袁志發(fā) 張通 蔡金池 方鵬忠 王文己

蘭州大學(xué)第一醫(yī)院骨科，甘肅 蘭州 730000

骨量是衡量骨健康的重要指標(biāo)，其維持依賴于骨代謝動態(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)的過程[1]。骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是骨代謝失平衡的結(jié)果，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)險增加。OP的發(fā)病與增齡緊密相關(guān)，2016年的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，36 %的中國老年人(>60歲)為OP確診患者[2]，人口老齡化使骨質(zhì)疏松癥的防治工作更加緊迫。目前，臨床推薦的治療藥物包括雙膦酸鹽、激素類(雷洛昔芬)、降鈣素和甲狀旁腺素[3]，但化學(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)。

近年來，腸道菌群影響骨代謝的途經(jīng)和內(nèi)在機制逐漸被發(fā)現(xiàn)。在老年人的腸道菌群中，致病菌增多而抗炎菌減少[4]，炎癥狀態(tài)下，活化T細(xì)胞介導(dǎo)破骨細(xì)胞分化，會增加OP的發(fā)病風(fēng)險；研究還發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與礦物質(zhì)吸收、骨生長和骨質(zhì)疏松密切相關(guān)[5-6]，IGF-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)是腸道菌群調(diào)節(jié)這種骨代謝的重要途徑。本文就腸道菌群，IGF-1與骨代謝的關(guān)系及潛在的作用機制進行論述，為OP的防治提供新思路。

1 腸道菌群與骨代謝的關(guān)系

腸道菌群是定植于人體胃腸道并形成微生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜微生物群落[7]。成人腸道內(nèi)微生物群數(shù)量龐大，種類繁多，其攜帶的基因組超過宿主的百倍[8]。腸道菌群與宿主的共生始于出生后，并在宿主免疫應(yīng)答，營養(yǎng)代謝和內(nèi)分泌中起重要作用，同時受到飲食方式、抗生素使用等因素的影響。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可通過多種途徑調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的相對活性，影響骨代謝與生長，包括產(chǎn)生自身代謝產(chǎn)物、改變宿主營養(yǎng)代謝水平，以及調(diào)節(jié)黏膜和免疫應(yīng)答系統(tǒng)[9]。細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分脂多糖可通過慢性炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)骨量減少[10]；胞壁酰二肽可通過下調(diào)RANKL/OPG比值來間接抑制破骨細(xì)胞分化，減少骨吸收，增加骨量[11]，表明腸道微生物的自生分子模式參與了宿主的骨量轉(zhuǎn)化和骨重建。在無菌小鼠與腸菌移植實驗中，Schwarzer等[12]發(fā)現(xiàn)，與同齡健康小鼠相比，無菌幼鼠的體重增長較慢，骨量也較低，而補充植物乳桿菌的無菌小鼠能夠維持正常的生長速率，這表明腸道菌群促進了小鼠骨骼的形成和生長發(fā)育。Li等[13]也證實了這一觀點，他們用鼠李糖乳桿菌GG或益生菌補充劑進行治療，使類固醇缺乏小鼠的小梁骨密度增加，骨量不再丟失。腸道菌群還介導(dǎo)多種骨代謝相關(guān)的信號傳導(dǎo)途徑，包括OPG/RANKL/RANK、Wnt/β-catenin和IGF-1/IGF-1R等。例如，表達增加的骨Wnt10b可預(yù)防1型糖尿病引起的骨量丟失[14]。此外，腸道菌群可產(chǎn)生SCFAs、5-羥色胺、多聚胺、ATP等代謝產(chǎn)物，通過調(diào)節(jié)宿主激素內(nèi)分泌(IGF-1等)和免疫反應(yīng)影響骨代謝。

