肠道菌群影响激素分泌在骨质疏松中的研究进展*

李丽珊， 杨力， 卓晓云， 邓彩红， 赵树秋， 许宁宁， 张桦△

1南方医科大学珠江医院内分泌与代谢科(广东广州 510282)； 2广州市从化区中医医院内四科(广东广州 510999)

微生物是人体不可分割的一部分，其中肠道内微生物的密度最高。目前已知肠道内约有1 200种细菌种类，其中最主要的菌群为拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、变形菌门、疣微菌门[1]。肠道菌群的基因数量超过了人类基因组的10～100倍。肠道菌群与宿主的健康关系密切，目前众多研究表明肠道菌群在机体代谢、免疫、内分泌中发挥重要的作用，与人类多种疾病相关[2]，如肥胖、糖尿病、甲状腺疾病、多囊卵巢综合征的高雄状态、肝脏疾病、类风湿关节炎、精神分裂症等。本文综述肠道菌群影响相关激素分泌在骨质疏松中的作用：性激素、肾上腺皮质激素、生长激素(GH)、胰岛素样生长因子-1(IGF-1)、血清素、瘦素及胰高血糖素样肽-1(GLP-1)。为进一步探究骨质疏松的预防和治疗提供新的思路。

1 肠道菌群与骨骼的概述

肠道菌群对骨质疏松治疗的作用在动物实验及临床试验中均得到证实。Britton等[3]给予卵巢切除术(OVX)1周的小鼠补充乳杆菌治疗后发现其骨小梁体积分数(BV/TV)较治疗前明显改善，且其骨小梁数量及厚度与非卵巢切除术小鼠相近。另外，在一项78例绝经后骨质疏松妇女参加的随机、双盲、平行设计的临床试验中，研究者给予受试者补充钙、镁和骨化三醇的基础上，予增加益生菌混合剂和安慰剂。结果提示益生菌可显著减弱绝经后妇女L2～4腰椎的骨密度损失并能刺激体内雌马酚的产生[4]。

近年来，大量研究表明肠道菌群与骨代谢的关系密切。益生菌可以增加小鼠骨骼质量，被认为对骨量有促进作用[5]。但也有研究发现无菌性小鼠骨量比传统喂养的小鼠高[6]。广谱抗生素处理后小鼠肠道菌群结构发生改变，随之而来的骨密度改变却各不相同。这些研究结果的差异可能与使用不同遗传背景的小鼠、雌雄、年龄以及不同的操作有关。肠道菌群可通过多种机制影响骨代谢，例如菌群失调可改变肠道酸碱度影响钙离子、维生素D的吸收；增加肠腔内脂多糖的浓度并破坏肠腔内上皮细胞的紧密连接，影响短链脂肪酸、次级胆汁酸等代谢产物的成分[2]。此外，肠道菌群还可通过Wnt/β-catenin[7]、Th17s、Tregs、NOD信号通路[8]影响骨代谢。大量的研究表明肠道菌群可改变机体激素分泌水平，这些激素都已明确在骨代谢中起重要作用。本文对肠道菌群影响激素分泌在骨代谢中的研究进展作一综述，探究对骨质疏松预防、新诊断、新治疗靶点的指导意义。

2 肠道菌群、性激素与骨代谢

众所周知，性激素在骨骼生长发育中发挥重要的作用，雌激素受体(ER)和雄激素受体均在成骨细胞(OB)表面表达，此外ER也在破骨细胞(OC)、骨细胞及骨髓基质细胞表面存在。雌、雄激素可抑制OB凋亡及刺激其增殖及成熟，雌激素还可直接诱导OC的凋亡，及间接抑制肿瘤坏死因子(TNF)、白细胞介素-1(IL-1)的产生从而抑制骨吸收[9]。

