“脑-肠-骨骼”轴对骨质疏松症发病机制的影响

李平顺 王钢 周孟茹

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风湿骨病科，甘肃 兰州 730000 3.兰州大学基础医学院，甘肃 兰州 730000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是临床上最常见的慢性病、难治病、多发病之一，其特征为骨量低、骨组微观结构损伤、骨脆性增加和易于骨折。据统计，我国OP的总患病率为6.6%～19.3%，平均为13%[1]，其中女性OP的发生率是男性的6～8倍，OP并发骨折者高达10%以上，特别是髋部骨折与较高死亡率和发病率以及高额医疗费用有关。OP往往易被忽视，在骨折发生之前只有慢性疼痛、脊柱变形和活动能力下降等症状，故大多数患者均面临OP性骨折引起的疼痛、残疾和生活质量降低等问题。因此，适当的干预措施至关重要，否则随着人口老龄化，这一重要的公共卫生问题将在未来恶化。减少OP性骨折的关键措施就是防止骨质流失过多，通过对OP发病机制进一步探讨，针对其关键环节制定相应的靶向治疗措施。近年来，随着对肠道微生物群及脑-肠轴的深刻认识，发现其与OP密切相关，猜想是否可以通过增加益生菌或者恢复肠道菌群平衡以及合理调控脑-肠-骨骼轴通讯，起到治疗疾病的目的。本文以脑-肠-骨骼轴为基础，浅略探讨OP的发病机制。

1 脑-肠双向通讯

大脑和肠道通过神经、内分泌和免疫通讯形成脑-肠轴，具有双向性的特点，其中一个器官的变化会影响其他器官[2]。大脑可通过胃肠动力和分泌的变化以及肠道通透性间接影响共生生物(肠道微生物群)，或通过固有层细胞(肠嗜铬细胞、神经元、免疫细胞)释放到肠腔内的信号分子直接影响肠道微生物群[3]。另外，肠道微生物的组成和数量的混乱也可影响肠神经系统和中枢神经系统，从而表明存在微生物群-肠-脑轴[4]。

1.1 脑-肠-微生物通讯

中枢神经系统(central nervous system，CNS)[主要指自主神经系统(autonomic nervous system，ANS)分支交感神经和副交感神经系统]在调节肠功能方面具有核心意义：⑴肠道环境变化：ANS主要通过肠杯状细胞调节胃酸、黏液、碳酸氢盐、肠肽、抗微生物肽等的分泌，影响肠黏液层的厚度和质量，诱导肠道生理学变化，以影响微生物栖息地，从而调节微生物群的组成和活性[5]。⑵胃肠动力：研究表明，区域肠道运输时间会影响水含量、养分供应和细菌清除率，在副交感神经控制下，肠道运输受损，结肠的迁移收缩数量明显减少，肠中的细菌过度生长；以交感神经支配可见加速肠道转运并伴随着巨大的迁移性收缩，细菌清除率较快[6]。⑶肠屏障：ANS至少可通过2种机制引起肠上皮屏障缺陷(渗漏肠)：①直接调节上皮通透性和肠粘膜层性质的改变，最终导致肠微生物及相关分子的易位增加；②ANS还通过调节肠道免疫细胞(如巨噬细胞和肥大细胞)直接影响腔内细菌激活肠道免疫机制，或间接通过改变肠道细菌免疫激活的通路来影响肠道上皮机制[7]。⑷信号传导：神经内分泌信号分子(如儿茶酚胺、血清素、强啡肽等)也可能被神经元、免疫细胞和肠嗜铬细胞分泌到肠腔中，并且CNS很可能在这些分子的释放中起重要作用。例如，人体进食寒冷食物后，胃肠嗜铬细胞的迷走神经激活介导肥大细胞产物如类胰蛋白酶和组胺分泌到人类空肠中以应对由冷痛引起的应激[8]；同时其他肥大细胞产物如血清素和促肾上腺皮质激素释放激素，也可分泌到人体空肠中[9]。

1.2 微生物-肠-脑通讯

人类肠道中含有400～1 000种不同的细菌，每克结肠内容物可以发现大约1011个细菌细胞[10]，其构成了一个复杂的同居生物网络，主要存在于结肠并与宿主共生。微生物组对CNS自下而上的双向神经体液通信系统称微生物-肠-脑轴，整合宿主肠道和大脑活动[11]。目前的证据表明，肠-脑轴主要通过神经免疫和神经内分泌机制发生[12]：以微生物来源的短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)、次级胆汁酸(secondary bile acid，2BA)和色氨酸代谢物为介导[13]，与肠内分泌细胞(enteroendocrine cell，EEC)、肠嗜铬细胞(enterochromaffin cell，ECC)，和粘膜免疫系统相互作用[19]，越过肠屏障进入全身循环，穿过血-脑屏障，影响大脑功能。

