胃肠道菌群与骨质疏松症关系的研究进展

林杰， 金甬， 庞清江

1.宁波市中医院骨科，宁波 315016； 2.宁波市第二医院骨科，宁波 315099

随着人口老龄化的加剧，包括骨质疏松症（osteoporosis,OP）在内的骨科疾病发病率不断增加，给家庭和社会带来沉重的负担[1]。胃肠道菌群（gut microbiome）是定植在胃肠道内的庞大微生物群落，除了影响胃肠道外还在一定程度上影响着人体其他系统功能，与人体的健康紧密相关，同时也受到饮食及抗生素使用等因素的影响。本文通过对近年研究较多的胃肠道菌群对OP 的影响及具体机制进行归纳和综述，旨在从胃肠道菌群角度深入理解OP 发病机制和帮助临床选择更合理的治疗策略提供依据。

1 正常人体胃肠道菌群的特点

正常人类胃肠道内含有多达400～1000 种不同种类的菌种，总数近100 万亿个，构成复杂的胃肠道菌群微生态系统，是人体内最大的生态系统，这些微生物被称为胃肠道菌群，对人体生命活动产生重要作用，从营养、物质能量代谢、肠道发育、免疫系统成熟、炎症反应、氧化应激以及水合状态等方面的作用已经被逐一证实，对于人体各系统的影响及具体机制也已经或者正在被挖掘出来。胃肠道菌群包括4 种主要的细菌门类：厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门，其中厚壁菌门和拟杆菌门的菌群占据肠道菌群的绝对优势，厚壁菌门占比更是达到50%～75%[2]。不同门类的肠道菌群参与构成了肠道内的微生态环境，并且参与了人体自出生至死亡的整个生命过程。

2 胃肠道菌群对骨代谢的影响及其作用机制

近年来，胃肠道菌群与骨质疏松症的关系逐渐成为研究热点，证实胃肠道菌群可以通过自身代谢产物影响宿主骨代谢，也可以通过内分泌及免疫系统等几个方面来影响破骨细胞和成骨细胞的相对活性，从而实现促进或者预防OP 发生的作用。而胃肠道菌群影响骨代谢的具体途径和内在机制也在逐步被发现和证实。

（1）短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA） 膳食中的钙摄入量与骨代谢密切相关，膳食中的钙通过位于小肠上皮的钙通道，经过主动转运吸收入血液，又通过被动运输分布到整个肠道[3]。肠道中的某些益生菌（双歧杆菌、乳杆菌及丁酸梭菌等）在自身代谢过程中会产生一些以短链脂肪酸（SCFA）为主的代谢产物，SCFA 包括乙酸、丙酸和丁酸，一方面降低肠道pH 值，提高钙在肠腔内的溶解度，使钙更容易被吸收；另一方面直接增加小肠绒毛结构和小肠上皮表面积，增加细胞旁途径的钙吸收及钙结合蛋白的表达，增加小肠对钙的吸收[4]。

研究显示SCFA 可以通过抑制组蛋白去乙酰化酶、激活特定的G 蛋白偶联受体（G protein-coupled receptors，GPRs）及诱导自噬等几个方面来完成对骨代谢的调节[5]。研究已经证实SCFA 依赖GPR43（乙酸和丙酸受体）来诱导外周调节性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了GPR41（丙酸和丁酸受体）和GPR109（丁酸和烟碱受体），证实了SCFA 通过激活GPRs 来影响成骨细胞和破骨细胞活性[6]。

另一方面，SCFA 中的丁酸盐、醋酸盐、丙酸盐和色氨酸中的吲哚等成分可以促进肌肉合成，抑制分解，抗炎抗氧化及调节骨代谢，有助于预防骨质疏松症的发生。Charles 等认为SCFA 作为肠道菌群的主要代谢产物之一，还可以直接作用于骨细胞，增加骨密度及骨强度[7]。小鼠动物实验显示SCFA 可以增加小鼠的骨密度及骨强度，在病理状态（如炎症）下小鼠肠道益生菌数量减少，短链脂肪酸减少，促进了OP 的发病[8]。所以说当胃肠道菌群紊乱，益生菌减少时，SCFA 生成减少，导致了骨质疏松症的发生。

