基于肠道微生态探讨膝关节软骨损伤＊

蒋 玮，温孝明，刘建军，张 岩，唐文华

（甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730000）

在人体肠道中寄生着种类繁多，数量庞大的微生物群，不同菌群之间相互制约，维持动态平衡。有研究发现，肠道微生物群参与了宿主的物质能量代谢，同时与宿主的疾病发生密切相关，在疾病的发生发展中起着重要的作用。在以往的研究中，有研究者发现肠道微生物群的生态失调与代谢性疾病和炎症性疾病的发病机制密切相关，因此也可能与膝关节骨性关节炎的发病机制有关。然而，肠道微生物群代谢物对膝关节骨性关节炎发病机制的确切机制和贡献仍未确定，需要进一步探索。对此，本文就肠道微生态与膝关节软骨损伤之间的相关性，以及国内外最新研究进展做以下综述。

1 肠道微生态系统

人体内寄生着大量的微生物，与人体共同组成稳定的结构，人体肠道中有数千种菌群，数达万亿级别[1]。其中绝大多数为厌氧菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌、真杆菌、类杆菌、梭菌等，其次为需氧菌，如真菌、病毒群和螺旋体菌等。因年龄、地域、饮食、激素周期和人种等多种因素的影响，不同个体之间微生物菌群及数量有着巨大的差别[2]。对于个体而言，微生态对个体生长、发育和健康有非常重要的作用，其不仅仅参与了食糖、蛋白质、脂类、矿物质、维生素和酶类等营养物质的消化、分解、合成和吸收过程，还对机体的生理功能和内环境平衡起到重要的调节作用[3-5]。有研究[6-8]显示微生态系统的紊乱，会引发内环境变化，导致全身免疫炎症反应系统的紊乱，引起各种免疫介导的相关疾病发生，如代谢性疾病、心血管疾病，神经系统疾病、免疫性疾病等。

2 膝关节软骨损伤常见原因

膝关节软骨损伤的常见原因有劳损、创伤、免疫性疾病、代谢性疾病等[3]。最常见的劳损损伤是以超重负荷为主要原因致病的膝关节骨关节炎，主要表现为膝关节肿胀而疼痛，关节活动时常伴有摩擦音。半月板损伤和韧带损伤为常见的创伤导致软骨损伤，突然过度内旋伸膝、外旋伸膝致按月版损伤或外翻、内翻致内侧或外侧副韧带损伤，以关节肿胀、疼痛、关节活动时有弹响及活动受限为主要临床症状。风湿、类风湿、强直性脊柱炎、红斑狼疮等均可引起的膝关节软骨损伤。痛风为常见的代谢性疾病导致膝关节软骨损伤。还有一些损伤是多种治病因素共同导致的，如脂肪垫劳损、滑膜炎、长期不良的生活习惯等。但对于膝关节软骨损伤的治疗，除了短期的缓解疼痛之外，目前还没发现有效的药物或治疗能够有效地再生软骨并治愈疾病。临床上常使用乙酰氨基酚等抗炎药，虽然可以抑制骨关节炎性反应，减少软骨损伤，但类固醇和激素类药物存在成瘾性、导致内分泌失调和肥胖等并发症的发生。因此寻找新的、有效的药物，能够预防、治疗膝关节软骨损伤迫在眉睫。

3 微生物与膝关节软骨损伤

3.1 微生物群有助于膝关节软骨损伤

因肥胖、饮食结构和审美的改变，这些改变的发生对肠道菌群也有一定的影响，导致膝关节软骨损伤的发生率比过去更高。Mancabelli L.等[9]对工业化、城市化人群和农业人群肠道菌群进行荟萃分析表明，工业化、城市化人群与农业人群肠道菌群有很大的差异，然而这些肠道细菌中的某些细菌是否对软骨有影响尚未得到确定的结论。Boercg 等[10]在肠道微生物对骨关节炎的研究中发现，肠道微生物产生的内毒素诱发巨噬细胞介导的炎症反应，进而导致骨关节炎的疼痛。GussJD.等[11]在研究膝关节软骨负荷实验中发现，使用抗生素预防治疗代谢综合征的小鼠模型中发现，肠道微生态的改变导致实验小鼠的软骨负荷降低，表明肠道微生态对膝关节软骨有影响。软骨细胞是软骨中唯一的细胞类型，负责在软骨组织中合成大量的胶原蛋和蛋白聚糖等细胞外基质（ECM），这些基质在关节运动过程中为软骨提供剪切力和压力支撑。软骨细胞的正常代谢是维持软骨稳态的基础。在骨关节炎中，早期的骨软骨板血管生成可能会进一步增强微生物群靠近软骨深层的能力，这可能导致局灶性生态失调、低度炎症、软骨退化、软骨细胞的表观遗传变化和骨关节炎的恶化。

3.2 软骨中发现肠道微生物

对于膝关节骨性关节炎出现的“耀斑”现象，有研究者给出了肠道微生物位移到膝关节软骨下或软骨下骨髓、或更深的软骨下区域，肠道微生物通过其自身产生的某些代谢产物参与机体的免疫炎症反应，进而引起软骨的低度炎症，最终导致软骨损伤[12]。JeffriesMA.等[13-14]通过DNA 鉴定技术，将软骨微生物DNA 与骨关节炎相关的微生物组谱进行对比发现，骨关节炎软骨下以β 变形杆菌为主导，而正常人类膝关节软骨以放线菌和梭状芽孢杆菌为特征，可以发现膝关节骨关节炎患者软骨中的微生物有向革兰氏阴性菌组成改变的倾向。但对髋关节骨关节炎软骨与膝关节骨关节炎软骨进行对比发现，髋关节骨关节炎软骨菌群主要由变形杆菌门控制，而膝骨骨关节炎菌群则以放线菌为特征。尽管这些发现还有待进一步的验证，但类似的研究发现门静脉菌群在代谢紊乱患者中观察到了肠道微生物标志物，表明肠道微生物的位移确实存在。

