基于“肠-关节”轴探讨肠道微生物对膝骨关节炎的影响

谭春霞, 杨娜娜, 齐翎羽, 林璐璐, 李月婕, 杨静雯,2, 刘存志,2, 石广霞,2

(1.北京中医药大学针灸推拿学院, 北京 100029;2.北京中医药大学国际针灸创新研究院, 北京 100029)

骨关节炎(Osteoarthritis,OA)是一种高度流行和致残的疾病,影响全球7%以上的人(约5.28亿人),其中膝骨关节炎(Knee osteoarthritis,KOA)约占85%[1-2]。据估计,在60岁或以上的老年人中,KOA的患病率在男性中约为10%,在女性中约为13%[3]。全球寿命的延长、饮食习惯和生活方式的改变、老龄化及肥胖流行等社会趋势,增加了KOA的患病率,因此对KOA的防治应该引起重视[4]。在KOA患者中发现,血液中存在促炎因子/抑炎因子的比例失衡,促炎因子水平升高,抑炎因子水平降低,患者长期处于一种慢性低度炎症反应的状态[5]。近年来,肠道微生物逐渐成为关节性炎症疾病中的关注热点,肠道微生物失调和OA的发展息息相关[6-7]。伴随着微生物组学研究的进展,现代医学提出了“肠-关节”轴的概念即肠道和关节之间紧密相连,肠道的疾病可能诱发关节部位发生病变,相反,关节疾病也可影响肠道,两者相互关联[8]。肠道微生物可以正向地调节宿主的免疫系统,发挥免疫调节效应[9],保护免受病原微生物侵害[10],维持正常的生理功能。笔者拟从“肠-关节”轴角度阐释肠道微生物与KOA之间的相关性,探讨基于“肠-关节”轴来防治KOA的潜在方法。

1 “肠-关节”轴的现代医学生物学证据

“肠-关节”轴的概念在1997年首次被提出,挪威奥斯陆大学教授Bradtzaeg认为“肠-关节”轴可能是免疫细胞从肠道黏膜向滑膜发炎部位的血管归巢,表明肠道免疫和慢性关节疾病之间存在联系[11]。欧洲骨质疏松症、欧洲骨关节炎和欧洲肌肉骨骼疾病学会专家提出肠道微生物群是OA的主要潜在风险因素之一[12]。肠道微生物群数量和质量的变化引起肠道微生物生态失调已被证明会维持慢性系统性低度炎症,从而增强骨关节炎的病理进程[12]。笔者就“肠-关节”轴作用机制综述如下。

1.1 肠黏膜细胞归巢至滑膜

生理状态下,肠腔内寄生着大量结构复杂的菌群,而肠壁中存在众多功能强大的淋巴细胞,两者以肠黏膜为界,相互影响并制约,长期处于动态平衡的状态[13]。肠道微生态失调和胃肠道黏膜屏障的改变导致肠道炎症的发生[14]。肠道炎症可能增加肠道的通透性,使得肠内的抗原向肠外迁移引发全身系统性低度炎症,从而影响关节炎的病程[15-16]。脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)、肽聚糖(Peptidoglycan,PGN)等肠道微生物的代谢物在一定条件下可能增加肠道的通透性,促进系统性低度炎症的发生[16],且肠道通透性的增加被认为是关节炎的发病机制之一[17]。肠道微生物的紊乱以及肠道炎症产生的细胞因子有可能通过淋巴循环、体循环影响肠道外的系统组织,并且在趋化因子和黏附分子的引导下进入关节导致关节炎症[18-19]。

肠道黏膜效应细胞能够结合滑膜血管相关受体,向关节组织内迁移,加重关节炎症反应。免疫细胞因子在肠道归巢主要取决于α4β7整合素及其内皮配体黏膜地址素细胞黏附分子-1的表达[20],而在早期脊柱关节炎(Spondyloarthropathies,SpA)患者中,炎症的滑膜组织中富集α4β7整合素,提示关节滑膜部位的细胞因子来自肠道黏膜[20]。机体炎症过程中,血液循环中促炎因子的增加可上调TNF配体相关分子(TNF-like ytokine 1A,TL1A)的含量,TL1A的受体(Death Receptor 3,DR3)在各种免疫细胞表面表达,TL1A/DR3又促进肠外炎症发展从而发生系统性低度炎症[21]。在TL1A/DR3的驱使下,巨噬细胞可能在肠内摄取细菌成分,随后进入体液循环并在肠外依赖p-选择素与滑膜组织中的血管结合[21]。与此同时,外周血淋巴系统的T细胞中高表达非肠道特异性黏附配体[极晚期抗原-4(Very late antigen-4,VLA-4),淋巴细胞功能相关抗原-1(Lymphocyte function associated antigen-1,LFA-1)][22]。先前的研究证明在LFA-1和VLA-4的作用下,外周血淋巴细胞或滑膜液淋巴细胞可以与滑膜部位结合[23]。携带外源性抗菌素的巨噬细胞进入滑膜组织,从而感染滑膜组织或产生炎症效应[21]。滑膜炎的发生进一步导致滑膜部位血管内皮细胞活化[23]。活化的内皮细胞高表达p-选择素,显著促进血液中的免疫细胞优先归巢至关节炎症部位[23]。滑膜血管内皮细胞的持续激活,导致滑膜局部结合抗原的增加,促进细胞免疫反应,最终可能促进慢性关节炎的发展。

