原靜晨 宋潔富 王小健 程杰

隨著社會(huì)老齡化程度增高，骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病率、致殘率、死亡率逐年增加[1]。成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞之間的動(dòng)態(tài)失衡是骨質(zhì)疏松癥發(fā)展的決定性因素[2]。研究表明，腸道菌群失衡與骨代謝相關(guān)[3]。腸道菌群與宿主間存在復(fù)雜關(guān)系，本文回顧相關(guān)文獻(xiàn)，探索腸道菌群影響骨代謝的機(jī)制，為臨床研究提供進(jìn)一步依據(jù)。

1 腸道菌群與骨代謝

人體微生物組由豐富多樣的微生物群落組成，包括細(xì)菌和真菌等，其大多位于胃腸道且附著于宿主的黏膜表面[4]。人腸道菌群由1 000多種不同微生物組成，其中厚壁菌門(mén)、擬桿菌、微藻、放線(xiàn)菌和變形桿菌占絕大多數(shù)。它們相互依存和相互競(jìng)爭(zhēng)，并通過(guò)調(diào)節(jié)宿主的免疫、內(nèi)分泌、能量代謝、營(yíng)養(yǎng)吸收等生理機(jī)制與人體相互作用并保持動(dòng)態(tài)平衡，從而在維持人體健康中發(fā)揮作用[5]。雖然腸道菌群相對(duì)穩(wěn)定，但長(zhǎng)期刺激或其他干擾因素可能導(dǎo)致菌群失調(diào)及代謝物失衡，誘發(fā)各種疾病，包括骨質(zhì)疏松癥、肥胖癥、糖尿病、心血管疾病、免疫系統(tǒng)疾病、潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等。影響腸道菌群的因素包括衰老、不良生活習(xí)慣以及抗生素濫用等[6-8]。

骨代謝過(guò)程包含骨骼的形成和吸收，成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞是其中主要涉及的細(xì)胞，而骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、骨細(xì)胞和軟骨細(xì)胞可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的生長(zhǎng)[9]。破骨細(xì)胞吸收骨質(zhì)，成骨細(xì)胞形成骨質(zhì)，兩者保持動(dòng)態(tài)平衡維持骨穩(wěn)態(tài)。然而，因機(jī)體衰老以及某些疾病的影響，骨吸收超過(guò)骨形成可導(dǎo)致骨質(zhì)流失，骨礦物質(zhì)密度降低，骨組織微結(jié)構(gòu)惡化，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，腸道菌群的存在及其多樣性可影響生長(zhǎng)過(guò)程中的骨量變化[10]。Schwarzer等[11]的研究顯示，腸道菌群可影響小鼠新生兒期的生長(zhǎng)。與無(wú)菌小鼠相比，常規(guī)飼養(yǎng)的新生兒小鼠的骨量、骨皮質(zhì)厚度和股骨骨礦物質(zhì)密度均更高，表明微生物群對(duì)骨骼具有合成代謝作用。1型糖尿病可以誘發(fā)骨代謝異常。文獻(xiàn)報(bào)道，羅伊氏乳桿菌可抑制1型糖尿病小鼠腫瘤壞死因子和Wnt10b信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的表達(dá)，預(yù)防骨丟失發(fā)生[12]。雌激素缺乏引起的炎癥反應(yīng)可促進(jìn)骨吸收，而鼠李糖乳桿菌可維護(hù)腸道屏障完整性，有效避免因雌激素缺乏引起的骨質(zhì)流失[13]。有研究顯示，使用嗜酸乳桿菌治療經(jīng)手術(shù)切除卵巢的小鼠時(shí)，其骨吸收標(biāo)志物的水平降低，破骨細(xì)胞形成被抑制；而使用羅伊氏乳桿菌治療時(shí)，其T淋巴細(xì)胞數(shù)量受到抑制，骨質(zhì)流失減少[14-15]。丁酸鹽是一種短鏈脂肪酸，由梭狀芽胞桿菌產(chǎn)生，可刺激骨骼形成[16]。

腸道菌群菌屬繁多，其對(duì)骨代謝的影響可由免疫、內(nèi)分泌及代謝產(chǎn)物等潛在機(jī)制介導(dǎo)。

2 腸道菌群調(diào)節(jié)免疫影響骨代謝

腸道菌群影響宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和功能，其通過(guò)釋放代謝產(chǎn)物與免疫細(xì)胞(包括T細(xì)胞、B細(xì)胞等)，刺激腸黏膜屏障的免疫系統(tǒng)，釋放促炎或抗炎介質(zhì)以及細(xì)胞因子，經(jīng)血液循環(huán)調(diào)節(jié)全身骨代謝。活化的免疫細(xì)胞可遷移到骨骼組織，通過(guò)釋放產(chǎn)物直接調(diào)節(jié)骨代謝，這些產(chǎn)物包括核因子κB受體活化因子配體( RANKL)、腫瘤壞死因子、白細(xì)胞介素(IL)等破骨細(xì)胞誘導(dǎo)因子[17]。

