肠道菌群在运动防治肌减症中的潜在作用研究进展

杨雪歌 傅力

天津医科大学医学技术学院康复医学系（天津 300070）

1 肌减症与肠道菌群概述

肌减症（sarcopenia）又称肌肉减少症，在老年人群高发。2011年欧洲肌减症工作组将肌减症定义为全身进行性广泛骨骼肌质量减少，同时伴有肌力下降和（或）肌肉功能减退综合症。2018年该工作组更新了诊断标准，指出肌力降低是肌减症的关键特征，机能下降是肌减症的标志，同时更新了临床诊断程序、提供了针对肌减症的诊断指征[1]。肌减症的诊断通常采用握力、4米步行速度测试和椅立测试来评估肌肉功能，且握力测试作为诊断肌减症并判断其预后的标准已在临床广泛应用[2]。研究证实，肌减症的发生与激素水平、炎症、骨骼肌线粒体功能障碍、蛋白质代谢稳态失衡等有关[3]，严重危害老年人的健康。此外，由于肌减症患者的肌肉力量丧失，其跌倒风险、致残率和死亡率也显著高于常人[4，5]。

人类肠道微生物由1014种病毒、真菌、细菌和古生菌组成，重约0.175～1.5 kg，其中，拟杆菌门和厚壁菌门占肠道菌群总体的90%以上，并进一步细分为100多个不同的细菌种类。此外，肠道菌群所含基因数量是人体细胞基因数量的150倍[6]。肠道菌群丰富的多样性决定了其在机体各项生理功能中的重要作用。肠道菌群与宿主互利共生，并受宿主饮食习惯、生活方式等因素影响，而由肠道菌群合成的微量营养素和代谢物可进入血循环，调节宿主正常生理代谢活动并维持内环境的稳态平衡[7]。

近些年来，多项研究发现肠道菌群与骨骼肌之间存在相互作用，“肠-肌轴”学说被提出[8]：骨骼肌功能与代谢的异常可引起肠道菌群数量及结构组成的改变，而通过对肠道菌群施加干预可改变肌减症的表型[9]。

2 肌减症患者的肠道菌群特征

研究发现，衰老机体的肠道菌群经各种内外刺激后复原能力下降[9]，肠道屏障功能受损，肠粘膜通透性增加[2]。与健康成年人相比，肌减症患者肠道菌群多样性、嗜黏蛋白阿克曼菌等有益菌数量及比例降低，而大部分病原菌如链球菌和艰难梭状芽胞杆菌等过度生长，且常伴有厚壁菌门和拟杆菌门重排[10]。采用16S rRNA基因靶向测序技术分析肌减症患者肠道菌群变化发现，促炎菌属如变形菌门中大肠杆菌及沙门氏菌等显著增加，而促短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）生成相关菌群如拟杆菌属、双歧杆菌属、梭菌属等含量显著降低[2]。此外，在肌减症患者肠道菌群中发现具有蛋白水解功能的细菌明显增加，而水解蛋白的细菌如梭杆菌等可使氨基酸发酵，导致有害物质，如吲哚硫酸酚（indoxyl-sulfate，IS）的产生[11]。

上述研究结果表明肌减症患者的肠道菌群发生了异常改变。研究发现，肠道菌群失调也可参与炎症、营养代谢，氧化应激等多个过程。

3 肠道菌群失调促进肌减症发病的潜在机制

3.1 肠道菌群失调与机体炎症反应

衰老机体往往伴有低度炎症状态，而机体处于低度炎症状态是肌减症发生的机制之一[10]。大量研究表明，炎症因子如肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）、C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）、白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）及IL-6（interleukin-6，IL-6）等激活多条骨骼肌蛋白分解代谢通路，导致蛋白质合成与分解失衡[11，12]。研究发现，在衰老机体中，肠道菌群的炎症反应早于全身炎症的发生[13]。这提示，衰老机体低度炎症状态可能与肠道菌群有关。与此一致的是，通过16S rRNA基因靶向测序技术分析老年大鼠粪便中肠道菌群的多样性及分布情况，发现产脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的细菌明显增多[14]。LPS是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分，在体内通过与巨噬细胞的相互作用释放大量炎性因子，如TNF-α和IL-6，最终诱发机体炎症反应[15]。此外，LPS通过激活小鼠Toll样受体4（tolllike receptor 4，TLR4）促进自噬小体的形成以及肌肉萎缩相关基因1（atrogin-1）和肌肉环指蛋白-1（muscle ring finger protein-1，MuRF-1）的表达来诱导C2C12肌管细胞萎缩[16]。值得注意的是，衰老所导致的肠道通透性增加也引起循环血LPS含量增加[17]。因此，衰老机体的肠道菌群变化与肌减症的发生发展相关，其机制可能是由肠道菌群失调诱导炎症反应信号促进骨骼肌萎缩的发生。