1.2 肠道微生物作用于关节

在饮食,年龄,性别,运动等外界环境因素影响下,肠道微生物失调,肠内的细菌可能通过免疫细胞运输到滑膜,造成关节免疫紊乱[11-12]。Berthelot等[24]在OA和类风湿性关节炎(Rheumatoid arthritis, RA)的滑膜中发现了肠道微生物组的DNA,这可能是因为仍然存活的肠道微生物通过血液从肠道转移到了关节[25]。OA早期发生的软骨血管生成可以促进细菌或菌群部分产物短暂迁移至更深的软骨层[26],从而导致局部的生物紊乱、低度炎症、软骨退化和OA恶化[27]。

肠壁通透性增强后,肠内微生物群或其代谢产物渗透到肠外[28],进入血液循环,在关节局部定植可引发关节内的炎症反应[29]。一项粪菌移植研究显示,在半月板和韧带损伤模型的无菌小鼠中移植KOA患者的粪菌后,膝关节局部病理改变比模型对照组更明显,肠道的通透性增加了,而膝关节局部和全身的炎症反应也明显增强[30]。大肠杆菌和牛链球菌可以促进抗坏血酸降解,促进促炎反应,从而促进炎症性关节炎的发展[31]。在HLA-B27转基因大鼠中,正常饲养条件下会发生关节炎症,而在无菌状态下饲养则可防止肠道和关节炎症[27]。

微生物可以通过模式识别受体(Pattern Recognition Receptors,PRRs)识别免疫调节因子,发生免疫应答。趋化因子、黏附因子、促炎细胞因子和抗炎细胞因子等免疫调节因子,在炎症性的骨关节疾病中发挥重要作用[32]。由细菌分泌或在细胞死亡后存留的脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白和细胞游离DNA等微生物相关分子(Microbial Associated Molecules, MAMPs),可通过肠道内皮屏障进入体循环[33]引起局部炎症,从而影响关节炎的进程。例如LPS是一种内毒素,与多种革兰阴性病原体外膜有关,是先天免疫系统的经典激活因子。它可以从肠道向循环系统迁移,并促进低度炎症形成[34],从而影响全身的生理功能。在25名KOA患者中,LPS的水平越高,KOA患者的症状就越严重[35],提示LPS和KOA患者的症状显著正相关。PGN是细菌细胞壁的主要组成成分,可诱导机体产生炎症反应和免疫应答[36]。在体外实验中,Schrijver等[37]发现PGN可以直接刺激滑膜成纤维细胞,诱导基质金属蛋白酶和促炎细胞因子的表达,进而加重关节炎的病理状态。

2 基于“肠-关节”轴治疗膝骨关节炎的可行性探讨

性别、年龄、种族、饮食、肥胖、代谢、免疫和生活习惯等都是关节炎和肠道微生物的共同影响因素[12,16]。在各种影响因素干扰下,肠道微生物的失调可能招募体循环或者淋巴循环中的免疫细胞因子,诱导肠道局部的低度炎症[38]。肠道局部的炎症因子向肠外浸润,在血管中蔓延可能导致发生全身系统性低度炎症。肠道局部炎症的细胞因子随着体循环或淋巴循环到达机体的各个部位,在趋化因子、黏附分子等细胞因子的驱动下到达关节,与关节滑膜局部的免疫细胞表面的受体结合,从而发生免疫反应,这可能促进OA的发生和发展[21,30](图1)。

