肠道菌群影响骨代谢的机制研究进展

2021-11-30原静晨宋洁富王小健程杰

国际骨科学杂志 2021年2期

原静晨宋洁富王小健程杰

随着社会老龄化程度增高，骨质疏松症的发病率、致残率、死亡率逐年增加[1]。成骨细胞与破骨细胞之间的动态失衡是骨质疏松症发展的决定性因素[2]。研究表明，肠道菌群失衡与骨代谢相关[3]。肠道菌群与宿主间存在复杂关系，本文回顾相关文献，探索肠道菌群影响骨代谢的机制，为临床研究提供进一步依据。

1 肠道菌群与骨代谢

人体微生物组由丰富多样的微生物群落组成，包括细菌和真菌等，其大多位于胃肠道且附着于宿主的黏膜表面[4]。人肠道菌群由1 000多种不同微生物组成，其中厚壁菌门、拟杆菌、微藻、放线菌和变形杆菌占绝大多数。它们相互依存和相互竞争，并通过调节宿主的免疫、内分泌、能量代谢、营养吸收等生理机制与人体相互作用并保持动态平衡，从而在维持人体健康中发挥作用[5]。虽然肠道菌群相对稳定，但长期刺激或其他干扰因素可能导致菌群失调及代谢物失衡，诱发各种疾病，包括骨质疏松症、肥胖症、糖尿病、心血管疾病、免疫系统疾病、溃疡性结肠炎、克罗恩病等。影响肠道菌群的因素包括衰老、不良生活习惯以及抗生素滥用等[6-8]。

骨代谢过程包含骨骼的形成和吸收，成骨细胞和破骨细胞是其中主要涉及的细胞，而骨髓间充质干细胞、骨细胞和软骨细胞可调节成骨细胞和破骨细胞的生长[9]。破骨细胞吸收骨质，成骨细胞形成骨质，两者保持动态平衡维持骨稳态。然而，因机体衰老以及某些疾病的影响，骨吸收超过骨形成可导致骨质流失，骨矿物质密度降低，骨组织微结构恶化，从而导致骨质疏松症。

动物实验表明，肠道菌群的存在及其多样性可影响生长过程中的骨量变化[10]。Schwarzer等[11]的研究显示，肠道菌群可影响小鼠新生儿期的生长。与无菌小鼠相比，常规饲养的新生儿小鼠的骨量、骨皮质厚度和股骨骨矿物质密度均更高，表明微生物群对骨骼具有合成代谢作用。1型糖尿病可以诱发骨代谢异常。文献报道，罗伊氏乳杆菌可抑制1型糖尿病小鼠肿瘤坏死因子和Wnt10b信号转导通路的表达，预防骨丢失发生[12]。雌激素缺乏引起的炎症反应可促进骨吸收，而鼠李糖乳杆菌可维护肠道屏障完整性，有效避免因雌激素缺乏引起的骨质流失[13]。有研究显示，使用嗜酸乳杆菌治疗经手术切除卵巢的小鼠时，其骨吸收标志物的水平降低，破骨细胞形成被抑制；而使用罗伊氏乳杆菌治疗时，其T淋巴细胞数量受到抑制，骨质流失减少[14-15]。丁酸盐是一种短链脂肪酸，由梭状芽胞杆菌产生，可刺激骨骼形成[16]。

肠道菌群菌属繁多，其对骨代谢的影响可由免疫、内分泌及代谢产物等潜在机制介导。

2 肠道菌群调节免疫影响骨代谢

肠道菌群影响宿主免疫系统的发育和功能，其通过释放代谢产物与免疫细胞(包括T细胞、B细胞等)，刺激肠黏膜屏障的免疫系统，释放促炎或抗炎介质以及细胞因子，经血液循环调节全身骨代谢。活化的免疫细胞可迁移到骨骼组织，通过释放产物直接调节骨代谢，这些产物包括核因子κB受体活化因子配体( RANKL)、肿瘤坏死因子、白细胞介素(IL)等破骨细胞诱导因子[17]。

对小鼠肠道厚壁菌门的研究发现，梭状芽胞杆菌可促进结肠固有层中调节性T细胞(Th细胞)的表达。Th细胞可抑制破骨细胞分化并阻碍破骨细胞形成，梭状芽胞杆菌菌株减少会导致Th细胞水平降低以及骨质流失增加[18]。

肠道菌群失衡可促进Th17细胞分化，Th17细胞属于CD4+T细胞破骨细胞群，可分泌IL-17a、IL-1、IL-6、肿瘤坏死因子以及低水平的干扰素-γ，这些细胞因子通过促进RANKL释放，诱导单核细胞、巨噬细胞形成破骨细胞，加剧骨质流失[19]。Britton等[20]发现，罗伊氏乳杆菌可减少T细胞数量并抑制破骨细胞形成。Kim等[21]将人粪便分离出的多种共生菌移植至小鼠体内，发现小鼠肠道分节丝状菌和人体共生细菌可促进小鼠胃肠道中Th17细胞的分化，从而加剧骨质流失。

肠道菌群影响骨代谢的机制可由免疫系统介导，通过调节破骨细胞诱导因子水平、Th细胞表达、Th17细胞分化等途径增强或抑制破骨细胞活性。此外，肠道菌群也可通过影响B细胞发育、骨保护素产生、信号转导等途径影响骨代谢，这些影响因素有待进一步研究。