3.2 肠道菌群失调与骨骼肌合成代谢抵抗

研究发现，老年人骨骼肌对合成代谢刺激（如蛋白质摄入增加）的敏感度显著降低，产生合成代谢抵抗状态，常作为骨骼肌衰老的标志[18]。这种状态会加剧骨骼肌蛋白合成与分解代谢的失衡，促进肌减症发生。蛋白质的消化和吸收对促进骨骼肌蛋白质合成至关重要[19]。研究表明，机体在摄入含蛋白质食物后，肠道菌群衍生的氨基酸如苏氨酸和赖氨酸被释放入血液循环中的游离氨基酸池，进而参与宿主体内蛋白质合成。同时，这项研究显示，循环血中多达20%的赖氨酸均由肠道菌群合成[20]。研究发现，人类衰老与参与赖氨酸生物合成的细菌减少有关，如普雷沃特氏菌[21]。这提示衰老所导致的肠道菌群改变可能会减少微生物产生氨基酸，从而降低机体蛋白质合成能力。此外，机体摄入外源蛋白质后，胰岛素通过激活内皮型一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），增加骨骼肌血流量，从而促进合成代谢及骨骼肌的生长[22，23]。然而，肌减症患者肠道菌群代谢物氧化三甲胺（trimetlylamine oxide，TMAO）水平升高，加之衰老所引起肠道粘膜通透性增加，使得大量TMAO进入循环[13，24]，而年龄相关的血浆TMAO水平升高与NO生物利用度降低及血管功能障碍相关[24]。这提示肌减症患者肠道菌群TMAO水平的升高可能抑制胰岛素介导的合成代谢。综上，年龄相关的肠道菌群失调可能参与肌减症患者合成代谢抵抗状态的形成。

3.3 肠道菌群失调与骨骼肌细胞线粒体功能

随着年龄增长，线粒体功能逐渐降低，包括形态改变、含量减少及电子传递链复合物活性降低等[25]。线粒体稳态的破坏常造成活性氧产生过多，合成骨骼肌蛋白质所需的ATP减少等，从而加速衰老所引起的肌肉质量与力量的丧失。因此，骨骼肌线粒体功能障碍是促进肌减症发生发展的重要因素。将缺乏肠道菌群的无菌（germ free，GF）小鼠与无致病菌小鼠对比，发现无菌小鼠骨骼肌萎缩，线粒体功能受损，而将无致病菌小鼠（specific pathogen free，SPF）的肠道菌群移植到无菌小鼠肠道后，肌肉萎缩程度和线粒体功能均有明显改善[26]。这提示肠道菌群与骨骼肌细胞线粒体功能相关。除此之外，衰老会引起某些致病菌增加，如沙门氏菌和大肠杆菌，这些细菌可通过降解肠道内L-半胱氨酸产生硫化氢（hydrogen sulfide，H2S），而高浓度硫化氢可穿透细胞膜，抑制环氧合酶活性，减少能量产生，同时抑制线粒体呼吸链的电子传递，减少ATP产量，从而造成线粒体功能障碍[27，28]。综上，衰老引起肠道菌群失调可能通过损害骨骼肌线粒体功能促进肌减症的发生。

3.4 肠道菌群失调与氧化应激

研究表明，衰老机体体内活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）生成增加，同时，机体清除ROS的抗氧化酶类减少，活性降低，氧化-还原动态平衡被打破，导致氧化应激损伤[29]。ROS的持续增加可通过积累DNA氧化损伤，抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）表达[30]，降低蛋白合成代谢。此外，ROS还可通过激活泛素-蛋白酶系统促进蛋白降解[31]，从而参与肌萎缩的发生发展。因此，氧化应激损伤也被认为是肌减症发生的重要原因。有趣的是，特定肠道菌群可影响机体ROS水平[32]：肠道乳酸杆菌可促进乳酸分泌活化NADPH氧化酶（NADPH Oxidase，NOX），最终诱导细胞产生ROS[33]，而肌减症患者体内乳酸杆菌含量增加[16]，这提示高水平的ROS与肠道内乳酸杆菌大量繁殖有关。此外，肌减症患者肠道中大肠杆菌通过分泌黄嘌呤脱氢酶，促进尿酸生成[34，35]，而高水平的尿酸具有促氧化作用[36]。前文所提到的肌减症患者循环血中TMAO水平的增高也与机体氧化应激状态有关：给予小鼠腹腔注射TMAO后，发现促氧化应激转录因子-核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）表达增多[37]。综上，肠道菌群失调可能通过促进氧化应激损伤加速肌减症的发生发展。

