何姣姣 陳玉林 張敏陳以發(fā) 楊雅*

1.南昌大學(xué)第二附屬醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科,江西 南昌 330006

2.贛州市人民醫(yī)院內(nèi)分泌代謝科,江西 贛州 341000

骨質(zhì)疏松癥是由于骨吸收大于骨形成引起的全身性骨病,骨密度的減低及骨微結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥患者骨折的風(fēng)險(xiǎn)極高,嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量及生命健康。據(jù)統(tǒng)計(jì),全球約有2億女性骨質(zhì)疏松癥患者,隨著年齡增加骨質(zhì)疏松癥的患病率逐漸上升[1]。人口老齡化使得骨質(zhì)疏松癥給全世界帶來(lái)了沉重的醫(yī)療負(fù)擔(dān)及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。在哺乳動(dòng)物腸道中含有大量而豐富的微生物群,包括細(xì)菌、病毒、真菌和原生動(dòng)物,統(tǒng)稱為腸道微生物群。腸道中約含有100萬(wàn)億個(gè)微生物,目前已知有上千種細(xì)菌在人類胃腸道內(nèi)定殖[2]。近年來(lái),隨著對(duì)骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)腸道菌群在骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制中發(fā)揮著重要作用[3]。

1 骨免疫學(xué)與微生物-腸-骨軸

骨質(zhì)疏松癥是一種以慢性低度炎癥為特征的全身性疾病,免疫細(xì)胞、細(xì)胞因子及趨化因子與骨質(zhì)疏松癥密切相關(guān),免疫系統(tǒng)對(duì)骨轉(zhuǎn)換的影響常常表現(xiàn)為 B、T細(xì)胞激活,白介素-17(interleukin-17,IL-17)、IL-6及核因子κ-B 配體激活受體(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand,RANKL)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)等促骨吸收因子增多[4]。腸道菌群主要通過(guò)引起免疫系統(tǒng)以下幾個(gè)方面的變化來(lái)調(diào)節(jié)骨代謝。

1.1 T細(xì)胞

雌激素缺乏可增加腸道通透性,導(dǎo)致腸道微生物成分激活T細(xì)胞并使得腸壁中的TNF+T細(xì)胞和輔助T細(xì)胞17(T helper 17 cells, Th17)細(xì)胞增多,從而增加腸壁固有層中TNF和IL-17的產(chǎn)生[5]。去卵巢小鼠腸道總T細(xì)胞、TNF+T細(xì)胞和Th17細(xì)胞從腸組織遷移到骨髓[6]。TNF水平的增加可能上調(diào)骨髓細(xì)胞CCL20的表達(dá),Th17細(xì)胞向骨髓的歸巢由趨化因子配體CCL20(由骨髓基質(zhì)細(xì)胞表達(dá))和趨化因子受體CCR6(由Th17細(xì)胞表達(dá))驅(qū)動(dòng)。而TNF+T細(xì)胞向骨髓的歸巢是由趨化因子受體CXCR3驅(qū)動(dòng)的,該受體與其配體CXCL9、CXCL10和CXCL11結(jié)合[6]。

1.2 Treg-Th17細(xì)胞平衡

調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory cells,Tregs)是CD4+T細(xì)胞一個(gè)子集,其表面的CTLA-4與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞CD80/CD86結(jié)合,促進(jìn)破骨細(xì)胞的凋亡,具有骨保護(hù)作用[7]。另一CD4+T細(xì)胞亞群Th17主要通過(guò)產(chǎn)生破骨細(xì)胞生成因子,如IL-17A、RANKL、TNF-α和IL-6,以及低水平的γ-干擾素(Interferon-γ,IFN-γ)發(fā)揮作用介導(dǎo)骨丟失[8]。Treg-Th17細(xì)胞之間的平衡對(duì)骨量的維持具有重要作用。嗜酸乳桿菌和克勞斯芽孢桿菌被證明通過(guò)調(diào)節(jié)Treg-Th17細(xì)胞之間的平衡來(lái)抑制去卵巢誘導(dǎo)的小鼠骨丟失?？藙谑涎挎邨U菌通過(guò)調(diào)節(jié)Treg-Th17細(xì)胞之間的平衡,降低促炎細(xì)胞因子(IL-6、IL-17和TNF-α)的水平,增加抗炎細(xì)胞因子(IL10和IFN-γ)的水平發(fā)揮作用[9]。

