腸道微生物群與骨質(zhì)疏松研究進展

陸逸+胡予

骨質(zhì)疏松癥已成為世界性健康問題，隨年齡增長發(fā)病率增高，全世界約2億人患骨質(zhì)疏松癥。該病最大的危害是骨質(zhì)疏松性骨折，顯著增加老年人死亡率以及社會經(jīng)濟負擔(dān)。骨質(zhì)疏松可由環(huán)境、遺傳、營養(yǎng)等因素造成。腸道微生物群是人體腸道內(nèi)的正常共生菌，有助維持機體的代謝及免疫狀態(tài)。最近研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群能調(diào)節(jié)骨量。另外，炎性細胞因子在骨質(zhì)疏松的發(fā)病過程中可能起重要作用。益生元、益生菌的使用能夠改善骨質(zhì)疏松。腸道微生物群調(diào)節(jié)骨代謝這一新機制，可能成為未來防治骨質(zhì)疏松癥的研究熱點。

1 骨質(zhì)疏松流行病學(xué)及病因

1.1 骨質(zhì)疏松流行病學(xué)

骨質(zhì)疏松癥是一種以低骨量、骨微結(jié)構(gòu)破壞、脆性骨折增加為特征的全身性骨骼疾病[1]。隨著人口老齡化，骨質(zhì)疏松癥成為困擾中老年人的疾病之一，發(fā)病率居各種常見病第7位[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國60～69歲老年女性的骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率達50%～70%，老年男性達30%[3]。2013年關(guān)于中老年人骨質(zhì)疏松流行病學(xué)薈萃分析指出：中國40歲以上人群骨質(zhì)疏松癥總體患病率為13.2%，其中男性為11.8%，女性為14.2%。隨年齡增加，骨質(zhì)疏松癥患病率逐漸增加，女性50歲后，患病率明顯增高[4]。骨質(zhì)疏松病人容易發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折，在西方國家骨質(zhì)疏松性骨折發(fā)生比例很高，在美國和歐洲，每年約有250萬人發(fā)生骨質(zhì)疏松性骨折[2]，顯著增加老人死亡率，也帶來了嚴重的社會經(jīng)濟負擔(dān)。

1.2 骨質(zhì)疏松的病因

骨骼由成骨細胞的成骨作用以及破骨細胞的骨吸收作用不斷進行重建而形成[5]，兩者不平衡會導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生。骨骼代謝調(diào)節(jié)較復(fù)雜，基因、環(huán)境以及生活方式都會影響骨代謝。 骨質(zhì)疏松癥可由多種原因引起，包括遺傳因素、環(huán)境因素、營養(yǎng)因素、活動減退、增齡相關(guān)的骨質(zhì)丟失等[6]。甲狀旁腺素、維生素D、性激素、炎性細胞因子都是骨骼代謝的重要調(diào)節(jié)因子。正常人30～40歲達峰值骨量[7]，隨后骨質(zhì)隨年齡增長開始緩慢丟失。高峰骨量主要由基因調(diào)節(jié)，骨質(zhì)疏松的風(fēng)險取決于青年時期的成骨量是否足夠，以及隨后發(fā)生的增齡相關(guān)性骨丟失率。遺傳因素是骨質(zhì)疏松癥的重要原因之一[7]。此外，骨質(zhì)疏松性骨折也與遺傳因素有關(guān)，但隨年齡增長遺傳因素所占比例下降，環(huán)境因素比例增高，如發(fā)生跌倒[8]。

2 腸道微生物群與骨質(zhì)疏松

腸道內(nèi)約數(shù)萬億共生菌與宿主共生。宿主為腸道微生物群提供食物及能量，腸道微生物群幫助宿主消化食物。腸道微生物群與人體相互作用，影響宿主代謝和免疫功能。腸道微生物群作用于腸道上皮細胞，以及腸道通透性增加時直接刺激宿主的固有層細胞，從而可以改變宿主的生理狀態(tài)[9]。腸道微生物群通過影響機體生理過程，特別是宿主的食物消化吸收與能量平衡對肥胖及其并發(fā)癥的產(chǎn)生有一定影響，例如胰島素抵抗、糖尿病、心血管疾病[10]。腸道菌群與機體相互作用比較復(fù)雜，至今尚未完全闡明。

