基于肠-骨轴探讨肠道菌群对骨代谢影响的研究进展

薛鹏 杜斌 刘锌 陈浩 何帅 席洪钟

南京中医药大学附属医院，江苏 南京 210029

1 肠道菌群与骨代谢概述

1.1 肠道菌群

细菌、病毒、真菌和原生动物，所有这些定植在人体内并且共同构成的生物群被称为人体微生物群。这些微生物群绝大多都位于人类的胃肠道中，它们构成了人体的肠道菌群(gut microbiota)，其中细菌占据主导地位。肠道菌群数可达上万亿个，通过摄取机体的营养物质维持生存和进行代谢[1]。据估计，肠道菌群的基因由人类肠道中超1000种不同微生物群相对应的独特基因组组合构成。根据相关研究证实，肠道菌群的基因组包含的基因数量极其宏大，预测结果是人类基因组的100多倍[2]。现阶段肠道菌群已被证实参与调节了多种多样的生物过程，这些都与人类的各项生理病理活动密切相关。这些活动具体包括肠道自身的生理功能[3]、营养物质的吸收和代谢[4]、宿主生长[5]、代谢调节[6]、免疫系统功能[7]、大脑行为系统[8]以及炎症过程[9]。肠道菌群在许多复杂疾病的重要生物过程和机制调控中起着重要作用，且肠道菌群可与疾病谱进行轴联，比如临床前证据证实肠道菌群可通过干扰肠-肝轴，进而影响肝脏脂肪代谢，导致非酒精性脂肪性肝病[10]；此外，肠道菌群可通过肠-胆汁酸轴引起胆汁酸的合成及调控异常，从而引起肠易激综合征[11]；肠道菌群可通过脑-肠轴调控神经炎症而产生神经退行性改变，引起阿尔茨海默病和帕金森病[12]。随着对肠道菌群与机体骨代谢相关性的探索，肠道菌群或许与骨代谢也存在轴联，即肠-骨轴[13]。目前对肠-骨轴的明确定义暂未提出，但根据现有肠道菌群影响骨代谢的研究，肠道菌群确可通过多种途径对骨代谢产生影响。因此，本文提出肠-骨轴是肠道微生物对骨代谢发生关系和影响的途径，肠道菌群通过该途径对骨代谢产生影响。

1.2 骨代谢

骨骼是一个不断重塑的动态器官，骨形成和骨吸收这两个过程在体内不断地进行着，它们是与骨代谢相关的主要活动。骨细胞在体内进行新陈代谢，参与人体骨骼组织的各项生理病理过程。在细胞层面，主要通过骨细胞间的相互作用实现骨的重塑。在骨代谢中，人体破骨细胞和成骨细胞起着重要作用，当骨代谢异常时，疾病就会发生。因此骨稳态需要骨代谢的动态平衡来实现[14]。通常认为[15]，骨代谢平衡对于维持钙、磷等矿物质的代谢平衡以及骨密度、骨强度等具有重要的积极意义。骨代谢的失衡会导致诸多代谢性骨科疾病，如骨软化症、骨质疏松症等。多种因素如内分泌功能、炎症反应、体内激素水平等均可影响骨代谢。随着肠道菌群相关研究的进展，其与骨代谢的关联性也在被不断深挖。

2 基于肠-骨轴的肠道菌群对骨代谢作用的可能机制

肠-骨轴可指肠道微生物与骨骼系统之间的联系，肠道菌群可以通过众多方式影响肠-骨轴，进而对骨代谢发生调控作用，本文主要从以下几点进行论述。

2.1 肠道菌群-菌群及营养物质代谢产物-骨代谢

肠道菌群促进骨稳态的一个重要机制是肠内代谢产物从肠腔扩散到体循环。在微生物群的代谢产物中，短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)(如丁酸、丙酸盐及醋酸盐)在过去几十年一直是肠-骨轴研究的热点[16]。SCFA主要由食物中难以消化的膳食纤维代谢产生，通过抑制活化B细胞的核因子-轻链增强子的激活而产生抗炎作用来减少自身免疫炎症[17]。此外，研究也证实丙酸盐以及丁酸盐以下调TRAF6和NFATc1的方式抑制破骨细胞生成和骨吸收，在不直接改变成骨细胞的情况下增加骨密度。同时，SCFA影响破骨细胞前体细胞，诱导其凋亡，从而提高骨密度。丁酸不仅对破骨细胞有很强的抑制作用，它还直接诱导破骨细胞前体的代谢重编程，导致糖酵解增强，以氧化磷酸化为代价下调重要的破骨细胞基因[18]。总之，这些数据表明SCFA是破骨细胞代谢和维持骨稳态的有效调节因子[19]。研究表明素食者或地中海饮食的人SCFA水平较高，而这对骨骼健康有益[20]。饮食中添加低聚糖可增加SCFA的产生而提高BMD[21]，并且在抗生素治疗的小鼠中，补充SCFA可减少骨量而不改变骨转换率[22]。此外，肠道菌群的参与可增加无机盐的溶解度以改善其在肠壁的吸收，而无机盐如磷酸盐的可用性对成骨细胞和骨稳态的骨矿物质沉积至关重要[23]。这种作用可能部分是由于微生物合成的植酸酶代谢成无机磷和肌醇磷酸衍生物[24]。

