肠菌移植治疗骨质疏松症的研究进展及临床前景

王宁 郝永强 富灵杰

上海市骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海 200011

骨质疏松症是一种以骨量减少、骨组织微结构破坏，骨折风险增加为特征的全身性代谢性疾病[1]。骨质疏松引起的脆性骨折主要发生在椎体、髋部、桡骨远端等应力集中部位，极大地增加了患者的致残率和死亡率[2]。我国正逐步进入老龄化社会，骨质疏松症的发病率逐年增加，骨质疏松性骨折已经成为影响老年人身体健康的重大公共卫生问题，给个人、家庭及社会带来了沉重的经济负担。目前，临床上常用的抗骨质疏松药物存在着疗效不显著、长期用药、过敏反应、下颌骨坏死、非典型性骨折等不良反应[3-4]。因此，寻求新的骨质疏松症的治疗方法仍然是临床医生面临的重要科学问题。

肠道菌群与骨骼代谢之间存在密切的关系，肠道菌群可以通过代谢产物、免疫途径影响骨改建[5]。目前，已经证实肠道菌群失调和骨质疏松症的发生密切相关[6-7]。肠菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)作为一种重建肠道微生态平衡的重要方法，已经在临床上用于治疗艰难梭状芽孢杆菌感染(clostridium difficile infection，CDI)[8-9]。然而，肠菌移植尚未应用于骨质疏松症的临床治疗。本综述对肠菌移植调节骨代谢的作用机制展开讨论，并为肠菌移植应用于骨质疏松的临床治疗前景提供理论支持。

1 肠菌移植的概述

肠菌移植是指将肠道菌群从健康的供体转移到肠道菌群失调的受体，其目的是恢复肠道微生物稳态，改善肠道菌群失调[10]。肠菌移植现在尚未形成标准化的治疗方案[11]。目前，肠菌移植有上消化道与下消化道两种给药方式。上消化道肠菌移植通过鼻胃管或口服胶囊制剂给药[12]，下消化道肠菌移植通过结肠镜或灌肠剂给药[13]。

2 肠菌移植治疗肠道疾病的应用

2013年，美国胃肠病学会的艰难梭菌治疗指南建议将肠菌移植作为万古霉素治疗无效的CDI复发病例的替代治疗方案[14]。此外，肠菌移植在溃疡性结肠炎、克罗恩病等肠道疾病方面显示了很好的治疗效果。Prado等[15]在一项动物实验中构建了大鼠坏死性小肠结肠炎(NEC)的模型，分别在造模前与造模后进行肠菌移植，该研究设置了未经肠菌移植治疗的NEC组作为模型对照组，和未经任何处理的空白对照组。结果表明无论是在疾病模型诱导之前还是之后进行肠菌移植治疗，NEC大鼠的炎症水平、氧化损伤以及肠道黏膜损伤都得到了改善。在另一项肠菌移植治疗结肠炎的研究中，Yan等[16]通过葡聚糖硫酸钠(DSS)饮水诱导小鼠结肠炎，并将健康组的粪便通过灌胃给药的方式移植给模型组的小鼠，实验结果表明肠菌移植可以改善DSS诱导小鼠结肠炎的体重丢失情况与疾病活动性评分，且炎症因子的表达水平降低。此外，在一项随机对照的临床研究中，Sudarshan等[17]对81例活动期溃疡性结肠炎患者进行了随机双盲试验。患者随机分为两组，并在接受了结肠镜输液后分别进行肠菌移植与安慰剂灌肠。随后，对粪便样本进行了16SrRNA测序分析、鸟枪法宏基因组学分析以及代谢组学分析。分析结果表明肠菌移植改变了患者肠道菌群的多样性与结构组成，且短链脂肪酸(SCFAs)与次级胆汁酸等代谢产物的水平增加。另外，研究证实肠菌移植可以调控肠道免疫介导的炎症因子的表达，从而介导肠道炎症[18]。肠菌移植可以通过改善患者的肠道微环境，恢复肠黏膜屏障等机制，并通过肠菌产物与免疫机制调控肠道炎症因子水平以治疗CDI、炎症性肠病等肠道疾病。值得注意的是，肠道炎症性疾病往往伴随着血液炎症因子水平改变，其中TNF-α、IL-10、IL-17等炎症因子可以对骨重塑过程起到重要的调节作用。肠菌移植治疗肠道疾病的研究目前已经进入临床研究阶段，并且可以作为一种临床治疗的替代方法，这些研究也为“肠-骨轴”机制的提出以及未来肠菌移植用于骨质疏松的治疗打下了坚实的基础。

