(fā)生率會(huì)顯著上升[23]。但也有學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn)IBD患者在使用激素之前或已出現(xiàn)骨質(zhì)疏松。Walther等[24]通過(guò)對(duì)90名IBD患者和52名健康志愿者進(jìn)行骨密度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)IBD患者骨密度較健康志愿者明顯下降，IBD患者中20%的男性及8%的女性可同時(shí)診斷為骨質(zhì)疏松癥，IBD患者罹患骨質(zhì)疏松與是否應(yīng)用激素并無(wú)影響。因此，目前對(duì)IBD患者應(yīng)用皮質(zhì)類固醇激素與誘發(fā)骨量減少及骨質(zhì)疏松之間是否存在聯(lián)系仍有爭(zhēng)議。

3.4 腸道菌群失調(diào)是絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松發(fā)生的關(guān)鍵因素

婦女絕經(jīng)后，體內(nèi)雌激素水平會(huì)急劇下降，釋放大量炎癥因子，刺激破骨細(xì)胞使其活性增加，干預(yù)了骨轉(zhuǎn)化過(guò)程，誘導(dǎo)骨量減少及骨質(zhì)疏松的發(fā)生。

體內(nèi)較高水平的雌激素與腸道菌群的多樣性均有助于維持機(jī)體免疫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。研究[25]發(fā)現(xiàn)，雌激素水平的下降可以減少腸道菌群的多樣性，同時(shí)降低了包括梭菌屬在內(nèi)的厚壁菌門(mén)細(xì)菌豐度。而絕經(jīng)后女性尿雌激素代謝產(chǎn)物與糞便中微生物的多樣性、梭菌屬和桿菌屬的相對(duì)豐度呈正相關(guān)，且腸道菌群的多樣性隨著尿中羥基化雌激素代謝產(chǎn)物比例的增高而增加[25]。絕經(jīng)后由于雌激素急劇減少，不能有效與腸道上皮的雌激素受體結(jié)合，無(wú)法激活胞質(zhì)激酶(如Raf、MEK1/2、Erk1/2等)和三磷酸鳥(niǎo)苷結(jié)合蛋白R(shí)as，胞核內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子的磷酸化減弱，胞質(zhì)蛋白減少，TJ跨膜蛋白Occludin的表達(dá)減少，腸道上皮屏障功能減弱，腸道微生物的有害代謝產(chǎn)物作為抗原進(jìn)入上皮下組織引發(fā)免疫反應(yīng)[26]。炎癥因子(如IL-1、TNF-α等)的高表達(dá)可導(dǎo)致絕經(jīng)后女性發(fā)生骨質(zhì)疏松的風(fēng)險(xiǎn)增加。TNF-α是參與骨吸收的關(guān)鍵因子，TNF-α可直接作用于破骨細(xì)胞前體細(xì)胞并促進(jìn)其分化成熟，并可通過(guò)CD40 L和DLK1/FA-1誘導(dǎo)RANKL和巨噬細(xì)胞集落刺激因子(M-CSF)的生成，并下調(diào)OPG[27]。

雌激素抑制骨吸收主要通過(guò)下調(diào)機(jī)體炎癥免疫應(yīng)答，影響破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞兩條途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。絕經(jīng)后女性體內(nèi)雌激素的缺失及腸道微生物多樣性的下降均可導(dǎo)致雌激素的骨保護(hù)效應(yīng)減弱。有害抗原經(jīng)腸道上皮進(jìn)入宿主體內(nèi)并引發(fā)T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。雌激素缺失誘導(dǎo)骨髓細(xì)胞內(nèi)活性氧簇(ROS)堆積，激活CD4+T細(xì)胞，隨即增加的IFN-γ通過(guò)上調(diào)MHCⅡ的生成增強(qiáng)骨髓巨噬細(xì)胞(bone marrow macrophage，BMM)功能，直接上調(diào)了包括TH17在內(nèi)的CD4+T細(xì)胞的數(shù)量和活性[28]。因此，包括TH17細(xì)胞在內(nèi)的TNF-α和CD4+T細(xì)胞等促破骨細(xì)胞生成因子是腸道菌群介導(dǎo)的絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松骨吸收的關(guān)鍵因素[28]。

4 腸道微生態(tài)失衡可能為骨質(zhì)疏松發(fā)生的易感因素

腸道微生態(tài)可以調(diào)節(jié)機(jī)體的代謝和免疫狀態(tài)，特定的腸道菌群可通過(guò)免疫系統(tǒng)影響宿主的健康狀態(tài)，具有免疫調(diào)節(jié)、促進(jìn)正常的細(xì)胞代謝、抑制骨鈣流失、延緩衰老等作用。近年來(lái)研究[29]表明，腸道菌群可以通過(guò)釋放雌激素類似物、血清素等小分子物質(zhì)、免疫調(diào)節(jié)、影響鈣磷的吸收代謝等方面對(duì)骨代謝進(jìn)行影響。王飆等[30]通過(guò)腸道菌群多樣性分析發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松組人群特異性腸道菌群明顯多于對(duì)照組。越來(lái)越多的研究表明，腸道微生態(tài)可能為骨質(zhì)疏松發(fā)生的易感因素。

腸道微生態(tài)失衡引起的炎癥狀態(tài)、自身免疫改變可導(dǎo)致骨質(zhì)流失，骨形成減少。研究[31]發(fā)現(xiàn)，腸道菌群缺乏的無(wú)菌小鼠股骨遠(yuǎn)端骨體積分?jǐn)?shù)比正常小鼠增加39%，骨小梁數(shù)目增多，間距減小，皮質(zhì)骨骨量也有顯著增高。通過(guò)骨髓培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，無(wú)菌小鼠的骨形成速率并沒(méi)有顯著變化，但破骨細(xì)胞數(shù)目減少，破骨細(xì)胞前體細(xì)胞(CD11b+/Gr1-)和CD4+T細(xì)胞形成量顯著減少[32]。此外，飼養(yǎng)在無(wú)菌條件下的無(wú)菌小鼠，與非無(wú)菌小鼠相比，炎癥因子的表達(dá)減少，而血鈣及血磷水平并無(wú)顯著性差異，但破骨前體細(xì)胞與T細(xì)胞形成顯著減少，破骨細(xì)胞也相對(duì)較少，然而促進(jìn)骨形成的速度并未降低[33]。因此，無(wú)菌小鼠骨量的增加是由于缺乏作為抗原的腸道菌群，腸道內(nèi)免疫調(diào)節(jié)因子IL-6、TNF-α等下降，骨骼中炎癥因子形成減少，破骨細(xì)胞作用減弱造成的。從實(shí)驗(yàn)角度證明了腸道菌群是調(diào)節(jié)骨量的一個(gè)重要因子，而且是通過(guò)免疫系統(tǒng)來(lái)影響破骨細(xì)胞的生成，從而達(dá)到調(diào)節(jié)骨代謝的目的，進(jìn)一步證實(shí)了腸道微生態(tài)與炎癥因子、免疫系統(tǒng)、破骨細(xì)胞減少及骨密度具有密切相關(guān)性[34]。