2.2 肠道菌群-免疫调节-骨代谢

为了使免疫系统充分发挥作用，人体必须能区分宿主环境中正常存在的微生物和不存在的外来微生物。肠道菌群是从环境中获得的，它们的变化可以在肠道局部或全身引起免疫反应[25]。因此，在肠道菌群异常状态下可能导致许多与骨代谢相关的细胞因子的增加。肠道菌群已被证明与免疫细胞相互作用，并调节涉及先天免疫和适应性免疫过程的特定信号通路[26]。许多研究表明肠道菌群与辅助性T细胞17(Th17)和调节性T细胞(Treg)的平衡密切相关，即肠道菌群可诱导Th17和Treg免疫失衡[27]。Treg和Th17是两个功能相反的重要淋巴细胞亚群，它们来源于相同的前体细胞，它们的分化需要参与TGF-β调节的信号通路。Treg和Th17对维持骨稳态，尤其是破骨细胞分化至关重要[28]。研究表明，Treg细胞减少IL-17的表达抑制破骨细胞分化从而抑制骨吸收，而破骨细胞可被Th17细胞通过RANKL通路激活从而促进破骨细胞的分化[29]。在动物实验中[30]，抗生素治疗的小鼠比传统饲养的小鼠有更高的骨密度和更好的骨力学性能。无菌小鼠的破骨细胞数量减少，骨中IL-6、RANKL和TNF-α水平降低，这些细胞因子具有促炎症和促破骨细胞生成作用，可导致无菌小鼠骨转换水平降低。

2.3 肠道菌群-肠粘膜屏障-骨代谢

肠上皮屏障是由不同类型的肠上皮细胞组成的肠道内壁，肠道屏障功能的完整是胃肠道免疫的组成部分。肠粘膜层是一种化学屏障，为上皮提供第一层防御，由一层粘液形成，并限制微生物组与上皮细胞之间的接触[31]。健康的肠道上皮屏障可防止受损带来的高通透性。肠道菌群的异常可致使肠粘膜屏障高通透性或“肠漏”，渗出异常高水平的炎症细胞因子，产生全身性炎症，导致破骨细胞过度活跃和骨吸收[32]。粘液层的缺乏导致肠道炎症和各种代谢性疾病的发生，随着肠道屏障功能障碍，体循环内脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)会随之增加，LPS又可以引起通透性增加，这被认为是绝经后妇女发生骨质疏松的一个机制[33]。Hamilton等[34]表示代谢紊乱的一个原因可能是肠道菌群组成的变化引起肠道通透性的增加，进而释放各种代谢产物及炎症因子所导致的。此外，LPS在抑制成骨细胞分化的同时促进破骨细胞生成，且其促进破骨细胞生成的功能不依赖于RANKL、IL-1或TNF-α的作用[35]。研究表明，LPS可促进体内股骨骨丢失和体外破骨细胞的存活，同时LPS还可以抑制小鼠成骨细胞前体细胞的成骨分化，减少骨形成[36]。肠上皮细胞表达雌激素受体，雌激素受体信号激活MAPK信号通路，从而间接影响骨代谢[37]。

2.4 肠道菌群-内分泌-骨代谢

肠道菌群作为一个身体虚拟的内分泌器官可以与内分泌系统相互作用，并可能对骨代谢产生影响，相关激素的缺乏可能会导致骨丢失增加并影响骨形成[38]。葡萄糖依赖性促胰岛素多肽(GIP)由肠道分泌，以葡萄糖依赖性方式促进胰岛素分泌。GIP与胰高血糖素样肽1(GLP-1)和胰高血糖素样肽2(GLP-2)一样，都是属于肠源性激素，作为肠内分泌-骨轴的一部分，影响着骨重塑[39]。它们对骨代谢的影响主要依赖特定受体进行，通过影响成骨细胞、破骨细胞的增殖与凋亡实现骨稳态，其中GIP和GLP-1均有可以双向调节骨吸收与骨形成，GLP-2一般对骨形成无影响，仅影响骨吸收[40]。以GIP为例，当人体通过各种途径摄入葡萄糖后，十二指肠K细胞就会感应并且分泌GIP释放入血循环，GIP可作用骨细胞上的GIP受体(GIPR)。有研究表明，GIP可能促进钙离子进入骨组织，即血钙向骨钙的转化[41]。在GIPR受体拮抗剂GIP(3-30)NH2的作用下，可减少GIP诱导的CTX和P1NP反应，表明这些作用是GIPR介导的，而GIPR拮抗可能会干扰骨吸收[42]。此外，肠道菌群还调节肠道5-羟色胺的产生，在肠内主要由十二指肠粘膜嗜铬细胞生成，占全身总量的90%，被认为是骨量的调节因子，对骨重塑具有重要而复杂的生理影响，其通过作用于骨细胞上的5-羟色胺受体(5-HTR)发挥作用[43]。

