徐家寧，陸一風(fēng)，唐 昊

（海軍軍醫(yī)大學(xué)附屬長海醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，上海 200433）

骨質(zhì)疏松癥（osteoporosis，OP）是一種以骨量減少、骨微結(jié)構(gòu)破壞，骨折風(fēng)險增加為特征的全身性代謝性疾?。?］。骨質(zhì)疏松癥患者數(shù)量隨著年齡增長而增加，研究人員預(yù)測，21 世紀中葉全球每年因骨質(zhì)疏松癥誘發(fā)骨折的老年患者數(shù)量將超過600 萬人次［2］。有研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥患者的腸道微生物群發(fā)生改變［3］，腸道微生物群參與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機制。腸道微生物群與骨代謝之間的存在密切聯(lián)系，腸道微生物群可能通過SCFAs 或其它代謝產(chǎn)物來調(diào)節(jié)骨代謝。SCFAs 是由飲食與腸道微生物群之間的相互作用產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，被認為是腸道微生物群和骨骼之間的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［4］，目前尚不明確腸道微生物群代謝產(chǎn)物SCFAs 干擾骨質(zhì)疏松癥的機制。本文就腸道微生物群、SCFAs 與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)系及潛在的機制進行說明，為骨代謝疾病防治提供新思路。

1 骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機制

骨代謝是體內(nèi)重要的生理過程，是指骨細胞、骨髓中的紅細胞生成細胞、基質(zhì)細胞等不斷的進行細胞代謝，來進行骨重塑的過程［5］。骨骼會受到各種壓力和意外情況，這可能會導(dǎo)致骨骼損傷，為了保持骨骼的完整性，人體不斷地對骨骼進行重塑，去除舊礦化骨，形成新骨基質(zhì)并礦化。在成年人中，每年約更新5%～10%的骨骼。骨重塑周期包括四個不同的階段：啟動、吸收、逆轉(zhuǎn)和形成，成骨細胞和破骨細胞的動態(tài)平衡貫穿這4 個階段［6］。破骨細胞是從單核細胞/巨噬細胞譜系細胞衍生而來的多核細胞，在巨噬細胞集落刺激因子 （macrophage colony-stimulating factor，M-CSF）存在的情況下，破骨細胞分化因子（receptor activator of nuclear factor-κ B ligand ，RANKL）和共刺激信號控制生成。成骨細胞是單核細胞，是間充質(zhì)干細胞的終末分化產(chǎn)物，可以合成骨骼，在骨基質(zhì)的礦化和骨骼構(gòu)建中起著至關(guān)重要的作用，可分泌骨保護素（osteoprotegerin，OPG）抑制破骨細胞形成。成骨細胞和破骨細胞是影響骨代謝的關(guān)鍵細胞，二者之間的相互平衡是骨骼健康的基礎(chǔ)，骨髓間充質(zhì)干細胞、骨細胞、軟骨細胞、巨噬細胞可以通過影響成骨細胞及破骨細胞從而影響骨代謝。

骨質(zhì)疏松癥是老年人常見的骨病，是一種骨量低和（或）骨質(zhì)量差的疾病。骨量是評估骨骼是否健康的一個指標(biāo)，骨量下降時，骨骼脆性增加，會使骨折幾率增加。目前骨質(zhì)疏松癥的具體機制不明，但是大多認為其基本生物學(xué)機制是骨形成-吸收平衡向破骨側(cè)傾斜［7］，破骨細胞介導(dǎo)的骨吸收過度導(dǎo)致骨質(zhì)流失，骨組織微結(jié)構(gòu)惡化，從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥。骨質(zhì)疏松癥根據(jù)發(fā)病原因不同可分為原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥和繼發(fā)性骨質(zhì)疏松癥。原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥包括絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥（postmenopausal osteoporosis，PMOP）、老年骨質(zhì)疏松癥和特發(fā)性骨質(zhì)疏松癥 （包括青少年型）［8］。其中絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥是最常見的骨質(zhì)疏松癥類型，促成因素是雌激素缺乏導(dǎo)致的破骨細胞活躍。PMOP 機制可分為：（1）雌激素缺失后對于成骨細胞的保護作用消失，促進破骨細胞的生成和骨吸收，同時通過多種機制抑制破骨細胞的凋亡；（2）雌激素可通過下調(diào)T 淋巴細胞等免疫相關(guān)細胞來抑制破骨細胞形成，缺乏后抑制作用減弱；（3）絕經(jīng)后雌激素撤退，可觸發(fā)氧化應(yīng)激反應(yīng)。近期研究發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)疏松癥患者的腸道微生物群發(fā)生改變［3］，這表明腸道微生物可能是導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥患者骨量流失的原因之一。

