肠道菌群与非创伤性股骨头坏死相关性研究进展

肖振，李盛华，周明旺，王晓萍，吉星，杨波

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000；2.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050

肠道菌群主要由细菌、古细菌、真核生物和病毒组成，其基因数约为人体基因的150倍[1]。成熟稳定的肠道菌群及其代谢产物可增加肠黏膜稳定性，协助能量摄取与代谢，提升免疫系统发展与成熟等。肠道菌群紊乱能直接或间接影响免疫、代谢及循环功能，导致多种骨病[2-3]。不同个体肠道菌群的差异主要与宿主基因组和生活环境因素的差异有关，如遗传、饮食结构、生活方式（饮酒等）、卫生状况（使用激素和抗生素等）及居住在城市（或乡村）等因素[4]。

非创伤性股骨头坏死（non-traumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH）是中青年人群最常见的致残疾病之一。目前通过运用代谢组学和基因组学等技术，已了解肠道菌群在较多疾病中的作用机制，并在治疗上取得实质性进展。研究发现，肠道菌群及其代谢产物与炎症免疫、骨代谢、脂代谢、血液微循环等密切相关[2-3，5]，这些病理改变在股骨头坏死发生发展中起到关键作用。兹就与免疫炎症、骨代谢、脂代谢、血液微循环相关的肠道菌群研究进行梳理，探索肠道菌群影响NONFH可能的作用机制，为其精准防治提供新思路。

1 肠道菌群影响非创伤股骨头坏死作用方式

1.1 微生物分子模式

宿主在疾病状态下或受到药物、毒素、病原体、酒精等刺激后，肠道通透性增加，肠道菌群通过微生物分子模式直接透过肠道屏障进入体循环，分布到远端骨骼组织，激活免疫炎症反应，调节成骨细胞和破骨细胞活性，影响骨重塑，损伤骨组织，促进股骨头坏死[2]。细菌具有独特的结构成分，称为微生物相关分子模式[2]，主要包括脂多糖、脂磷酸、脂蛋白、菌毛、肽聚糖等，通过模式识别受体识别后，诱导宿主免疫应答。

脂多糖是革兰阴性菌一种特征性细胞壁成分，由疏水脂质A、亲水核心多糖和亲水O抗原特异性侧多糖链组成，其中脂质A在诱导宿主免疫反应时起到关键作用，O抗原可帮助细菌逃避宿主免疫反应，主要被Toll样受体（TLR）4识别引起免疫反应[6]。脂磷酸由含糖醇磷酸的聚合物和脂锚组成，主要见于革兰阳性菌。脂蛋白通过N端连接脂肪酸锚定在革兰阳性菌和阴性菌的细胞膜上，能引起剧烈的免疫应激反应。菌毛是位于细菌表面的大分子，帮助细菌黏附在宿主表面并与宿主相互作用。肽聚糖是一种细菌细胞壁的成分，由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰脲氨酸组成的聚合物组成。肠道菌群不但参与免疫炎症反应，还可进一步调节宿主骨代谢[7]。

1.2 肠道菌群代谢产物

肠道菌群与宿主相互作用产生多种代谢产物，从多个方面参与股骨头坏死发病，主要包括短链脂肪酸（SCFAs）、氧化三甲胺（TMAO）、胆汁酸等。SCFA是肠道细菌发酵膳食纤维产生的代谢产物（包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐等），是一种挥发性脂肪酸，与肠道炎症和代谢性疾病有关，其中乙酸盐和丁酸盐主要参与能量代谢，丙酸盐由拟杆菌门和厚壁菌门生成，是肝内能量来源，还可抑制胆固醇合成[8]。TMAO是肠道微生物群通过代谢磷脂酰胆碱、胆碱、左旋肉碱及甜菜碱等产生三甲胺在肝脏由黄素单氧化酶氧化后的物质，与血管内皮新生和血栓形成有关。TMAO的增加与肠道菌群失调、手术应激有关[9]。胆汁酸是由肠道菌群将肝脏合成的初级胆汁酸进行水解和脱羟基作用而生成，主要参与脂代谢的调节。

