【國家自然科學基金】腸道菌群對骨代謝作用機制的研究進展

菌心說 2023-01-31 發(fā)布于北京

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基金項目：國家自然科學基金項目（81874373，82074235）

作者：張悅怡1 劉田園1 王釤1 戴璇1 劉亞鴿1 盧美希1 王麗麗2 張東偉1*

作者單位：

1.北京中醫(yī)藥大學中醫(yī)學院，北京 102488

2.北京中醫(yī)藥大學中藥學院，北京 102488

*通信作者：張東偉，Email：zhdw1006@163.com

摘要

腸道菌群（gut microbiota, GM）是人體內(nèi)密度最大的微生物群落，能影響機體的生理病理狀態(tài)。本文利用中國知網(wǎng)、PubMed等數(shù)據(jù)庫，以GM、骨代謝、骨質(zhì)疏松等為關(guān)鍵詞，檢索了近20年國內(nèi)外相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)GM可能通過以下途徑影響骨代謝：（1）影響鈣的吸收、調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等；（2）調(diào)節(jié)其代謝產(chǎn)物（如短鏈脂肪酸、次膽汁酸、吲哚類衍生物和多胺等）的含量；（3）調(diào)節(jié)雌激素、胰島素樣生長因子1、5-羥色胺等激素的水平。臨床研究表明，糞便微生物群移植、補充益生菌和益生元或調(diào)節(jié)飲食結(jié)構(gòu)可改善GM的組成，能抑制骨量的下降。因此，GM及其代謝產(chǎn)物可能成為骨質(zhì)疏松癥等骨代謝疾病的防治新靶點。

關(guān)鍵詞

腸道菌群；代謝產(chǎn)物；骨代謝；骨質(zhì)疏松癥

正文

腸道菌群（gut microbiota，GM）是指寄居在人體胃腸道內(nèi)的微生物群，其主要來源于母體，受后天環(huán)境因素和飲食影響，是人體內(nèi)種類最多、密度最大的微生物群落[1]。目前研究發(fā)現(xiàn)[2]，人體胃腸道內(nèi)生存著約超過100萬億個細菌，可以分為52個細菌門，其中厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門居主導地位，這些菌群在調(diào)節(jié)宿主生理功能如代謝、營養(yǎng)、免疫等方面發(fā)揮著重要作用。

骨代謝包括骨形成和骨重建等過程，其穩(wěn)態(tài)受成骨細胞和破骨細胞調(diào)控。研究[3-4]發(fā)現(xiàn)，GM的改變會影響骨的強度和質(zhì)量，在骨代謝穩(wěn)態(tài)過程中發(fā)揮著重要作用。Sjogren等[5]發(fā)現(xiàn)C57BL6/J小鼠體內(nèi)的GM與骨密度密切相關(guān)，該團隊研究人員將常規(guī)條件飼養(yǎng)的小鼠盲腸內(nèi)容物中的糞菌移植到無菌（GF）小鼠體內(nèi) 4周后，GF小鼠的骨量顯著增加。此外，常規(guī)小鼠長期灌服廣譜抗生素，其骨骼再現(xiàn)GF小鼠的表型[6]。Schepper等[7]的研究也發(fā)現(xiàn)給正常小鼠移植骨質(zhì)疏松小鼠的糞菌后，其骨質(zhì)量明顯下降。將年輕大鼠糞菌移植到老年大鼠體內(nèi)，能改善老年大鼠在門和家族水平上的腸道穩(wěn)態(tài)，提高其骨體積、骨小梁體積分數(shù)、骨小梁數(shù)量和骨小梁厚度[8]，這說明GM能直接影響機體的骨代謝。為了進一步探索GM與骨代謝的相關(guān)性，本文綜述了近20年（2002-2022年）以來國內(nèi)外GM與骨代謝相關(guān)的文獻，以期為骨代謝疾病的防治提供新的方案。

1 腸道菌群生物學效應

根據(jù)機體反應性的不同，GM分為有益菌（益生菌）、中性菌和有害菌。益生菌被定義為活的共生微生物，如細菌或真菌，可以給宿主帶來健康益處。正常生理狀態(tài)下，益生菌可調(diào)節(jié)免疫細胞的發(fā)育和功能、促進食物消化與脂肪代謝、維持上皮細胞功能、調(diào)節(jié)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)和促進血管生成、抑制有害菌和中性菌的過度生長繁殖，促進人體各系統(tǒng)間的平衡。

