肖振，李盛華，周明旺，王曉萍，吉星，楊波

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中醫(yī)院，甘肅 蘭州 730050

腸道菌群主要由細(xì)菌、古細(xì)菌、真核生物和病毒組成，其基因數(shù)約為人體基因的150倍[1]。成熟穩(wěn)定的腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可增加腸黏膜穩(wěn)定性，協(xié)助能量攝取與代謝，提升免疫系統(tǒng)發(fā)展與成熟等。腸道菌群紊亂能直接或間接影響免疫、代謝及循環(huán)功能，導(dǎo)致多種骨病[2-3]。不同個(gè)體腸道菌群的差異主要與宿主基因組和生活環(huán)境因素的差異有關(guān)，如遺傳、飲食結(jié)構(gòu)、生活方式（飲酒等）、衛(wèi)生狀況（使用激素和抗生素等）及居住在城市（或鄉(xiāng)村）等因素[4]。

非創(chuàng)傷性股骨頭壞死（non-traumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH）是中青年人群最常見的致殘疾病之一。目前通過運(yùn)用代謝組學(xué)和基因組學(xué)等技術(shù)，已了解腸道菌群在較多疾病中的作用機(jī)制，并在治療上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與炎癥免疫、骨代謝、脂代謝、血液微循環(huán)等密切相關(guān)[2-3，5]，這些病理改變?cè)诠晒穷^壞死發(fā)生發(fā)展中起到關(guān)鍵作用。茲就與免疫炎癥、骨代謝、脂代謝、血液微循環(huán)相關(guān)的腸道菌群研究進(jìn)行梳理，探索腸道菌群影響NONFH可能的作用機(jī)制，為其精準(zhǔn)防治提供新思路。

1 腸道菌群影響非創(chuàng)傷股骨頭壞死作用方式

1.1 微生物分子模式

宿主在疾病狀態(tài)下或受到藥物、毒素、病原體、酒精等刺激后，腸道通透性增加，腸道菌群通過微生物分子模式直接透過腸道屏障進(jìn)入體循環(huán)，分布到遠(yuǎn)端骨骼組織，激活免疫炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，影響骨重塑，損傷骨組織，促進(jìn)股骨頭壞死[2]。細(xì)菌具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)成分，稱為微生物相關(guān)分子模式[2]，主要包括脂多糖、脂磷酸、脂蛋白、菌毛、肽聚糖等，通過模式識(shí)別受體識(shí)別后，誘導(dǎo)宿主免疫應(yīng)答。

脂多糖是革蘭陰性菌一種特征性細(xì)胞壁成分，由疏水脂質(zhì)A、親水核心多糖和親水O抗原特異性側(cè)多糖鏈組成，其中脂質(zhì)A在誘導(dǎo)宿主免疫反應(yīng)時(shí)起到關(guān)鍵作用，O抗原可幫助細(xì)菌逃避宿主免疫反應(yīng)，主要被Toll樣受體（TLR）4識(shí)別引起免疫反應(yīng)[6]。脂磷酸由含糖醇磷酸的聚合物和脂錨組成，主要見于革蘭陽性菌。脂蛋白通過N端連接脂肪酸錨定在革蘭陽性菌和陰性菌的細(xì)胞膜上，能引起劇烈的免疫應(yīng)激反應(yīng)。菌毛是位于細(xì)菌表面的大分子，幫助細(xì)菌黏附在宿主表面并與宿主相互作用。肽聚糖是一種細(xì)菌細(xì)胞壁的成分，由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰脲氨酸組成的聚合物組成。腸道菌群不但參與免疫炎癥反應(yīng)，還可進(jìn)一步調(diào)節(jié)宿主骨代謝[7]。