2 腸道菌群誘導(dǎo)骨代謝中的IGF-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

2.1 IGF-1/IGF-1R信號軸與骨代謝的關(guān)系

IGF-1是一種促生長的內(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。IGF-1R是與IGF-1結(jié)合的受體，廣泛表達于脂肪、肝臟和骨骼等器官中[15]。在循環(huán)中，大部分IGF-1與IGF結(jié)合蛋白3(IGFBP3)、酸不穩(wěn)定亞基結(jié)合形成復(fù)合物，僅少量結(jié)合于其他IGFBP或游離。研究發(fā)現(xiàn)，IGF-1參與了骨形成和骨改建，并通過內(nèi)分泌、旁分泌/自分泌的機制發(fā)揮調(diào)控作用[16-17]。IGF-1水平降低在OP發(fā)病中起關(guān)鍵作用。骨骼內(nèi)的IGF-1存在于多種細(xì)胞類型中，其與IGF-1R結(jié)合會引起IGF-1R信號活性標(biāo)志物的Akt磷酸化，啟動級聯(lián)傳導(dǎo)而調(diào)節(jié)骨代謝。缺失IGF-1R的成骨細(xì)胞增殖能力受抑制，而凋亡活性增加，導(dǎo)致骨小梁減少和礦化不足[18]，提示IGF-1可促進成骨細(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，小鼠的生長板骨化延遲，僅少量骨骼礦化[19]，說明IGF-1在生長板成熟和次級骨化中心形成中起重要作用；骨膜上的IGF-1R表達不足時，會導(dǎo)致骨形成減少[20]，這可能是由于IGF-1誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化不足所致。此外，IGF-1可促進甲狀旁腺素分泌來增加鈣沉積，刺激骨骼形成[16]。上述IGF-1對多種骨組織代謝的調(diào)節(jié)作用表明，一定水平的循環(huán)IGF-1對于骨骼的線性生長和骨轉(zhuǎn)換是必需的。

2.2 果蠅腸道微生物通過IGF-1誘導(dǎo)IIS激活

胰島素/胰島素樣生長因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)(Insulin/Insulin-like growth factor，IIS)在整個動物界高度保守[21]，各物種間都有同源基因。人類IGF-1的同源物是果蠅的胰島素樣多肽(Drosophila insulin-like peptides，dILPs)，其誘導(dǎo)編碼的胰島素樣受體，可實現(xiàn)與哺乳動物IGF-1R相似的細(xì)胞內(nèi)級聯(lián)傳導(dǎo)[22]。果蠅腸道菌群由鞍狀醋桿菌、熱帶醋桿菌等簡單細(xì)菌組成[23]。Shin等[24]發(fā)現(xiàn)無菌幼蠅到蛹的發(fā)育時間比野生型長，定植鞍狀桿菌后可恢復(fù)發(fā)育速度。他們建立并篩選出與氧化呼吸鏈基因突變相關(guān)的鞍狀桿菌突變株P(guān)3G5，發(fā)現(xiàn)P3G5單聯(lián)成蟲的翅膀和腸道比野生型小，這與IIS信號缺陷果蠅的表型類似。通過異位過表達dILP2來增強IIS活性，挽救了P3G5單聯(lián)果蠅的代謝和發(fā)育缺陷，這表明氧化呼吸鏈活性是dILP充分表達所必需的，且野生型鞍醋酸菌誘導(dǎo)dILP表達來促進幼蠅的發(fā)育。Storelli等[25]用植物乳桿菌定植果蠅，發(fā)現(xiàn)幼蟲在營養(yǎng)缺乏條件下恢復(fù)了生長發(fā)育，系統(tǒng)INR信號(dILP活性的讀數(shù))增加，說明植物乳桿菌誘導(dǎo)了dILP產(chǎn)生，且一種共生微生物足以概括腸菌在營養(yǎng)不良條件下的有益生長效應(yīng)。對果蠅的兩項互補性研究初步證明了腸道菌群在誘導(dǎo)IGF-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進生長發(fā)育中的重要作用。