大量的研究证实性激素与肠道菌群之间存在相互作用的关系。早在1981年，Kornman等[10]通过体外培养实验发现雌激素及黄体酮可直接影响链杆菌属的代谢途径而调节整个微生物生态结构。1984年，Adlercreutz等[11]在同时服用避孕药及抗生素的健康女性中进行服药前后的血液、粪便、尿液标本雌激素水平与粪便菌群的相关性分析，发现青霉素可削弱肠道代谢雌孕激素的能力，增加体内雌孕激素的浓度，提示肠道菌群在雌激素的代谢中起着重要作用，然而其具体机制并不清楚。同年，Winter等[12]发现梭状芽胞杆菌可合成至少两种影响类固醇激素代谢和影响胆汁酸代谢的生物酶，其中可裂解肾上腺皮质素支链的类固醇碳链酶和20α-羟基类固醇脱氢酶可将糖皮质激素转换为雌激素，这可能是肠道菌群影响性激素代谢的机制之一。此外，Markle等[13]向未成年雌性小鼠移植成年雄性小鼠的肠道共生菌，不仅改变受者的肠道菌群结构，还提高了受者体内的睾酮水平，进一步证实了肠道菌群可影响宿主体内性激素水平。Flores等[14]通过人体实验证实了肠道菌群能够调节人体雌激素水平。该研究应用16S rRNA基因-焦磷酸测序技术和液相色谱-质谱检测发现肠道菌群丰度与非卵巢雌激素的浓度密切相关，其中瘤胃球菌科和厚壁菌门的梭状杆菌属的影响最为明显。肠道菌群产生的β-葡萄糖醛酸酶活性可增加雌激素的重吸收。Fuhrman等[15]也发现瘤胃球菌科和梭菌目的特定菌种可直接影响机体雌激素代谢。这些特殊肠道菌群不能结合肠道内的EM(4-羟基化雌激素代谢产物、2-羟基化雌激素代谢产物、16-羟基化雌激素代谢产物)，游离的EM随胆汁进入肝脏后可影响亲本雌激素的转化率，进而影响体内雌激素水平。研究表明在小鼠模型中，性激素的缺乏能够增强肠道渗透性，增加外周血Th17细胞的数量及小肠和骨髓中TNF、核因子-κB受体活化因子配基(RANKL)和白细胞介素-17(IL-17)的浓度。然而在无菌性小鼠中，性激素缺乏不能刺激骨吸收和小梁骨丢失，这表明肠道微生物群是性激素缺乏诱导小梁骨丢失的中心环节。给予性激素缺乏小鼠每周2次乳酸杆菌或市面上可得的益生菌补充剂VSL#3能够降低肠道的渗透性，抑制肠道和骨髓炎症反应，并减少骨质流失。与此相反，补充大肠杆菌或突变的乳酸杆菌并不能起到骨保护作用[3]。以上研究证明，肠道菌群可能通过影响性激素的代谢，从而影响骨代谢过程，其具体机制仍需要更多的临床及实验室研究深入探讨。

3 肠道菌群、肾上腺皮质激素与骨代谢

过量的糖皮质激素可抑制肠道钙离子的吸收，尿钙排出增加，导致负钙平衡，影响骨骼矿化。糖皮质激素主要促进骨吸收，以小梁骨为主。大部分研究支持糖皮质激素对活性维生素D起负性调节的观点。此外有研究表明糖皮质激素可减少维生素D受体的数量[16]。

在动物实验及临床试验中已证实肠道菌群能够影响肾上腺糖皮质激素的合成及分解。Bravo等[17]给予小鼠乳酸杆菌喂养2 d后发现乳酸杆菌可降低小鼠血清中皮质酮的浓度。随后同时给予两组小鼠压力诱导糖皮质激素分泌，两组小鼠血清中皮质酮浓度明显上升，然而实验组仍明显低于对照组，提示益生菌可降低宿主皮质酮的水平。Sudo等[18]对比无菌性小鼠与无病原体小鼠体内皮质酮浓度，发现无菌性小鼠血清中促肾上腺皮质激素、皮质酮浓度明显增高，并且给予无菌性小鼠移植野生型小鼠的粪便后其促肾上腺皮质激素、皮质酮浓度较前降低，明确了肠道菌群对小鼠肾上腺皮质功能的影响。在一项55例随机对照、双盲的临床试验中，Messaoudi等[19]给予实验组益生菌(瑞士乳酸杆菌+长双歧杆菌)30 d后测定24 h尿游离皮质醇发现益生菌可降低人体内皮质醇的水平。