腸道中性菌本身對身體無害，甚至對益生菌有協(xié)同作用，但在某些病理條件下，中性菌大量繁殖，導致有益菌比例降低，可誘發(fā)GM穩(wěn)態(tài)的失衡。而以變形菌門為代表的有害菌則可使機體產(chǎn)生炎癥、誘發(fā)腸道屏障功能失常以及成骨細胞和破骨細胞功能異常激活[9]等不良反應，導致疾病的發(fā)生。

2 腸道菌群與骨代謝

2.1 腸道菌群通過調(diào)節(jié)鈣吸收影響骨代謝

鈣是人體骨骼中主要礦物質(zhì)元素，對骨骼的形成至關(guān)重要。營養(yǎng)學調(diào)查研究[10]顯示，正常膳食中攝入的鈣僅有30 %會被骨骼吸收，因此提高鈣的吸收率，可以促進骨的生成。鈣在正常人體中以鈣離子的形式被消化吸收，研究[11]發(fā)現(xiàn)，GM可通過調(diào)節(jié)腸道pH、改善腸絨毛結(jié)構(gòu)、增加腸道延展性等途徑提高鈣離子吸收率，調(diào)節(jié)骨代謝。

2.2 腸道菌群通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)影響骨代謝

免疫系統(tǒng)由免疫器官、免疫細胞和免疫分子組成，具有免疫監(jiān)視、免疫防御和免疫調(diào)控的功能。免疫細胞與骨細胞均來源于骨髓，具有共性的調(diào)節(jié)因子，如腫瘤壞死因子（TNF-α）、白細胞介素（IL-1和IL-6等）和干擾素γ（IFN-γ）等，既可以調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，又影響破骨細胞和成骨細胞的功能。GM與樹突狀細胞、免疫細胞在內(nèi)皮層的邊界不斷接觸，可刺激免疫系統(tǒng)釋放炎癥因子并影響骨組織免疫細胞群，從而調(diào)節(jié)骨骼的重塑[12-13]。例如，在腸道內(nèi)壁激活的調(diào)節(jié)性T細胞（Tregs）可以遷移到骨髓中，對骨內(nèi)膜和骨小梁的重塑產(chǎn)生影響[14]。

GM可影響宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟。研究發(fā)現(xiàn)，GF動物具有不成熟的粘膜免疫系統(tǒng)，腸相關(guān)淋巴組織（GALT）發(fā)育不良，尤其是GF小鼠的脾臟和腸系膜淋巴結(jié)的形成存在缺陷，同時伴有CD4+T細胞數(shù)量和IgA生成的減少。Sj?gren等[5]發(fā)現(xiàn)，GF小鼠的破骨細胞數(shù)量減少，骨中IL-6、RANKL和TNF-α水平降低，而這些細胞因子具有促炎癥和促破骨細胞生成作用；同時發(fā)現(xiàn)GF小鼠移植常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的GM后，其免疫系統(tǒng)可恢復至正常水平。

GM能通過以下途徑調(diào)節(jié)機體的免疫功能，進而影響骨代謝（圖1）：（1）GM可促進抗體反應，通過調(diào)節(jié)基因表達促進B細胞的分化，增加機體IgA、IgG等抗體的產(chǎn)生，維持腸道屏障功能；（2）GM的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（SCFAs）對腸道巨噬細胞發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用，誘導Tregs分化，還可以誘導T輔助細胞分化為Th1和Th17，從而增強宿主對病原體的防御能力；（3）GM可調(diào)節(jié)與炎癥相關(guān)細胞因子的水平。Mazmanian等[15]發(fā)現(xiàn)給GF動物移植脆弱類桿菌，能重建其體內(nèi)Th1和Th2細胞之間的平衡，進而引導淋巴器官的重新形成。GM通過影響Th細胞的發(fā)育和Tregs分化，調(diào)節(jié)腸道Tregs與Th細胞的平衡[16]，進而改變腸道乃至全身的內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，調(diào)節(jié)破骨細胞及成骨細胞功能，影響骨吸收和骨形成的動態(tài)平衡[17]。