2.3 IGF-1水平影響小鼠生長和骨骼發(fā)育

在哺乳動物小鼠的移植對照實驗中，相比常規(guī)小鼠，無菌小鼠的體重較輕，尺寸較短，骨生長參數(shù)(骨長度、皮質(zhì)骨厚度、皮質(zhì)骨比例和股骨骨小梁比例)較低[12]，表明腸道菌群對于保持小鼠生長發(fā)育是必需的。Yan等[26]的研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群可動態(tài)調(diào)節(jié)循環(huán)中IGF-1水平，促進成年小鼠的骨骼生長和改建。與成年無菌小鼠相比，長期定植腸菌的小鼠血清 IGF-1水平和血清骨形成標(biāo)志物I型膠原N端前肽(N-terminal propeptide of type I collage，P1NP)顯著升高。與此一致，宿主的小梁質(zhì)量、縱向骨長度和骨形成率也增加。相反，廣譜抗生素治療的移植小鼠，血清IGF-1和P1NP下降了，也就是說，腸道菌群促進了IGF-1產(chǎn)生和骨骼生長。Lei等[27]使補充植物乳桿菌的無菌小鼠恢復(fù)到野生型小鼠的IGF-1和IGFBP-3水平，重演了腸道菌群通過IGF-1/IGF-1R軸對宿主的有益作用。最近的一項研究結(jié)果卻與此不一致，相較于野生型小鼠，無菌小鼠血清和骨骼IGF-1增加，且表現(xiàn)出更高的骨形成率和骨小梁體積[28]。這種微生物群對IGF-1和骨骼重塑的差異影響可能源于小鼠種系背景的差異或不同設(shè)施之間腸菌群落組成的差異[29]。而用抗生素耗盡腸道菌群會同時降低小鼠血清P1NP和骨吸收標(biāo)志物I型膠原C端端肽(C-terminal telopeptides of type I collagen，CTX-I)，并導(dǎo)致骨量增加[26]，這表明腸道微生物群既參與骨吸收又參與骨形成，為上述差異提供了一種解釋。

2.4 多個器官被腸道菌群誘導(dǎo)產(chǎn)生IGF-1

大量研究表明，腸道菌群可誘導(dǎo)宿主不同組織產(chǎn)生IGF-1。肝臟是合成IGF-1的主要器官，相比于無菌幼鼠，野生型幼鼠的肝臟中檢測出更高水平的IGF-1[12]；同樣，雞肝臟中的IGF-1在飼喂植物乳桿菌后表達增加[30]。Yan等[26]測量發(fā)現(xiàn)，移植小鼠的腹部脂肪墊中IGF-1水平增加，提示白色脂肪組織(white adipose tissue，WAT)可產(chǎn)生IGF-1。果蠅脂肪體相當(dāng)于哺乳動物的肝臟和WAT，因為在營養(yǎng)不良時，果蠅脂肪體細(xì)胞是dILPs表達并促進INR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)所必需的[25]。Schieber等[31]發(fā)現(xiàn)常規(guī)小鼠肌肉中IGF-1的表達高于無菌小鼠，提示肌肉也是IGF-1的來源器官。然而，Yan等[26]測量定植小鼠的肌肉，發(fā)現(xiàn)其IGF-1水平降低了，這說明循環(huán)IGF-1池的增加可能并不來源于肌肉。他們還發(fā)現(xiàn)，定植小鼠骨骼中的IGF-1及其下游靶基因Runx2的轉(zhuǎn)錄水平也顯著增加，可見骨骼局部IGF-1參與了骨代謝調(diào)節(jié)。Runx2轉(zhuǎn)錄因子可刺激堿性磷酸酶合成，增加成骨細(xì)胞的分化和增殖。