3 肠道菌群与骨质疏松症的相关性

近年来有诸多基础研究与临床研究证实了肠道菌群与骨质疏松症之间存在相关性。Ma等[19]在一项动物实验中用3月龄的大鼠建立了绝经后骨质疏松症的模型。实验将大鼠随机分为去势组(切除卵巢)与对照组，并分别分析比较了术前、术后4周、8周、12周的肠道菌群、血液骨转换指标以及骨组织形态计量学等结果，实验结果表明去势大鼠的肠道菌群与去势前相比α多样性增加，且肠菌组成发生显著变化，肠道菌群与绝经后骨质疏松症之间存在相关性。随后，Ma等[20]在另一项动物实验中分析比较了22月龄大鼠与6月龄大鼠的肠道菌群、血液骨转换指标以及骨组织形态计量学等结果，实验结果表明老年大鼠的肠道菌群α多样性较低且肠道菌群组成与青年大鼠具有显著差异，肠道菌群与老年性骨质疏松之间存在相关性。

而在临床研究方面，Wang等[21]首先在一项临床研究中观察到了骨质疏松症患者与健康人群肠道菌群的差异。随后，Li等[22]和Das等[23]各自在其临床研究中加大了受试者的样本量，其入排标准以及分组方式也有所改变，但研究结果表明其骨质疏松症患者与健康人群之间的肠菌分析结果都存在显著差异。最近，He等[24]在临床研究中观察到绝经后骨质疏松症患者肠道菌群与健康人群之间存在显著差异，进一步证实了肠道菌群与绝经后骨质疏松症之间存在相关性，并对肠道菌群调节骨代谢的现象展开讨论。

4 肠菌移植对骨代谢的调节作用

肠道菌群可以通过多种机制影响骨骼的代谢。2012年，Sjogren等[25]利用无菌小鼠模型首先研究了肠道菌群与骨骼之间的关系。研究发现，与对照组相比，GF小鼠的骨量增加、骨髓CD4+T细胞和TNF的水平较低，而将正常小鼠的肠菌移植给GF小鼠之后，GF小鼠的骨量以及CD4+T细胞和TNF的水平恢复正常。在这项研究中，移植后小鼠的骨量低于GF小鼠的骨量，虽然这一结论与Schwarzer等[26]的研究结果等不一致，但可以反映出肠菌移植对免疫系统发挥了一定的调节作用。另外，Yan等[27]也将正常小鼠的肠菌移植给GF小鼠，结果移植后一个月GF小鼠的骨量减少，而移植后8个月GF小鼠的骨量增加，并逐渐恢复到正常小鼠的水平，这表明肠道菌群对骨量的影响是一个动态的过程，短期移植可以增强骨的分解代谢，而长期移植后骨的合成代谢也增强。

肠道菌群在激素发挥调节骨代谢过程中也发挥了核心作用。Jau等[28]的一项研究中，GF小鼠缺乏性类固醇，但破骨细胞以及细胞因子未增加，这表明肠道菌群是性类固醇缺乏性骨丢失的关键，且补充益生菌可以预防骨丢失。Jonathon等[29]在一项肠菌移植试验中，将糖皮质激素性骨质疏松(GIO)小鼠的肠菌移植给经抗生素处理一周的小鼠，随后发现受体小鼠骨量减少，表明糖皮质激素激素对于骨量的影响可以通过肠菌移植的方式进行转移。上述研究说明，调节肠道菌群可以调节机体的骨量，但通过肠菌移植治疗骨质疏松症到目前为止鲜有报道，以上的肠菌移植实验仅限于将肠菌移植给GF小鼠以研究肠道菌群对于骨代谢的影响，肠菌移植对于骨质疏松症的治疗作用及相应的机制，具有广阔的研究前景与应用空间，还需要在更深入的基础研究与临床试验中继续探索。

5 肠菌移植调节骨量的作用机制

骨的重塑过程是一个动态平衡的过程，包含两个部分，即成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞介导的骨吸收，而肠道菌群可以通过短链脂肪酸等代谢产物以及免疫系统调控成骨细胞与破骨细胞的成熟与分化，从而调节机体的骨量。综上所述，作者认为肠菌移植可以通过以下机制调节骨代谢，改善肠道菌群紊乱，通过肠道菌群代谢产物和免疫系统调节骨量。