1.2.1神经内分泌：肠-脑通信与EEC密切相关，肠道内分泌系统至少存在12种不同类型的内分泌细胞，其中几种亚型(特别是A、K和L细胞)作为亚组沿着肠道分布，主要散布在肠上皮细胞之间；当其受到化学和(或)机械刺激后可分泌超过20种不同类型的信号分子(以SCFA、2BA为主)，这些分子可以进入体循环并到达与摄入行为有关的CNS中心(主要是孤束核和下丘脑)或局部起作用并激活紧邻的传入迷走神经末梢，进一步整合大脑功能[14]。例如，SCFA可刺激位于回肠末端的L细胞分泌肽YY和胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)，诱导饱腹感和行为改变[15]；2BA可激活回肠表达的核因子受体法尼醇X受体(farnesoid X receptor，FXR)，导致成纤维细胞生长因子19(fibroblast growth factor，FGF19)产生[16]，其可进入体循环并穿过血-脑屏障，激活下丘脑弓状核改善中枢对能量和葡萄糖代谢的调节和抑制下丘脑-垂体-肾上腺轴活性[17]。

1.2.2神经免疫：肠道微生物具有直接调节自身免疫、炎症和免疫细胞运输的重要作用。免疫激活可能是将微生物作用传递给CNS的重要途径：微生物主要通过促进T细胞的积累和转化[18]维持肠道稳态与免疫系统稳定，肠道微生态紊乱直接导致微生物-大脑通讯的变化和随后的行为改变；小胶质细胞是中枢神经系统中的免疫细胞，研究发现肠道微生物的代谢可以调节小胶质细胞的发育和功能，从而影响CNS的功能[19]。

2 脑-骨通讯

骨的代谢受神经系统的影响，研究发现代谢活跃的骨骼中分泌神经肽的神经纤维分布丰富，且已经在骨膜、Volkmann氏管、骨髓、生长板的骨软骨连接处和滑膜的附着血管中证实了有自主神经纤维的存在[20]。骨骼神经有两种不同的作用[21]：⑴骨机械刺激的调节：作为能够感知机械刺激的“器官”，将拉伸、压力和位置的感知等信号进一步处理后转换成细胞的生化反应；⑵骨代谢必需营养因子来源：骨骼是一种不断重塑的活性组织，神经相关分子似乎对正常骨代谢具有营养作用。因此，OP受中枢或外周神经失调影响，这种影响的潜在传递者神经肽包括谷氨酸、降钙素基因相关蛋白(CGRP)、P物质、血管活性肠肽(VIP)等有关。

2.1 谷氨酸

谷氨酸是一种重要的中枢兴奋性神经递质，参与骨重塑的调节主要与离子型N-甲基-D天冬氨酸谷氨酸受体(NMDAR)密切相关[22]。NMDAR是一种异聚蛋白复合物，属于阳离子通道，其基本特征是受体激活和随后的钙离子流入可引发一系列钙介导的细胞内事件；当NMDAR被拮抗时，骨髓基质细胞优先分化成脂肪细胞而不是OB，且OB中碱性磷酸酶活性和钙化结节数量均减少，直接导致骨质流失[23]。

2.2 降钙素基因相关肽

降钙素基因相关肽(calcitonin-gene related peptide，CGRP)是通过组织特异性替代加工降钙素基因的初级RNA转录物而产生的含有37个氨基酸的神经肽(有α和β两种形式)，主要定位于C和Aδ感觉纤维[24]。CGRP对骨生成的影响是通过CGRPα和CGRPβ受体介导，激活cAMP或蛋白激酶C(PKC)途径刺激成骨生成或激活骨髓干细胞有丝分裂；同时，CGRP可上调OB中胰岛素样生长因子，抑制IL-6、IL-10、TNF-α表达以增加骨形成和抑制骨吸收[25]。

2.3 血管活性肠肽

血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)属于促胰液素/胰高血糖素家族裂解产物，含有28个氨基酸，由内分泌细胞和免疫细胞产生[26]。VIP可通过抗炎和免疫调节机制影响OC和OB合成代谢过程，这些效应是由两种骨细胞中不同VIP受体介导的：1型VIP受体(VPAC1)与主要集中于OC，通过下调IL-1β、IL-6、IL-11、IL-17、TNFα、PGE和NO，提高IL-4和IL-10水平以及抑制RANK/RANKL/OPG系统[27]，从而抑制OC活性；VPAC2在OB中表达，可促进OB培养物中矿化结节的形成[28]。