3 SCFAs直接或間接調(diào)節(jié)骨代謝

3.1 SCFAs與GPR結(jié)合直接影響骨細(xì)胞

SCFAs是不可消化膳食纖維經(jīng)腸菌降解后產(chǎn)生的主要代謝產(chǎn)物，包括乙酸、丙酸和丁酸。給無菌小鼠補充發(fā)酵成SCFAs的益生菌可以防止骨量丟失，促進骨骼健康[32]，提示腸道菌群可能是通過其代謝產(chǎn)物間接調(diào)節(jié)宿主生長和骨重建。SCFAs可以通過激活G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPRs)，抑制組蛋白脫乙?；负驼T導(dǎo)自噬來調(diào)節(jié)宿主[33]。GPRs包括GPR41(丙酸和丁酸受體)、GPR43(乙酸和丙酸受體)以及GPR109(丁酸和煙堿受體)[34]。研究證實，SCFA依賴GPR43來誘導(dǎo)外周調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的發(fā)育[35]，受刺激的骨髓細(xì)胞分化形成的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞表達了GPR41和GPR109，這為SCFAs激活GPRs來影響成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞相對活性提供了部分依據(jù)。雖然丁酸能夠直接抑制破骨細(xì)胞分化，卻并不依賴丁酸受體GPR109[36]，這說明SCFAs對宿主破骨細(xì)胞的抑制作用不一定需要SCFA受體來介導(dǎo)。SCFAs也可能直接作用于成骨細(xì)胞，但用高效液相色譜法測定出的骨髓和血清中SCFAs濃度極低，SCFAs似乎主要通過間接機制調(diào)節(jié)骨代謝。

3.2 SCFAs通過IGF-1間接促進生長和骨重建

在果蠅中，突變體P3G5單聯(lián)幼蟲的產(chǎn)乙酸能力受損，表現(xiàn)為發(fā)育和代謝平衡失調(diào)，而補充乙酸逆轉(zhuǎn)了P3G5的生長缺陷[24]，表明SCFAs在增加dILP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)來促進生長方面發(fā)揮了作用。相比于無菌小鼠，野生型或定植腸菌的無菌小鼠，其盲腸中SCFAs濃度更高[37]。Yan等[26]用抗生素治療常規(guī)小鼠減少盲腸中SCFAs和血清IGF-1水平，再補充SCFAs，恢復(fù)了小鼠循環(huán)IGF-1的正常水平。添加SCFAs 4周后既增加了脂肪IGF-1產(chǎn)生和肝臟IGF-1產(chǎn)生趨勢，又降低了骨小梁和骨量，與短期定植腸菌的無菌小鼠相似。這可能是由于IGF-1也促進破骨細(xì)胞分化而增加骨吸收所致[34]。鑒于盲腸中的SCFAs與血清IGF-1水平呈正相關(guān)，可推測SCFAs直接或間接作用于宿主肝臟和脂肪組織，增加循環(huán)IGF-1水平，并促進生長和骨骼發(fā)育。然而，SCFA并不能完全概括由腸道菌群定植引起的骨表型，因為血清P1NP未見明顯變化，也不能排除其他腸道微生物與宿主相互作用引起IGF-1增加。SCFAs在沒有腸道菌群條件下是否足以誘導(dǎo)宿主IGF-1產(chǎn)生以及如何促進宿主IGF-1產(chǎn)生尚未明確。SCFAs是直接還是間接作用于肝臟、脂肪組織來促進IGF-1產(chǎn)生還有待探究。

3.3 SCFAs調(diào)節(jié)GH/IGF-1生長軸活性

生長激素(growth hormone，GH)是腺垂體分泌的能夠促進系統(tǒng)生長、軟骨成骨的蛋白類激素。GH發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)始于與細(xì)胞表面的跨膜GH受體(GHR)的結(jié)合[38]，GHR存在于脂肪、肌肉、肝臟和骨骼等器官中。GH可與成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞表面的GHR結(jié)合，直接影響骨形成與骨吸收動態(tài)平衡；GH也可誘導(dǎo)多種組織協(xié)同分泌IGF-1，間接發(fā)揮促生長作用[39]。循環(huán)中的IGF-1主要由GH刺激肝臟分泌，其含量受到GH水平的調(diào)節(jié)，IGF-1水平升高又負(fù)反饋調(diào)節(jié)GH的合成，共同形成GH/IGF-1生長軸[40]。GHR的活性與酪氨酸激酶JAK2密切相關(guān)，JAK2磷酸化的靶點是STAT5b。GH/IGF-1系統(tǒng)需要通過JAK和STAT信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑起作用。當(dāng)GH與GHR結(jié)合并激活細(xì)胞內(nèi)JAK2后，JAK2對STAT5b進行磷酸化，磷酸化的STAT蛋白與特異性DNA序列結(jié)合，導(dǎo)致IGF-1基因轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)生長和骨代謝。當(dāng)GH/IGF-1生長軸調(diào)節(jié)紊亂時，成骨與破骨動態(tài)平衡被打破，是骨質(zhì)疏松發(fā)生的重要原因。

