肠道菌群与骨骼肌消耗症的研究进展

赵俊花 牛 洁 综述 周 萍 审校

近年来,骨骼肌消耗受到越来越多的关注。许多慢性和炎症性疾病均可引起骨骼肌能量消耗过多,导致骨骼肌萎缩。其中,肌肉减少症是一种年龄相关的肌肉质量及力量减少的疾病。随着疾病的进展,患者最终表现为骨骼肌萎缩[1]。据报道,在欧洲,60～70岁老年人中肌肉减少症的患病率为5%～13%,80岁及以上老年人患病率可达11%～50%[2]。骨骼肌萎缩不仅严重影响患者日常生活,还给社会带来极大经济负担。据统计,2000年美国因肌肉减少症导致的医疗保健费用约185亿美元,占医疗保健总支出的1.5%[3]。目前大量研究表明,肠道菌群可能参与骨骼肌的能量代谢,因此提出“肠-肌”轴概念。随着我国老龄化问题日渐突出,骨骼肌萎缩的治疗问题也急需解决。因此,深入研究肠道菌群与骨骼肌消耗之间的关系,寻找通过干预肠道菌群来预防和治疗骨骼肌萎缩的方法,具有重要意义。本文旨在总结肠道菌群与骨骼肌萎缩的相关机制,以期为预防或改善骨骼肌萎缩提供新的思考。

肠道菌群与骨骼肌消耗

肠道菌群人体内存在大量细菌,其中肠道内细菌含量最多。目前研究发现,肠道细菌数量远超过人体细胞数量。使用高通量的16SrRNA基因测序对肠道菌群进行分析,发现人体肠道菌群可分为不同门类,其中约90%以上属于厚壁菌门和拟杆菌门[4]。不同门类的肠道菌群参与构成了肠道内的微生态环境,并且参与人体自出生直至死亡的整个生命过程[5]。

骨骼肌消耗骨骼肌是人体最大的器官,具有可塑性且能够参与各种机体活动。在肿瘤、严重创伤或代谢紊乱等恶病质状态时,机体会出现骨骼肌蛋白质降解增加及合成减少,从而表现为骨骼肌萎缩。Bäckhed等[6]研究发现肠道菌群参与骨骼肌能量代谢,并提出了“肠-肌”轴的概念。在慢性肾脏病(CKD)研究中发现,患者肾小球滤过率降低,尿素在血液中积聚,并弥散到肠道,使肠道pH升高,从而导致肠道菌群紊乱[7]。唐刚等[8]研究表明,与健康人相比,终末期肾病患者190种肠道菌群发生显著变化,其中益生菌数量显著减少。肠道菌群紊乱产生的病理性代谢产物可进入血液循环,并通过相关通路影响骨骼肌消耗,导致骨骼肌萎缩。上述研究进一步表明,肠道菌群可以参与骨骼肌消耗,并影响骨骼肌萎缩。

肠道菌群参与骨骼肌消耗的可能机制

短链脂肪酸(SCFA)相关通路在结肠内,肠道菌群可将膳食纤维分解为SCFA和气体,其中SCFA对宿主健康是非常重要。Lahiri等[9]研究发现,给予无菌小鼠SCFA肠内营养,小鼠体内调节肌肉萎缩相关的泛素连接酶Atrogin-1表达降低,骨骼肌质量增加。实验表明,肠道菌群的代谢产物SCFA在骨骼肌消耗机制中可能发挥着重要作用,进而影响着骨骼肌的萎缩。

SCFA能与游离脂肪酸受体2和3(Ffar2/3)结合,促进葡萄糖的吸收和代谢,诱导胰岛素样生长因子1(IGF-1)的释放[10]。IGF-1与膜受体(IGF-1R)结合后,可以激活磷脂酰肌醇激酶(PI3K),磷酸化Akt。磷酸化的Akt既可以激活雷帕霉素靶蛋白(mTOR),促进骨骼肌蛋白质合成,又可以磷酸化FoxO使其失去活性,阻断骨骼肌蛋白质降解。另外,SCFA还通过两种机制增加肌肉对脂肪酸的分解代谢。第一是通过增加线粒体内腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)的活性,使肉毒碱棕榈酰转移酶1(CPT-1)的活性增强,从而导致脂肪酸氧化增加。第二是通过过氧化物酶体增殖物激活受体C辅激活因子1A(PGC-1A)进行调节。PGC-1A是许多核受体和转录因子的激活因子,它能调节CPT-1的表达,从而增加脂肪酸氧化。在小鼠模型中,已经证实CPT-1和PGC-1A对肌肉质量有着积极作用,能够抑制肌肉萎缩[11](图1)。