儿茶酚胺与骨代谢关系密切，骨髓、骨小梁、骨外膜中存在交感神经纤维，其中以长骨的干骺端、生长板中密度最大，并在骨小梁中形成纤维网络。骨细胞与交感神经纤维直接接触，并表达多种肾上腺素能受体。肾上腺素能受体与配体结合后可调节RANKL和碱性磷酸酶水平，调节破骨细胞与成骨细胞的生物活性，影响骨代谢过程[20]。研究表明普萘洛尔作为一种β受体阻滞剂，在预防骨质疏松及抗骨质疏松中起重要作用[21]。肠道菌群与儿茶酚胺存在相互作用的关系。Lyte等[22]通过氚标记的胸苷来检测新合成的DNA数量，发现儿茶酚胺(去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺、多巴)可促进革兰阴性杆菌群的生长。Sperandio等[23]发现去甲肾上腺素可能是菌群之间相互交流的介质，肾上腺素能拮抗剂可阻碍细菌之间的相互影响，影响菌群毒性基因的表达。Tsavkelova等[24]通过高效液相色谱层析法发现肠道菌群可产生儿茶酚胺，其中多巴胺的浓度为0.45～2.13 mmol/L、去甲肾上腺素0.21～1.87 mmol/L。肠道菌群儿茶酚胺浓度较宿主体内的浓度高。Asano等[25]对比无菌性小鼠及无特定病原菌小鼠肠道内儿茶酚胺的浓度，发现在无菌性小鼠中肠道内儿茶酚胺浓度下降，且无菌性小鼠肠道儿茶酚胺以无生物活性的结合形式存在，无特定病原菌小鼠肠道内儿茶酚胺以游离形式存在具有生物活性。向无菌性小鼠移植大肠杆菌后小鼠体内儿茶酚胺浓度升高。然而向无菌性小鼠移植无β-葡萄糖醛酸酶的大肠杆菌突变体，小鼠体内儿茶酚胺无明显变化。肠道菌群、肾上腺皮质激素与骨代谢的关系密切，机制复杂，需要进一步的研究探索菌群-皮质激素-骨代谢通路的机制。

4 肠道菌群、GH、IGF-1与骨代谢

众所周知，IGF-1是体内细胞的促有丝分裂剂，几乎存在于哺乳动物的各个组织。大量研究证明，IGF-1可调节成骨细胞及破骨细胞的增殖及分化，并促进骨基质细胞的增殖和调节骨矿化作用。骨骼中含量最多的IGF-1结合蛋白是IGF-1结合蛋白3(IGFBP-3),IGFBP-3对成骨细胞的增殖分化起促进与抑制双重调节作用[26]。肠道菌群影响生长激素轴的机制复杂。