（2）脂多糖 胃肠道菌群的细菌细胞壁主要成分脂多糖既能可通过慢性炎症反应诱导骨量减少。也能通过诱导破骨细胞形成和活化引起骨丢失[9]。胞壁酰二肽则可通过下调RANKL/OPG 比值来间接抑制破骨细胞分化，减少骨吸收，增加骨量[10]。

（3）5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT） 5-HT 对于骨量的增加有着积极的作用，它既可以增加骨的形成，也可以抑制骨的吸收。超过90%的5-HT 是在人体肠道中合成的，研究证实肠源性5-HT 的直接作用靶位是成骨细胞[11]，肠道菌群通过调节肠道来源的5-HT 来实现对骨骼发育和骨量的调节。比如研究发现健康小鼠肠道中的链球菌和大肠杆菌可以上调血清5-HT 水 平[12]。

3 胃肠道菌群与OP 发生及其机制

有不少研究发现胃肠道菌群和骨质疏松症的发生具有密切联系，在我国高达15.7%的老年人群患有骨质疏松症，据估计到2050 年我国老年人骨质疏松症发病率可达25%，届时老年骨质疏松症患者人数将超过2 亿[13]。老年人骨质疏松症的发生与许多因素有关，胃肠道菌群的改变是其中比较重要又比较容易被忽视的因素。研究发现老年人与年轻人的肠道微生物种群相比有着显著差异，老年人的肠道微生物种群数量少，结构较单一，拟杆菌属的比例较高[14]。这可能与老年人随着年龄增长而产生的膳食纤维减少等饮食习惯改变、慢性疾病增多、营养状况变差等因素相关[15]。年龄增长导致的肠道生态紊乱状态可进一步导致肠道屏障功能障碍、有害菌毒素增多、有益次级代谢产物减少，并引发机体炎症反应和氧化应激损伤，可以引起骨代谢紊乱；另外从免疫角度来看，老年人胃肠道菌群中，致病菌增多而抗炎菌减少，处于炎症状态下，活化的T 细胞介导破骨细胞分化，也会增加骨质疏松的发病风险。胃肠道菌群的改变还可以调节与年龄有关的生理机能，包括免疫反应和认知功能等，这些生理机能的改变也可能促进了包括骨质疏松症在内的肌骨系统疾病的发生和发展[16]。

OP 是骨代谢失平衡的结果，其发病率随年龄增加而增加，主要表现为成骨不足和破骨有余所致的骨结构损害，主要特征为骨量减少和骨折风险增加。人口老龄化使OP 的防治工作更加紧迫。骨量是衡量骨健康的重要指标，其维持依赖于骨代谢动态平衡，即成骨细胞的骨形成和破骨细胞的骨吸收共同介导的过程。目前研究认为胃肠道菌群与OP 发生及其机制可以从免疫、内分泌和肠-骨轴三个方面来阐述。

3.1 免疫

胃肠道菌群失衡可以影响免疫系统，而肠道免疫系统是人体内最大的免疫系统之一，与骨质疏松症的发展关系密切。包括炎症、应激、炎性反应性肠病（IBD）以及腹腔疾病等在内的许多情况都可以导致肠道免疫系统失调，肠道免疫系统失调导致肿瘤坏死因子（TNF）、白细胞介素-1（IL-1）和白细胞介素-6（IL-6）等细胞因子的失调，这些细胞因子的失调与骨丢失以及骨质疏松症的发展密切相关[17]。由于免疫系统与骨质疏松等骨代谢相关疾病关系密切，因而近年来有“骨免疫学”的概念被提出来。