2 腸道微生物群、SCFAs 與骨質(zhì)疏松癥之間的關(guān)系

2.1 腸道微生物群與骨質(zhì)疏松癥

腸道微生物數(shù)以萬億，擁有數(shù)百個細菌屬。研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物群對宿主生理具有重要影響，從局部而言，腸道微生物群可以通過與巨噬細胞和樹突狀細胞的相互作用使腸道免疫系統(tǒng)成熟，維持健康的腸道屏障；整體來看，腸道微生物群可以通過循環(huán)分子（包括微生物群產(chǎn)生或誘導(dǎo)的代謝物、激素和神經(jīng)遞質(zhì)）［9］影響遠離腸道的各個器官。SCFAs 是腸道微生物群的主要發(fā)酵產(chǎn)物可以影響宿主生理，其他可能影響宿主生理的微生物產(chǎn)品包括次級膽汁酸、5-羥色胺等。

腸道微生物群與骨代謝之間存在關(guān)聯(lián)，早期研究表明腸道微生物群激活破骨細胞刺激骨丟失［10］，近來發(fā)現(xiàn)腸道微生物群也通過成骨細胞調(diào)節(jié)骨形成，從而為骨骼提供合成代謝刺激［11］。腸道微生物群被認為通過三種主要機制影響骨代謝：調(diào)節(jié)營養(yǎng)吸收、調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)和微生物產(chǎn)物穿過腸道內(nèi)皮屏障的易位［12］。腸道微生物群的組成在包括骨質(zhì)疏松癥在內(nèi)的多種疾病中都發(fā)生了變化。PMOP患者人群中細菌豐富度和多樣性降低［13］，骨質(zhì)疏松癥患者的六個腸道微生物菌屬與年齡和性別匹配的對照組相比菌群豐度發(fā)生了顯著變化。腸道微生物群的改變可能導(dǎo)致免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)或激活，骨質(zhì)疏松癥患者循環(huán)中的破骨細胞因子可能會通過微生物群以 T 細胞依賴性機制增加，這可以驅(qū)動炎癥條件下的骨吸收［14］。通過腸道微生物群移植、抗生素治療、益生菌補充劑或飲食干預(yù)來改變腸道微生物群也可以增加或減少骨量。

2.2 SCFAs 與骨質(zhì)疏松癥

SCFAs 被認為是復(fù)雜碳水化合物發(fā)酵產(chǎn)生的主要次級代謝產(chǎn)物，主要在近端結(jié)腸和盲腸產(chǎn)生，三種主要的 SCFAs 是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。SCFAs 是人類新陳代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，在維持健康和功能正常的粘膜方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。SCFAs 是腸上皮細胞的主要能量底物，直接影響腸上皮細胞的生長和分化［15］。SCFAs 可以通過激活 G蛋白偶聯(lián)受體，抑制組蛋白脫乙酰化酶（histone deacetylase ，HDAC）和誘導(dǎo)自噬來調(diào)節(jié)宿主［16］。SCFAs 與腸道上皮和免疫細胞中表達的代謝物感應(yīng) G 蛋白偶聯(lián)受體 GPR41、GPR43 和 GPR109A相互作用，激活不同的信號通路，如ERK/MAPK、JNK、p38 或Akt/PI3K 激酶級聯(lián)，在維持腸道和其他器官的體內(nèi)平衡中起到了關(guān)鍵作用。一旦SCFA進入體循環(huán)，它們可以通過GPCR 影響脂肪組織、骨骼肌、骨骼和肝臟等組織的代謝和功能［17］。SCFAs 會抑制 HDAC，參與基因表達的表觀遺傳調(diào)控，對機體產(chǎn)生影響。丁酸鹽還可誘導(dǎo)抗炎性IL-10 和TGF-β 的產(chǎn)生，并通過抑制轉(zhuǎn)錄因子 NFκB［18］。丁酸鹽誘導(dǎo) Treg 細胞分化，同時可以誘導(dǎo)巨噬細胞、中性粒細胞等細胞凋亡，因此可能可以防止過度的免疫細胞活化。

