肠道菌群对骨代谢影响的研究进展

何彦锋，徐婷婷，陈 盼，刘凯莉，解静菲，岳 珂，张朝栋，林露茜，曹芹芹，张喜文，黄淑成

（1.河南农业大学动物医学院，河南 郑州 450002；2.信阳农林学院动物科技学院，河南 信阳 464000）

肠道菌群是指存在于动物肠道中数量庞大的微生物群体。 肠道菌群中的有益菌群具有调节肠道整体微生物代谢、 增强免疫屏障功能和免疫应答、加强营养物质的吸收等功能［1］。 崔锦等［2］在对益生菌的研究中也得到证实，日粮添加丁酸梭菌、凝结芽孢杆菌、 酿酒酵母发酵物能够提升肠道对营养物质的吸收能力。动物出生以后，肠道菌群就定植于宿主的肠道之中，并在宿主营养代谢、免疫应答和内分泌过程中起着重要作用。 肠道菌群的平衡同时还受饮食方式、 抗生素的使用等多种因素的影响， 其稳态平衡与机体的正常生命活动存在密切关联［3］。

骨代谢是指骨吸收与骨形成的动态平衡过程，在生命的各个阶段都会经历骨重塑，这种重塑过程需要破骨细胞和成骨细胞两种细胞的协同作用［4］。 成骨细胞（OB）与破骨细胞（OC）在维持动物机体正常骨量中起着至关重要的作用。OB 负责骨基质的合成、分泌和矿化，而OC 的主要作用是吸收骨基质，两者的协同作用受多种因素影响，如干细胞抗原、激素、生长因子等［5］。

肠道菌群与动物宿主存在着互利共生的关系，这是两者长期共同进化和相互影响的结果。这些数量庞大且具有丰富多样性的肠道菌群对动物的健康至关重要，骨骼健康也不例外。肠道菌群能够通过影响调控骨代谢的因素， 与骨代谢的调节产生关联。近年来的研究表明，肠道菌群能够通过多种途径调节破骨细胞和成骨细胞的比例和相对活性，从而影响骨的代谢与正常生长发育，包括通过调节肠道内营养物质的吸收、 肠道免疫作用和肠道内分泌作用以及肠道代谢产物几个方面影响骨代谢［6］。

1 肠道菌群通过影响营养物质吸收调节骨代谢

肠道菌群能够通过影响营养物质的吸收调节骨代谢。 在很多营养物质中，钙、磷是人体正常运作必需的， 影响着许多细胞外和细胞内生化合成过程， 钙和磷对维持动物骨骼的生长发育及代谢起着重要作用［7］。 陈璐璐等［8］的研究表明，肠道菌群与一些炎症性肠道病的发展具有一定相关性，它能够导致肠道中钙和VD 的吸收减少， 间接影响骨代谢， 从而增加了骨代谢失衡发生的风险。张安荣等［9］对于丁酸梭菌的研究中发现，在肉鸡的基础日粮中添加丁酸梭菌可以显著改善肉鸡对钙、磷的吸收和利用，能有效降低肉鸡钙、磷排泄量，从而在一定程度上利于骨骼的发育与代谢。

肠道是机体吸收营养物质的重要场所， 而肠黏膜屏障的功能完整性是机体维持正常肠道营养吸收和免疫功能的基础， 同时对致病菌的侵袭存在抵抗作用。肠黏膜屏障由机械屏障、生物膜屏障和免疫屏障组成，主要包括黏液、微生物、上皮细胞和免疫成分［10］。 机械屏障由肠上皮细胞和肠上皮细胞分泌的黏液组成［11］。 肠道菌群具有保持肠道结构完整性和正常分泌的功能， 从而稳定肠黏膜的机械屏障［12］。同时，肠道菌群可以通过维持肠道pH 值、增加肠绒毛高度与隐窝深度的比值、抑制肠黏膜细胞的凋亡、调控肠上皮细胞间紧密连接蛋白的表达等多种途径维护生物膜屏障［13］，从而保障营养物质钙磷的正常吸收。 此外，肠道菌群及其代谢产物可以刺激肠上皮细胞分泌黏液， 并在黏膜与微生物之间形成一层保护层，起到加强肠黏膜屏障的作用。 肠上皮细胞中紧密连接相关蛋白基因表达的下调导致肠机械屏障的破坏和肠壁通透性的增加， 从而加重肠道损伤和炎症。