2 肠道菌群影响非创伤性股骨头坏死作用机制

2.1 肠道菌群-免疫系统-骨代谢

2.1.1 微生物分子模式-免疫-骨代谢

肠道菌群紊乱时，微生物可通过微生物分子模式直接参与宿主免疫反应，影响骨代谢平衡，导致NONFH等骨病。宿主感染革兰阴性菌时，脂多糖介导的TLR4信号通过Toll/IL-1受体转移，进一步激活核因子-κB（NF-κB）或IFN调节因子3（IRF3），增加促炎细胞因子的产生，如白细胞介素（IL）-1、IL-6及肿瘤坏死因子（TNF）等，促进NF-κB受体活化因子配体（RANKL）生成，刺激破骨细胞，增强骨吸收和骨质流失[7，10]。此外，脂多糖还可通过下调Runx2、osterix和激活转录因子（ATF）4表达，抑制成骨细胞的分化和骨形成[2]。

葡萄球菌脂磷酸（LTA）通过抑制巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）与RANKL刺激的破骨细胞前体中ERK和JNK的磷酸化，激活TLR2免疫通路，降低AP-1的DNA结合活性，抑制破骨细胞的形成和骨吸收[11]。此外，葡萄球菌脂磷酸还能通过增强小鼠间充质干细胞的自噬，上调各种成骨标志物Runx2、碱性磷酸酶（ALP）表达，促进钙沉积，以及干细胞成骨分化[12]。可见，LTA是一种潜在治疗NONFH的方法，但尚需进一步研究。

研究表明，葡萄球菌脂蛋白通过合成的脂肽（Pam2CSK4和Pam3CSK4）激活TLR2/MyD88/NF-κB通路，诱导细菌特异性免疫反应，促进促炎细胞因子和趋化因子产生，刺激成骨细胞上调RANKL和下调骨保护素（OPG）表达，诱导破骨细胞生成。腹腔注射Pam2CSK4或Pam3CSK4可显著降低小鼠股骨骨密度[13]。卟啉单胞菌菌毛被认为是一种有效的破骨细胞发生因子，菌毛通过TLR4受体诱导破骨细胞分化和炎性因子的产生，如IL-1β、TNF-α等[14]。研究发现，葡萄球菌肽聚糖和大肠杆菌肽聚糖只有与脂多糖共同作用才会结合NOD1受体，激活NF-κB和MAPK通路，加速破骨细胞的形成和骨吸收[15]。此外，肽聚糖还能通过激活NOD2受体上调骨密度，促进成骨细胞分化，通过降低RANKL/OPG比值减少破骨细胞生成[16]。

2.1.2 肠道菌群代谢产物-免疫-骨代谢

肠道菌群代谢产物SCFA和胆汁酸均通过调节宿主免疫反应影响骨代谢，参与NONFH发病。SCFA中的丁酸盐一方面通过提高骨髓内调节性T细胞（Treg）的数量，抑制炎性环境从而下调破骨细胞分化与形成[17]，同时刺激CD8+T细胞分泌Wnt配体Wnt10b，进而促进骨形态发生蛋白（BMP）9诱导间充质干细胞成骨分化并抑制成脂分化，增加骨形成[18]；另一方面，促进间充质干细胞成骨分化并提高Runx2水平，提高骨量，用于NONFH修复[19]。SCFA可加强破骨前体细胞糖酵解，降低氧化磷酸化水平，从而下调破骨细胞关键基因（如TRAF6、NFATc1），抑制破骨细胞分化，还可通过调节Treg直接抑制CTLA4/CD80/60细胞间接触和吲哚胺2,3-二加氧酶诱导的破骨细胞分化，减少破骨细胞数量[16，20]。SCFA还通过增加胰岛素样生长因子-1的含量，结合成骨细胞表面受体LRP1，激活p42/44/MAPK信号通路诱导成骨细胞增殖，还可抑制成骨细胞凋亡，促进骨骼生长及骨科植入物在骨中的整合[9]。此外，SCFA衍生物还影响矿物质吸收，已被用于各种组织工程结构中，以减少炎症并诱导骨组织生成[21]。

胆汁酸参与免疫及骨代谢主要通过激活核受体FXR及跨膜G蛋白偶联胆汁酸受体（TGR5）实现。一方面激活TGR5抑制IκBα/NF-κB通路活性，减轻炎性所致骨破坏，同时激活AMPK信号通路促进成骨细胞相关基因OC及转录因子Runx2表达，进而促进成骨细胞的分化和骨骼发育[22]；另一方面，通过影响FXR靶基因，并激活BMP2诱导的小鼠骨髓间充质干细胞样ST2细胞分化为成骨细胞[23]。