5.1 SCFAs调节机制

短链脂肪酸(SCFAs)是结肠中无法消化的碳水化合物或氨基酸经细菌发酵产生的，包括乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs主要由梭状芽孢杆菌、双歧杆菌和乳杆菌产生，是肠菌移植时肠道有益菌群最主要的代谢产物之一。SCFAs可以作为激活G蛋白偶联受体43和41的信号分子[30]。而且SCFAs不仅可以增加钙的吸收，还具有抑制炎症和维持肠道菌群平衡的作用[31]。此外，SCFAs还可以通过增加钙的结合水平，蛋白质转录水平以及上调VDR来增加钙与维生素D的吸收。SCFAs还可以促进Treg细胞的发育及刺激Treg的免疫反应，从而改善因肠菌失调引起的免疫系统异常。另外，SCFAs可以通过提高血清IGF-1的水平发挥骨保护作用[27]。而另一类代谢产物5-HT是由肠嗜铬细胞产生的一种神经递质。在人体中有90%以上的5-HT是在肠道内合成的[32]。研究表明，棒状杆菌、链球菌和大肠杆菌在培养中可以产生5-HT[33]。成骨细胞表面表达了3种5-HT受体，分别为Htr1b、Htr2a和HTR2b，5-HT以成骨细胞为靶点，通过Htr1b、Htr2a和HTR2b等信号通路调节成骨细胞的增殖。另外，值得注意的是，SCFAs也可以对5-HT进行调控[34]。

5.2 免疫调节机制

肠菌移植可以通过调节肠道免疫来调节骨免疫，进而影响骨代谢。肠道菌群影响了肠道黏膜固有层中细胞因子的产生和淋巴细胞的分化，特别是CD4+T细胞向Th17细胞和Treg细胞的分化。Goto等[35]研究发现，将节段性丝状细菌(SFB)移植到GF小鼠体内可增加Th17细胞的数量，从而导致IL-17、TNF-α以及IL-1水平的上升，诱导RANKL的表达，从而发挥促进破骨细胞生成的作用。而Atarashi等[36]发现，用从小鼠中分离出的梭状芽孢杆菌IV和XIVa移植给GF小鼠，可使全身性和固有层Treg细胞增多，另外，SCFAs也可以诱导Treg细胞分化，Treg细胞通过分泌IL-4、IL-10以及TGF-β发挥调节破骨细胞生成的作用[5]。此外，肠菌移植还可以通过先天免疫介导肠道菌群和骨骼之间的关系，这些先天免疫是通过几种受体介导的，例如核苷酸结合寡聚域蛋白(NOD1和NOD2)受体和Toll样受体5(TLR5)。NOD1和NOD2是普遍存在的病原体相关分子模式(PAMP)的细胞内传感器，主要在上皮和免疫细胞上表达，结合细菌肽聚糖并激活NF-kB途径，在肠道菌群对骨骼的影响中起关键作用[37]。TLR5是识别鞭毛蛋白的先天免疫受体，而鞭毛蛋白是细菌的主要成分。TLR5在免疫细胞和非免疫细胞上都有表达。最近的一项研究发现，通过激活RANKL通路，TLR5成为了炎症诱导骨丢失和破骨细胞形成过程中一种新的介质[38]。

6 肠菌移植的临床应用前景

尽管肠菌移植作为治疗艰难梭菌感染的治疗方法已经日趋成熟，但将其用于治疗骨质疏松依然存在一些尚未解决的问题。首先，肠菌移植目前传统的给药途径依旧是通过鼻饲、胃镜及肠镜等方式，操作带来的不适感可能会大大降低患者的依从性，进而致使患者倾向于使用其他抗骨质疏松药物。其次，据文献报道，部分患者在移植肠菌后会出现恶心、呕吐、腹痛、腹胀不良反应。当然，这些不良反应可能与移植的异体肠菌有关，也可能与鼻胃管或内窥镜等操作有关[39]。因此，临床应用过程中可采用肠菌制剂如胶囊给药等方式移植以提高患者的依从性，减轻不良反应。按时长期对骨质疏松症患者进行肠菌移植治疗，可以从根本上改善患者肠道微生物结构及肠屏障功能，有望成为临床上治疗骨质疏松的有效疗法。

7 小结

随着对人体微生物-宿主相互作用认识的增加，肠道菌群调控已经成为促进宿主健康的一种全新方式。肠菌移植治疗骨质疏松是一个全新的、充满未知与挑战的领域。尽管肠菌移植已经用于治疗艰难梭菌感染，但肠菌移植作为一种骨质疏松症的全新治疗方法，目前为止鲜有报道，仍需进一步的动物实验创建骨质疏松模型来研究肠菌移植的治疗效果以及移植后动物肠道菌群结构与功能的变化。另外，在肠菌制剂常规应用于临床治疗之前，需经过大样本的RCT研究以验证肠菌移植治疗应用于人体的安全性及有效性，经过长期随访记录受试者的骨量变化情况及不良事件发生率。未来肠菌移植有可能成为传统药物治疗骨质疏松症的有效补充手段，甚至是替代方法，在临床治疗骨质疏松症方面具有广泛的研究与应用前景。