研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群能夠調(diào)節(jié)骨代謝。Klara[11]比較了7周雌性無菌小鼠和普通小鼠的近端脛骨骨密度，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠的骨密度較普通小鼠增加了40%，無菌小鼠體內(nèi)破骨前體細胞較普通小鼠減少，破骨細胞數(shù)量減少、形態(tài)變小，骨形成率正常。將正常腸道菌群定植于無菌小鼠腸道后骨密度下降。與無菌小鼠相比，普通小鼠骨髓中CD+4T細胞以及破骨前體細胞增加。這一發(fā)現(xiàn)提示腸道微生物群能夠影響骨量，可能是通過改變骨髓中免疫狀態(tài)，進而影響破骨細胞的分化及活性。

Laura[12]發(fā)現(xiàn)，給予抗生素干預(yù)的雄性成年小鼠與非干預(yù)組小鼠相比，骨密度增加，提示腸道微生物群組成的改變可以引起骨密度的改變。Williams[13]使用卵巢切除小鼠模型，以四環(huán)素喂養(yǎng)8周，與正常飲食組相比其股骨骨小梁密度升高，骨形成率增加，骨吸收降低，提示抗生素可能治療改變腸道微生物群，支持腸道微生物群調(diào)節(jié)骨代謝的結(jié)論。目前推測腸道微生物群可能通過改變宿主免疫狀態(tài)，調(diào)查骨髓破骨細胞的功能，有利于生理性的骨吸收的進行以及骨穩(wěn)態(tài)的維持。腸道菌群可能成為將來治療骨質(zhì)疏松癥的潛在的靶點。

3 腸道微生物群與免疫系統(tǒng)

人在出生時從環(huán)境中獲得的腸道微生物群定植于腸道黏膜表面。腸道微生物群與宿主相互作用，有助于維持宿主免疫系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)，既能使宿主產(chǎn)生針對病原菌的有效免疫應(yīng)答，又能避免對共生菌產(chǎn)生病態(tài)炎癥反應(yīng)[14]。

腸道微生物群對正常免疫功能的形成是十分必要的。研究發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠黏膜免疫系統(tǒng)不成熟，腸黏膜內(nèi)派氏集合淋巴結(jié)發(fā)育不成熟，生發(fā)中心較少，IgA+漿細胞數(shù)量以及固有層CD+4T細胞數(shù)量減少[15]。此外，無菌小鼠免疫異常并不局限于腸道黏膜系統(tǒng)，研究者還發(fā)現(xiàn)其脾臟和淋巴結(jié)相對不成形，生發(fā)中心不明顯。無菌老鼠體內(nèi)IgG減少。將腸道共生菌群植入無菌小鼠體內(nèi)幾周后，以上變化都能逆轉(zhuǎn)。另外也發(fā)現(xiàn)無菌小鼠骨髓中中性粒細胞和單核細胞降低，并且單核細胞的數(shù)量在移植菌群后被逆轉(zhuǎn)[16]。無菌小鼠股骨骨髓細胞內(nèi)CD+4T細胞較普通小鼠減少，CD+8細胞無差異。無菌小鼠骨髓中炎癥因子、IL-6及TNF-α表達下降[11]。以上都說明腸道共生菌參與機體系統(tǒng)免疫的形成以及影響機體的免疫功能。

研究者給小鼠喂含有益生菌的食物后，發(fā)現(xiàn)小鼠腸道分泌的TNF-α、IFN-γ以及IL-2的濃度顯著增加，同時固有層中CD+4T細胞和CD+8T細胞數(shù)量也顯著增加[17]。說明腸道微生物群的改變可以引起機體的免疫狀態(tài)發(fā)生改變。

4 骨質(zhì)疏松與炎癥因子

機體免疫炎癥反應(yīng)常常與低骨量有關(guān)聯(lián)，免疫應(yīng)答過程中產(chǎn)生的炎癥因子能顯著影響骨量[18]。如腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor， TNF）能夠促進破骨細胞生成，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生[19]。目前研究發(fā)現(xiàn)，多種炎性疾病如類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、炎性腸病、脂肪瀉、系統(tǒng)性紅斑狼瘡等都與骨的吸收有關(guān)[6]。類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病人中骨質(zhì)疏松患病率比正常個體更高，其體內(nèi)T細胞活化，產(chǎn)生炎性細胞因子，增強了破骨細胞活性[20]。對類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病人使用TNF-α阻斷劑后骨密度顯著增加，骨丟失顯著減退[21]。研究發(fā)現(xiàn)，對克羅恩病病人行英夫利昔單抗合并雙磷酸鹽治療，較單用雙磷酸鹽治療骨密度顯著提升[22]。