宿主受酒精刺激会出现肠道菌群失调和通透性增加，以及血清代谢组学改变和神经递质紊乱。酒精被肠道菌群和宿主共同作用代谢成乙醛、棕榈酸乙酯及油酸乙酯等物质，参与机体免疫反应，扰乱NONFH骨重塑。其机制可能为以下两点：①通过抑制核因子KLF-4/SLC5A6轴活性，抑制维生素B7的摄取，激活mTOR信号通路，诱导人类CD4+T淋巴细胞中Th1和Th17介导的炎症免疫反应，增强破骨细胞活性 ；②直接激活骨髓T细胞，刺激破骨细胞生成，增加RANKL、M-CSF、c-Fos及NFATc1等表达，促进骨吸收[26]。Cheng等[27]发现，厚壁菌门/拟杆菌门比值在长期饮酒后显著降低，导致炎症反应和RANKL信号被激活，发生骨质丢失。

总之，肠道菌群既能直接通过微生物分子模式，还能间接通过与宿主作用肠道代谢产物引起免疫炎症反应，影响成骨细胞和破骨细胞活性，快速调节骨形成和骨吸收，在NONFH发展中起到重要作用，因此可利用这些促进骨吸收或骨形成的不同特性进行干预，以阻止或逆转骨坏死进程。

2.2 肠道菌群-脂代谢

脂代谢紊乱是指通过遗传、获得而引起血液及其他组织器官中脂类及其代谢产物异常的病理过程，其中血脂代谢是核心。肠道菌群失衡可引起血脂水平失常，进一步可同时影响骨代谢和血液微循环，与NONFH发病进程密切相关。

肠道菌群可抑制磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶活性，刺激肝细胞生脂应答的转录因子（SREBP-1、ChREBP），调节宿主脂肪存储基因的表达活性，增加宿主脂肪酸的合成、血脂增高和脂肪堆积[28]。脂肪堆积可引发炎症通路激活及胰岛素抵抗，进而抑制骨代谢相关指标骨钙素、总Ⅰ型胶原氨基端延长肽和β-胶原特殊序列等水平，降低骨量和骨小梁数量，导致骨代谢失衡[29]。血脂增高可引起Runx2、转化生长因子-β（TGF-β）/BMP及Wnt通路等成骨相关信号通路活性降低，抑制成骨细胞活性及骨形成[30]，还可激活RANKL/NF-κB受体激活因子/OPG通路，上调破骨基因表达，增加破骨细胞活性和数量，促进骨吸收[31]。研究发现，高脂状态下肠道类杆菌的丰度显著降低，厚壁菌的丰度明显增加[32]，会抑制成骨细胞活性，甚至引起成骨细胞凋亡、骨小梁减少，最终导致股骨头因丧失正常生物力学支撑而坏死[33]。另外，使用乳酸杆菌可增加非酒精性脂肪性肝病模型大鼠肠道内双歧杆菌数量，通过抑制TLR2和TLR9表达，减轻肠道炎症，降低三酰甘油、胆固醇、脂肪酸合成酶和脂肪酸结合蛋白1等，进而降低骨吸收，维持骨量[34]。

脂多糖因菌群失调而增加，可介导免疫细胞CD14/TLR4受体，激活MyD88/NF-κB通路，促进IL、TNF等多种促炎因子分泌[35]，增加巨噬细胞衍生泡沫细胞的脂质摄入，导致细胞死亡和斑块形成，促进动脉粥样硬化，影响血液微循环[36]。