Schwarzer等[27]通过分析野生型小鼠与无菌性小鼠的生长参数及骨骼参数，发现肠道菌群对体重、骨骼起着积极的促进作用。该研究分析野生型小鼠及无菌性小鼠血清中GH、IGF-1及IGFBP-3水平，发现在无菌性小鼠中，IGF-1及IGFBP-3的水平明显下降，而GH的水平与野生型小鼠相当。然而，在另一项研究中，Yan等[28]向无菌性小鼠移植野生型小鼠肠道菌群1个月后发现无菌性小鼠的IGF-1明显升高，然而骨量下降，并检测到小鼠骨形成与骨吸收标志物较前升高，以骨吸收占优势。随着移植时间的延长，8个月后仍检测到移植后小鼠的IGF-1仍明显升高，但是骨量与无菌性同龄同系小鼠相当，其股骨长度较长。研究结果出现差异是受使用小鼠品系及菌群移植时间不同影响。此外，Storelli等[29]发现植物乳杆菌可定植于果蝇肠道中，并可在营养缺乏的情况下促进果蝇生长。果蝇的生长由体内两种激素调控，即类固醇激素蜕皮素和果蝇胰岛素样肽，植物乳杆菌可增加果蝇体内这两种激素的浓度。进一步明确了肠道菌群对不同生物种类生长激素轴的影响。GH及IGF-1是人体生长激素轴中的主要组成成分。目前肠道菌群-生长激素轴-骨代谢这一通路在动物实验已较明确，需要更多的临床试验验证并进一步探究其机制。

5 肠道菌群、血清素与骨代谢

血清素由两种不同的色氨酸羟化酶Tph1和Tph2合成，它们分别调节神经源性和非神经源性5-羟色胺(5-HT)的合成。5-HT对骨代谢起着双重影响，外周组织生成的5-HT能够抑制骨形成。而在中枢产生的5-HT作为一种神经递质，通过增加骨形成和抑制骨吸收对骨量有积极的影响[30]。成骨细胞表达3种血清素受体，Htr1b、Htr2a和Htr2b。在成骨细胞表面，血清素与Htr1b结合在一起，抑制了蛋白激酶A的磷酸化及其介导的环磷酸腺苷反应元件(CREB)，从而减少了细胞周期蛋白基因的表达，减少了成骨细胞的增殖。体外和体内的基因表达分析证实，细胞周期蛋白D1、D2和E1是外周血清素调节骨代谢的转录基因[31]。

机体内超过90%的5-HT由肠嗜铬细胞(ECs)、黏膜肥大细胞和肠道肌肉神经的特殊细胞产生。大量的研究关注于肠道微生物群在调节外周血5-HT水平上的作用。研究表明棒状杆菌、链球菌和大肠杆菌可在体外培养基中产生5-HT，但这一过程并不依赖于Tph途径[32]。在无菌性小鼠中，血清中5-HT的浓度明显低于正常小鼠， 但5-HT在细胞内的包装、释放过程和分解酶没有明显改变[33]。在每个年龄阶段的无菌性小鼠中，肠道微生物群的移植可以恢复血清和结肠中5-HT水平，且早期肠道微生物群移植的作用更为明显[34]。在健康的小鼠和人体中，产芽孢厌氧菌可以调节血清、结肠和粪便中5-HT水平。此外，向无菌性小鼠体内移植健康人粪便的产芽孢厌氧菌后，无菌性小鼠血清的5-HT水平得以恢复，这表明产芽孢厌氧菌对外周血5-HT的调节作用可以在人类和小鼠之间传递[34]。

6 肠道菌群、瘦素与骨代谢

瘦素由脊椎动物的脂肪细胞产生，它主要调节机体的骨量、能量消耗和食欲。瘦素受体(ObRb)存在于脑干的中缝核团。中缝核团同时也是中枢产血清素的神经核团。瘦素和ObRb的结合能够抑制中缝核团Tph2基因的表达，降低脑干神经元合成血清素的能力。腹侧下丘脑表达血清素受体Htr2c，剔除这些Htr2c受体会导致机体严重的骨质流失，这是由交感神经活动的增强导致骨形成的下调和骨吸收上调造成的[35]。中枢血清素通过Htr2c在腹侧下丘脑神经元中发挥重要作用，减少交感神经活动，对骨量产生积极作用。瘦素对骨量的影响依赖于中枢血清素对交感神经系统的调节。