图1 短链脂肪酸(SCFA)相关通路与骨骼肌消耗IGF-1:胰岛素样生长因子;IGF1R:IGF-1膜受体;Ffar2/3:游离脂肪酸受体2和3;mTOR:雷帕霉素靶蛋白;CPT-1:肉毒碱棕榈酰转移酶1;PGC-1A:过氧化物酶体增殖物激活受体C辅激活因子1A;PI3K:磷脂酰肌醇激酶;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;FoxO:叉头型转录因子;MuRF-1:肌肉特异性环指蛋白1；Atrogin:人肌萎缩蛋白Fbox

腺苷酸激活蛋白激酶相关通路AMPK是调节生物能量代谢的重要分子,已经被证实与肠道菌群有关[6]。Hall等[12]发现,在恶病质小鼠模型中,AMPK的激动剂(AICAR)能够激活AMPK,抑制γ干扰素(IFN-γ)和肿瘤坏死因子α(TNF-α),从而阻止骨骼肌的消耗。IFN-γ/TNF-α可以破坏肌管内线粒体的氧化呼吸,促进有氧糖酵解。激活的AMPK通过抑制IFN-γ/TNF-α,恢复了肌管的部分代谢功能,抑制了骨骼肌的萎缩。而Lahiri等[9]发现,由于无菌小鼠和正常小鼠体内肠道菌群含量的不同,AMPK被活化的程度也不同。活化的AMPK可直接调节哺乳动物的叉头型转录因子3(forkhead box class O3,FoxO3),进而激活肌萎缩蛋白Fbox-1(Atrogin-1) 和肌肉特异性环指蛋白1 (MuRF-1)的表达,并通过自噬-溶酶体和泛素-蛋白酶体 (UPS)两种信号通路导致骨骼肌蛋白质发生降解。

因此,在骨骼肌萎缩过程中,激活的AMPK可能具有双重作用。在疾病进展的早期,AMPK被外源性激活时,可以通过抑制IFN-γ/TNF-α对骨骼肌发挥保护作用,从而抑制骨骼肌萎缩;但在疾病进展的后期,由于骨骼肌线粒体功能障碍和氧化应激被激活,AMPK可通过FoxO/MuRF1/Atrogin-1信号通路导致骨骼肌蛋白质降解,从而导致骨骼肌萎缩(图2)。

图2 腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)相关通路与骨骼肌消耗FoxO:叉头型转录因子;MuRF-1:肌肉特异性环指蛋白1;IFN-γ:γ抑制剂;TNF-α:肿瘤坏死因子α;Atrogin:人肌萎缩蛋白Fbox

BA/TGR5/cAMP/D2通路胆汁酸(Bile Acid,BA)是一种肠道菌群的代谢产物,能够进入肌肉,影响肌肉萎缩过程。Abrigo等[13]从野生型小鼠骨骼肌中提取肌管并分离肌纤维,之后用胆汁酸培养,发现野生型小鼠肌纤维直径减小,肌管萎缩。这表明胆汁酸也参与骨骼肌消耗,从而导致骨骼肌萎缩。Ockenga等[14]研究发现,胆汁酸可以激活G蛋白胆汁酸偶联受体5(TGR5),激活的TGR5可以使细胞内cAMP水平升高,并诱导甲状腺激素Ⅱ型脱碘酶(DeiodinaseⅡ,D2)表达,促进T4向T3的转化,进而启动UCP基因的表达,最终导致骨骼肌能量消耗增加。但是,在对非酒精性脂肪肝(NaFLD)患者进行的一项研究中,Kobayashi等[15]发现,NaFLD患者的胆汁酸水平与骨骼肌质量呈正相关，提示胆汁酸可能还通过其他机制抑制骨骼肌萎缩。