SCFAs 通過直接作用于參與骨代謝的細胞（例如成骨細胞，破骨細胞，軟骨細胞等）或間接通過形成適當(dāng)?shù)目寡缀兔庖哒{(diào)節(jié)反應(yīng)，在積極影響骨愈合結(jié)果方面具有廣泛的活性［4］。SCFAs，特別是丁酸鹽，通過調(diào)節(jié)參與骨折愈合的關(guān)鍵細胞以及全身炎癥和免疫反應(yīng)，是成功骨愈合的重要貢獻者［19］。SCFAs 可以抑制破骨細胞形成及活性從而抑制骨吸收并促進骨形成。丁酸鹽以劑量依賴性方式顯著降低了破骨細胞的形成和吸收活性，并顯示出MSC 培養(yǎng)物中鈣沉積增加的趨勢。SCFAs 可以影響成骨細胞、破骨細胞并且協(xié)調(diào)炎癥，提升骨量，對于骨愈合而言十分重要。

3 SCFAs 影響骨質(zhì)疏松癥的機制

由腸道菌群產(chǎn)生的SCFAs 先前已被證明在許多慢性炎癥性疾病中起作用，并且是腸-骨信號傳導(dǎo)軸中的關(guān)鍵介質(zhì)。骨質(zhì)疏松癥一般是成骨細胞和破骨細胞之間的比例失調(diào)，SCFAs 可通過影響破骨細胞、成骨細胞等骨代謝相關(guān)細胞或間接通過形成適當(dāng)免疫調(diào)節(jié)反應(yīng)，影響骨質(zhì)疏松癥，特總結(jié)機制如下：

3.1 SCFAs 影響破骨細胞

破骨細胞是負責(zé)生理和病理骨吸收的多核細胞，SCFAs 介導(dǎo)的破骨細胞形成的抑制可能是多種途徑 （包括GPCR，HDAC 抑制，免疫相關(guān)信號和代謝變化）作用的結(jié)果。

3.1.1 GPCR Lucas 等［20］發(fā)現(xiàn)丁酸鹽和丙酸鹽在體外和體內(nèi)抑制破骨細胞生成和骨吸收。破骨細胞和成骨細胞都表達 GPCR［11］，破骨細胞前體細胞表達了GPR41 和GPR109，因此 SCFAs 可能通過GPCR 來發(fā)揮作用。但研究表明在缺乏FFR1（GPR40）的情況下，SCFAs 通過抑制破骨細胞生成防止骨質(zhì)流失［21］。同樣丁酸能夠直接抑制破骨細胞分化，卻并不依賴丁酸受體GPR109［11］。上述情況說明SCFAs 可能通過GPCR 及直接抑制方式來抑制破骨細胞。

3.1.2 抑制HDAC SCFAs 可以抑制HDAC 來調(diào)解宿主，HDACs 被認為是通過從組蛋白和非組蛋白復(fù)合物中去除乙?；鶃砜刂苹虮磉_的特定酶。抑制HDAC 是調(diào)節(jié)炎癥基因表達和破骨細胞形成的重要途徑。丙酸和丁酸可能通過其作為組蛋白去乙?；?（HDAC）抑制劑的活性而具有不依賴于GPCR 的作用［22］，在體外以劑量和時間依賴性方式抑制破骨細胞分化。