当肠道受到某些物质（例如胆汁、溶菌酶或某些信号分子）的刺激时，会导致肠黏液变薄、肠绒毛发生萎缩， 肠绒毛与隐窝深度比值下降以及黏膜更新缓慢和修复能力下降， 病原体侵入的可能性就会增加［14］，从而影响肠道对于营养物质的吸收利用。 双歧杆菌和乳酸杆菌作为肠道菌群中的主要益生菌群， 具有抑制需氧病原体定植的厌氧特性。马文锋等［15］的研究结果表明，枯草芽孢杆菌对蛋鸡肠道形态结构及肠道微生物组成结构能够产生改善作用。综上所述，肠道菌群能够通过改善动物的营养吸收功能， 对骨骼的发育和代谢产生有利影响。

2 肠道菌群通过影响免疫作用调节骨代谢

肠道菌群可以调节动物机体的消化代谢功能和免疫系统平衡， 肠道中特定的菌群可通过对免疫系统的影响，维持宿主的免疫机能稳态平衡。肠道作为动物机体内最大的免疫器官， 其免疫屏障发挥着重要的作用。 当肠黏膜免疫屏障功能遭到破坏时，通常伴有炎症反应。 此时，肠道则会发挥免疫作用。同时，肠道内的肠道菌群可以通过影响OPG/RANK/RANKL 信号系统、细胞因子、免疫细胞及免疫组织器官对免疫作用进行调节， 间接调控骨代谢［16］。

2.1 肠道菌群通过影响免疫因子调节骨代谢

肠道菌群内的某些菌或其代谢物作为抗原，能够刺激肠道中B 细胞和T 细胞的分化和成熟，从而提高肠道体液免疫和细胞免疫的免疫应答效应［17］。而免疫过程中产生的大量细胞因子，如白细胞介素、肿瘤坏死因子（TNF）等；同时，也可通过调节OC 和OB 表面上RANK 和RANKL 的表达，或调节RANK 介导的细胞内信号而间接发挥调控作用［18］。

肿瘤坏死因子-α（TNF-α）在雌激素缺乏导致的骨丢失中发挥作用， 能够通过上调RANKL 在OB 中的表达和增强辅助性T 细胞17（Th17）的诱导刺激调节骨吸收［19-20］。 Th17 细胞属于CD4+T 细胞的破骨细胞群， 它能够通过分泌IL-17 和低水平的γ-干扰素（IFN-γ）诱导破骨细胞的生成［21］，从而导致骨质发生破坏。 但喻晶［22］的研究结果显示，IFN-γ 能够降低小鼠破骨细胞前体的表达水平， 并且能减轻由胶原诱导的类风湿关节炎动物模型的关节病变程度。 IL-17 是由Th17 细胞分泌的一类细胞因子， 参与各种关节类疾病的病理过程［23］；IL-17 能够通过增强IL-6 产生介导炎症反应， 还可以诱导树突状细胞或巨噬细胞等免疫细胞分泌蛋白酶类物质导致软骨发育被破坏，同时还可以上调成骨细胞表达RANKL， 从而激活破骨细胞的活性，直接导致骨质流失［24］。 由此可见，肠道菌群能够通过免疫因子参与骨代谢的调节过程。

2.2 肠道菌群通过影响免疫细胞调节骨代谢

肠道内存在着许多免疫细胞，如杯状细胞、树突状细胞、肥大细胞等。肠道菌群的稳态平衡除了影响宿主的生长发育和机体代谢， 还在一定程度上影响着肠道免疫细胞的分化、成熟过程［25］。肠道菌群可以通过与肠道黏膜表面的免疫细胞相互作用，恢复肠黏膜免疫屏障，调节免疫细胞的活性和促炎细胞因子的分泌和释放过程， 以抑制炎症诱导进一步对肠黏膜的损害， 从而通过改善机体的免疫机能，间接调节骨代谢过程［26］。贾淑媛等［27］的研究显示， 免疫细胞中的B 淋巴细胞水平与类风湿关节炎存在相关性， 并发现类风湿关节炎组中的B 淋巴细胞数量显著增加， 所以抑制B 淋巴细胞或能改善类风湿关节炎中的骨破坏作用。同时，研究表明，嗜酸乳杆菌可降低免疫细胞中IL-6 和TNF-α 的表达，增加IL-10 的表达，导致杯状细胞和肥大细胞的产生增加，并改善肠黏膜免疫屏障，促进骨骼的生长发育［28］。所以，肠道菌群具有刺激免疫细胞增殖分化， 促进细胞因子分泌和释放的作用。