1.2 腸道菌群代謝產(chǎn)物

腸道菌群與宿主相互作用產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，從多個(gè)方面參與股骨頭壞死發(fā)病，主要包括短鏈脂肪酸（SCFAs）、氧化三甲胺（TMAO）、膽汁酸等。SCFA是腸道細(xì)菌發(fā)酵膳食纖維產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物（包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等），是一種揮發(fā)性脂肪酸，與腸道炎癥和代謝性疾病有關(guān)，其中乙酸鹽和丁酸鹽主要參與能量代謝，丙酸鹽由擬桿菌門和厚壁菌門生成，是肝內(nèi)能量來源，還可抑制膽固醇合成[8]。TMAO是腸道微生物群通過代謝磷脂酰膽堿、膽堿、左旋肉堿及甜菜堿等產(chǎn)生三甲胺在肝臟由黃素單氧化酶氧化后的物質(zhì)，與血管內(nèi)皮新生和血栓形成有關(guān)。TMAO的增加與腸道菌群失調(diào)、手術(shù)應(yīng)激有關(guān)[9]。膽汁酸是由腸道菌群將肝臟合成的初級(jí)膽汁酸進(jìn)行水解和脫羥基作用而生成，主要參與脂代謝的調(diào)節(jié)。

2 腸道菌群影響非創(chuàng)傷性股骨頭壞死作用機(jī)制

2.1 腸道菌群-免疫系統(tǒng)-骨代謝

2.1.1 微生物分子模式-免疫-骨代謝

腸道菌群紊亂時(shí)，微生物可通過微生物分子模式直接參與宿主免疫反應(yīng)，影響骨代謝平衡，導(dǎo)致NONFH等骨病。宿主感染革蘭陰性菌時(shí)，脂多糖介導(dǎo)的TLR4信號(hào)通過Toll/IL-1受體轉(zhuǎn)移，進(jìn)一步激活核因子-κB（NF-κB）或IFN調(diào)節(jié)因子3（IRF3），增加促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生，如白細(xì)胞介素（IL）-1、IL-6及腫瘤壞死因子（TNF）等，促進(jìn)NF-κB受體活化因子配體（RANKL）生成，刺激破骨細(xì)胞，增強(qiáng)骨吸收和骨質(zhì)流失[7，10]。此外，脂多糖還可通過下調(diào)Runx2、osterix和激活轉(zhuǎn)錄因子（ATF）4表達(dá)，抑制成骨細(xì)胞的分化和骨形成[2]。

葡萄球菌脂磷酸（LTA）通過抑制巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）與RANKL刺激的破骨細(xì)胞前體中ERK和JNK的磷酸化，激活TLR2免疫通路，降低AP-1的DNA結(jié)合活性，抑制破骨細(xì)胞的形成和骨吸收[11]。此外，葡萄球菌脂磷酸還能通過增強(qiáng)小鼠間充質(zhì)干細(xì)胞的自噬，上調(diào)各種成骨標(biāo)志物Runx2、堿性磷酸酶（ALP）表達(dá)，促進(jìn)鈣沉積，以及干細(xì)胞成骨分化[12]?？梢?，LTA是一種潛在治療NONFH的方法，但尚需進(jìn)一步研究。

研究表明，葡萄球菌脂蛋白通過合成的脂肽（Pam2CSK4和Pam3CSK4）激活TLR2/MyD88/NF-κB通路，誘導(dǎo)細(xì)菌特異性免疫反應(yīng)，促進(jìn)促炎細(xì)胞因子和趨化因子產(chǎn)生，刺激成骨細(xì)胞上調(diào)RANKL和下調(diào)骨保護(hù)素（OPG）表達(dá)，誘導(dǎo)破骨細(xì)胞生成。腹腔注射Pam2CSK4或Pam3CSK4可顯著降低小鼠股骨骨密度[13]。卟啉單胞菌菌毛被認(rèn)為是一種有效的破骨細(xì)胞發(fā)生因子，菌毛通過TLR4受體誘導(dǎo)破骨細(xì)胞分化和炎性因子的產(chǎn)生，如IL-1β、TNF-α等[14]。研究發(fā)現(xiàn)，葡萄球菌肽聚糖和大腸桿菌肽聚糖只有與脂多糖共同作用才會(huì)結(jié)合NOD1受體，激活NF-κB和MAPK通路，加速破骨細(xì)胞的形成和骨吸收[15]。此外，肽聚糖還能通過激活NOD2受體上調(diào)骨密度，促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，通過降低RANKL/OPG比值減少破骨細(xì)胞生成[16]。