2.3 腸道菌群通過調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響骨代謝

中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸道微生物群以化學信號（如乙酰膽堿、γ-氨基丁酸和5-羥色胺等）為介質(zhì)將信息在大腦和腸道間的相互傳遞，這種信號轉(zhuǎn)導途徑稱為“腸-腦軸”。研究[18]發(fā)現(xiàn)，乳球菌、黏液桿菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌等與瘦素濃度呈正相關(guān)；梭狀芽孢桿菌、普雷沃特氏菌、細菌和阿洛巴氏菌等與瘦素水平呈負相關(guān)。瘦素與腦干神經(jīng)元中表達的瘦素受體（Ob-Rb）結(jié)合后，會抑制腦干神經(jīng)元中5-羥色胺（5-hydroxytryptamine, 5-HT）釋放和5-羥色胺受體2C（HTR2C）在下丘腦腹內(nèi)側(cè)（VMH）核上表達，并通過成骨細胞中表達的β2腎上腺素能受體（Adrβ2）促進骨吸收[19]。反之，當瘦素濃度降低時，5-HT的釋放可降低交感神經(jīng)活性，從而影響骨代謝的平衡（圖2）。

3 腸道菌群代謝產(chǎn)物與骨代謝

在機體代謝過程中，GM可產(chǎn)生許多活性物質(zhì)，如SCFAs、次膽汁酸、三甲胺-N-氧化物（TMAO）、吲哚類衍生物和多胺等，這些代謝產(chǎn)物可通過腸道擴散至體循環(huán)，調(diào)節(jié)機體代謝。值得注意的是，在探討腸道菌群對骨代謝的影響方面，由于研究者所用無菌小鼠、抗生素干預方式或者單一腸道菌群移植小鼠等方面的不同，腸道菌群變化的趨勢也不相同，因此最終得到的實驗結(jié)論也不完全一致。同時，實驗結(jié)果還受到干預時間、動物年齡、種屬、性別、生長環(huán)境等方面的影響。而GM代謝產(chǎn)物相對比較穩(wěn)定，能間接地揭示GM對骨代謝的作用，受到了越來越多研究者的關(guān)注。

3.1 SCFAs

SCFAs是一類鏈長為1~6個碳原子的飽和脂肪酸，由GM將不易消化的碳水化合物發(fā)酵代謝而來，包括醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。此外，GM中的氨基酸發(fā)酵也會產(chǎn)生SCFAs。Donohoe等[20]發(fā)現(xiàn)，腸道微生物菌群能影響機體的能量穩(wěn)態(tài)。其中，丙酸鹽和乙酸鹽主要被肝臟吸收，是生成葡萄糖的主要來源。而丁酸鹽作為重要的能量來源，可調(diào)節(jié)腸道內(nèi)激素水平，提高胰島素敏感性，同時與丙酸鹽一起可通過腸-腦軸促進腸道糖異生作用，刺激脂肪酸氧化，抑制肥胖和胰島素抵抗，維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。而葡萄糖代謝為成骨細胞和破骨細胞分化和形成提供能量來源，當能量代謝異常時，成骨前體細胞會從成骨細胞分化轉(zhuǎn)化為向脂肪分化[21]。

SCFAs可能通過以下兩種途徑影響免疫系統(tǒng)：（1）抑制組蛋白去乙?；福℉DAC）的活性，誘導Tregs生成，維持免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)；（2）細胞表面G蛋白偶聯(lián)受體（尤其是FFAR2受體）結(jié)合后，可降低細胞內(nèi)cAMP水平，激活免疫系統(tǒng)，促進Tregs的增殖與分化，抑制腸道炎癥和破骨細胞的分化[22]，進而調(diào)節(jié)骨代謝。

SCFAs還可以降低腸道pH，減少與鈣離子結(jié)合的如磷酸鈣等無機鹽的形成，同時SCFAs中的丁酸鹽可以刺激腸黏膜細胞增殖，擴大腸上皮表面積，進而提高機體鈣的吸收能力[23]。此外，SCFAs可選擇性地提高絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）p38的磷酸化水平，介導下游底物熱休克蛋白27（HSP27）在Ser78和82位點磷酸化[24]，通過影響礦物質(zhì)吸收，提高骨骼質(zhì)量（圖3）。