3.1.3 免疫 SCFAs 對破骨細胞復(fù)雜的生化關(guān)系中有一個非常重要的途徑就是SCFAs 對免疫系統(tǒng)的應(yīng)答調(diào)節(jié)，進而作用于破骨細胞［23］。成骨細胞及巨噬細胞等免疫細胞分泌IL-6，從而促進破骨細胞的形成［24］，丁酸降低了炎癥IL-6 水平，從而抑制破骨細胞的形成。Treg 細胞是免疫調(diào)節(jié)關(guān)鍵細胞，通過分泌細胞因子來調(diào)節(jié)破骨細胞生成進而抑制骨吸收，但是Rag1 敲除（缺乏T 和B 細胞）小鼠在丙酸鹽和丁酸鹽處理后仍顯示出增加的骨密度，突出了丙酸鹽和丁酸鹽對破骨細胞的直接抑制作用［20］。

3.1.4 氧化 高氧化應(yīng)激通過促進破骨細胞生成而對骨重塑產(chǎn)生負面影響，Tang 等［25］進一步證明，丁酸酯通過降低ROS 水平和促進線粒體抗氧化酶的活性來保護大鼠的骨丟失。SCFAs 還直接誘導(dǎo)破骨細胞前體的代謝重編程，從而以氧化磷酸化為代價增強糖酵解，從而下調(diào)必需的破骨細胞基因，如TRAF6 和NFATc1［17］。

3.2 SCFAs 影響成骨細胞

成骨細胞是骨代謝過程中骨形成的重要細胞。丁酸和腸道微生物群已被證明會影響成骨細胞前體［26］。Khosla 等［27］發(fā)現(xiàn)丁酸能促進小鼠成骨細胞數(shù)量增加并刺激骨形成。研究發(fā)現(xiàn)，丁酸鹽在500 nmol/L 和1 mmol/L 之間的濃度范圍內(nèi)，增加了小鼠顱骨器官培養(yǎng)物中堿性磷酸酶（ALP）的生成，在體外低濃度的丙戊酸鹽也能增強原代成骨細胞的活力［28］。Katono 等［29］發(fā)現(xiàn)丁酸鹽促進了人成骨細胞中礦化結(jié)節(jié)的鈣含量和骨鈣素（OPG）表達，OPG可以干擾RNAKL，通過降低破骨細胞活性間接導(dǎo)致骨形成。

SCFAs 還以Treg 依賴性方式影響骨形成：補充益生菌鼠李糖乳桿菌后產(chǎn)生的丁酸鹽通過 Treg細胞介導(dǎo)的小鼠骨合成代謝 CD8+T 細胞 Wnt10b配體的產(chǎn)生來調(diào)節(jié)骨量［30］。通過注射抗CD25 抗體來阻止Tregs 擴增的研究表明，如果 Tregs 細胞不存在，丁酸不能誘導(dǎo)骨形成和增加骨量［30］。

3.3 SCFAs 影響巨噬細胞

巨噬細胞在骨折愈合過程中起著核心作用，因為它們不僅在骨折后的初始炎癥狀態(tài)下存在，而且在整個愈合階段也存在于損傷部位。促炎性M1 巨噬細胞在最初的愈合階段占主導(dǎo)地位，但組織修復(fù)性M2 巨噬細胞在軟骨內(nèi)骨化階段更為普遍。從M1 到M2 巨噬細胞表型的轉(zhuǎn)變對于支持適當(dāng)?shù)墓怯现陵P(guān)重要。體外和體內(nèi)研究表明，丁酸鹽通過H3K9 乙?；せ頢TAT6 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，促進巨噬細胞向M2 表型分化［31］。單核細胞/巨噬細胞系細胞是骨吸收破骨細胞的前體，通過影響巨噬細胞極化可能會對破骨細胞形成造成影響，進而影響骨代謝。