3 肠道菌群调节内分泌影响骨代谢

内分泌激素作用于人体各器官，也参与许多疾病的发生发展过程，肠道菌群可以影响许多激素的分泌，从而影响骨代谢。

3.1 雌激素

雌激素可通过一氧化氮/环磷酸鸟苷磷酸化等途径加速成骨细胞分化，还可以促进骨保护素分泌，减少破骨细胞分化并维持骨代谢稳态[22]。雌激素与肠道菌群的丰富性和多样性直接相关，特别是梭状芽胞杆菌和一些球菌等，它们通过编码β-葡萄糖醛酸苷酶参与雌激素肝肠循环，影响雌激素水平[23]。肠道菌群可调节由雌激素缺乏引起的炎症反应，从而影响骨代谢。在普通小鼠模型中，雌激素缺乏可增加肠黏膜屏障通透性，加速 Th17细胞分化，刺激肿瘤坏死因子、RANKL以及IL-17等破骨细胞诱导因子的分泌，加速骨质流失，从而导致骨质疏松症。相反，在无菌小鼠中，雌激素缺乏未能增加破骨细胞诱导因子产生，这表明肠道菌群是雌激素缺乏小鼠引起骨量丢失的关键因素[24]。Li等[25]研究发现，在雌激素缺乏小鼠中添加鼠李糖乳杆菌、双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、干酪乳杆菌等益生菌可显著降低肠道通透性，抑制肠道炎症反应，完全防止骨质流失。相反，补充大肠杆菌或突变的非益生菌等则不能起到骨保护作用。因此，当雌激素缺乏时，添加肠道益生菌可有效防止骨质流失，这为绝经后妇女骨质疏松症的治疗提供了新思路。

另有研究表明，肠道菌群还可影响雄激素的分泌，从而防止骨质流失，但仍需要更多研究来证实[26]。

3.2 胰岛素样生长因子-1

胰岛素样生长因子(IGF)-1是影响哺乳动物健康成长的关键因子。与无菌小鼠相比，具有完整肠道菌群的小鼠(常规饲养小鼠)体内循环中的IGF-1水平更高。无菌小鼠中较低的IGF-1水平导致其骨骼发育受到影响，股骨的骨矿物质密度、骨皮质厚度和骨小梁密度均下降，这表明在肠道菌群促进骨骼发育中IGF-1具有关键作用[11]。

肠道中，多数革兰氏阳性菌可产生短链脂肪酸及其他未确定的代谢产物，它们可作用于肝脏和脂肪组织，诱导IGF-1产生，并作用于成骨细胞，影响骨代谢。这些代谢产物也可以直接作用于骨骼和肌肉，诱导其产生IGF-1[27]。Yan等[28]通过对照研究发现，添加短链脂肪酸饮食4周，小鼠的血清IGF-1水平较不添加小鼠更高，骨骼生长发育更迅速。添加益生菌和植物乳杆菌等可显著增加短链脂肪酸产生，从而影响IGF-1产生，促进骨骼发育[29]。

3.3 5-羟色胺

5-羟色胺(5-HT)是介导肠道菌群与骨代谢之间信号转导的潜在因子，其在中枢神经系统以外的主要合成部位是肠道，由肠嗜铬细胞和黏膜肥大细胞产生。某些肠道菌群如棒状杆菌、链球菌和大肠杆菌可产生丙酸酯、丁酸等代谢产物，直接诱导色氨酸羟化酶(Tph)1在肠嗜铬细胞中的表达，使无菌小鼠外周5-HT水平升高[30]。由肠嗜铬细胞合成的5-HT可激活成骨细胞前体的5-HT 1B受体，促进破骨细胞生成，减少成骨细胞增殖，从而抑制骨生长。据此有学者提出，可应用Tph1抑制剂调节肠道内5-HT合成，以延缓骨质疏松症的发展[31]。

4 肠道菌群变化影响骨代谢

肠道菌群及其代谢产物可直接或间接影响骨代谢，年龄、益生菌、抗生素、饮食、营养等因素可使肠道菌群发生变化[32]。随着年龄增加，肠道内乳酸杆菌减少而致病性变形杆菌增多，导致体内炎症反应被激化，增加骨质疏松发生风险[33]。含地衣芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌的膳食补充剂则会增加肠道菌群多样性，与饲喂正常饮食的家禽相比，饲喂该种膳食补充剂可使家禽胫骨的骨矿物质密度显著增加[34]。

抗生素治疗可影响肠道菌群的动态平衡，其与宿主年龄、治疗时长密切相关。将3周龄断奶小鼠暴露于低剂量的青霉素、金霉素或万古霉素，其骨矿物质密度显著增加，至7周龄时这种变化则不明显；而长期应用抗生素则会导致肠道菌群失衡，从而间接影响骨代谢[35]。此外，不同机体营养水平的肠道菌群对骨骼健康有不同影响。有学者进行研究，分别将健康婴儿与营养不良婴儿的肠道菌群移植到无菌小鼠，发现移植营养不良婴儿肠道菌群的小鼠出现骨骼肌发育迟缓[36]。

肠道菌群的代谢产物也可影响骨代谢。一方面，肠道菌群可将饮食中的可溶性谷物纤维消化为短链脂肪酸，降低肠道pH值，促进钙吸收并抑制破骨细胞形成；另一方面，肠道菌群与炎症性肠病的发展相关，导致肠道中钙和维生素D的吸收减少，间接增加骨质疏松症发生风险[37]。

5 治疗

肠道益生菌不仅可促进发育期骨骼的增长，还可预防女性绝经期以及疾病等因素导致的骨质流失。因此，抑制有害菌群或添加益生菌可作为骨质疏松症治疗的新靶点。肠道益生菌可将益生元(如低聚果糖、菊粉、木糖、半乳糖和大豆低聚糖等)有效分解，以促进自身活性。益生元影响骨代谢的机制主要为增加胃肠道的钙吸收。有研究表明，益生元可通过增加钙吸收，影响成骨细胞或破骨细胞活性，改变微生物组成等途径，增加胃肠道中有益菌群比例，促进骨骼成长以及预防骨质疏松症[29]。