4 运动与肠道菌群相互作用

多项研究证实，适量运动可增加骨骼肌质量，提高肌力，改善骨骼肌功能[38，39]，虽然其机制尚不明确，但已有报道认为肠道菌群可能在其中发挥重要的调节作用[40]。例如，与久坐不动的成年女性相比，在有良好运动习惯的女性粪便样本中的有益菌种，包括嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，Akk）、普氏栖粪杆 菌（Faecalibacterium prausnitzii）和罗 氏 菌 属（Roseburia）的含量明显增高[41]。此外，经肠道菌群宏基因组学分析发现，运动员粪便代谢产物中短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）的含量显著高于久坐少动者，同时该研究结果还表明，运动提高了肠道内产丁酸菌的含量[42]。以上结果提示，运动调节肠道菌群的组成并可能以此提高骨骼肌的功能。此外，研究发现，肠道菌群成分与结构的变化能够影响机体的运动能力。Hsu等通过对GF小鼠、无致病菌小鼠（specific pathogen-free，SPF）以及移植拟杆菌属的无菌小鼠（bacteroides fragilis，BF）进行游泳耐力测试，探究其运动表现的差异，结果发现，与GF、BF小鼠相比，SPF小鼠达力竭状态的时间最长[43]。综上所述，运动与肠道菌群之间存在相互作用，相互调节的潜在关系。

5 肠道菌群在运动改善肌减症中的作用

5.1 运动引起的菌群改变对肌减症的影响

研究发现，耐力运动训练使老年男性胃肠道中产生内毒素的肠道病原体艰难梭状芽胞杆菌（Clostridium difficile）含量显著降低[44]。与无运动习惯的老年人相比，经常进行运动训练的老年人表现出更高的肌肉代谢水平，且胃肠道中参与SCFAs生成的细菌如双歧杆菌和梭菌属的丰度升高[45]。与此一致的是，Morita等研究发现，老年女性经12周有氧运动训练后其肠道拟杆菌含量增多且骨骼肌力量和心肺功能均明显提高，且拟杆菌也是SCFAs的主要来源[40]。因此，推测运动引起肠道菌群改变对机体产生有益影响可能是由SCFAs所介导。膳食纤维在盲肠和大肠中经微生物群发酵生成SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和丁酸[46]。乙酸和丙酸主要由拟杆菌门生成，而丁酸是厚壁菌门的主要代谢物。SCFAs具有抗炎作用：丁酸和丙酸能抑制结肠上皮细胞和免疫细胞内组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）的活性，下调促炎因子如IL-6及IL-12的表达，抑制炎症反应[47]。也有研究认为，SCFAs通过促进芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）和缺氧诱导因子1α（hypoxia inducible factor-1，HIF1α）的表达上调IL-22的产生，而IL-22可抑制胃肠道炎症反应[48]。这提示SCFAs可能通过降低衰老机体的炎症水平改善肌减症所造成的骨骼肌萎缩。此外，在地塞米松干预的体外肌管细胞模型中加入SCFAs，细胞蛋白水解相关基因如Murf-1，Atrogin-1表达下降，改善了地塞米松诱导的肌萎缩效应[26]。细胞实验还发现，丁酸以剂量依赖性的方式抑制人类结肠腺癌细胞NF-κB的表达，从而有效减少ROS对DNA的损伤[49]。因此，运动引起肠道菌群的改变可能通过增加SCFAs含量对骨骼肌质量和身体机能产生有益影响。未来研究需重点检测不同运动方式对老年人肠道菌群和SCFAs产生的影响，为改善肌减症的发生与发展提供可靠的理论依据。

5.2 运动通过改善肠道屏障功能影响肌减症

衰老引起的肠道屏障老化及通透性增高使肠道致病菌及其有害代谢产物如LPS、IS等更容易进入循环血液，如前所述，LPS常引起机体产生慢性炎症反应[13]，而IS可抑制成肌细胞增殖和肌管形成，同时促进肌肉生长抑制素（myostatin）和Atrogin-1的表达[50]，导致肌萎缩的发生，提示良好的肠道屏障功能对于防治肌减症至关重要。Holland等发现，15天跑台运动干预可促进大鼠紧密连接蛋白1（zonula occludens 1，ZO-1）的表达[51]，而ZO-1能维持肠道屏障的完整性[52]。长期运动训练可显著增加成年女性肠道Akkermansia菌属的比例[41]，而Akkermansia菌属可通增厚肠道黏液层，增加抗炎Treg细胞数量，促进肠道紧密结合蛋白的表达，改善肠道屏障功能[53-55]。此外，有研究发现SCFAs也可促进肠道ZO-1的表达，且在胃肠道细胞的代谢、生长、分化中发挥重要作用[56]。尽管如此，运动改善肠道屏障功能的机制尚不完全清楚，尚需进一步验证运动对肠道屏障功能影响的内在机制。

6 小结与展望

肠道菌群与宿主长期共存，并通过调节炎症反应、营养代谢等影响机体的生理功能。而宿主也可通过运动干预调节肠道菌群，改善菌群结构，从而对骨骼肌功能产生有益影响。随着肌减症诊断标准和肠道菌群检测方法的不断完善，检测过程更加精确和高效，这也将进一步促进运动干预在肠-肌轴中的可能机制的相关研究，从而为肌减症的防治提供新的理论依据。