3.4 SCFAs 通過T 淋巴細胞影響骨代謝

有研究表明，腸道微生物組的免疫調(diào)節(jié)功能可能受 Th-17/T-reg 細胞的調(diào)節(jié)［32］，二者平衡是維持骨代謝平衡的關(guān)鍵。

（1）Treg 細胞（regulatory T cells，調(diào)節(jié)性T 細胞）：SCFAs 的免疫調(diào)節(jié)作用研究最多的是Tregs細胞分化和增殖的能力。腸Treg 細胞維持豐富的微生物群落并促進食物消化，有利于腸道穩(wěn)態(tài)。Treg 細胞是抑制性CD4+T 細胞，它們能夠抑制破骨細胞生成和促進成骨細胞分化，并且是甲狀旁腺激素刺激（PTH 刺激）骨形成所必需的［33］。SCFAs被認為通過兩種主要機制促進腸道Treg 細胞：通過某些G 蛋白偶聯(lián)受體識別，例如分別由結(jié)腸Treg 細胞、結(jié)腸上皮細胞和先天性免疫細胞表達的GPR43和GPR109A，以及SCFA 的組蛋白脫乙?；福℉DAC）抑制活性［34］。丁酸鹽介導(dǎo)的Treg 細胞誘導(dǎo)可以通過Treg 分泌的抗破骨細胞因子（如IL-10）和 CTLA4/CD80/86 細胞-細胞接觸依賴性機制防止破骨細胞形成［17］。

（2）Th17 細胞（T helper cell 17，Th17）：腸道的Th17 亞群能通過增強腸道上皮細胞的屏障功能來防止腸道微生物群入侵機體。去卵巢小鼠失去雌激素支持，腸道通透性增加，導(dǎo)致腸道駐留的TNF＋、TH17 細胞釋放增加，這些細胞遷移到骨，并增強了骨細胞介導(dǎo)的小梁骨吸收［35］。Th17 細胞通過分泌IL-17，RANKL 和TNF 以及低水平的IFN-γ來有效誘導(dǎo)破骨細胞生成［36］。SCFAs 可以通過影響Th17 細胞進而影響骨代謝。SCFAs 在促進Treg分化的同時可抑制Th17 的分化，其中丙酸鹽的作用最為明顯［37］。SCFAs 可以調(diào)節(jié)Th17/Treg 細胞，可以增加Treg 細胞，抑制Th17 細胞分化從而抑制破骨細胞活化，從而影響骨代謝。

3.5 通過IGF-1 影響骨代謝

胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor 1，IGF-1）是一種生長因子，長期以來被認為是骨重塑的調(diào)節(jié)劑，對整個身體的破骨細胞和成骨細胞活性具有直接和間接的影響，可以通過作用于成骨細胞和破骨細胞來促進骨形成和骨吸收。Schwarzer等［38］研究發(fā)現(xiàn)使用IGF-1 受體抑制劑抑制IGF-1 受體會減弱骨骼生長。

SCFAs 通過 IGF-1 間接影響骨代謝，無腸道微生物群的果蠅通過常規(guī)微生物群的定植增加了果蠅胰島素/IGF 樣肽的活性，并且 IGF-1 被證明可介導(dǎo)微生物群對出生后生長的影響［39］。最近的一份研究表明，與具有常規(guī)或明確微生物群的小鼠相比，無腸道微生物群小鼠的 IGF-1 水平較低［38］。腸道微生物群促進成年小鼠骨形成可能是通過增加血清 IGF-1 水平。抗生素處理后的小鼠IGF-1 和骨量會下降，但是補充SCFAs 后，可使IGF-1 和骨量恢復(fù)一部分，因此SCFAs 是生成IGF-1 的重要來源。補充SCFAs 可以提高體內(nèi)IGF-1 水平，有利于骨量增加。

3.6 通過影響鈣吸收

SCFAs 影響著胃腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，可以通過降低腸道PH 提高礦物質(zhì)溶解率，增加腸壁細胞對鈣的吸收，循環(huán)鈣水平增加，鈣被骨骼吸收，增加骨礦物質(zhì)密度。SCFAs 在 PH 降低的同時可以殺滅一部分微生物，以維持腸道穩(wěn)態(tài)，為鈣的吸收提供基礎(chǔ)，增加體內(nèi)鈣的含量。