Toll样受体(TLR)通路肠道细菌的肽聚糖、脂多糖(LPS)和鞭毛蛋白可以被骨骼肌细胞的TLR-2、TLR-4、TLR-5和TLR-9识别。有研究表明,CKD患者肠道菌群紊乱可引起LPS增多,并通过LPS/TLR/核因子κB(NF-κB)信号通路影响骨骼肌消耗,从而导致骨骼肌萎缩[8]。在Lewis肺癌小鼠模型实验中,Zhang等[16]观察到Lewis肺癌细胞条件培养液(LCM)处理的C2C12肌管能通过TLR4激活p38 MAPK-C/EBPβ信号通路,导致肌管萎缩。故TLR主要是通过两种机制影响骨骼肌消耗:一是增加NK-κB活性,促进IL-6和TNF-α的表达,进而引发肌管的炎症反应;二是通过MAPK促进Atrogin-1和MuRF1基因的表达,激活UPS和自噬-溶酶体两种信号通路,从而导致骨骼肌蛋白质发生降解(图3)。

图3 TLR通路与骨骼肌消耗LPS:脂多糖;TLR:Toll样受体;NF-κB:核因子κB;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;IFN-γ:γ抑制剂;TNF-α：肿瘤坏死因子α;MuRF-1:肌肉特异性环指蛋白1;UPS:泛素-蛋白酶体；Atrogin:人肌萎缩蛋白Fbox

糖皮质激素(GCs)对骨骼肌的糖代谢、脂代谢以及蛋白质代谢有多种调控途径[17]。(1)在糖代谢过程中,GCs可促进磷脂酰肌醇-3-激酶调节亚基1(Pik3r1)的表达。Pik3r1能够与胰岛素受体底物1(IGF-1R)竞争性结合,阻断胰岛素信号通路。此外,Pik3r1还能激活磷酸酶及张力蛋白同源基因(PTEN),抑制PI3K活性,从而抑制胰岛素信号通路。(2)在脂质代谢过程中,GCs可以使骨骼肌内的神经酰胺和二酰甘油累积,诱发胰岛素抵抗,从而抑制骨骼肌的脂代谢。(3)在蛋白质代谢过程中,GCs可通过 FoxO促进MuRF1与Atrogin-1 表达,激活UPS和自噬-溶酶体途径,导致骨骼肌蛋白质降解;此外,GCs还可通过促进Pik3r1的表达,抑制PI3K/Akt/mTOR通路,从而抑制骨骼肌蛋白质合成。Lahiri等[9]观察发现,无菌小鼠体内下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA)活性升高,进而GCs水平增高。通过构建体外肌管模型,研究发现糖皮质激素可以使肌管中Atrogin-1的表达增高,导致肌管萎缩。这表明,肠道菌群可以促进宿主体内GCs的释放,进而导致骨骼肌的萎缩。

调节肠道微生态改善骨骼肌萎缩

益生菌益生菌是一类可以定植在宿主胃肠道并对宿主产生益处的活性微生物。其中,乳酸杆菌和双歧杆菌应用最为广泛。An等[18]实验表明,益生菌可以增强肠道免疫反应及黏膜屏障功能,减少有害物质进入宿主循环系统,从而减少炎症反应,阻止因炎症反应导致的骨骼肌萎缩。此外,SUN等[19]发现,益生菌可以使小鼠粪便中SCFA的含量升高。SCFA可促进骨骼肌蛋白质合成,同时抑制骨骼肌蛋白质降解,通过调控能量代谢来改善骨骼肌萎缩。以上实验表明,益生菌可以有效改善骨骼肌萎缩。这为临床治疗骨骼肌萎缩提供了新的思路。

益生元益生元是一类能够被人体内的微生物进行选择性利用,并且促进人体健康的物质。益生元的种类丰富,其中的菊粉和低聚果糖能促进乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌群的生长,同时抑制有害菌群的生长。Theou等[20]选取50例疗养院居民进行随机对照实验,让居民分别服用益生元和安慰剂。13周后,服用益生元组的居民与服用安慰剂组的居民相比,其骨骼肌萎缩情况有明显改善。这证明益生元可以通过改变肠道菌群的组成,改善肠道微环境,进而影响骨骼肌萎缩。由于益生元安全有效且无副作用,临床医生或许可以尝试将益生元制品应用到预防或治疗骨骼肌萎缩中。

