肠道微生态失衡为骨质疏松症发病的易感因素

董万涛 黄凯 宋敏* 侯红燕 宋志靖 周灵通 刘小钰 蒋林博

1. 甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2. 甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730020

肠道微生态(gut microflora)是肠道菌群与其宿主相互作用相互影响的统一体，是人体最为庞大的微生态系统。肠道微生态失衡与多种疾病的发生发展密切相关，包括骨质疏松症在内的代谢性疾病。近年来，肠道菌群结构和骨代谢之间的关系备受关注，通过调控肠道菌群来促进骨骼健康、抑制骨钙流失，从而为骨质疏松提供新的靶点治疗是目前研究的热点之一。本文就肠道微生态失衡与骨质疏松症的联系作一探讨。

1 肠道微生态平衡具有重要的生理意义

肠道菌群是一个强大的人体“功能器官”，成人肠道中定植着数目庞大(1014)、结构复杂(超过1 000种细菌)的微生物群落，重达1～1.5 kg，是人体体细胞的10倍，编码330万个基因，是人类基因数的150倍左右[1]。宿主体内的肠道菌群形成了复杂而又庞大的微生态系统，具有非常重要的功能。生理情况下，肠道菌群与宿主共栖互助，既相互依存，又相互影响。肠道微生态的平衡直接影响着宿主健康，其在促进营养食物消化吸收、产生有益营养物质、抵御外来致病菌的侵袭以及调节免疫机制等方面有着重要作用。

肠道微生态平衡指的是人体肠道菌群与菌群之间、菌群与宿主之间构成的平衡关系，是人类在长期进化过程中逐渐形成的正常微生物菌群与其宿主在不同发育阶段互动的生理性组合，维持着机体的生理功能和健康[2]。O’Hara等[3]提出肠道菌群是个“代谢器官”；Cani等[4]进一步认为肠道微生态系统具有作为潜在药物治疗靶点的可能性。随着人类对肠道微生态系统认识的不断深入，其与多种疾病的关联日益受到重视，肠道微生态的临床应用价值亦备受关注。研究[5-7]认为，当宿主内、外环境改变时，肠道菌群的种类和结构随之改变，破坏了菌群内部以及宿主与肠道菌群间的平衡状态，可引发消化道疾病(如肠炎)、免疫性疾病(如风湿性关节炎和脊柱关节病)以及代谢性疾病(如骨质疏松、肥胖症和糖尿病等)。

2 肠道菌群结构是宿主重要的“微环境”

肠道菌群包含了益生菌、有害菌和机会致病菌等3类菌群，主要由专性厌氧菌构成的优势菌群和需氧菌或兼性厌氧菌构成的次要菌群组成。人体肠道菌群结构随着年龄的变化不断发生变化。婴儿携带的菌群基本都是一致的，但分娩方式、哺乳等因素都会影响婴儿菌群结构，剖腹产婴儿优势菌群是Staphylococci(葡萄球菌)，接近于产妇皮肤的微生物群，阴道分娩婴儿的优势菌群则是Lactobacillus(乳酸菌)、Prevotella(普雷沃氏菌)和Atopobium(阿托波氏菌)；离乳期则以Bacteroidaceae(类杆菌)、Peptococcaceae(消化球菌)和Clostridium(梭菌)等为主，兼性厌氧菌开始出现，且数量持续增加；成年期肠道菌群是非常稳定，以Bifidobacteria(双歧杆菌)、B.Adolescentis为优势；老年期肠道菌群的组成和功能也随之转变，兼性厌氧菌升高，Bifidobacteria数量显著降低，免疫系统功能开始下降。

饮食、益生菌及抗生素的使用均可改变或修饰肠道菌群的组成和结构。肠道菌群通过消化道结构与功能影响物质代谢，产生大量的生物活性代谢分子，从而发挥“激素样”效应，参与宿主的物质代谢、促进营养物质消化吸收，在维持肠道正常生理、拮抗病原微生物定植以及调节机体免疫等方面发挥重要作用[8]。