2.1.2 腸道菌群代謝產(chǎn)物-免疫-骨代謝

腸道菌群代謝產(chǎn)物SCFA和膽汁酸均通過調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)影響骨代謝，參與NONFH發(fā)病。SCFA中的丁酸鹽一方面通過提高骨髓內(nèi)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）的數(shù)量，抑制炎性環(huán)境從而下調(diào)破骨細(xì)胞分化與形成[17]，同時(shí)刺激CD8+T細(xì)胞分泌Wnt配體Wnt10b，進(jìn)而促進(jìn)骨形態(tài)發(fā)生蛋白（BMP）9誘導(dǎo)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化并抑制成脂分化，增加骨形成[18]；另一方面，促進(jìn)間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化并提高Runx2水平，提高骨量，用于NONFH修復(fù)[19]。SCFA可加強(qiáng)破骨前體細(xì)胞糖酵解，降低氧化磷酸化水平，從而下調(diào)破骨細(xì)胞關(guān)鍵基因（如TRAF6、NFATc1），抑制破骨細(xì)胞分化，還可通過調(diào)節(jié)Treg直接抑制CTLA4/CD80/60細(xì)胞間接觸和吲哚胺2,3-二加氧酶誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞分化，減少破骨細(xì)胞數(shù)量[16，20]。SCFA還通過增加胰島素樣生長(zhǎng)因子-1的含量，結(jié)合成骨細(xì)胞表面受體LRP1，激活p42/44/MAPK信號(hào)通路誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖，還可抑制成骨細(xì)胞凋亡，促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)及骨科植入物在骨中的整合[9]。此外，SCFA衍生物還影響礦物質(zhì)吸收，已被用于各種組織工程結(jié)構(gòu)中，以減少炎癥并誘導(dǎo)骨組織生成[21]。

膽汁酸參與免疫及骨代謝主要通過激活核受體FXR及跨膜G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體（TGR5）實(shí)現(xiàn)。一方面激活TGR5抑制IκBα/NF-κB通路活性，減輕炎性所致骨破壞，同時(shí)激活A(yù)MPK信號(hào)通路促進(jìn)成骨細(xì)胞相關(guān)基因OC及轉(zhuǎn)錄因子Runx2表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和骨骼發(fā)育[22]；另一方面，通過影響FXR靶基因，并激活BMP2誘導(dǎo)的小鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞樣ST2細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞[23]。

宿主受酒精刺激會(huì)出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)和通透性增加，以及血清代謝組學(xué)改變和神經(jīng)遞質(zhì)紊亂。酒精被腸道菌群和宿主共同作用代謝成乙醛、棕櫚酸乙酯及油酸乙酯等物質(zhì)，參與機(jī)體免疫反應(yīng)，擾亂NONFH骨重塑。其機(jī)制可能為以下兩點(diǎn)：①通過抑制核因子KLF-4/SLC5A6軸活性，抑制維生素B7的攝取，激活mTOR信號(hào)通路，誘導(dǎo)人類CD4+T淋巴細(xì)胞中Th1和Th17介導(dǎo)的炎癥免疫反應(yīng)，增強(qiáng)破骨細(xì)胞活性 ；②直接激活骨髓T細(xì)胞，刺激破骨細(xì)胞生成，增加RANKL、M-CSF、c-Fos及NFATc1等表達(dá)，促進(jìn)骨吸收[26]。Cheng等[27]發(fā)現(xiàn)，厚壁菌門/擬桿菌門比值在長(zhǎng)期飲酒后顯著降低，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和RANKL信號(hào)被激活，發(fā)生骨質(zhì)丟失。

總之，腸道菌群既能直接通過微生物分子模式，還能間接通過與宿主作用腸道代謝產(chǎn)物引起免疫炎癥反應(yīng)，影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性，快速調(diào)節(jié)骨形成和骨吸收，在NONFH發(fā)展中起到重要作用，因此可利用這些促進(jìn)骨吸收或骨形成的不同特性進(jìn)行干預(yù)，以阻止或逆轉(zhuǎn)骨壞死進(jìn)程。

2.2 腸道菌群-脂代謝

脂代謝紊亂是指通過遺傳、獲得而引起血液及其他組織器官中脂類及其代謝產(chǎn)物異常的病理過程，其中血脂代謝是核心。腸道菌群失衡可引起血脂水平失常，進(jìn)一步可同時(shí)影響骨代謝和血液微循環(huán)，與NONFH發(fā)病進(jìn)程密切相關(guān)。