對(duì)小鼠腸道厚壁菌門(mén)的研究發(fā)現(xiàn)，梭狀芽胞桿菌可促進(jìn)結(jié)腸固有層中調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Th細(xì)胞)的表達(dá)。Th細(xì)胞可抑制破骨細(xì)胞分化并阻礙破骨細(xì)胞形成，梭狀芽胞桿菌菌株減少會(huì)導(dǎo)致Th細(xì)胞水平降低以及骨質(zhì)流失增加[18]。

腸道菌群失衡可促進(jìn)Th17細(xì)胞分化，Th17細(xì)胞屬于CD4+T細(xì)胞破骨細(xì)胞群，可分泌IL-17a、IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子以及低水平的干擾素-γ，這些細(xì)胞因子通過(guò)促進(jìn)RANKL釋放，誘導(dǎo)單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞形成破骨細(xì)胞，加劇骨質(zhì)流失[19]。Britton等[20]發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌可減少T細(xì)胞數(shù)量并抑制破骨細(xì)胞形成。Kim等[21]將人糞便分離出的多種共生菌移植至小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)小鼠腸道分節(jié)絲狀菌和人體共生細(xì)菌可促進(jìn)小鼠胃腸道中Th17細(xì)胞的分化，從而加劇骨質(zhì)流失。

腸道菌群影響骨代謝的機(jī)制可由免疫系統(tǒng)介導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞誘導(dǎo)因子水平、Th細(xì)胞表達(dá)、Th17細(xì)胞分化等途徑增強(qiáng)或抑制破骨細(xì)胞活性。此外，腸道菌群也可通過(guò)影響B(tài)細(xì)胞發(fā)育、骨保護(hù)素產(chǎn)生、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑影響骨代謝，這些影響因素有待進(jìn)一步研究。

3 腸道菌群調(diào)節(jié)內(nèi)分泌影響骨代謝

內(nèi)分泌激素作用于人體各器官，也參與許多疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，腸道菌群可以影響許多激素的分泌，從而影響骨代謝。

3.1 雌激素

雌激素可通過(guò)一氧化氮/環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷磷酸化等途徑加速成骨細(xì)胞分化，還可以促進(jìn)骨保護(hù)素分泌，減少破骨細(xì)胞分化并維持骨代謝穩(wěn)態(tài)[22]。雌激素與腸道菌群的豐富性和多樣性直接相關(guān)，特別是梭狀芽胞桿菌和一些球菌等，它們通過(guò)編碼β-葡萄糖醛酸苷酶參與雌激素肝腸循環(huán)，影響雌激素水平[23]。腸道菌群可調(diào)節(jié)由雌激素缺乏引起的炎癥反應(yīng)，從而影響骨代謝。在普通小鼠模型中，雌激素缺乏可增加腸黏膜屏障通透性，加速 Th17細(xì)胞分化，刺激腫瘤壞死因子、RANKL以及IL-17等破骨細(xì)胞誘導(dǎo)因子的分泌，加速骨質(zhì)流失，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。相反，在無(wú)菌小鼠中，雌激素缺乏未能增加破骨細(xì)胞誘導(dǎo)因子產(chǎn)生，這表明腸道菌群是雌激素缺乏小鼠引起骨量丟失的關(guān)鍵因素[24]。Li等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在雌激素缺乏小鼠中添加鼠李糖乳桿菌、雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌、植物乳桿菌、干酪乳桿菌等益生菌可顯著降低腸道通透性，抑制腸道炎癥反應(yīng)，完全防止骨質(zhì)流失。相反，補(bǔ)充大腸桿菌或突變的非益生菌等則不能起到骨保護(hù)作用。因此，當(dāng)雌激素缺乏時(shí)，添加腸道益生菌可有效防止骨質(zhì)流失，這為絕經(jīng)后婦女骨質(zhì)疏松癥的治療提供了新思路。

另有研究表明，腸道菌群還可影響雄激素的分泌，從而防止骨質(zhì)流失，但仍需要更多研究來(lái)證實(shí)[26]。

3.2 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1

胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGF)-1是影響哺乳動(dòng)物健康成長(zhǎng)的關(guān)鍵因子。與無(wú)菌小鼠相比，具有完整腸道菌群的小鼠(常規(guī)飼養(yǎng)小鼠)體內(nèi)循環(huán)中的IGF-1水平更高。無(wú)菌小鼠中較低的IGF-1水平導(dǎo)致其骨骼發(fā)育受到影響，股骨的骨礦物質(zhì)密度、骨皮質(zhì)厚度和骨小梁密度均下降，這表明在腸道菌群促進(jìn)骨骼發(fā)育中IGF-1具有關(guān)鍵作用[11]。