3 骨质疏松的危险因素与肠道菌群失调相关

3.1 衰老与胃肠道功能不足是老年性骨质疏松的危险因素

随着人体年龄增长，机能逐渐老化，胃黏膜的萎缩程度和范围随之扩大，分泌胃蛋白酶和胃酸的上皮细胞和壁细胞数量逐渐减少并萎缩，从而引起胃肠功能的紊乱并影响消化功能，使得骨质疏松的易感性明显增加，这与人体肠道菌群的功能和结构紊乱有着密切的关系。

胃肠道是人体最主要的消化吸收部位，肠道菌群好比土壤中存在的大量微生物，在分解物质的同时形成新的有益代谢产物，重新进入循环利用。随着衰老的进程，老年人肠道内条件致病菌、有害菌、腐败菌逐渐增多，有益菌特别是乳酸菌、双歧杆菌等益生菌逐渐减少，必然导致胃肠功能下降，消化吸收功能受影响，食物通过肠道的时间缩短，或者胃肠病变导致肠壁上转运通路减少，相应受体数量不足，即使有足够的钙、磷及1,25(OH)2D3也不能发挥其生物学作用。

衰老与胃肠道功能不足，直接或间接影响肠道钙、磷的吸收及1,25(OH)2D3的生物学功能。换言之，胃肠功能下降，宿主所必须的营养物质不能进入机体，食物中的钙、磷无法入血，血钙水平下降，无法进行正常的新陈代谢，从而影响与骨代谢相关的激素的调节。当血钙下降到一定水平时，骨吸收加速，促使骨骼中的骨钙释放入血，维持血中的钙的浓度，导致骨吸收增加，骨形成减少，骨量流失，最终导致骨质疏松。

3.2 炎症性肠病是并发骨质疏松的危险因素

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是病因尚未明确的慢性复发性肠道炎症性疾病，包括克罗恩病(Crohn disease，CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)。肠道菌群在肠道免疫及 IBD的发病机制中起到了关键的作用，IBD患者肠道菌群结构发生显著改变，有益菌减少，有害菌增多，抑制Treg细胞，激活Th1和Th17介导的免疫反应，失去免疫耐受功能[9]。

近年越来越多的证据表明，IBD诱发骨量减少和骨质疏松的发病率分别达22%～77%、17%～41%，显著髙于正常健康人群[10]。研究认为，IBD患者比正常健康人群骨折的风险增加了40%[11]，Card等[12]对16550例IBD患者和82917例正常对照者进行队列研究，结果显示UC发生髋部骨折的相对风险是正常对照的1.49倍，而CD的风险是正常对照的2.08倍。此外，Vestergaard等[13]对丹麦16,416患者调查研究发现，IBD患者脊柱骨折的风险较正常人增加了6.5倍。

肠道对钙、维生素D、维生素K的吸收不良是IBD诱发骨质疏松的主要病因。IBD患者由于肠道菌群结构紊乱，肠道微生态失衡，机体摄入的钙和维生素D等营养物质不足，加之患者肠道黏膜功能受损，维生素D肠肝循环障碍及长期、大量使用糖皮质激素，肠道对钙、维生素D等吸收不良。维生素D缺乏可激活T细胞介导的免疫反应，导致小肠黏膜屏障的破坏，从而加重钙的吸收不良[14]。维生素D缺乏(低于30ng/mL)及钙吸收不良引发继发性甲状旁腺功能亢进，从而增加骨量丢失[15]。Ulitsky等[16]研究提示维生素D缺乏在IBD患者中发生率较高，缺乏率达到了49.5%(n=504，P=0.04)，Shirazi等[17]研究认为维生素D亚临床缺乏可能促使IBD患者骨量丢失。维生素K缺乏与骨质疏松关系密切：维生素K可促进谷氨酸γ羧基化骨钙素的合成和分泌，从而抑制骨吸收、促进骨形成以提高骨量；其水平减低可引起未羧化的骨钙素增高和骨密度下降，骨量流失。此外，维生素K还可调节钙平衡，间接影响骨代谢，其机制与影响骨钙素及IL-1、IL-6水平有关[18]。