1.3 促炎性破骨細(xì)胞因子

年老的小鼠腸道菌群的改變會(huì)降低骨量,破壞骨強(qiáng)度[3]。腸道菌群在絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病機(jī)制中亦發(fā)揮著重要作用。與正常小鼠相比,去卵巢小鼠的小腸促炎細(xì)胞因子(包括IL-1、IL-6和TNFα、IL-17)顯著增加,而去卵巢小鼠經(jīng)口灌胃短乳桿菌AR281顯著抑制IL-1、IL-6和TNFα、IL-17的水平[10]。促炎破骨細(xì)胞主要通過(guò)RANKL/骨保護(hù)素(osteoprotegerin,OPG)影響骨吸收。普通雙歧桿菌降低脂多糖濃度并導(dǎo)致TLR-4/p-NF-κB/TNF-α炎癥通路的下調(diào),進(jìn)一步改善卵巢切除小鼠的腰椎骨質(zhì)流失[11]。

2 環(huán)境與微生物-腸-骨軸

人類的生命活動(dòng)與環(huán)境密切相關(guān),特別是光照及溫度的影響。

2.1 光照

紫外線輻射(ultraviolet radiation,UVR)和紅外輻射(infrared light,IR)是陽(yáng)光光譜中主要的健康光區(qū)域。既往認(rèn)為紫外線照射能夠通過(guò)增加內(nèi)源性維生素D的生成維持骨骼健康[12]。近年來(lái)有研究[13]發(fā)現(xiàn)窄譜紫外線在增加維生素D生成的同時(shí)可以快速調(diào)節(jié)腸道微生物群,血清25(OH)D濃度與乳桿菌屬的相對(duì)豐度呈正相關(guān)。考慮其機(jī)制可能是皮膚微生物組在窄譜紫外線的輻射下發(fā)生變化,導(dǎo)致先天性和適應(yīng)性免疫細(xì)胞的局部變化,然后將這些細(xì)胞運(yùn)送到腸道進(jìn)而影響腸道菌群。同時(shí)研究[14]發(fā)現(xiàn)紅外線可誘導(dǎo)丹毒絲菌科、梭菌科和卟啉單孢科增加,并通過(guò)抑制炎癥及增加丁酸的生成改善骨代謝。

2.2 溫度

溫暖(34 ℃)的環(huán)境誘導(dǎo)腸道微生物群變化,如阿克曼菌科,并且與骨密度的升高有關(guān)[15]。此外有研究發(fā)現(xiàn),溫暖環(huán)境中飼養(yǎng)的小鼠糞便中移植微生物群能夠防止卵巢切除引起的小鼠骨質(zhì)流失。研究發(fā)現(xiàn)阿克曼菌科定殖的增加觸發(fā)了亞精胺的產(chǎn)生,亞精胺屬于骨保護(hù)劑,多胺生物合成抑制劑能阻斷溫?zé)釋?duì)性腺功能減退小鼠的骨保護(hù)作用[16]。

3 營(yíng)養(yǎng)素與微生物-腸-骨軸

微量營(yíng)養(yǎng)素的補(bǔ)充與腸道菌群的調(diào)節(jié)相互影響骨代謝的發(fā)揮作用。鈣劑的補(bǔ)充是骨質(zhì)疏松癥患者的基礎(chǔ)治療。補(bǔ)充鈣劑會(huì)引起腸道微生物種類及其代謝產(chǎn)物譜的變化。鈣劑補(bǔ)充增加了腸道厚壁菌門豐度,并使擬桿菌門豐度降低[17]。維生素D對(duì)葡萄球菌和埃舍利希菌具有抑制作用,并且能促進(jìn)擬桿菌等有益細(xì)菌定殖[18]。盲腸、肝臟和腎臟中的維生素K含量主要由微生物衍生的甲基萘醌甲基萘醌(menaquinones,MK5-13)組成,約占維生素K總含量的83.3 % ～ 99.9 %。維生素K依賴的γ羧基化是含Gla的蛋白質(zhì)與骨組織正確結(jié)合所必需的。腸道微生物群破壞小鼠的盲腸維生素K總含量較低。在盲腸,腸道微生物群的破壞導(dǎo)致存在的維生素K的形式發(fā)生劇烈變化(MK10和MK11減少,MK7和MK8增加)[19]。鈣劑、維生素D、維生素K這些微量營(yíng)養(yǎng)素與腸道菌群相互作用以調(diào)節(jié)骨質(zhì)量。