對幼鼠和幼魚的研究發(fā)現(xiàn)，在慢性營養(yǎng)不良狀態(tài)下，腸道菌群能夠增加GH/IGF-1生長軸活性，從而促進宿主幼體的生長發(fā)育[12,41]。Schwarzer等[12]發(fā)現(xiàn)，相比營養(yǎng)缺乏下的野生型和定植幼鼠，無菌幼鼠循環(huán)中GH水平先較高(28日齡時)后較低(56日齡時)，而IGF-1和IGFBP3均較低。同時，肝臟及肌肉中檢測出的GHR、IGF-1和IGFBP3也較低，這些結(jié)果表明無菌動物的GH/IGF-1生長軸活性在營養(yǎng)貧乏時降低了。有趣的是，無菌小鼠在28日齡時升高的GH效價卻不足以逆轉(zhuǎn)循環(huán)中較低的IGF-1水平，這可能是因為機體在營養(yǎng)剝奪下出現(xiàn)了適應(yīng)性反應(yīng)，即組織處于生長激素抵抗?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致促生長軸活性下降，從而減少生長耗能[42]。他們給低營養(yǎng)的無菌和野生型小鼠注射重組生長激素(recombinant growth hormone，RGH)，并檢測GHR信號活性的標(biāo)志物STAT5b，發(fā)現(xiàn)野生型小鼠顯示出更高的STAT5b磷酸化水平。由此可見，腸道微生物群對GH敏感性有提高作用，且發(fā)育遲緩導(dǎo)致的生長激素抵抗，在分子水平上表現(xiàn)為高GH和低IGF-1。Du等[43]最近的研究證實了上述概念。他們給沒有出生缺陷的生長遲緩的犢牛補充益生菌(芽孢桿菌等)，既增加了犢牛的攝入量和體重，又相應(yīng)地提高了血清GH/IGF-1的水平。然而，Yan等[26]檢測發(fā)現(xiàn)定植小鼠的GH水平?jīng)]有明顯變化，這可能是由于生長激素的釋放具有晝夜節(jié)律，而檢測時采用單點取樣所致。

組蛋白脫乙?；窼IRT1的功能是抑制STAT5磷酸化，SCFAs通過抑制其功能而正向調(diào)節(jié)GH/IGF-1生長軸。Yamamoto等[44]將SIRT1基因敲除的小鼠禁食48 h，發(fā)現(xiàn)其血清和肝臟IGF-1水平表達升高，表明SIRT1介導(dǎo)了營養(yǎng)不良時的生長激素抵抗?？梢姡c道菌群主要由SCFAs間接調(diào)節(jié)GH/IGF-1生長軸活性，發(fā)揮促生長作用。

圖1 腸道菌群誘導(dǎo)IGF-1調(diào)節(jié)骨代謝示意圖Fig.1 Diagram of bone metabolism regulated by IGF-1 induced gut microbiota

4 總結(jié)與展望

腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的研究正成為改善骨健康的新領(lǐng)域。我們對腸道菌群及其代謝產(chǎn)物SCFAs與骨代謝的作用機制、對腸道菌群影響IGF-1水平來調(diào)控骨重建與生長發(fā)育所進行的概括，為腸道菌群用于防治骨質(zhì)疏松，緩解兒童生長缺陷作了理論鋪墊。但腸道細(xì)菌調(diào)節(jié)IGF-1水平和GH敏感性的作用機制尚未完全闡明。此外，人類在飲食、年齡范圍和腸菌組成方面具有高度異質(zhì)性，可能導(dǎo)致相同干預(yù)下的不同反應(yīng)。未來，借助代謝組學(xué)和基因組學(xué)工具，可以從分子水平上剖析腸道菌群調(diào)節(jié)宿主骨代謝的信號途徑，為改善骨骼健康提供新的治療策略。