2.3 肠道菌群通过影响免疫器官调节骨代谢

除了免疫因子、免疫细胞能够调节骨骼发育，免疫器官的指数在一定程度上也可以反映机体骨代谢的能力。 肠道菌群中的益生菌群能够促进机体免疫器官的发育， 这一点也在多个研究中被证实［29-30］。 如张雪等［31］的研究表明，添加不同水平的蝇蛆抗菌肽可以提高黄羽鹌鹑血清球蛋白和免疫球蛋白含量，增加肠道有益菌群的数量，从而改善肠道菌群结构，促进机体免疫器官的发育与成熟。吴影等［32］的研究表明，在饲粮中添加适宜的酒糟基复合益生菌制剂， 能够显著提高肉鸡的肝脏指数和脾脏指数， 说明益生菌在一定程度上能够促进免疫器官的发育。可见，肠道菌群通过提升动物机体的免疫功能，通过免疫细胞、免疫因子等作用于骨组织调节RANKL/OPG 的比例影响骨骼的生长发育［33］。 这也证实了肠道菌群能够促进免疫器官的发育， 免疫器官的发育可在一定程度上反映机体骨代谢的能力。

3 肠道菌群通过影响内分泌调节骨代谢

肠道菌群中的有害菌和有益菌均能产生某些激素作用于机体的组织、器官等影响骨重塑。肠道菌群可通过肠—脑轴调节激素水平从而影响骨代谢［34］。 大量的研究表明，雌激素、5-羟色胺（5-HT）和胰岛素样生长因子-1（IGF-1）等物质对于骨代谢具有调节作用［35-37］。

3.1 肠道菌群通过影响雌激素水平调节骨代谢

雌激素在人体内广泛分布， 不仅具有促进和维持雌性动物生殖器官发育和第二性征的作用，还对动物机体的内分泌系统、心血管、代谢系统以及骨骼的生长发育和成熟存在显著的影响［38］。 但雌激素的水平并不是一成不变的， 由于妇女绝经后，雌激素水平显著下降，机体较为明显的变化就是骨质的破坏和流失， 进一步演变为骨质疏松疾病的产生。阮璐薇等［39］研究中提到，雌激素水平下降，也会引起肠道菌群的失调，并在一定程度上加重骨代谢的紊乱， 表明肠道菌群的改变与雌激素水平的变化对于骨质的改变可能存在着协同作用。 张力等［40］的研究显示，人体通过摄入益生菌改变肠道菌群组成，对于维持机体雌激素的正常水平及其代谢平衡存在显著的作用。 另外，β-葡萄糖醛酸酶对于雌激素具有调控作用，而肠道菌群的结构可以影响β-葡萄糖醛酸酶的活性，从而可以通过摄入益生菌调节肠道菌群组成，调节雌激素代谢平衡［41］。 对于肠道菌群结构的调整，可避免由于雌激素水平降低导致子宫内膜增生、子宫内膜移位、乳腺癌等疾病发生，达到预防疾病的目的。

3.2 肠道菌群通过影响5-羟色胺调节骨代谢

5-羟色胺（5-HT）又名血清素，是一种广泛存在于动物组织当中的神经递质， 具有多种调控作用，如通过作用于免疫细胞表面的受体，刺激免疫细胞发挥免疫作用及其细胞因子的分泌； 其与神经系统的调节也具有相关性，包括痛觉、食欲以及情绪的控制［42］。 5-HT 主要由肠嗜铬细胞合成、分泌并发挥作用，它直接作用于OB 促进骨的形成，并且抑制骨吸收， 对骨骼的生长发育产生积极作用。 色氨酸氢化酶Tph1 是肠道5-HT 发挥信号传递作用的限速酶。Zhang 等［43］发现某些肠道菌群如棒状杆菌产生的代谢产物， 可以直接诱导上调Tph1 在细胞中的表达，使动物机体外周组织中5-HT 水平升高，从而促进骨的形成。此外，具有产生丁酸特性的肠道菌种能够通过丁酸刺激Tph1 表达上调，影响外周5-HT 的合成，促进骨骼发育，并减少骨的流失。 并且，5-HT 具有改善肠道形态的功能， 对于受损的肠道组织具有一定的修复作用。 这些发现在郝晓冬等［44］的研究中也得到了证实，5-HT 及其受体能够参与调节胃肠的形态功能（包括绒毛长度和隐窝深度）， 以及改善胃肠道的运动机能和分泌作用。 综上所述，5-HT 能够发挥信息传递作用，调节骨代谢平衡，并对骨质有一定的改善作用。