腸道中，多數(shù)革蘭氏陽(yáng)性菌可產(chǎn)生短鏈脂肪酸及其他未確定的代謝產(chǎn)物，它們可作用于肝臟和脂肪組織，誘導(dǎo)IGF-1產(chǎn)生，并作用于成骨細(xì)胞，影響骨代謝。這些代謝產(chǎn)物也可以直接作用于骨骼和肌肉，誘導(dǎo)其產(chǎn)生IGF-1[27]。Yan等[28]通過(guò)對(duì)照研究發(fā)現(xiàn)，添加短鏈脂肪酸飲食4周，小鼠的血清IGF-1水平較不添加小鼠更高，骨骼生長(zhǎng)發(fā)育更迅速。添加益生菌和植物乳桿菌等可顯著增加短鏈脂肪酸產(chǎn)生，從而影響IGF-1產(chǎn)生，促進(jìn)骨骼發(fā)育[29]。

3.3 5-羥色胺

5-羥色胺(5-HT)是介導(dǎo)腸道菌群與骨代謝之間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的潛在因子，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)以外的主要合成部位是腸道，由腸嗜鉻細(xì)胞和黏膜肥大細(xì)胞產(chǎn)生。某些腸道菌群如棒狀桿菌、鏈球菌和大腸桿菌可產(chǎn)生丙酸酯、丁酸等代謝產(chǎn)物，直接誘導(dǎo)色氨酸羥化酶(Tph)1在腸嗜鉻細(xì)胞中的表達(dá)，使無(wú)菌小鼠外周5-HT水平升高[30]。由腸嗜鉻細(xì)胞合成的5-HT可激活成骨細(xì)胞前體的5-HT 1B受體，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成，減少成骨細(xì)胞增殖，從而抑制骨生長(zhǎng)。據(jù)此有學(xué)者提出，可應(yīng)用Tph1抑制劑調(diào)節(jié)腸道內(nèi)5-HT合成，以延緩骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展[31]。

4 腸道菌群變化影響骨代謝

腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可直接或間接影響骨代謝，年齡、益生菌、抗生素、飲食、營(yíng)養(yǎng)等因素可使腸道菌群發(fā)生變化[32]。隨著年齡增加，腸道內(nèi)乳酸桿菌減少而致病性變形桿菌增多，導(dǎo)致體內(nèi)炎癥反應(yīng)被激化，增加骨質(zhì)疏松發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[33]。含地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌的膳食補(bǔ)充劑則會(huì)增加腸道菌群多樣性，與飼喂正常飲食的家禽相比，飼喂該種膳食補(bǔ)充劑可使家禽脛骨的骨礦物質(zhì)密度顯著增加[34]。

抗生素治療可影響腸道菌群的動(dòng)態(tài)平衡，其與宿主年齡、治療時(shí)長(zhǎng)密切相關(guān)。將3周齡斷奶小鼠暴露于低劑量的青霉素、金霉素或萬(wàn)古霉素，其骨礦物質(zhì)密度顯著增加，至7周齡時(shí)這種變化則不明顯；而長(zhǎng)期應(yīng)用抗生素則會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失衡，從而間接影響骨代謝[35]。此外，不同機(jī)體營(yíng)養(yǎng)水平的腸道菌群對(duì)骨骼健康有不同影響。有學(xué)者進(jìn)行研究，分別將健康嬰兒與營(yíng)養(yǎng)不良嬰兒的腸道菌群移植到無(wú)菌小鼠，發(fā)現(xiàn)移植營(yíng)養(yǎng)不良嬰兒腸道菌群的小鼠出現(xiàn)骨骼肌發(fā)育遲緩[36]。

腸道菌群的代謝產(chǎn)物也可影響骨代謝。一方面，腸道菌群可將飲食中的可溶性谷物纖維消化為短鏈脂肪酸，降低腸道pH值，促進(jìn)鈣吸收并抑制破骨細(xì)胞形成；另一方面，腸道菌群與炎癥性腸病的發(fā)展相關(guān)，導(dǎo)致腸道中鈣和維生素D的吸收減少，間接增加骨質(zhì)疏松癥發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[37]。

5 治療

腸道益生菌不僅可促進(jìn)發(fā)育期骨骼的增長(zhǎng)，還可預(yù)防女性絕經(jīng)期以及疾病等因素導(dǎo)致的骨質(zhì)流失。因此，抑制有害菌群或添加益生菌可作為骨質(zhì)疏松癥治療的新靶點(diǎn)。腸道益生菌可將益生元(如低聚果糖、菊粉、木糖、半乳糖和大豆低聚糖等)有效分解，以促進(jìn)自身活性。益生元影響骨代謝的機(jī)制主要為增加胃腸道的鈣吸收。有研究表明，益生元可通過(guò)增加鈣吸收，影響成骨細(xì)胞或破骨細(xì)胞活性，改變微生物組成等途徑，增加胃腸道中有益菌群比例，促進(jìn)骨骼成長(zhǎng)以及預(yù)防骨質(zhì)疏松癥[29]。

6 結(jié)語(yǔ)

腸道菌群與骨代謝關(guān)系密切，其可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫、內(nèi)分泌及自身代謝等多種途徑產(chǎn)生作用。腸道菌群對(duì)骨代謝影響的研究發(fā)展迅速，一些影響機(jī)制有待進(jìn)一步探索。了解腸道菌群對(duì)骨代謝的潛在影響，有助于為骨質(zhì)疏松癥的治療提供新思路。