腸道菌群可抑制磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶活性，刺激肝細(xì)胞生脂應(yīng)答的轉(zhuǎn)錄因子（SREBP-1、ChREBP），調(diào)節(jié)宿主脂肪存儲(chǔ)基因的表達(dá)活性，增加宿主脂肪酸的合成、血脂增高和脂肪堆積[28]。脂肪堆積可引發(fā)炎癥通路激活及胰島素抵抗，進(jìn)而抑制骨代謝相關(guān)指標(biāo)骨鈣素、總Ⅰ型膠原氨基端延長(zhǎng)肽和β-膠原特殊序列等水平，降低骨量和骨小梁數(shù)量，導(dǎo)致骨代謝失衡[29]。血脂增高可引起Runx2、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β（TGF-β）/BMP及Wnt通路等成骨相關(guān)信號(hào)通路活性降低，抑制成骨細(xì)胞活性及骨形成[30]，還可激活RANKL/NF-κB受體激活因子/OPG通路，上調(diào)破骨基因表達(dá)，增加破骨細(xì)胞活性和數(shù)量，促進(jìn)骨吸收[31]。研究發(fā)現(xiàn)，高脂狀態(tài)下腸道類桿菌的豐度顯著降低，厚壁菌的豐度明顯增加[32]，會(huì)抑制成骨細(xì)胞活性，甚至引起成骨細(xì)胞凋亡、骨小梁減少，最終導(dǎo)致股骨頭因喪失正常生物力學(xué)支撐而壞死[33]。另外，使用乳酸桿菌可增加非酒精性脂肪性肝病模型大鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌數(shù)量，通過抑制TLR2和TLR9表達(dá)，減輕腸道炎癥，降低三酰甘油、膽固醇、脂肪酸合成酶和脂肪酸結(jié)合蛋白1等，進(jìn)而降低骨吸收，維持骨量[34]。

脂多糖因菌群失調(diào)而增加，可介導(dǎo)免疫細(xì)胞CD14/TLR4受體，激活MyD88/NF-κB通路，促進(jìn)IL、TNF等多種促炎因子分泌[35]，增加巨噬細(xì)胞衍生泡沫細(xì)胞的脂質(zhì)攝入，導(dǎo)致細(xì)胞死亡和斑塊形成，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化，影響血液微循環(huán)[36]。

腸道代謝產(chǎn)物TMAO可下調(diào)膽汁酸合成酶和膽汁酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，如CYP7A1、CYP8B1[37]，抑制膽固醇逆向轉(zhuǎn)運(yùn)，通過增加巨噬細(xì)胞表面CD36及下調(diào)膽固醇、逆轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵基因ABCA1表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)膽固醇從動(dòng)脈壁的巨噬細(xì)胞泡沫細(xì)胞外流到細(xì)胞外載脂蛋白A-I，以防動(dòng)脈粥樣硬化，改善血液微循環(huán)[38]。SCFA與脂代謝關(guān)系密切，其中乙酸是肝臟膽固醇合成材料，丙酸鹽可通過抑制HMG-CoA的活性，抑制膽固醇合成。乙酸鹽和丁酸鹽可激活游離脂肪酸受體2和3，促進(jìn)胰島素、多肽YY分泌，調(diào)節(jié)血脂代謝。丁酸鹽還通過另外2種方式影響脂代謝：①上調(diào)PDK1介導(dǎo)Sp1的磷酸化，誘導(dǎo)異二聚體促進(jìn)ABCA-1轉(zhuǎn)錄，加速巨噬細(xì)胞膽固醇流出，降低高血脂[39]；②上調(diào)肝臟SREBP2和低密度脂蛋白（LDL）受體來增強(qiáng)糞便中膽汁酸的排泄，加速膽固醇流出[40]。此外，通過補(bǔ)充富含丁酸和益生菌[41]的膳食纖維可降低血漿膽固醇水平（總膽固醇、肝膽固醇、膽固醇酯或LDL膽固醇）。研究表明，人體內(nèi)膽汁酸與血清三酰甘油含量呈正相關(guān)，且膽汁酸能促進(jìn)脂肪、膽固醇及脂溶性維生素在腸道重吸收，調(diào)節(jié)血脂含量，降低高脂飲食引起的高脂血癥[42]。

