益生菌干预骨质疏松症相关机制的研究进展

陈剑 孙海飚 韩晓强 张子楠 郑彩玉

1.山西医科大学第一临床学院，山西 太原 030001 2.山西医科大学第一医院骨科，山西 太原 030001 3.厦门大学附属第一医院内分泌科，福建 厦门 361000

1 骨质疏松症概述

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一种表现为骨量减低和骨组织微结构退化的骨骼疾病。OP引起的脆性骨折会导致严重的残疾，使医疗费用的支出和死亡率增加[1]。OP患者骨折主要发生在应力集中的部位，如椎体、股骨近端和前臂远端[2]。在美国，OP的男性患者发生骨折的几率为13%，女性为40%，其死亡率也随之增加[3]。随着社会人口步入老龄化，OP的发病率不断增加。其中，绝经期的女性随着体内雌激素激素水平的下降或者消失，加剧了骨质的流失。OP给卫生保健系统带来很大的经济负担，是一个很严重的公共健康问题[4]。研究表明，到2020年将会有超过一半的美国人会发生骨密度减低甚至OP。

目前，药物在减少骨质流失或者增加骨钙含量方面有着一定的成效。临床上常用的治疗OP的药物有维生素D、钙制剂、钙的复合制剂和抗骨吸收药等。然而药物在长时间、大剂量使用后其副作用也随之出现[5]，如钙制剂会引起高钙血症，双膦酸盐类会发生胃肠道反应，雌激素替代疗法会增加乳腺癌风险等。因此寻找和研发新的且副作用小的抗OP治疗方法将会是一场革命。

2 益生菌概述

人体胃肠道内定植着巨大而又复杂的微生物群落，其中绝大多数的微生物属于专性厌氧菌，这些菌群与机体的健康息息相关，这部分菌群称为正常的肠道菌群(gut microbiota，GM)[6]。GM由万亿的细菌组成，其所含有的基因组数量比人类多150倍[7]。GM在出生的时候获得，随着接触外界环境及各种刺激因素后，菌群也在不断的变化和完善。GM与人类基因组存在明显的相互作用，能够以多种方式与宿主进行反馈并影响宿主[8]。益生菌属于GM，是指适当摄取后能够给予机体健康效应的有生命的微生物[9]。益生菌的种属繁多，现乳杆菌属、双歧杆菌属、埃希氏杆菌属、肠球菌属和芽孢杆菌属的益生菌已经得到广泛的使用[10]。

3 研究现状

相关报道证实益生菌对诸多疾病有确切的疗效，如婴儿腹泻、坏死性小肠结肠炎、抗生素相关性腹泻、复发性艰难梭菌结肠炎、幽门螺杆菌感染、癌变倾向的炎症性肠病、女性泌尿生殖器感染和手术感染等[11]。随着研究的深入，研究者逐渐意识到益生菌可以作为一种新的治疗手段来干预OP，并且在实验室已经获得了初步的成果，而其中涉及到相关机制的文章目前少有报道[14-16,19,23-25,,29]。益生菌干预OP的机制不同于以往的认识，其不只局限于影响钙离子的吸收。随着研究的不断深入，发现益生菌与机体的免疫系统、基因的表达、配体及通道的调节存在着密切的关系，益生菌可能通过复杂的方式对OP进行干预。为此，积极探索益生菌干预OP的机制，能够为未来OP的治疗及益生菌的研究提供更多帮助。

4 益生菌干预骨质疏松机制

4.1 益生菌影响炎症因子的表达

炎症因子与成骨、破骨细胞关系密切，Yang等[12]发现TNF-α、IL-1b与牙槽骨的体积、密度关系密切，TNF-α、IL-1b减少时，牙槽骨的体积和密度增加。Wu等[13]发现TNF受体家族的新成员骨保护素(osteoprotegerin，OPG)能够以剂量依赖性的方式阻断破骨细胞分化。

肠道菌群内的某些菌群发生变化时，可以出现相应的炎症因子水平的改变，与此同时，成骨细胞和破骨细胞的数量也随之发生改变。Sjögren等[14]发现缺少肠道菌群的无菌(germ-free，GF)小鼠骨和骨髓中TNF-α表达减少时，其骨密度增加。Ohlsson等[15]通过实验证实副干酪乳杆菌、植物乳杆菌能够减少卵巢切除(ovariectomy，OVX)小鼠体内的炎症因子TNF-α和IL-1b表达，增加具有抑制溶骨作用的OPG表达，最终导致小鼠皮质骨的骨量丢失减少。McCabe等[16]用罗伊氏乳杆菌(L.reuteri)ATCC PTA 6475饲喂雄性小鼠3～4周，检测发现L.reuteri 6475抑制了雄性小鼠空肠及回肠内TNF-α mRNA表达，使TNF-α表达减少，小鼠的骨密度增加。实验还证实了L.reuteri 6475的治疗能够增加雄性小鼠的股骨远端干骺区及腰椎的松质骨参数，如骨矿物密度、骨体积分数、骨小梁数和小梁厚度，但对皮质骨的相关参数没有影响。但在雌性小鼠的实验中并未得出以上结论，可见益生菌干预OP存在受体性别的差异。因此，益生菌可能通过调节与相关炎症因子的表达，来控制破骨细胞的生成和分化，以实现对OP的干预，其对促进成骨作用的炎症因子是否有作用，仍需进一步研究来证实。