4 黏膜屏障與微生物-腸-骨軸

腸道粘膜屏障是人體內(nèi)與外環(huán)境的交界面,腸道粘膜的完整性對(duì)于防止有害物質(zhì)(如毒素、細(xì)菌)進(jìn)入體內(nèi)具有重要意義[20]。腸道菌群可以通過(guò)影響粘膜屏障功能影響骨代謝。脂多糖(lipopolysaccharide ,LPS)是一種內(nèi)毒素,是革蘭氏陰性菌外膜的重要組成部分。在經(jīng)RANKL或LPS處理的原代細(xì)胞中可以觀察到Toll樣受體4(TLR4)的膜水平增加,內(nèi)毒素/TLR4信號(hào)途徑分泌的腫瘤壞死因子-α可調(diào)節(jié)RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞的生成[21]?？梢娫谘装Y性骨病中脂多糖/TLR4/腫瘤壞死因子α軸對(duì)破骨細(xì)胞的分化具有重要意義。腸道粘膜的完整性可防止細(xì)菌脂多糖接觸固有層中的巨噬細(xì)胞TLR-4,防止骨質(zhì)疏松癥[11]。短乳桿菌AR281能夠抑制由雌激素缺乏引起的腸道緊密連接蛋白表達(dá)水平顯著下調(diào),包括claudin-2、claudin-3、ZO1和occludin[10]。腸道微生物對(duì)腸道粘膜屏障的影響也被證實(shí)其參與了糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥[22]。

5 腸道菌群代謝物與微生物-腸-骨軸

腸道微生物群通過(guò)多種代謝產(chǎn)物調(diào)節(jié)宿主炎癥狀態(tài),從而影響多種疾病,如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、結(jié)直腸癌、肥胖和糖尿病[23]。近年來(lái),腸道微生物組的變化同樣被證明與骨相關(guān)疾病有關(guān),如骨關(guān)節(jié)炎和絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥[24]。胞外多糖(exopoly saccharides,EPS)是一種由細(xì)菌產(chǎn)生、存在于細(xì)胞表面的結(jié)構(gòu)中并可以分泌至胞外的長(zhǎng)多糖鏈[25]。一種雙歧桿菌-長(zhǎng)雙歧桿菌(B. longum),其表面的EPS624被認(rèn)為通過(guò)單核細(xì)胞來(lái)源的樹突狀細(xì)胞中TLR2信號(hào)抑制破骨細(xì)胞形成從而預(yù)防絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生[26]。其他腸道菌群的諸多代謝產(chǎn)物亦被證明具有重要的骨代謝調(diào)節(jié)作用。

5.1 尿石素-A

尿石素-A(urolithin A ,Uro-A)是一種天然的腸道微生物衍生代謝產(chǎn)物,由攝入的鞣花單寧和鞣花酸產(chǎn)生。然而,只有40 %的老年人能夠?qū)⑸攀忱w維轉(zhuǎn)化為Uro-A[27]。這種轉(zhuǎn)化取決于個(gè)人腸道菌群的屬性、生物健康狀況和飲食習(xí)慣。Uro-A被證明具有抗炎、抗氧化作用[28]。Uro-A可以通過(guò)下調(diào)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)減輕RAW264.7誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞形成[29]。目前認(rèn)為RANKL誘導(dǎo)體外破骨細(xì)胞生成中Uro-A通過(guò)增強(qiáng)的自噬作用抑制骨吸收,并通過(guò)抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase ,MAPK )信號(hào)通路進(jìn)而抑制破骨細(xì)胞的形成[30]。