从“肠-关节”轴角度出发,通过调节肠道微生物,改善低度炎症反应,可能有利于KOA损伤的恢复。这或许可以作为一个潜在的干预靶点预防和治疗KOA。

2.1 补充外源性微生物

通过补充微生物来调节微生态失调和代谢功能障碍可能会防止膝关节损伤的发展[40]。例如益生元能通过积极地改变肠道菌群,降低全身炎症反应,并保护KOA啮齿类动物模型的关节软骨[41]。在单碘乙酸盐(Monoiodoacetate,MIA)诱导的KOA期间,施用益生菌显著降低了大鼠膝关节软骨中促炎细胞因子的表达[42]。在HFS饮食诱导的肥胖大鼠膝关节损伤的模型中,益生元纤维补充和有氧运动2种干预措施的单独疗法和结合疗法均改善了膝关节损伤[41]。2种单独疗法的结果都没有显著改变大鼠体脂的含量,其中有氧运动不会影响肠道微生物群,主要影响宿主参数,可能有助于维持骨转换的稳态[41]。益生元纤维补充可以预防血脂异常,直接调节肠道菌群向有利的方向发展,可能通过增加双歧杆菌的丰度降低血清内毒素水平来维持膝关节内环境平衡[41]。双歧杆菌已被证明可显著降低促炎因子白介素-6 (Interleukin-6, IL-6) 和肿瘤坏死因子-α(Tumor necrosis factor, TNF-α)的产生,上调紧密连接蛋白Occludin、Claudin-3和ZO-1的表达,降低肠道通透性,从而保护肠道屏障[43]。在豚鼠自发性OA模型中,口服双歧杆菌CBi0703能显著改善软骨结构,并具有全面的关节保护作用[44]。Schottet等[45]研究了高脂饮食喂养诱导的肥胖小鼠模型体内的微生物群落变化,当肥胖小鼠补充了不可消化的低聚果糖纤维时,并不能减少肥胖小鼠的体脂率,但可缓解肠道微生物的失调,而且OA的进程也基本停止。因此控制肠道微生物群被认为是一种可行的改善肥胖相关OA疾病的治疗策略[45]。靶向肠道微生物及代谢产物,改善肠黏膜通透性,使紊乱的肠道微生物恢复正常状态,有可能预防或减轻OA病程的发展。

2.2 针刺治疗

针刺可以增加有益菌群并降低致病菌群,通过改变肠道微生物的组成调节免疫炎症反应,达到治疗疾病的作用[46-47]。电针可通过改变肠道微生物多样性及代谢成分[48],调节免疫平衡[49],改善慢性低度炎症的状态达到治疗关节炎症的效果。KOA患者有结肠黏膜通透性增加的病理现象[50],而针刺可调节肠道微生物结构,增加肠道微生物的多样性及上调肠屏障相关益生菌丰度,并介导紧密连接蛋白ZO-1和Occludin表达水平升高从而促进肠紧密连接[51]。本课题组关于电针调节KOA患者肠道微生物的最新研究中发现,在电针治疗KOA中,与无有效应答率的患者相比,有效应答率的患者显著降低了致病菌链球菌的丰度,同时也增加了有益菌拟杆菌的丰度,与健康受试者的菌群更为接近[52]。肥胖诱导的KOA模型大鼠中,采用足三里、阳陵泉单一疗法和足三里、阳陵泉联合疗法均能预防肥胖诱导的软骨基质降解和基质金属蛋白酶(Matrix metalloproteinase, MMP)表达[53]。相比单一疗法,联合的治疗方案抗炎效果较好,其可通过调节脂质代谢,缓解肠道微生物失调引起的全身慢性低度炎症,减轻肥胖所致的膝关节损伤[53]。但结果中电针治疗并不能降低肥胖大鼠的体质量,表明针刺改善肥胖大鼠膝关节损伤的机制可能跟肠道微生物有关[53]。针灸可能通过调节肠道微生物的数量和比例,调节肠道黏膜的通透性,控制慢性低度炎症,发挥抗炎的作用,进而对KOA的症状发挥预防和治疗的效果。