迷走神经的长分支调节大脑和肠道微生物群之间的相互作用，即 “脑-肠轴”。微生物群与体内瘦素水平关系密切。首先，万古霉素的使用导致大鼠体内瘦素水平急剧下降[36]。其次，大量的肠道微生物(如乳球菌、黏液性菌、乳酸菌和双歧杆菌)与外周血的瘦素浓度呈正相关，而其他肠道微生物(如梭状芽胞杆菌、拟杆菌和异位菌)与瘦素水平呈负相关[37]。此外，高脂饮食可增加小鼠体内白色脂肪的重量、脂肪细胞的大小及血液中瘦素的浓度，随后给予植物乳杆菌11周后白色脂肪组织重量、脂肪细胞的大小及外周血瘦素的浓度明显下降[38]。在一个随机、对照、双盲临床试验中，Naruszewicz等[39]招募36位健康人检测他们血清内的瘦素，并给予植物乳杆菌饮品，发现植物乳杆菌也可降低人体外周血的瘦素水平。

7 肠道菌群、GLP-1与骨代谢

GLP-1对改善胰岛素抵抗、糖尿病、肥胖的治疗作用已在临床上得到验证。GLP-1对骨代谢的影响是近几年的研究热点，其结果存在争议。有研究提示GLP-1受体激动剂(利拉鲁肽、艾塞那肽)并不能降低骨折风险[40]。另外一项Meta分析提示GLP-1的受体激动剂无降低骨折风险的治疗效果[41]。然而仍有大量的研究尝试证实GLP-1受体激动剂可影响骨形成与骨吸收。对卵巢去势小鼠使用艾塞那肽后，血清中骨形成标志物浓度较前升高[42]。此外，研究证实GLP-1与成骨细胞内受体结合后能够激活蛋白激酶A并刺激骨陷窝细胞上的Wnt/ β-catenin通路，从而抑制硬化蛋白分泌，起到促进骨形成的作用[43]。在抑制骨吸收方面，有研究提示GLP-1可降低破骨细胞的数量、降低血清中骨吸收标志物并可能通过降钙素间接抑制骨吸收[44]。

肠道菌群可酵解难消化的多聚寡糖从而产生短链脂肪酸。众所周知，短链脂肪酸可诱导肠道L细胞分泌GLP-1，因此人们猜测肠道菌群可增加体内GLP-1的浓度。然而在2013年《Cell》杂志上的一篇文章，Wichmann等[45]通过对比无菌性小鼠和传统喂养小鼠的空腹血清GLP-1水平，发现无菌性小鼠GLP-1的水平较传统喂养小鼠高达3倍左右，其机制可能是肠道菌群抑制胰高血糖素原基因的表达及减少肠道L细胞数量。同年，另一项研究则发现持续8周给野生型小鼠增加每周3次益生菌的喂养，可增加体内短链脂肪酸，特别是丁酸盐的浓度并增加小鼠体内的GLP-1水平[46]。肠道菌群-GLP-1-骨代谢的研究多以小鼠为模型，由于小鼠与人类GLP-1受体分布及数量存在较大差异，需要更多的临床研究关注着三者的相互作用机制，为临床治疗骨质疏松提高新的思路。

8 总结

随着人口老龄化的加重，骨质疏松的发病率、致残率、致死率逐年增加，显著加大了社会及家庭的医疗负担。且目前治疗骨质疏松的药物绝大多数存在严重的不良反应，导致患者无法坚持服药。因此亟需探索一种安全有效的骨质疏松治疗手段。肠道菌群影响骨代谢的机制复杂，本文就肠道菌群调节体内激素分泌的作用探讨肠道菌群影响骨代谢的可能机制。性激素、肾上腺皮质激素、GH、IGF-1、血清素、瘦素、GLP-1对人体骨骼生长发育以及贯穿生命始终的骨转换起着重要的作用。本文综述了肠道菌群影响以上激素分泌的动物研究及临床研究，为进一步探讨肠道菌群-激素-骨代谢具体机制提高新思路，并为临床治疗骨质疏松提供有治疗潜能的靶点。