肠道代谢产物TMAO可下调胆汁酸合成酶和胆汁酸转运蛋白，如CYP7A1、CYP8B1[37]，抑制胆固醇逆向转运，通过增加巨噬细胞表面CD36及下调胆固醇、逆转运关键基因ABCA1表达，进而促进胆固醇从动脉壁的巨噬细胞泡沫细胞外流到细胞外载脂蛋白A-I，以防动脉粥样硬化，改善血液微循环[38]。SCFA与脂代谢关系密切，其中乙酸是肝脏胆固醇合成材料，丙酸盐可通过抑制HMG-CoA的活性，抑制胆固醇合成。乙酸盐和丁酸盐可激活游离脂肪酸受体2和3，促进胰岛素、多肽YY分泌，调节血脂代谢。丁酸盐还通过另外2种方式影响脂代谢：①上调PDK1介导Sp1的磷酸化，诱导异二聚体促进ABCA-1转录，加速巨噬细胞胆固醇流出，降低高血脂[39]；②上调肝脏SREBP2和低密度脂蛋白（LDL）受体来增强粪便中胆汁酸的排泄，加速胆固醇流出[40]。此外，通过补充富含丁酸和益生菌[41]的膳食纤维可降低血浆胆固醇水平（总胆固醇、肝胆固醇、胆固醇酯或LDL胆固醇）。研究表明，人体内胆汁酸与血清三酰甘油含量呈正相关，且胆汁酸能促进脂肪、胆固醇及脂溶性维生素在肠道重吸收，调节血脂含量，降低高脂饮食引起的高脂血症[42]。

综上，肠道菌群能通过调节脂代谢，同时影响骨代谢和血液微循环。表明脂代谢是下一步研究肠道菌群与股骨头坏死的关键机制。

2.3 肠道菌群-微循环

肠道菌群可调节宿主内皮细胞及血小板活性，影响血管重塑和血栓形成，妨碍股骨头核心组织血供，最终发生坏死。付品婷等[43]研究发现，肠道代谢产物TMAO可通过内皮型一氧化氮合酶/一氧化氮（NO）/活性氧途径促进内皮细胞病理性迁移增殖而加速动脉损伤后新生内膜增生，致管腔舒缩能力降低，管腔负性重塑加速，导致骨组织血供受损、甚至坏死。TMAO还可通过增加三磷酸肌醇以促进血小板细胞内Ca2+的释放，增加血小板活化聚集[44]，促进血栓形成。此外，TMAO能抑制抗衰老酶1表达，提高氧化应激，介导激活p53/p21/Rb通路，加速血管内皮细胞衰老和血管老化[45]。

SCFA可能通过影响内皮细胞增殖和功能调节血管重塑，促进血管新生，增加股骨头内血液供应，营养骨细胞，促进骨修复。丁酸盐通过降低NADPH氧化酶和诱导型一氧化氮合酶表达水平，减少氧化应激，改善内皮功能，恢复骨组织血液供应[46]，促进坏死区骨修复。白藜芦醇通过降低厚壁菌门与拟杆菌门比例，增加阿克曼氏菌、乳杆菌和双歧杆菌种群丰度，并减少粪肠球菌生长，改善动脉血管重塑[7]。植物乳杆菌能改善动脉粥样硬化患者动脉内皮依赖性血管舒张，增加骨微血管循环血量[47]。

此外，血管内皮生长因子（VEGF）是促进血管内皮细胞修复及血管新生的关键因子，与股骨头坏死密切相关[48]。较高的血管渗透性和血管舒张有利于血管新生，VEGF-A可通过提升NO水平提高血管舒张和渗透性，促进血管新生[49]。口服双歧杆菌能提高溃疡性结肠炎模型小鼠VEGF含量，加快血管修复与新生[50]。

总之，股骨头内部是高度血管化的组织，良好的血供不仅为骨细胞提供营养保障，还能促进骨生成，是调控肠道菌群逆转骨坏死的重要研究方向。

3 展望

随着代谢组学和高通量测序技术发展，已经明确肠道菌群对疾病发生发展的重要性，初步了解菌群作用的机制途径，但NONFH相关研究尚未展开。上述通过对肠道菌群及其代谢产物在骨代谢、微循环、血管新生、脂代谢等方面的调节作用进行梳理，为NONFH的肠道菌群研究提供支撑。建议今后重点关注：①借助代谢组学和基因组学对不同原因所致NONFH分别检测，明确肠道菌群调控骨骼及血管表型等分子作用机制；②探索调控肠道菌群的方法，维持体内骨稳态和正常微循环，逆转早期骨坏死；③开发具备有益肠道菌群功能的骨生物复合材料，提高NONFH保头成功率。另外，因不同个体肠道菌群有一定差异，可制定个体化菌群调治方案，以防治NONFH。