中药通过调控短链脂肪酸防治骨质疏松症的研究进展

赵宝宝 李兴勇 董万涛 孙东亮 张杰

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000

2.甘肃省人民医院，甘肃 兰州 730000

3.甘肃中医药大学附属医院，甘肃 兰州 730000

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是一类以骨形成过程与骨吸收之间的平衡失调，即骨吸收大于骨形成，造成的慢性全身代谢性疾病，其主要特点是骨密度与骨的质量下降，骨的微观结构遭到破环，容易发生骨折[1]。其引起的骨折已经成为全世界普遍关注的问题，是世界严重的卫生事件之一[2]。

肠道菌群微生物在各个领域的研究已经成为一个热点，尤其在代谢性疾病中的研究如火如荼，其不仅自身对疾病产生影响，还可以通过其代谢产物对疾病的发生发展产生影响[3]。短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)作为一种能够反映肠道菌群微生物功能的重要代谢产物，越来越多的研究显示其与骨代谢性疾病有着密切的联系[4]。

“骨质疏松症”属于中医的“骨痿”“骨痹”“骨枯”“腰痛”等范畴[5]，骨质疏松症的病因病机主要责之于脾、肾、血瘀[6]，治疗主要以健脾补肾为原则。

目前临床上用来治疗OP的药物主要可以分为抑制骨吸收类药物(如双膦酸盐、降钙素等)和促进骨形成类药物(如甲状旁腺激素类似物等)[7]。中药作为一种重要的治疗药物，其主要也是通过上述两种途径治疗骨质疏松症。笔者通过检索文献得到通过调控SCFAs影响骨质疏松症的单味中药有效成分及提取物主要有女贞子、杜仲、黄连、葛根、淫羊藿、刺桐皮，中药复方主要有青娥丸、健骨颗粒。本文就单味中药有效成分及提取物与中药复方如何调节SCFAs，从而影响骨代谢作一总结，以期为临床上防治OP提供新的思路。

1 SCFAs概述

SCFAs属于一类挥发性脂肪酸，是肠道微生物菌群代谢的主要终产物，它们主要由厌氧微生物的多糖、寡糖、蛋白质、肽和糖蛋白前体形成[8]。其中由复合碳水化合物被肠道微生物分解为寡糖，然后发酵成SCFAs，通常是对宿主有益处的，然而由蛋白质发酵形成的SCFAs则是对宿主会产生有害作用[9]。SCFAs通常含有2～6个碳原子。根据研究显示在人体内主要有3种SCFAs，分别是乙酸(C2)、丙酸(C3)、丁酸(C4)[10]。乙酸和丙酸主要由拟杆菌门产生，而厚壁菌门是丁酸盐的主要贡献者[11]。研究显示丙酸和丁酸只能由有限的几种细菌产生，例如拟杆菌门里的艾克曼菌是丙酸的主要产生细菌[12]，厚壁菌门里的普拉梭菌、直肠真杆菌、霍氏真杆菌和布氏瘤胃球菌等是丁酸的主要产生细菌[13]。然而乙酸则主要由大多数细菌产生，例如乳酸杆菌属、双歧杆菌属、嗜粘液阿克曼氏菌、拟杆菌属、普氏菌属、瘤胃球菌属和链球菌属[14]，不具有特异性。肠道中的大部分SCFAs来源于复杂碳水化合物的细菌分解，尤其是在近端肠道中，但随着食物残渣通过肠道、蛋白质和肽的消化对SCFAs产生的贡献越来越大[15]。由于无法直接进入人体的肠道对其肠道菌群进行分析，只能通过采集粪便，通过分析粪便中的肠道菌群来预测人体的肠道菌群。研究显示只有大约5%的结肠产生的SCFAs存在于粪便中；丁酸盐被迅速用作结肠细胞的能量来源，而大部分乙酸盐和丙酸盐进入门静脉循环[16]。

2 SCFAs对骨代谢的调控作用

SCFAs已被认为是连接微生物和骨组织的关键环节。作为SCFAs的3种主要成分的乙酸、丙酸、丁酸，对骨代谢都有一定的调控作用[16-17]。SCFAs对机体的作用主要是通过两个不同的机制来实现的。第一种机制主要是激活作用，即依靠G蛋白偶联受体(G-protein-coupled receptors，GPCR)的激活。SCFAs可以使机体的某些GPCR直接激活，然后发生一系列的后续反应，调控骨代谢；第二种机制主要起到抑制作用，依靠的是乙酰化。SCFAs使核Ⅰ类组蛋白脱乙酰酶(HDAC)在细胞内发生直接抑制有关，从而调控骨代谢[18]。