3 肠-骨通讯

3.1 胃肠道功能紊乱与OP

胃肠道是人体最主要的消化吸收部位，衰老与肠道菌群失调等因素均可导致胃肠功能紊乱，消化吸收功能受影响，使钙、磷、VitD3及VitK等骨矿物质密度降低。钙、磷是骨骼正常生长和发育所必需的，当食物中的钙、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，骨吸收加速伴随着骨转换标志物水平的升高，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[29]。VitD是一种必需的营养素，1,25(OH)2D3是其天然活性形式，当1,25(OH)2D3血液浓度<20 ng/mL会伴随着骨转换标志物水平的升高[30]。VitK是许多VitK依赖性蛋白质中羧化作用的必需辅助因子，而OB介导的骨重塑需要VitK依赖性的谷氨酸残基对骨钙蛋白和基质Gla蛋白翻译后进一步γ-羧化；另外，VitK可抑制OC合成的前列腺素，降低OC活性[31]。

3.2 肠道微生物群影响骨骼健康机制

3.2.1免疫机制：骨架作为间充质干细胞和造血祖细胞进一步分化的微环境[32]，骨髓中的造血干细胞产生的T细胞前体迁移到胸腺发育为成熟T细胞，然后在血液和次级淋巴器官之间再循环，且大部分又迁移回骨髓，并与其他浆细胞共存，因此骨髓是记忆B细胞和T细胞的主要储存器[33]。调节性T细胞(Treg细胞)和辅助性T17细胞(Th17细胞)与骨骼健康密切相关：Treg细胞通过IL-10或介导细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4结合破骨细胞前体细胞抑制OC分化与活性，从而减少骨质流失；成熟的Th17细胞及相关炎性因子IL-17是骨丢失性疾病类风湿关节炎、骨质疏松等发病中为主要的驱动力，主要与IL-17能够显著上调RANKL及其受体RANK的表达，增强OC活性，进而破坏骨代谢的平衡加重骨破坏[34-35]。近年来，诸多研究揭示肠道定植菌梭菌的存在可导致Tregs在结肠固有层中的优先积累从而影响Tregs的数量和功能，转化生长因子β(TGF-β)是Tregs发育的关键调节因子，其活性形式在结肠中含量丰富，而其他Tregs诱导分子也在结肠中也有所发现[36]。另一方面，分段丝状菌(SFB)可诱导Th17细胞的分化[37]。因此，肠道菌群失调可抑制Treg亚群的分化，导致Th17细胞分化占主导方向，增加破骨细胞前体细胞的数量，上调基质细胞RANKL表达，从而促进OC分化。此外，OPG作为RANKL的天然拮抗剂，微生物群体还可通过OPG影响骨吸收[38]。

3.2.2内分泌机制：肠道微生物群作为一种虚拟内分泌器官，可直接产生或调节许多激素性化学物质，释放到血液中起到影响远端器官和系统功能的作用[39]。例如，微生物群产生的许多激素也是CNS的神经递质，如乳酸杆菌产生的γ-氨基丁酸(GABA)是大脑中最重要的抑制性递质，而草芽孢杆菌产生的单胺如去甲肾上腺素、多巴胺为兴奋性递质[40]，从而对复杂的内分泌网络中起间接作用，尤其对下丘脑-垂体分泌轴的影响，导致雌激素与糖皮质激素的分泌与微生物群密切相关[41]。雌激素对维持骨骼稳态至关重要，缺乏雌激素会增加OC和OB的活性，但对OC的影响更大，引起骨质流失[42]；同时雌激素缺乏会增加肠道通透性和OC生成因子TNF、RANKL和IL-17的水平，可进一步上调OC数量与活性导致OP[43]。过量糖皮质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OB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，糖皮质激素还可直接作用于OC促进其活性，影响钙磷代谢从而促进骨吸收[44]。

3.3 肠道微生物群和OP

OP是一种代谢性骨病，主要受遗传和环境因素的影响，目前许多研究证实肠道微生物菌群与OP之间存在一定的关系。例如Claes等[45]采用外科卵巢切除术(OVX)或雌激素抑制导致小鼠雌激素缺乏，导致骨质流失以成功获取OP模型；当OVX小鼠用单个乳酸杆菌菌株与嗜酸乳杆菌治疗时，骨吸收标志物与炎性因子水平降低，OC形成受到抑制，有效防治了雌激素缺乏导致的骨质疏松。此外，罗伊氏乳杆菌可通过降低T淋巴细胞的数量[46]与TNF和Wnt10b的水平[47]，抑制OC形成，预防骨丢失。另外，胰岛素样生长因子1(IGF-1)是一种对骨骼生长有明显促进作用的激素，抗生素使用降低了血清IGF-1并抑制了骨形成；相反，补充微生物代谢产物SCFAs，IGF-1水平与骨量均可恢复至使用抗生素之前水平；因此，微生物直接诱导IGF-1或通过SCFA诱导IGF-1产生是微生物群影响骨骼健康的机制之一[48]。