3.2 三甲胺-N-氧化物

三甲胺-N-氧化物（trimethylamine N-oxide，TMAO）是膳食膽堿的腸道微生物依賴性代謝物。研究[25]發(fā)現(xiàn)，TMAO可通過激活炎癥反應，并上調(diào)NF-κB信號通路減少骨髓間充質(zhì)干細胞（BMSCs）增殖，抑制其向成骨細胞分化，導致骨代謝失衡。

3.3 次膽汁酸

初級膽汁酸在肝臟中形成膽汁鹽，分泌到小腸中，經(jīng)過GM的生物代謝，生成次膽汁酸。GM可以改變初級膽汁酸的數(shù)量和類型，從而產(chǎn)生不同的代謝效果，影響膽汁酸的代謝。同時，次級膽汁酸可以作為維生素D受體的配體，調(diào)節(jié)1,25-二羥基維生素D3的代謝，對骨穩(wěn)態(tài)和礦物質(zhì)平衡起著重要的作用[26]。

3.4 吲哚類衍生物和多胺

吲哚衍生物可刺激抗微生物肽、粘液蛋白的生成和腸道絨毛細胞的增殖，抑制病原體的異常繁殖，進而維持腸道粘膜的完整性。多胺類物質(zhì)，如腐植酸、亞精胺和精胺可調(diào)節(jié)基因表達并促進腸上皮細胞的增殖，維持腸道的屏障功能并通過影響免疫系統(tǒng)的功能進而調(diào)節(jié)骨代謝[27]。

4 腸道菌群通過調(diào)節(jié)激素水平影響骨代謝

4.1 雌激素

雌激素是一種主要由卵巢分泌的類固醇激素，其可以促進成骨細胞的生成和破骨細胞的凋亡，對骨代謝發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。Ma等[28]研究發(fā)現(xiàn)，去卵巢誘發(fā)的骨質(zhì)疏松模型大鼠的GM嚴重失調(diào)，厚壁菌門與擬桿門細菌比值顯著增加，其中瘤胃球菌屬、梭菌屬和糞球菌屬與破骨細胞骨吸收呈正相關(guān)；而GM中擬桿菌屬和丁酸弧菌屬與骨量丟失呈負相關(guān)。

雌激素缺乏導致的骨質(zhì)疏松癥與GM密切相關(guān)。研究[29]發(fā)現(xiàn)，GF小鼠或長期服用抗生素的小鼠，缺乏雌激素不會導致大量的骨質(zhì)流失。而正常動物雌激素缺乏時，其腸道通透性增加誘發(fā)GM紊亂，大量致病菌進入腸道，一方面通過髓基質(zhì)細胞和成骨細胞分泌RANKL和M-CSF等信號分子，促進破骨細胞前體細胞向破骨細胞分化，以及破骨細胞的生成；另一方面通過影響免疫系統(tǒng)，促進Th17細胞分化，刺激促炎細胞因子如TNF、IL-17和IL-1的分泌。TNF可通過NF-κB（RANK）受體激活劑的激活和Th17細胞的誘導，刺激RANKL分子的進一步增加，促進破骨細胞的形成和骨吸收，并同時降低了成骨細胞的骨形成能力，從而誘發(fā)骨質(zhì)疏松[30]（圖4）。

4.2 胰島素樣生長因子1

胰島素樣生長因子1（IGF-1）主要通過Akt-mTOR途徑調(diào)節(jié)并誘導eNOS水平持續(xù)升高，從而促進成骨細胞分化與炎性因子表達，進而影響骨代謝。Yan等 [31]的研究表明，GM能增加血清中IGF-1的含量而促進骨的生長。將常規(guī)腸道微生物菌群移植到GF小鼠體內(nèi)，其血清、肝臟和脂肪組織內(nèi)的IGF-1水平均顯著增加。相反，抗生素的干預能降低常規(guī)小鼠IGF-1的水平而抑制骨的形成。然而，給抗生素干預的小鼠補充SCFAs，能抑制其血清中IGF-1含量的降低。這說明GM可能通過IGF-1影響骨骼的生長。