肠道菌群是肠道免疫系统的重要调节因子，口服罗伊杆菌、鼠李糖乳杆菌等益生菌则可以通过调节肠道免疫功能，抑制单核细胞产生TNF，降低IL-17 表达来增加骨量、减少骨丢失，实现防治OP 的目的[18]。益生菌干酪乳杆菌则改变了巨噬细胞表型，抑制巨噬细胞的骨溶解和促炎状态[19]。进一步表明通过口服益生菌、改善肠道菌群，可以有效调节肠道免疫系统，防治OP。

3.2 内分泌

内分泌激素作用于身体的各种器官，在包括骨质疏松症在内的许多肌骨系统疾病的发生和发展中发挥作用。

（1）胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor-1，IGF-1） IGF-1 是一种促生长的内分泌激素，在细胞增殖、分化和细胞周期中起关键作用,并通过内分泌、旁分泌/自分泌的机制发挥调控作用。研究发现IGF-1 在骨形成和骨改建过程中发挥重要作用，因而也在OP 发病中起关键作用。

IGF-1R 是与IGF-1 结合的受体，广泛表达于脂肪、肝和骨骼中，骨骼内的IGF-1 与IGF-1R 结合会引起IGF-1R 信号活性标志物的Akt 磷酸化，启动级联传导而调节骨代谢。研究发现缺失IGF-1R 的成骨细胞增殖能力受到抑制，凋亡活性增加，可导致骨小梁减少和矿化不足，这提示IGF-1 具有促进成骨细胞增殖、分化和耦合基质矿化的能力；软骨细胞的IGF-1R 基因敲除后，小鼠的生长板骨化延迟，仅少量骨骼矿化，说明IGF-1 在生长板成熟和次级骨化中心形成中起重要作用[20]。另外，IGF-1 还可以通过促进甲状旁腺素分泌来增加钙沉积，刺激骨骼形成。IGF-1 在骨形成和骨重塑过程中发挥重要作用，而体内的IGF-1 主要是由包括肝、肌肉等多个器官在包括乳杆菌在内的胃肠道益生菌群的诱导下产生的，当胃肠道菌群紊乱时IGF-1 水平降低，这与OP 的发病和进展密切相关。

（2）雌激素 绝经后骨质疏松的发生与雌激素水平变化密切相关。在肠道菌群中编码葡萄糖醛酸酶的微生物参与了雌激素的肠肝循环。雌激素可以通过NO/cGMP 依赖性磷酸化途径和Fas/Fas 配体系统促进成骨细胞分化和存活，另外雌激素还可以通过低密度脂蛋白受体相关蛋白的途径减少破骨细胞分化，维持骨内环境稳态，增加OPG/RANKL 比值[21]。

3.3 肠-骨轴

不管是肠道菌群代谢产物，还是内分泌，或者是免疫系统方面来看，肠道菌群和骨代谢存在着密切而复杂的联系。

在此基础上近年Alessandro de Sire 等阐述了“肠-骨轴”的概念，阐明了膳食补充和益生菌在改善骨健康和预防骨质疏松中的重要作用，并引起了广泛关注[15]。提示我们可以通过分析患者具体情况为每一位患者定制个性化的胃肠道干预措施，比如钟小惠等基于肠道菌群对骨生成障碍影响的研究就认为通过个性化饮食，单独或者同时控制血液中特定分子的水平（钙离子、维生素和氧化三甲胺等）可能成为未来研究通过个性化营养促进骨生成的关键[22]。

4 胃肠道菌群对OP 的治疗作用

胃肠道菌群在骨质疏松发生发展中起的重要作用，因此益生菌可能是治疗骨质疏松症的可行方法。传统乳酸杆菌和双歧杆菌已经被证实具有治疗骨质疏松的作用。在临床研究中，Li 等[23]报道了一项口服罗伊氏乳杆菌治疗老年骨质疏松的前瞻性随机对照研究，发现其中10 例患者在口服罗伊氏乳杆菌后骨量丢失情况和炎症水平明显好转，是所以说补充罗伊氏乳杆菌有可能阻止肠道菌群和炎症状态的恶化，具有治疗骨质疏松的作用。