4 骨骼-肌肉单位与OP

骨骼与肌肉组织均由来源于中胚层的间充质细胞增殖分化而来，因此，骨骼-肌肉单位的发育、功能及衰老是一个有机的整体[49]。研究发现骨形态发生不仅依赖骨骼肌数量与肌力，而且肌肉分泌的IL-6、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、IGF-1、成纤维细胞生长因子2(fibroblast growth factor 2，FGF-2)等相关因子参与骨骼的调控，对骨骼的生长、发育、发展有一定的影响；研究证实肌肉萎缩、肌力下降和肌肉功能减退可致皮质骨吸收加速、变薄，对抗剪切力、扭力和折弯力能力变弱；松质骨内的水平骨小梁数量减少，垂直骨小梁变得稀疏，骨密度越来越低。骨骼组织处于骨重塑与骨侵蚀动态平衡的状态，当感应机体老年化改变或神经内分泌信号或肌肉收缩力量的改变等刺激时，通过改变骨量和骨强度来应答，即骨细胞将神经内分泌学或力学刺激转换为生化信号调节骨密度。因此，骨骼-肌肉单位调节失衡可能为OP发生的原因之一。

5 “脑-肠-骨骼”轴对OP的影响

大脑和肠道微生物群通过神经、内分泌和免疫机制形成了脑-肠-微生物轴双向生物模型系统，在脑、肠和肠微生物群循环通信中，任何水平的扰动都可以在整个回路中传播失调。近年来，随着对脑-肠环路各个环节的深入探索发现，脑-肠-微生物轴可以以骨骼-肌肉单位作为潜在靶点，构成“脑-肠-骨骼”轴对OP发病进行调节。在此生物轴中脑信号、肠信号通过单一或整合形式直接或间接作用于骨骼，以影响骨细胞尤其OC活性与数量或者调节骨骼-肌肉单位，降低皮质骨的质量，减少松质骨骨小梁数量，导致骨密度降低。

近年来，诸多研究报道在OP的发病机理中存在脑-肠-微生物通信的改变，虽然该领域的研究有限，但临床前研究的结果支持脑-肠-骨骼轴对骨矿物质密度和强度参数产生较大影响[50]。例如，针对脑卒中或脑缺血患者进行低创伤性骨折风险评估表明，与健康对照组相比骨折风险增加了4倍，主要原因是OP发病率明显增加，其机制可能是因为骨质失用性萎缩或者中枢神经系统功能障碍，骨代谢必需神经营养因子缺乏[51-52]。Yatsonsky等[53]提出肠道微生物菌群失调可能导致钙转运受损，加强T细胞应答，通过细胞因子激活全身性炎症，从而诱导OC活化和骨吸收；Sjögren等[54]对这一理论进行了实验验证：用肠道微生物群对无菌小鼠进行短期定植导致CD4+T细胞活化，骨中促炎细胞因子增加，随后OC介导的骨吸收增加。另有研究[55]表明，肠道菌群还可以通过释放雌激素类似物、免疫调节以及影响钙磷的吸收代谢等方面对骨代谢进行影响。

综上所述，脑-肠-骨骼轴与OP的发病密切相关，基于此，导师王钢主任将OP归属于中医“骨萎”，其发生与“虚”“痰”“瘀”3个因素有关：肾主先天、主骨生髓，脾主后天、化生气血，肾虚则骨枯髓减，脾虚则气血生化乏源，健运失司，聚湿生痰，日久则因痰致瘀，由瘀致痹，筋骨失养，骨痿髓空，发为骨痹。“肾虚”的实质乃是下丘脑-垂体轴发生了紊乱，即脑信号以影响激素内分泌水平进而引起成骨密度下降，而某些补肾中药可抑制或纠正下丘脑-垂体-性腺轴功能减退或紊乱的发生，减缓OP[49]；“脾虚”与肠-微生物信号对应，脾主运化，脾虚则精微不至，“痰生则百病生”，加重骨骼失养；血瘀的产生主要是因虚致瘀，而瘀血作为OP的致病因素，与骨骼-肌肉单位相似，与脾肾的虚衰相应，促进“骨萎”发生。故肾虚、脾虚、血瘀是OP的重要病机，补益肝肾、顾护脾胃、活血化瘀为基本治则，基于这一法则，选取肉桂、鳖甲、鹿角霜等中药组成骨痨愈康丸在减缓OP患者肌肉、骨骼疼痛，改善运动功能，提高患者生存质量等方面取得了独特疗效，尚未发现明显不良反应。但必须指出的是，中药药性复杂，作用靶点分散，且目前对该信号轴诸多环节机制的研究尚未成熟，因此，对于脑-肠-骨骼轴持续的研究有望确定新的治疗目标并制定治疗策略，以解决一些如骨质疏松、类风湿关节炎等临床发病率高，治疗代价高昂且预后不良的疾病。