IBD高水平的炎症因子通过多种途径诱发骨质疏松。目前，众多的研究报道证实IBD患者肠道炎症在骨质疏松的发生发展中扮演重要角色。IBD患者肠道菌群结构和功能异常，与肠上皮细胞及免疫细胞之间的“应答对话”受到抑制，体内出现异常的免疫应答反应，导致免疫细胞分泌如肿瘤坏死因子(tumour necrosis factor，TNF)-α、白细胞介素(interleukin，IL)-1、IL-2、IL-6、核转录因子(nuclear factor-κB，NF-κB)等各种促炎细胞因子的产生。且NF-κB能够调节TNF-α、粘附因子、IL-1、IL-6等的转录，进一步促进炎症因子的产生[19]。而最新研究证明，IL-6是骨质疏松的一个重要致病因子，IL-6、TNF-α、IL-1α、IL-1β等炎症因子能够促进破骨细胞的活性，在骨质疏松的进程中具有重要作用，IL-1受体拮抗剂和IL-6基因的遗传变异与IBD临床病程和骨质丢失的严重程度相关[20]。此外，IBD高水平的炎症因子通过RANKL/RANK/OPG信号通路诱发骨质疏松：NF-κB受体活化因子配体(receptor activator of nuclear factor-κB ligand，RANKL)- NF-κB受体活化因子(RANK)-骨保护蛋白(osteoprotegerin，OPG)途径是破骨细胞生物学和骨代谢的关键调节因子，IBD患者释放高水平的炎症因子抑制OPG的表达，使RANK与RANKL发生交互作用，破骨细胞分化和活性明显增强，发生骨量丢失，最终导致骨质疏松。Bernstein等[21]研究证明外源性的OPG可逆转IBD动物模型的骨量减少，由此认为，OPG可能是IBD继发骨质疏松患者的治疗靶点之一。

3.3 糖皮质激素是IBD诱发骨量减少及骨质疏松的重要因素

皮质类固醇激素是治疗中重度IBD的重要药物，但同时其被认为是IBD诱发骨量减少及骨质疏松的主要因素之一。皮质类固醇激素可抑制骨基质蛋白质的合成，促进骨基质蛋白的分解，抑制成骨细胞及前体分化，减少骨胶原合成，减少骨钙素的合成和分泌，从而导致骨形成降低，此外皮质类固醇激素还可直接作用于破骨细胞促进其活性，影响钙磷代谢从而促进骨吸收。

研究[22]发现，临床使用强的松或其等效剂量大于5 mg/d的IBD患者，骨丢失量在治疗最初的3～6月中最大，停止应用糖皮质激素之后骨折风险显著降低，说明IBD患者服用糖皮质激素药物后骨折风险增加。此外，有学者研究认为，当累积量激素大于5 g时，骨量减少及骨质疏松的发生率会显著上升[23]。但也有学者调查发现IBD患者在使用激素之前或已出现骨质疏松。Walther等[24]通过对90名IBD患者和52名健康志愿者进行骨密度检测，发现IBD患者骨密度较健康志愿者明显下降，IBD患者中20%的男性及8%的女性可同时诊断为骨质疏松症，IBD患者罹患骨质疏松与是否应用激素并无影响。因此，目前对IBD患者应用皮质类固醇激素与诱发骨量减少及骨质疏松之间是否存在联系仍有争议。