5.2 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids ,SCFA)由腸道細(xì)菌通過(guò)非消化性多糖發(fā)酵產(chǎn)生,與宿主免疫系統(tǒng)的成熟有關(guān),包括誘導(dǎo)外周調(diào)節(jié)性T細(xì)胞、防止感染、調(diào)節(jié)代謝率和能量穩(wěn)態(tài)[31]。人類短鏈脂肪酸的主要來(lái)源于食物纖維以及肽和蛋白質(zhì)在腸道內(nèi)微生物發(fā)酵,其中丁酸、丙酸和醋酸鹽占結(jié)腸中SCFA總量的90 %[32]。SCFA誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的代謝重編程,導(dǎo)致以氧化磷酸化為代價(jià)的糖酵解增強(qiáng),從而下調(diào)必要的破骨細(xì)胞基因,如TRAF6和NFATc1直接抑制破骨細(xì)胞活性[33];醋酸鹽可上調(diào)MC3T3-E1細(xì)胞堿性磷酸酶mRNA的表達(dá),具有促進(jìn)成骨細(xì)胞分化的能力[34]。而丁酸被認(rèn)為是iPTH促進(jìn)骨合成代謝所必需的,丁酸增強(qiáng)了iPTH誘導(dǎo)原始CD4+T細(xì)胞分化為Tregs的能力,而Tregs能誘導(dǎo)CD8+T細(xì)胞釋放Wnt10b激活成骨細(xì)胞中的Wnt信號(hào)刺激骨形成[35]。

5.3 吲哚-3-丙酸

吲哚-3-丙酸(indolepropionic acid ,IPA)是一種腸道微生物群衍生的色氨酸代謝產(chǎn)物。有研究發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充益生菌可提高吲哚-3-丙酸水平,防止肥胖小鼠的腸道炎癥和并通過(guò)緊密連接蛋白(ZO-1、ocludin和Claudin-5)的表達(dá)影響腸道通透性;IPA通過(guò)增加組蛋白脫甲基酶Kdm6b的結(jié)合和降低H3K27 me3與Tfam啟動(dòng)子的結(jié)合來(lái)增強(qiáng)線粒體轉(zhuǎn)錄激活因子Tfam,從而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化;此外,IPA可以抑制TLR4受體的表達(dá),并防止內(nèi)毒素誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞功能障礙[36]。

5.4 膽汁酸

法尼醇X受體(farnesoid x receptor ,FXR)是由膽汁酸(bile acids,BAs)直接激活的核受體,膽汁酸也是膜結(jié)合的G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein coupled bile acid receptor 1 ,GPBAR1)又稱為TGR5的配體,FXR和TGR5調(diào)節(jié)糖、脂和能量代謝[37]。近年來(lái)有研究[38]發(fā)現(xiàn),骨質(zhì)疏松癥導(dǎo)致膽汁酸分泌增加,膽汁酸對(duì)腸道細(xì)菌的抗菌作用導(dǎo)致腸道菌群物種豐度的變化,這種作用可能會(huì)增加膽汁酸代謝菌群,減少膽汁酸敏感菌群,進(jìn)而影響膽汁酸腸道代謝,影響血清膽汁酸濃度,最終影響破骨細(xì)胞活性并導(dǎo)致骨量損失。TGR5通過(guò)AMP激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase ,AMPK)信號(hào)通路抑制破骨細(xì)胞分化,TGR5和FXR雙重激活可有效改善小鼠雌激素缺乏引起的骨丟失[39]。

6 內(nèi)分泌骨信號(hào)因子與微生物-腸-骨軸

6.1 雌激素

基礎(chǔ)及臨床試驗(yàn)均證明,雌激素缺乏性骨質(zhì)疏松癥患者表現(xiàn)出明顯的腸道菌群改變[6,40]。重建小鼠腸道菌群顯示出對(duì)絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥的益處。例如,補(bǔ)充短乳桿菌AR281重建去卵巢小鼠的腸道菌群可通過(guò)減輕骨吸收發(fā)揮抗骨質(zhì)疏松癥作用。核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)通過(guò)激活c-Fos和活化T細(xì)胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFATc1)調(diào)節(jié)RANKL誘導(dǎo)的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化[41]。短乳桿菌AR281不僅通過(guò)抑制促炎性破骨細(xì)胞因子調(diào)節(jié)RANKL/OPG比值,在RANKL和RANK結(jié)合后,可通過(guò)TRAF6/NF-κB/NFATc-1途徑抑制破骨細(xì)胞前體細(xì)胞分化為破骨細(xì)胞[10]。