2.3 中药疗法

中药的主要给药途径是口服,通过胃肠可与肠道内微生物直接接触,其主要化学成分被人体消化道吸收后可通过血液循环到达目标器官[54]。肠道微生物可能在中药的治疗效果中发挥重要作用[55]。研究表明,中药可增加益生菌的丰度,降低致病性LPS产生菌的丰度[56]。一种改良的大黄蒽醌苷制剂,改善了肠道微生态失调,增加了乳酸菌和短链脂肪酸生产菌的丰度,并可通过增加黏液蛋白降解菌的丰度和紧密连接蛋白和黏附蛋白的表达加强肠道屏障功能[57]。黄连解毒汤通过增加产生短链脂肪酸(Short chain fatty acids, SCFAs)的数量和抗炎菌丰度、减少条件致病菌并降低LPS产生菌丰度,使失调的菌群结构和功能恢复到正常状态恢复失衡的肠道微生态,达到改善代谢性内毒素血症和炎症反应的作用[58]。此外,灵芝菌丝体的水提取物可增加紧密连接蛋白的表达,维持了肠道屏障的完整性,还可降低产LPS菌的丰度,改善代谢性内毒素血症[59]。2018年一项多中心、单盲、随机对照研究评估了中药治疗KOA的疗效和安全性,相较于西药而言,中药治疗显著降低WOMAC疼痛评分,显著改善生理功能和躯体疼痛[60]。针对KOA患者伴有慢性低度炎症和肠道通透性增加的症状[5,50]，中药可以通过调节肠道菌群,提高紧密连接蛋白的水平,增强肠壁的紧密性,并降低致病性的LPS产生菌的丰度,减轻KOA患者系统性慢性炎症状态,从而达到治疗KOA的作用。

2.4 其他疗法

基于“肠-关节”轴的疗法除了上述疗法外，还有通过增加机体运动，调控药食等调节机体肠道微生物的疗法。KOA患者有结肠黏膜通透性增加的病理现象[50],体育锻炼可调节肠道微生物的组成,提高肠黏膜免疫力[61],是指南推荐防治OA的一线干预措施[2]。高脂饮食(HFDs)是一种导致肥胖的不健康饮食模式,导致肠道微生物多样性降低,内毒素产生菌增多,肠道屏障保护菌减少。在HFDs饮食诱导C57BL/6J小鼠膝关节发生OA的基础上使用了自由轮跑进行治疗,结果发现自愿轮跑可以重塑肠道微生物生态系统,降低LPS循环水平,从而有助于缓解慢性炎症和OA[62]。机体对药食及营养的摄取会影响肠道微生物，一项非盲随机临床试验对38名KOA患者进行研究。每个参与者接受为期12周的营养补充剂治疗,绿唇贻贝(Green-lipped mussel,GLM)和氨基葡萄糖硫酸盐(Glucosamine sulphate,GS),并在第一周和第12周收集粪便进行粪便微生物分析。结果表明GLM和GS治疗可能通过调节肠道微生物的代谢和免疫活动,减少炎症反应,达到了改善KOA临床症状的效果[63]。在小鼠内侧半月板失稳模型中，抗生素诱导的肠道菌群变化可导致骨关节损伤后MMP-13表达降低，改善骨性关节炎[64-65]。

3 展望

通过“肠-关节”轴,我们发现OA与肠道微生物之间存在联系。在未来的临床研究和动物实验中,可以采用特异性的菌种,或是用益生元、益生菌以及粪便移植等调控肠道微生物的干预性方法,增加有利于KOA恢复的益生菌或者降低致病菌群的相对丰度,探索肠道微生物对KOA的直接治疗作用。迄今为止,已有大量研究报道了OA与肠道微生物变化的关系,但偏向于观察肠道微生物数量及多样性的变化,分析肠道微生物与疾病作用机理之间关系的研究较少。肠道微生物在饮食、肥胖、代谢障碍、年龄等因素的干扰下会产生紊乱,同时这些干扰因素也会影响到KOA的发展[12,16,66]。肠道微生物的失衡会导致肠道局部免疫紊乱,改变肠道通透性,增加内毒素的产生,促进慢性炎症的发生发展,导致代谢障碍、身体肥胖等变化,从而促进KOA的病理变化进程[38,45,67]。简单来说,肠道微生物和KOA其他诱因彼此相互影响,共同作用于KOA的病理进程。通过微生物补充治疗方式可以减缓OA的病理变化,提示肠道微生物对OA有直接治疗的作用[44]。改变干扰环境可适当改善肠道微生物的失衡,若再加上调节肠道微生物紊乱的治法将会成为调节KOA很有优势的综合治疗方案。未来的研究应该重视可能预防治疗KOA的发生发展的多种潜在途径,更多的呈现出通过调节失衡的肠道微生物,缓解慢性炎症,减轻KOA症状的证据;进一步研究肠道微生物与疾病发生发展的关系,以明晰肠道微生物在KOA治病机理中扮演的角色,为基于“肠-关节”轴防治关节炎提供科学依据。