目前有学者提出一种名为嗜黏蛋白-阿克曼菌的新型益生菌在治疗骨质疏松方面具有更强的作用。 Chevalier 等[24]报道嗜黏蛋白-阿克曼菌可以增加骨小梁体积、连接密度和厚度，从而改善成年雌性和年轻雄性小鼠的骨生物力学强度，从而防止卵巢切除术引起的骨丢失，为嗜黏蛋白-阿克曼菌治疗骨质疏松提供了有力证据。

中医药也在通过改善胃肠道菌群实现对OP 干预的实践中取得了显著的效果。Zhang 等[25]报道了一项关于传统中医药治疗肠道菌群紊乱的骨质疏松症的有研究，发现采用口服薏苡的21 例患者治疗3 个月后他们的平均骨密度由(-2.814±0.176)提升到(-2.262±0.132)。另外，这些患者的拟杆菌属、埃希菌-志贺菌属、粪杆菌属、巨单胞菌属、布劳蒂亚、克雷伯菌属和普雷沃菌等转基因微生物丰度发生明显变化，并且观察到主要变化胃肠道菌群的代谢物是辣椒平，苯丙氨酸，二氯丙酸，d -焦谷氨酸和坦索罗辛，因此中医药干预下骨质疏松症患者胃肠道菌群和微生物代谢物的变化对骨代谢具有积极影响。

5 小结与展望

胃肠道菌群在骨科疾病领域的研究正在成为改善骨健康的一个新的热门领域。目前的研究主要以胃肠道菌群和OP、骨关节炎为主，发现胃肠道菌群主要依靠其自身成分及代谢产物通过代谢、免疫及内分泌途径对骨科疾病的发病和进展产生影响。当胃肠道菌群发生紊乱时，益生菌减少，代谢产物发生不利于人体的变化，进而诱发相关疾病或者促使疾病进展、使症状加剧。事实上，人体是一个整体，胃肠道菌群不仅可以通过免疫和内分泌途径对骨科疾病产生影响，还可以通过对神经系统（肠-脑轴）、心血管系统、呼吸系统（肠-肺轴）等其他系统的作用间接对骨关节、骨骼肌系统发挥多方面多重的影响，进而影响骨科领域疾病的发生和发展。尽管胃肠道菌群治疗骨质疏松还处于起步阶段，但是作为一种潜在的干预手段，通过胃肠道菌群干预调节、依靠胃肠道益生菌群激活人体自身内分泌和免疫机制治疗骨科领域疾病，使病情向有利的方向发展，这是骨科领域疾病的临床诊疗中的一种全新的干预思路、研究方向和治疗策略。与传统的药物以及手术治疗方法相比，通过调节胃肠道菌群缓解治疗骨科疾病的方法对人体正常生理状态打击破坏最小，具有不良反应少、恢复快、风险小、患者依从性好等其他医学干预手段所不具备的优势。在OP 治疗中，临床推荐的治疗药物包括双磷酸盐、激素类（雷洛昔芬、降钙素和甲状旁腺素）和免疫球蛋白类药物（地舒单抗和雷诺单抗等），但是这些化学药物容易引起胃肠不适、肌肉疼痛和低钙血症等不良反应，但是胃肠道菌群干预调节的途径预防和治疗OP 患者可以在尽量避免上述副作用的情况下并取得相似、甚至更好的疗效。现阶段报道的益生菌治疗和中医药治疗可以起到改善患者胃肠道菌群并达到治疗骨质疏松症的作用，但是基于临床上广泛存在的迫切需求，其具有广阔的发展空间和美好的应用前景，亟需进一步深入的基础与临床研究探索为临床合理胃肠道菌群干预治疗骨科疾病提供坚实的理论基础。