4.3 5-HT

5-HT是一種與骨細胞相互作用的分子，通過增加骨形成和抑制骨吸收對骨量產(chǎn)生積極影響。GM可以調(diào)節(jié)腸道5-HT的產(chǎn)生，腸源性5-HT可通過Htr1b/PKA/CREB/細胞周期蛋白信號調(diào)節(jié)成骨細胞增殖[32]。

4.4 甲狀旁腺素

甲狀旁腺素（PTH）是由甲狀旁腺產(chǎn)生的、調(diào)節(jié)鈣代謝的一種多肽類激素，可以影響骨形成和骨吸收，連續(xù)使用PTH會導致骨質(zhì)疏松癥[33]，而間歇性PTH干預則會促進骨形成 [34]。然而，連續(xù)或間歇性的PTH干預GF小鼠或連續(xù)使用抗生素的常規(guī)小鼠，其骨小梁的體積分數(shù)均無明顯改變[14]。研究[34]發(fā)現(xiàn)，PTH通過丁酸鹽增加骨髓Tregs的數(shù)量，Tregs通過BM CD8 T細胞刺激成骨Wnt配體Wnt10b的產(chǎn)生，從而激活Wnt信號傳導通路，刺激成骨細胞增殖分化，促進骨形成。

5 GM防治骨代謝疾病的應用

5.1 益生菌和益生元

益生菌能產(chǎn)生直接影響上皮細胞和免疫細胞的基因和代謝物，通過改善腸道功能、降低炎癥因子含量、降低腸道pH值促進鈣吸收以及抵抗有害細菌的菌落，進而促進成骨細胞的骨形成，維持骨骼健康[35]。試驗[36]證明，每天服用益生菌可以減少絕經(jīng)后的骨質(zhì)流失。一項關(guān)于羅伊氏乳桿菌（lactobacillus reuteri）的研究[37]表明，健康受試者服用該益生菌后，其血清25OH維生素D水平明顯升高，機體的鈣吸收明顯增加。

益生元是一種由GM發(fā)酵、耐胃酸和水解酶而不被腸道消化吸收的食物成分，其可選擇性調(diào)節(jié)一種或多種對宿主有益GM的活性。Inulin型益生元可增加腸道中“有益”細菌的數(shù)量，促進有機酸的釋放，從而降低腸道的pH值而促進礦物質(zhì)的吸收進而抑制骨量的丟失。臨床研究表明[38]，服用低聚果糖（FOS）等可增加胃腸道中雙歧桿菌比例，同時減少了擬桿菌科和產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量，其中雙歧桿菌可增加成骨細胞的數(shù)量和活性[39]，進而提高骨質(zhì)量。因此，補充益生菌和益生元，可以調(diào)節(jié)GM穩(wěn)態(tài)進而改善骨骼質(zhì)量。

5.2 調(diào)節(jié)飲食

飲食結(jié)構(gòu)可以影響腸道微生物群的種類和腸道的功能。高纖維飲食和低聚果糖可增加雙歧桿菌種類的數(shù)量，優(yōu)化GM的微生物組成，提高SCFAs的含量，降低腸道內(nèi)pH值，從而促進鈣的吸收。Matkovic V等[40]研究發(fā)現(xiàn) ，乳制品的攝入可促進骨的生成，抑制骨量的丟失。研究[41-42]也發(fā)現(xiàn)，60歲以上的成年人食用乳制品能降低骨質(zhì)疏松癥風險，部分原因是乳果糖衍生產(chǎn)品中的乳果糖含量與益生菌一起降低血清PTH水平，從而降低骨吸收標志物的含量。

6 總結(jié)和展望

總之，GM能通過調(diào)節(jié)宿主代謝、鈣的吸收、機體激素水平、免疫系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)等途徑直接或間接（其代謝產(chǎn)物）影響骨的形成和重建。而GM代謝產(chǎn)物，能穩(wěn)定地反應機體GM對骨代謝的影響，可能是骨質(zhì)疏松防治的新靶點。益生菌、益生元以及高纖維和低聚糖的攝入能改善GM的組成，促進鈣吸收和骨形成。補充益生菌和益生元以及調(diào)整飲食結(jié)構(gòu)，可能為骨質(zhì)疏松癥等骨代謝疾病的防治提供新思路。這也提示，GM及其代謝產(chǎn)物可能是未來基礎(chǔ)研究和臨床管理骨代謝性疾病的主要方向之一。（參考文獻略）