在较高、超生理浓度下，SCFAs对成骨细胞表型和存活的影响明显不同，导致细胞毒性和RANKL生成增强。Chang等[19]通过用丁酸干预MG-63成骨细胞发现，不同浓度的丁酸会对骨代谢产生不同的调节作用，给予丁酸的浓度>4 mmol/L时，刺激MG-63成骨细胞RANKL的产生，降低骨保护素(OPG)的表达，促进骨桥蛋白的分泌和表达，诱导骨破坏、抑制骨修复，影响成骨细胞活性，而给予的丁酸浓度在1～4 mmol/L暴露3 d后，OPG表达增加，RANKL产生减少，组蛋白H3乙酰化增加，从而促进成骨。多项研究发现，丁酸盐在一定的浓度范围内，可增加人成骨细胞矿化结节的矿化和钙含量[20]，增加小鼠颅骨器官培养中碱性磷酸酶(ALP)的产生，增加MC3T3-E1细胞Runt相关转录因子2(Runx2)的转录，提高OPG的产生[21]。丙酸还被证明能在体外低浓度下增强原代成骨细胞的活力。有研究证明丙酸下调了小鼠软骨发生和成骨的重要调节因子Sox9和Runx2，降低了Ⅱ型胶原和硫酸化蛋白聚糖等软骨发生标志物[22]。

SCFAs通过与GPCR结合发挥多种免疫和代谢功能，主要是游离脂肪酸受体2(free fatty acid receptor 2，FFAR2)。有学者通过研究SCFAs和FFARs对牙槽骨中的影响，以同样的高纤维饮食喂养，以增加循环中的SCFAs，通过观察自野生型(WT)和FFAR2缺陷小鼠(FFAR2-/-)的骨样本。发现在使用高纤维饮食喂养后，FFAR2-/-小鼠表现出正畸牙移动(OTM)显著增加以及骨细胞数量和重塑标志物表达的变化。高纤维饮食部分逆转了FFAR2-/-小鼠上颌骨的骨质流失[4]。说明SCFAs可以使牙槽骨的骨吸收受到抑制。

3 单味中药有效成分及其提取物调控SCFAs影响骨代谢

3.1 女贞子

女贞子(FLL)是一种具有抗骨质疏松活性的可食用草本植物。研究通过用FLL水溶液干预OVX骨质疏松症模型大鼠，发现FLL水溶液显著增加了乙酸、丙酸、丁酸的浓度，并改善了骨矿物质密度和生物力学强度，提高大鼠血清中I型胶原n端前肽(PINP)，降低I型胶原c端肽(CTx-I)的含量，增加钙吸收[23]。得出FLL可以通过增加SCFAs的浓度，增加钙吸收，从而调节骨代谢。

3.2 杜仲叶

杜仲为杜仲科杜仲属落叶乔木，主要生长在我国南方，作为传统中药已有3000多年的历史。杜仲叶提取物(EUL)改变肠道微生物组成，增加SCFAs的产生，抑制破骨细胞的形成起到改善骨质疏松作用。一项实验通过用EUL干预衰老加速的小鼠P6，发现干预之后小鼠肠道厚壁菌门和其他SCFAs产生菌的丰度增加，乙酸和异丁酸的生成量增加，BMD和骨小梁增加[24]。得出杜仲叶主要通过促进SCFAs产生菌的丰度，增加BMD和骨小梁，起到抗骨质疏松的作用。

3.3 葛根素

葛根素是从中药葛根里提取出来的一种组分，葛根素作为一种植物雌激素已被证明可以改善绝经后骨质疏松症(postmenopausal osteoporosis，PMOP)。有研究通过用葛根素干预OVX骨质疏松模型大鼠，发现服用葛根素后提高了OVX骨质疏松模型大鼠SCFAs水平和修复肠黏膜完整性，骨微环境得到改善，并且股骨远端骨小梁变细，数量减少，密度降低得到改善，降低血清TRAcP-5b和CTX-1，起到抗骨质疏松的作用[25]。

3.4 黄连

小檗碱(BBR)是一种从黄连中分离出来的天然异喹啉生物碱，常被用来治疗绝经后骨质疏松症[26]。有研究通过用BBR干预OVX-牙周炎大鼠，发现BBR能够增加OVX-牙周炎大鼠体内产生丁酸盐的菌属(例如异杆菌属、丁酸菌属和丁酸单胞菌属)的丰度，上调粪便中丁酸盐的浓度，并且单位组织体积的骨体积和骨小梁分离状况得到改善，抗酒石酸酸性磷酸酶阳性破骨细胞减少，骨钙素阳性成骨细胞增多[27]。因此BBR可以提高产生丁酸盐的菌属的丰度，抑制破骨细胞，增加牙成骨细胞，从而减少骨流失。