3.4 肠道菌群失调是绝经后骨质疏松发生的关键因素

妇女绝经后，体内雌激素水平会急剧下降，释放大量炎症因子，刺激破骨细胞使其活性增加，干预了骨转化过程，诱导骨量减少及骨质疏松的发生。

体内较高水平的雌激素与肠道菌群的多样性均有助于维持机体免疫系统的稳态。研究[25]发现，雌激素水平的下降可以减少肠道菌群的多样性，同时降低了包括梭菌属在内的厚壁菌门细菌丰度。而绝经后女性尿雌激素代谢产物与粪便中微生物的多样性、梭菌属和杆菌属的相对丰度呈正相关，且肠道菌群的多样性随着尿中羟基化雌激素代谢产物比例的增高而增加[25]。绝经后由于雌激素急剧减少，不能有效与肠道上皮的雌激素受体结合，无法激活胞质激酶(如Raf、MEK1/2、Erk1/2等)和三磷酸鸟苷结合蛋白Ras，胞核内转录因子的磷酸化减弱，胞质蛋白减少，TJ跨膜蛋白Occludin的表达减少，肠道上皮屏障功能减弱，肠道微生物的有害代谢产物作为抗原进入上皮下组织引发免疫反应[26]。炎症因子(如IL-1、TNF-α等)的高表达可导致绝经后女性发生骨质疏松的风险增加。TNF-α是参与骨吸收的关键因子，TNF-α可直接作用于破骨细胞前体细胞并促进其分化成熟，并可通过CD40 L和DLK1/FA-1诱导RANKL和巨噬细胞集落刺激因子(M-CSF)的生成，并下调OPG[27]。

雌激素抑制骨吸收主要通过下调机体炎症免疫应答，影响破骨细胞和成骨细胞两条途径来实现。绝经后女性体内雌激素的缺失及肠道微生物多样性的下降均可导致雌激素的骨保护效应减弱。有害抗原经肠道上皮进入宿主体内并引发T细胞介导的免疫反应。雌激素缺失诱导骨髓细胞内活性氧簇(ROS)堆积，激活CD4+T细胞，随即增加的IFN-γ通过上调MHCⅡ的生成增强骨髓巨噬细胞(bone marrow macrophage，BMM)功能，直接上调了包括TH17在内的CD4+T细胞的数量和活性[28]。因此，包括TH17细胞在内的TNF-α和CD4+T细胞等促破骨细胞生成因子是肠道菌群介导的绝经后骨质疏松骨吸收的关键因素[28]。

4 肠道微生态失衡可能为骨质疏松发生的易感因素

肠道微生态可以调节机体的代谢和免疫状态，特定的肠道菌群可通过免疫系统影响宿主的健康状态，具有免疫调节、促进正常的细胞代谢、抑制骨钙流失、延缓衰老等作用。近年来研究[29]表明，肠道菌群可以通过释放雌激素类似物、血清素等小分子物质、免疫调节、影响钙磷的吸收代谢等方面对骨代谢进行影响。王飙等[30]通过肠道菌群多样性分析发现骨质疏松组人群特异性肠道菌群明显多于对照组。越来越多的研究表明，肠道微生态可能为骨质疏松发生的易感因素。

肠道微生态失衡引起的炎症状态、自身免疫改变可导致骨质流失，骨形成减少。研究[31]发现，肠道菌群缺乏的无菌小鼠股骨远端骨体积分数比正常小鼠增加39%，骨小梁数目增多，间距减小，皮质骨骨量也有显著增高。通过骨髓培养发现，无菌小鼠的骨形成速率并没有显著变化，但破骨细胞数目减少，破骨细胞前体细胞(CD11b+/Gr1-)和CD4+T细胞形成量显著减少[32]。此外，饲养在无菌条件下的无菌小鼠，与非无菌小鼠相比，炎症因子的表达减少，而血钙及血磷水平并无显著性差异，但破骨前体细胞与T细胞形成显著减少，破骨细胞也相对较少，然而促进骨形成的速度并未降低[33]。因此，无菌小鼠骨量的增加是由于缺乏作为抗原的肠道菌群，肠道内免疫调节因子IL-6、TNF-α等下降，骨骼中炎症因子形成减少，破骨细胞作用减弱造成的。从实验角度证明了肠道菌群是调节骨量的一个重要因子，而且是通过免疫系统来影响破骨细胞的生成，从而达到调节骨代谢的目的，进一步证实了肠道微生态与炎症因子、免疫系统、破骨细胞减少及骨密度具有密切相关性[34]。