3.3 肠道菌群通过影响IGF-1 调节骨代谢

胰岛素样生长因子-1 是一种对动物生长发育有促进作用的内分泌激素，对于细胞的增殖、分化和细胞周期生命活动起着关键作用［45］。 而IGF-1R 是与IGF-1 结合的受体， 广泛表达于脂肪组织、肝脏和骨骼等器官。肠道菌群能够通过自身代谢产物（如5-HT、ATP、SCFAs 等）调节宿主IGF-1的内分泌作用，影响动物机体骨代谢的平衡。大量研究发现，IGF-1 在骨形成和骨重建中扮演着重要角色，主要通过内分泌方式发挥调控作用。研究表明［46］，当软骨细胞的IGF-1R 基因被敲除后，通过阻止IGF-1R 与IGF-1 结合，阻断信息的传递，结果对于动物的骨生长板骨化具有延迟作用，仅有少量的骨骼发生矿化， 说明IGF-1 在促进骨细胞的分化与成熟， 以及骨代谢方面发挥着重要作用；当骨细胞膜上的IGF-1R 表达不足时，会在一定程度上导致骨形成减少， 从而增加了骨质疏松的风险， 这或许与IGF-1 诱导的成骨细胞分化不足相关。 此外，IGF-1 还可通过促进甲状旁腺素的分泌增加钙沉积，刺激骨骼形成［47］。

大量研究显示， 肠道菌群可诱导宿主的外周组织产生IGF-1， 从而间接调控骨骼代谢过程和正常生长发育。研究显示［48］，在肉鸡饲粮当中添加植物乳杆菌后， 肉鸡肝脏中的IGF-1 表达量显著上调， 这也进一步证实肠道菌群对于骨代谢的调节作用。 上述IGF-1 对多种骨组织代谢的调节作用表明， 一定表达水平的IGF-1 对于机体骨骼的正常生长发育和骨代谢平衡具有显著作用。

4 肠道菌群代谢产物的调节作用

肠道菌群的代谢产物也具有调节骨代谢的作用，而其代谢物中的短链脂肪酸（SCFAs）发挥着重要的作用。武雅婷等［49］研究发现，肠道菌群的结构组成和粪便代谢物中短链脂肪酸含量不同的人群，骨密度存在不同程度的差异，这也说明肠道菌群及其代谢产物与骨代谢存在关联。 现有的研究表明［50］，SCFAs 可通过多种作用途径影响骨代谢过程，如通过调节性T 细胞促进OB 分化；直接抑制OC 分化； 以及降低肠道pH 值促进钙的吸收等。 肠道菌群可将食物中的可溶性谷物纤维消化降解为SCFAs，从而降低肠道pH 值，促进钙吸收并抑制骨细胞形成［51］。 研究证实［52］，SCFAs 依赖GPR43（乙酸和丙酸受体）诱导外周调节性T 细胞的发育， 受刺激的骨髓细胞分化形成的破骨细胞前体细胞表达GPR43 （乙酸和丙酸受体）和GPR109（丁酸和烟碱受体），而后受体受到SCFAs的刺激，调节性T 细胞发挥促进OB 分化的作用。这为SCFAs 通过激活GPRs 影响OB 与OC 的相对活性提供了部分依据。

SCFAs 还能通过调控IGF-1 的水平间接促进生长和骨重建。在Yan 等［53］的研究中，利用抗生素处理小鼠， 降低其血清中IGF-1 和盲肠中SCFAs水平后， 再补充SCFAs， 发现小鼠体内的IGF-1含量恢复正常。这表明SCFAs 能够诱导成骨细胞的分化，利于骨骼的形成和发育。 综上说明，肠道菌群的代谢产物与改善肠道环境和骨骼的生长发育存在相关性，并且与骨代谢的调节有着密切关联。

5 小结

综上所述，肠道菌群能够通过影响营养吸收、免疫功能、 内分泌及其代谢产物的作用调节动物机体骨代谢。 这些途径相互关联，联系密切，并不是以独立的方式存在于机体之中。 关于肠道菌群调节骨代谢的信号通路尚不明确， 仍需要大量的试验进行研究。 随着对肠道菌群功能逐步深入的研究， 肠道菌群的合理利用会为动物骨骼疾病的预防提供新的方向， 并在骨骼疾病的治疗上达到更好的效果。