3 基于肠道菌群为靶点的治疗方式

目前以肠道菌群为靶点的治疗方式正在被不断挖掘，同样，以该方式进行治疗的疾病谱也日益增多。尽管如此，肠道菌群与诸多疾病之间的因果关系，作用机制尚待进一步研究来发掘阐明，目前基于肠道菌群为靶点的治疗方式为预防及治疗疾病提供了极具潜力方向。现阶段，肠道菌群的靶向治疗与骨相关的方式主要有以下几个：

3.1 益生菌

益生菌是指具有活力的微生物，适量给药可以起到有益作用。益生菌干预的几种机制如下[44]：①调节RANKL、CD4+T细胞和部分促炎细胞因子，改变Wnt10B、IGF-1和OPG间接调节破骨细胞的功能和分化。②促进健康的肠道菌群和增加双歧杆菌、乳酸杆菌和罗伊氏乳杆菌等有益菌群来预防肠道局部的炎症刺激和通透性增加，进而益于保持骨稳态和骨骼健康。③增加短链脂肪酸等代谢物，从而提高钙在肠道和骨骼中的吸收。一项随机对照双盲的临床研究证实罗伊氏乳杆菌可减少骨质密度低的老年妇女的骨质流失，预防骨质疏松[45]。另一研究深挖了罗伊氏乳杆菌对骨代谢影响的机制，表明罗伊氏乳杆菌对骨丢失的影响是通过丁酸信号传导介导的[46]。多品种益生菌制成的补充剂对绝经后妇女的骨骼健康有良好的影响，因为改制剂可以减缓骨转换的速度。现代医学研究表明维生素D在钙吸收过程是必不可少的，口服益生菌能通过增加腔内乳酸的产生和7-脱氢胆固醇的合成显著促进循环中25-羟维生素D的水平以改善骨代谢，促进骨重建[47]。

3.2 益生元

益生元一般作为肠道微生物的食物存在于各种食物中，包括不可消化的低聚糖和大豆低聚糖，也可来自于洋蓟、大蒜、韭菜、蒲公英、香蕉、洋葱和菊苣。在许多情况下，必须消耗大量的食物才能获得足够的益生元以发挥活性。益生元影响骨骼的机制主要体现在两个方面[48]。一方面，益生元间接增加已知调节骨密度的肠促胰岛素和血清素等分泌因子和肠道激素。另一方面，微生物组的组成可以被摄入的益生元改变，以影响SCFA的产生方式来影响骨代谢。临床实验表明[49]，富含益生元的低聚果糖菊粉可通过增加骨形成，降低骨吸收来改善儿童骨代谢。随机交叉实验也证实每日食用可溶性玉米纤维也显著改善了绝经后妇女骨钙潴留，改善了骨钙平衡[50]。

4 结论

综上，研究证实肠道菌群可通过多种途径影响骨代谢，这说明肠道菌群与骨代谢之间可能存在某种轴联。虽然肠-骨轴的概念尚未被明确定义，但本文认为肠-骨轴或许可以用来概括两者之间的关联，即可初步将肠-骨轴理解为肠道微生物调控骨代谢的途径，肠道菌群通过该途径对骨代谢产生影响。当前越来越多的证据表明肠道菌群与骨代谢之间存在这种紧密但复杂的关联，并且这个紧密联系体现在多方面。目前肠道菌群通过肠-骨轴影响骨代谢的诸多机制暂未完全明确，但肠道菌群的改变与许多可变因素(如肠道代谢产物、免疫功能、肠上皮屏障功能、营养物质吸收代谢、雌激素、内分泌等)有关，这些因素都可参与到骨代谢的调控。在肠-骨轴中，肠道菌群与骨代谢之间的关联错综复杂，它们两者之间的“桥梁”是由多种方式、途径构成的。除本文论述的几种途径外，可能仍存在未被探讨的途径，这些有待进一步深入研究。随着研究不断深入，在探明机制的前提下，可尝试基于肠-骨轴中可变因素的靶向给药，为临床治疗骨科疾病如骨质疏松、骨关节炎、骨坏死等提供新途径、新靶点。