4.2 益生菌影响基因表达，参与配体及信号通路的调节

Sparc基因和Bmp-2与骨骼的钙化、形成及发育关系密切。Sparc(secreted protein, acidic and rich in cysteine)是一种细胞基质糖蛋白，它与组织重塑、修复、发育、细胞转化以及骨的矿化有关[17]，其也是一种钙结合的受体[18]，Sparc基因的表达能够增加骨的钙化[19]。骨形态发生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是骨髓间充质干细胞向成骨细胞分化的关键因素[20]，而其中的BMP-2主要参与出生后骨骼内稳态的维持，提供骨固有的修复能力所需要的成骨信号[21]。Parvaneh等[19]在实验中发现饲喂了长双歧杆菌(B. Longum)的OVX小鼠的股骨微观结构发生了改变，其中骨形成的相关参数如血清骨钙蛋白、成骨细胞增加，而骨吸收的相关参数如血清C-末端肽、破骨细胞减少。该研究发现B. Longum引起OVX小鼠股骨的骨密度增加是由Sparc和Bmp-2基因表达的上调引起的。

Wnt10是骨形成过程中表达的一种典型的Wnt配体，其与间充质祖细胞的功能相关。Stevens等[22]在研究中证实Wnt10在维持成体骨髓间充质祖细胞的活性中起重要作用，而Wnt信号通路在胚胎发育和出生后骨稳态的维持起重要作用。Baron等[23]证实人类Wnt信号通路的激活能够显著促进骨的形成和骨量的增加，其中Wnt10b是骨形成的正向调节剂，能够促进成骨细胞分化。众所周知，I型糖尿病(T1D)的患者常发生OP，而OP的发生与Wnt10b和Wnt信号通路有着密切的联系。Zhang等[24]的研究发现L. reuteri的治疗能够防止由T1D引起的Wnt10b和Wnt10信号通路的抑制，并且能够阻止T1D小鼠成骨细胞活性及骨形成的抑制。以上可见益生菌可以通过调节基因表达、参与配体及信号通路的调节的方式干预OP，其中成骨细胞扮演重要角色。

4.3 益生菌抑制破骨细胞形成

成骨细胞及破骨细胞参与骨代谢的调节，两者数量及活性的相对平衡状态对骨量的维持及其重要。Britton等[25]使用L.reuteri治疗OVX小鼠，研究发现L.reuteri的治疗显著保护了OVX小鼠免受骨质的流失。研究发现经过L.reuteri治疗的OVX小鼠的破骨细胞重吸收的标志物Trap5、激活物RANKL以及破骨细胞的数量都显著减少，并且骨髓CD4+T淋巴细胞的生成受到抑制(CD4+T淋巴细胞具有促进破骨细胞发生的作用)。在体外实验中发现L.reuteri能够直接抑制破骨细胞形成。由此可见益生菌可以直接或间接的方式抑制破骨细胞形成，实现OP的干预。

4.4 益生菌影响钙离子的吸收

骨骼的主要的矿物质是钙，美国膳食指南将钙认定为机体缺乏的营养素[26]，钙的摄入量增加能够提升骨量[27]。机体钙的来源主要来自肠道吸收的钙离子，影响钙离子吸收的因素包括活性维生素D、肠道内酸碱度、钙离子通道和载体数量、体内相关的激素水平变化等[28]。Gilman等[29]在Caco-2细胞模型中发现唾液乳杆菌能够增加钙的吸收，这种钙代谢的调节可能是通过促进肠上皮细胞吸收钙离子实现的，但该研究未说明具体的转运方式。实验发现其他益生菌无该作用，例如双歧杆菌无法增加钙离子的吸收，由此可见益生菌影响钙离子的吸收存在菌种间的差异。另外，Sjögren等[14]发现GF小鼠与正常的小鼠相比其皮质骨与松质骨的骨密度增加，但两者血清钙、25-羟维生素D[25-(OH)D3]及血浆甲状旁腺激素的水平无显著变化，可见钙离子可能不是益生菌干预OP的主要机制。

5 总结与展望

益生菌与OP关系的研究是一个全新、充满未知和挑战的领域。益生菌干预OP是通过复杂的方式实现的，并且存在菌种、菌属和受体性别等的差异。根据目前的研究来看，益生菌干预OP可能机制是：①通过免疫系统(如炎症因子、免疫细胞等)、基因、配体及信号通路等影响成骨和破骨细胞生成和分化，实现OP的干预；②直接影响成骨和破骨细胞生成和分化干预OP；③增加钙离子的吸收干预OP等等。益生菌作为一种副作用小甚至是没有副作用的治疗方法，其干预OP的具体机制仍需进一步的实验研究及临床试验来阐明。相信未来益生菌在OP治疗方面的研究会有巨大的突破，并且益生菌对于其他疾病的治疗也会有新的进展。其会改变未来诸多疾病治疗的理念，为患者创造福音。