合生元益生菌和益生元两者结合形成的一种肠道微生态复合制剂称为合生元。合生元在肠道内兼具益生菌活性作用和益生元对肠道的保护作用。在对40例危重患者研究中,Seifi等[21]发现,通过肠内营养方式给予合生元治疗,患者骨骼肌萎缩症状明显缓解,这表明合生元也能通过改变肠道微生态影响骨骼肌消耗。因为合生元的不良反应少见,患者依从性好,临床疗效可能优于其他药物。

维生素D 维生素D是一种类固醇激素,除了调节钙磷代谢,还可调节肠道菌群,保护肠道黏膜。在关于维生素D与婴儿肾病型膀胱氨酸血症的研究中,Cheung等[22]发现,患病小鼠补充维生素D后,肌肉萎缩状况明显改善。此外,在结直肠癌小鼠实验中,小鼠补充适量的维生素 D 后,肠道菌群结构发生显著改变,肌肉萎缩状况也明显好转[23]。以上实验表明,维生素D可以改善骨骼肌萎缩,或许能成为临床上治疗骨骼肌萎缩的一种新方法。

粪菌移植粪菌移植是一种将健康供者粪便中的功能菌群移植到患者肠道内,通过重建患者肠道菌群结构来治疗某些疾病的新兴技术。目前,在胃肠道疾病、自身免疫性疾病、神经退行性疾病等多种疾病治疗中,粪菌移植已经被成功应用。Chen等[24]给小鼠腹腔注射5-FU,小鼠骨骼肌发生明显萎缩。之后给小鼠进行粪菌移植,发现小鼠肠道菌群相对丰度明显增加,骨骼肌萎缩明显改善,表明粪菌移植可以通过调整肠道菌群结构治疗骨骼肌萎缩,为临床治疗骨骼肌萎缩提供了一种新的思路。需注意的是,粪菌移植并非毫无风险,研究人员还需制订严格的流程,对捐赠的粪便进行全面检验及筛选,以确保其移植后的安全性及有效性。

植物活性物质番茄红素是一种常见的类胡萝卜素,广泛存在于番茄、西瓜等水果中。Wiese等[25]研究发现,番茄红素能显著增加小鼠肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌的相对丰度,改善肠道菌群结构,影响骨骼肌萎缩。在Adams等[26]研究中,番茄红素被证实是骨骼肌萎缩的天然小分子抑制剂。番茄红素可以激活PI3K/Akt/mTOR通路中的mTOR,促进骨骼肌蛋白质的合成,从而抑制骨骼肌萎缩。

白藜芦醇(RSV)是存在于核桃、浆果和葡萄等多种植物中的天然多酚。在CKD小鼠模型中,Sun等[27]发现,RSV可以通过下调MuRF1的表达,减少骨骼肌蛋白质降解,进而减轻骨骼肌萎缩。Korsholm等[28]对患有代谢综合征的中年男性进行为期4个月的RSV治疗后,发现患者肠道菌群结构发生明显变化,患者骨骼肌萎缩明显减轻。

白术内酯Ⅲ(ATL-Ⅲ)是白术根茎的主要成分。Wang等[29]实验表明,ATL-Ⅲ是一种肌肉萎缩的保护性药物,通过氧化应激介导的PI3K/Akt/mTOR途径,促进骨骼肌蛋白质合成,改善CKD小鼠的骨骼肌萎缩。

综上所述,在小鼠实验中,已知植物活性物质可以有效改善骨骼肌萎缩,但其临床应用有待进一步研究。

总结与展望

骨骼肌萎缩造成的负担日益增加。随着对肠道菌群和骨骼肌消耗研究的深入,两者相互影响的机制也日渐清晰,包括SCFA相关通路、AMPK相关通路、BA/TGR5/cAMP/D2通路、TLR通路及GCs相关通路等。由此可见能引起骨骼肌消耗的因素多种多样,通路错综复杂,因此肠道菌群对骨骼肌消耗的影响机制仍需继续探索。另外,由于肠道菌群改善骨骼肌萎缩的研究多是动物实验,因此还需更多的临床随机对照试验加以证实,为肠道菌群治疗骨骼肌萎缩展开更广阔的前景。