3.5 淫羊藿

淫羊藿苷是补肾类中药淫羊藿的主要成分，具有促进成骨细胞分化，抑制破骨细胞分化及其活性的作用。研究通过给OVX骨质疏松模型大鼠给予淫羊藿苷，然后采集其粪便，并分析其肠道菌群，发现给予淫羊藿苷治疗后的小鼠肠道内促进SCFAs生成普雷沃氏菌属(prevotellaceae)、拟杆菌属(Bacteroides)的相对丰度较OVX组明显上升，并且检测其骨代谢标志物，发现接受淫羊藿组小鼠的BV、BV/TV值显著高于OVX组，血清β-CTX 浓度、钙、磷浓度显著降低，破骨活动被抑制[28]。因此淫羊藿苷可以通过提高促进肠道内SCFAs生成细菌的丰度，来抑制破骨活动，从而起到抗骨质疏松症的作用。

3.6 刺桐皮

刺桐皮(EC)是一种民间药物，异黄酮是EC的主要植物成分。研究者通过用EC提取物干预OVX骨质疏松模型大鼠，发现大鼠血清循环中SCFAs主要成分乙酸和丙酸水平显著提高，ALP、Runx2的mRNA表达均显著上调，组织蛋白酶k(Ctsk)的mRNA表达被显著抑制[29]。因此EC提取物可以提高SCFAs主要成分乙酸和丙酸的水平，上调ALP和Runx2，下调Ctsk的表达起到抗骨质疏松的作用。

4 中药复方调控SCFAs影响骨代谢

4.1 青娥丸

青娥丸是一种由盐杜仲以及盐补骨脂等组成的治疗OP的经典名方，对去卵巢引起的OP具有良好的治疗效果。研究通过用青娥丸干预OVX骨质疏松模型大鼠，发现干预组的乙酸、丙酸以及丁酸的含量明显增加，BMD、骨体积分数(BV/TV)、骨面密度(BS/TV)、骨小梁数量(Tb.N)明显增加，骨小梁分离度(Tb.Sp)减少[30-31]。证明青娥丸可以通过提高SCFAs的主要组成乙酸、丙酸、丁酸的含量，增加BMD、BV/TV、BS/TV、Tb.N，降低Tb.Sp来起到抗骨质疏松的作用。

4.2 健骨颗粒

健骨颗粒是主要由淫羊藿、骨碎补、山茱萸、党参、山药等中药组成的中药复方, 具有补肾健脾、强筋健骨的功效，常用于治疗PMOP。Sun等[32]研究发现用健骨颗粒干预OVX骨质疏松模型大鼠，发现其能够增加OVX大鼠粪便中SCFAs的含量，明显改善骨小梁数量及形态，骨体积和骨体积/组织体积，促进骨形成生物标志物BALP和PINP的表达，抑制骨吸收标志物Tracp-5b和CTX-1的表达。证明健骨丸能够增加SCFAs的含量，抑制骨吸收，从而有效的发挥抗骨质疏松的作用。

单味中药有效成分及提取物与中药复方调控SCFAs防治骨质疏松详见表1。

表1 单味中药有效成分及提取物与中药复方调控SCFAs防治骨质疏松Table 1 The effective components and extracts of single Chinese medicine and Chinese medicine compound regulate SCFAs to prevent osteoporosis

5 小结与展望

肠道菌群与宿主之间是一种互利互惠的关系，其不仅自身可以影响宿主，还可以通过其代谢产物如SCFAs、5-羟色胺等对宿主产生一定的影响，所以研究肠道菌群及其代谢产物可以为临床提供广阔的思路。对于骨质疏松症的治疗主要是抑制骨吸收和促进骨形成，然而目前临床上用于治疗OP的药物也显示出了明显的不良反应。例如，降钙素会引起骨痛，而三肽不能长期使用。OP的预防和治疗在药物研发领域引起了全世界的关注，研发新的药物迫在眉睫。中医药在治疗慢性病方面具有得天独厚的优势，开发祖国传统治疗方式很有必要。本研究发现单味中药有效成分及提取物与中药复方可以促进产生SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸的细菌的丰度，增加BMD、BV/TV、BS/TV、Tb.N，降低Tb.Sp，增加成骨数量，减少破骨细胞数量，从而起到一定的抗骨质疏松作用。应用中医药来治疗代谢性疾病如骨质疏松症，具有广阔的前景，是当下的热点问题。