3.3 肠道微生物及其DNA 如何位移至软骨

肠道微生物的DNA 是否存储在软骨下骨髓，深软骨血管，软骨基质或软骨细胞本身中，目前尚不清楚。膝关节软骨与大多数组织不同，关节软骨在浅表，中部和深部区域没有血管、神经或淋巴管，因此，关节软骨的大部分营养来自滑膜和软骨下血管的供养。按软骨的分子结构来说，软骨细胞外基质内的平均孔径约为6.0nm，而大多数细菌的大小为100～4000nm、孢子在100nm 左右[15-16]。因此，细菌几乎不能穿过软骨的表层。细菌DNA 可能也是如此，DNA 的电荷是负电荷，需要一种正电荷物质的积累，才能促进其在软骨基质中的积累，而大多数细菌，无论是革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌细胞壁均带负电荷。所以细菌DNA 也几乎不可能透过软骨的表层。有研究发现骨关节炎发生的过程中，骨与软骨交界的区域会有新血管生成，这为细菌侵入软骨提供了途径。Wormstrand B.等[17]对患有化脓性关节炎或骨髓炎的年轻马的软骨管的研究中发现，该动物模型的软骨中发现了细菌，表明细菌极有可能通过骨与软骨间的血管，进一步侵犯至软骨，引起软骨损伤。目前虽没有报道发现，微生物通关骨与软骨间形成的微小血管进行侵犯，但来自骨髓或软骨下深处的肠道菌群极有可能通过该通道，进而影响软骨，导致软骨损伤。

3.4 肠道微生态如何影响膝关节软骨

因创伤导致的血管再生，可能为细菌通过该通道位移至软骨下，提供了可能。但其发挥作用的是其代谢产物，如脂多糖（LPS），又称为内毒素。LPS 能直接通过肠壁进入血液，进而引起免疫相关反应，导致关节软骨的损伤，当外界环境、内环境的变化，导致肠道菌群的失调，可能导致LPS 的大量产生，释放入血后，导致全身性的免疫炎症反应。有研究发现，肠道微生物产生的LPS 与全身免疫炎症反应成正相关[18]。LPS 不仅能引起全身性的免疫相关炎症反应，还能激活组织内的细胞TLR-4 受体。TLR-4 受体大量存在于膝关节内的软骨细胞、滑膜细胞和软骨下骨细胞，使得TLR-4 受体介导的相关信号通路激活，进而影响软骨细胞、滑膜细胞和软骨下骨组织导致软骨受损。有研究者[19]对SPF 级小鼠进行LPS 诱导，最终导致全身性的免疫相关的炎性反应发生，针对膝关节软骨的研究发现，LPS 激活后的软骨相关细胞的言行发生更加持久。在血液循环中，LPS 及其结合蛋白（LBP）的浓度与骨关节炎的影像学检查和患者的关节症状有密切的相关性。动物实验研究发现，与正常环境饲养的小鼠相比，无菌条件下饲养的小鼠血液中LPS 与LBP 的含量显著降低，在影像学检查也有骨赘减少的骨关节炎指标降低表现[20-22]。这些结论都证明肠道微生物群可能通过促进血液中LPS 水平的升高来促进骨关节炎的发生和发展。这也从侧面暗示了其他肠道微生物分泌的其他生物活性分子也可能破坏肠道屏障的完整性，从而使许多生物活性分子能够进入关节周围组织或进入血液循环，从而对关节软骨产生损伤作用，进而导致膝骨性关节炎的发生发展[23]。

4 讨论

肠道菌群与多种疾病的发病机制密切相关。但新的研究发现，肠道微生物与骨骼疾病的发生息息相关，这种关联常常由低度的炎性反应而联系[24-26]。因衰老、性别、肥胖、营养不良、药物、吸烟、饮食习惯等因素的变化导致肠道微生物发生改变，进而导致膝关节软骨损伤。因此，需要对更多不同种族、体重和年龄、饮食习惯人群的软骨进行多因素研究，以更好地了解肠道微生物对软骨生长的作用。然而当今临床中认为，劳损、创伤、免疫性疾病、代谢性疾病是膝关节软骨损伤的主要原因，但导致这些原因的根本因素有可能是肠道微生态发生的变化。肠道微生物群成分的变化会导致机体生物动态平衡的破坏，进而影响免疫功能作用的发挥失效、炎性反应增加，尤其是对自身免疫性疾病、代谢异常综合征和恶性肿瘤发生的增多。保持肠道菌群健康状况，转向健康的生活方式，从而操纵肠道菌群向有益于机体的发展，是膝关节软骨损伤的重要治疗方式之一。此外，肠道微生物组的检测可能是预见性地诊断膝关节软骨损伤的方法之一，以及调控肠道微生态可能是新的干预措施。但相关研究证据尚不充分，该领域需要进一步研究。