6.2 PTH

甲狀旁腺素(parathyroid hormone,PTH)是一種由甲狀旁腺合成的促鈣激素。間歇性注射PTH(intermittent PTH treat-ment,iPTH) 能夠刺激骨形成和骨吸收, 在調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育和成熟中發(fā)揮重要作用。有研究[42]證明這一作用依賴于腸道菌群及其代謝產(chǎn)物,iPTH需要生理濃度的丁酸調(diào)節(jié)Treg并誘導(dǎo)骨合成代謝。同時(shí)iPTH需要微生物群來(lái)增加骨髓中轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β1)和胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor- 1,IGF-1)的產(chǎn)生,在用廣譜抗生素去除微生物群后的無(wú)菌雌性小鼠中,iPTH無(wú)法誘導(dǎo)骨形成。

6.3 5-羥色胺

腸道內(nèi)分泌細(xì)胞共同構(gòu)成體內(nèi)最大的內(nèi)分泌組織。這些細(xì)胞分散在胃腸道上皮內(nèi),約占胃腸道所有細(xì)胞的1%。它們由一系列不同類型的細(xì)胞組成。胃腸粘膜內(nèi)的腸嗜鉻細(xì)胞(enterochromaffin cell,EC)是專門的腸內(nèi)分泌細(xì)胞,合成和分泌全身90 % ～ 95 %的5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)[43]。長(zhǎng)期攝入酒精可改變腸道微生物組成,導(dǎo)致5-HT分泌增多,進(jìn)而顯著抑制BMSCs的成骨活性和骨礦化導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥[44]。細(xì)胞內(nèi)5-HT受體6(5-HT receptors 6,5-HT6R)信號(hào)與RhoA GTP酶激活有關(guān)并參與破骨細(xì)胞的成熟,抑制5-HT6R介導(dǎo)的RhoA GTPase信號(hào)對(duì)卵巢切除小鼠骨丟失具有保護(hù)作用[45]。腸源性5-HT是微生物調(diào)節(jié)骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要中間因素。

6.4 胰島素樣生長(zhǎng)因子-1

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor- 1,IGF-1)是一種調(diào)節(jié)生長(zhǎng)的重要內(nèi)分泌激素,可通過(guò)Wnt/β-catenin途徑促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)的增殖和成骨分化,對(duì)骨累積和成熟至關(guān)重要[46]?？股刂委熞鸬闹貜?fù)性輕度創(chuàng)傷性腦損傷(RmTBI)會(huì)導(dǎo)致GH分泌異常,最終中斷GH/IGF-1軸影響骨骼發(fā)育[47]。廣譜抗生素或萬(wàn)古霉素可降低無(wú)特定病原體(specific pathogen Free,SPF)小鼠的血清IGF-1水平,微生物群定殖后腸道細(xì)菌衍生的SCFA誘導(dǎo)肝臟和脂肪組織產(chǎn)生IGF-1,增加循環(huán)IGF-1水平從而促進(jìn)骨形成[48]。

綜上所述,環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、腸粘膜屏障、腸道代謝產(chǎn)物、內(nèi)分泌激素、免疫對(duì)骨代謝的影響與腸道菌群的調(diào)節(jié)息息相關(guān)。益生菌可維持腸道粘膜屏障完整性,減少細(xì)菌及毒素導(dǎo)致的集體免疫激活從而發(fā)揮骨保護(hù)作用,其產(chǎn)生的有利代謝產(chǎn)物如尿石素-A、短鏈脂肪酸等亦能發(fā)揮重要的抗骨質(zhì)疏松癥效應(yīng)。不僅如此,環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)素及體內(nèi)激素水平也通過(guò)腸道菌群發(fā)揮調(diào)節(jié)骨代謝的作用,腸道菌群又可以通過(guò)促進(jìn)腸道內(nèi)分泌激素的釋放、免疫系統(tǒng)的激活進(jìn)一步影響骨代謝。微生物-腸-骨軸為各型骨質(zhì)疏松癥發(fā)病機(jī)制的研究提供了新的思路。但值得注意的是,盡管腸道菌群可通過(guò)多種途徑影響骨代謝,但對(duì)于不同類型的骨質(zhì)疏松癥其機(jī)制不盡相同,具體作用途徑仍需要更多針對(duì)性的研究?？傊?益生菌、益生元的補(bǔ)充有望作為一種廉價(jià)便利的方式應(yīng)用于骨質(zhì)疏松癥的預(yù)防甚至是治療當(dāng)中,值得后續(xù)臨床研究進(jìn)一步予以證實(shí)。