綜上，腸道菌群能通過調(diào)節(jié)脂代謝，同時(shí)影響骨代謝和血液微循環(huán)。表明脂代謝是下一步研究腸道菌群與股骨頭壞死的關(guān)鍵機(jī)制。

2.3 腸道菌群-微循環(huán)

腸道菌群可調(diào)節(jié)宿主內(nèi)皮細(xì)胞及血小板活性，影響血管重塑和血栓形成，妨礙股骨頭核心組織血供，最終發(fā)生壞死。付品婷等[43]研究發(fā)現(xiàn)，腸道代謝產(chǎn)物TMAO可通過內(nèi)皮型一氧化氮合酶/一氧化氮（NO）/活性氧途徑促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞病理性遷移增殖而加速動(dòng)脈損傷后新生內(nèi)膜增生，致管腔舒縮能力降低，管腔負(fù)性重塑加速，導(dǎo)致骨組織血供受損、甚至壞死。TMAO還可通過增加三磷酸肌醇以促進(jìn)血小板細(xì)胞內(nèi)Ca2+的釋放，增加血小板活化聚集[44]，促進(jìn)血栓形成。此外，TMAO能抑制抗衰老酶1表達(dá)，提高氧化應(yīng)激，介導(dǎo)激活p53/p21/Rb通路，加速血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老和血管老化[45]。

SCFA可能通過影響內(nèi)皮細(xì)胞增殖和功能調(diào)節(jié)血管重塑，促進(jìn)血管新生，增加股骨頭內(nèi)血液供應(yīng)，營養(yǎng)骨細(xì)胞，促進(jìn)骨修復(fù)。丁酸鹽通過降低NADPH氧化酶和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶表達(dá)水平，減少氧化應(yīng)激，改善內(nèi)皮功能，恢復(fù)骨組織血液供應(yīng)[46]，促進(jìn)壞死區(qū)骨修復(fù)。白藜蘆醇通過降低厚壁菌門與擬桿菌門比例，增加阿克曼氏菌、乳桿菌和雙歧桿菌種群豐度，并減少糞腸球菌生長(zhǎng)，改善動(dòng)脈血管重塑[7]。植物乳桿菌能改善動(dòng)脈粥樣硬化患者動(dòng)脈內(nèi)皮依賴性血管舒張，增加骨微血管循環(huán)血量[47]。

此外，血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）是促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞修復(fù)及血管新生的關(guān)鍵因子，與股骨頭壞死密切相關(guān)[48]。較高的血管滲透性和血管舒張有利于血管新生，VEGF-A可通過提升NO水平提高血管舒張和滲透性，促進(jìn)血管新生[49]。口服雙歧桿菌能提高潰瘍性結(jié)腸炎模型小鼠VEGF含量，加快血管修復(fù)與新生[50]。

總之，股骨頭內(nèi)部是高度血管化的組織，良好的血供不僅為骨細(xì)胞提供營養(yǎng)保障，還能促進(jìn)骨生成，是調(diào)控腸道菌群逆轉(zhuǎn)骨壞死的重要研究方向。

3 展望

隨著代謝組學(xué)和高通量測(cè)序技術(shù)發(fā)展，已經(jīng)明確腸道菌群對(duì)疾病發(fā)生發(fā)展的重要性，初步了解菌群作用的機(jī)制途徑，但NONFH相關(guān)研究尚未展開。上述通過對(duì)腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在骨代謝、微循環(huán)、血管新生、脂代謝等方面的調(diào)節(jié)作用進(jìn)行梳理，為NONFH的腸道菌群研究提供支撐。建議今后重點(diǎn)關(guān)注：①借助代謝組學(xué)和基因組學(xué)對(duì)不同原因所致NONFH分別檢測(cè)，明確腸道菌群調(diào)控骨骼及血管表型等分子作用機(jī)制；②探索調(diào)控腸道菌群的方法，維持體內(nèi)骨穩(wěn)態(tài)和正常微循環(huán)，逆轉(zhuǎn)早期骨壞死；③開發(fā)具備有益腸道菌群功能的骨生物復(fù)合材料，提高NONFH保頭成功率。另外，因不同個(gè)體腸道菌群有一定差異，可制定個(gè)體化菌群調(diào)治方案，以防治NONFH。