3.7 通過調(diào)節(jié)5-HT（5-羥色胺）含量

5-HT 是一種神經(jīng)遞質(zhì)，是介導(dǎo)微生物群與骨骼之間信號傳導(dǎo)的可能因子。SCFAs 作為腸道代謝產(chǎn)物，與5-HT 存在聯(lián)系，主要是因為SCFAs 調(diào)節(jié)色氨酸羥化酶1（tryptophan hydroxylase 1，Tph1），影響合成［40］。5-HT 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)被認為在骨骼發(fā)育和維持中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。成骨細胞和破骨細胞都有5-HT 受體，5-HT 水平可影響細胞活性。Reigstad 等［41］發(fā)現(xiàn)在腸腔產(chǎn)生的 SCFAs，如乙酸和丁酸，可以增加Tph1mRNA 的表達和 EC 細胞（腸嗜鉻細胞）合成5-HT，而 EC 細胞（腸嗜鉻細胞）的數(shù)量和5-HT 載體的表達不受影響，表明腸道微生物群通過SCFAs 影響EC 細胞的功能。腸道微生物群定植顯著增加了無腸道微生物群小鼠的外周5-羥色胺水平［11］。5-HT 在腸道微生物群定植后含量會增加，且本身可調(diào)節(jié)骨量，5-HT 可能作為SCFAs 對骨骼影響的一個途徑。

4 總結(jié)與展望

SCFAs 作為腸道微生物群主要代謝產(chǎn)物，可以對全身各個系統(tǒng)產(chǎn)生影響，其中SCFAs 調(diào)節(jié)骨代謝的研究成為了目前一大研究熱點。SCFAs 通過抑制骨吸收，促進骨形成調(diào)節(jié)骨量。最新國內(nèi)大數(shù)據(jù)表明，50 歲以上中老年人群中，男性和女性骨質(zhì)疏松癥患病率分別為6.46%和29.13%［42］。骨質(zhì)疏松癥患者骨量流失嚴重，容易發(fā)生骨折并且影響老年人生活質(zhì)量，因此減少骨量流失至關(guān)重要。本文對腸道微生物群及SCFAs 作用進行說明，并且SCFAs 與骨質(zhì)疏松癥的作用機制進行概括，為腸道微生物群防治骨代謝疾病提供理論基礎(chǔ)。

骨質(zhì)疏松癥一般是成骨細胞和破骨細胞之間的比例失調(diào)，如果可以糾正這種比例的失調(diào)，那么就可以達到治療骨質(zhì)疏松癥的目的。SCFAs 在骨重塑中發(fā)揮復(fù)雜的作用，這表明SCFAs 在治療代謝性骨疾病方面有治療潛力。產(chǎn)生SCFAs 的比例將由宿主微生物群的組成、可發(fā)酵底物的類型和數(shù)量、腸道pH 值以及影響從腸道吸收SCFAs 的因素決定［43］。SCFAs 或增加SCFAs 內(nèi)源性產(chǎn)生的飲食的治療性補充已被證明可改善骨丟失［20］。添加益生元和益生菌以增加SCFAs 產(chǎn)量的營養(yǎng)補充可能是預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥的一種有效、安全和廉價的方式。但是由于個體差異，微生物群的組成、患者年齡以及治療的持續(xù)時間是需要考慮的相關(guān)因素，尋求各個因素與SCFAs 之間的相互關(guān)系十分重要。SCFAs 對于處理骨代謝疾病具有巨大潛力，確定SCFAs 促進骨形成的機制，研究出新的個性化治療策略，以促進骨骼健康。

作者貢獻度說明：

徐家寧：為本文主要撰寫者，進行文獻檢索、整理、論文書寫；陸一風(fēng)：負責(zé)部分文獻查閱和整理；唐昊：把握文章整體思路，指導(dǎo)論文修改。

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。