研究發(fā)現(xiàn)，雌激素減少導(dǎo)致破骨細胞的增多以及存活時間延長。現(xiàn)在認為原因之一是失去了雌激素的免疫抑制作用，炎性細胞因子生成增多，促進了破骨細胞的生成[23]。有研究發(fā)現(xiàn)，在雌激素減少性骨質(zhì)疏松發(fā)病過程中，增多的活化T細胞及其產(chǎn)生的細胞因子RANKL、TNF-α、OPG起重要作用[24]。絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女體內(nèi)雌激素水平降低，伴隨著T細胞活性的增高以及TNF-α和RANKL增多，循環(huán)破骨細胞前體數(shù)目增加。小鼠實驗發(fā)現(xiàn)，活化的T細胞是雌激素缺乏情況下TNF最主要的來源[25]。卵巢切除后骨髓T細胞產(chǎn)生TNF-α的能力增強，從而增強了巨噬細胞集落刺激因子（M-CSF）以及RANKL誘導(dǎo)破骨細胞生成的能力。T細胞缺乏的裸小鼠在卵巢切除術(shù)后不會發(fā)生骨質(zhì)疏松，破骨細胞數(shù)量未增加。提示在雌激素缺乏情況下，T細胞是調(diào)控骨吸收效應(yīng)的關(guān)鍵因子。雌激素預(yù)防骨質(zhì)疏松的關(guān)鍵機制可能是其抑制了T細胞產(chǎn)生TNF-α，而絕經(jīng)后女性骨髓中產(chǎn)TNF-α的T細胞增多，刺激破骨細胞生成，易發(fā)生骨質(zhì)疏松。

研究發(fā)現(xiàn)，野生型小鼠卵巢切除能快速誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松發(fā)生，但在TNF-α缺乏的小鼠中切除卵巢卻不會發(fā)生骨質(zhì)疏松[26]。另外，移植了野生型小鼠T細胞的裸小鼠會發(fā)生卵巢切除誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松，但移植了無TNF-α小鼠體內(nèi)T細胞的裸小鼠不會發(fā)生相關(guān)反應(yīng)。再次證明了TNF-α在雌激素減少性骨質(zhì)疏松發(fā)病過程中的關(guān)鍵作用。

以上研究說明，雌激素降低所誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松的發(fā)病關(guān)鍵機制是骨髓T細胞數(shù)量增多，TNF-α產(chǎn)生增多，增加破骨細胞生成。體現(xiàn)了T細胞以及T細胞產(chǎn)生的TNF-α在骨代謝中的作用。

5 益生菌、益生元與骨質(zhì)疏松

益生菌、益生元均能影響腸道微生物群的組成。腸道中的益生菌主要通過調(diào)節(jié)腸道微生物群的組成來發(fā)揮作用[27]，益生菌也可以調(diào)節(jié)機體免疫系統(tǒng)[28]。目前一些益生菌被用于治療炎癥性腸病[29]。

研究者們用卵巢切除的骨質(zhì)疏松模型，發(fā)現(xiàn)益生菌以及益生元的使用能改善骨質(zhì)疏松。Claes[30]將一組小鼠進行6周副干酪乳桿菌干預(yù)，另一組小鼠進行6周的乳酸桿菌、副干酪乳桿菌、以及植物乳桿菌共同干預(yù)，并設(shè)安慰劑對照組。發(fā)現(xiàn)兩組益生菌干預(yù)組小鼠骨質(zhì)丟失和骨吸收較安慰機組顯著減少。Britton[31]用羅伊乳桿菌進行干預(yù)，能夠顯著減少卵巢切除小鼠的骨質(zhì)丟失，益生菌干預(yù)組破骨細胞骨吸收標志物的水平降低。推測可能是通過改變腸道微生物群以及影響宿主免疫狀態(tài)，進而改變骨代謝。益生菌改善骨質(zhì)疏松目前認為的機制包括益生菌降低腸道炎癥反應(yīng)增加骨密度，以及增加腸道短鏈脂肪酸的生成從而增加礦物質(zhì)的溶解度，提高鈣吸收，促進骨礦化[32]。

益生元是一種膳食補充劑，組成成分為低聚糖。能夠選擇性刺激腸道內(nèi)有益菌的生長，而產(chǎn)生對宿主有益的影響[33]。研究發(fā)現(xiàn)，給小鼠補充益生元，能夠改變腸道微生物群的組成，雙歧桿菌構(gòu)成比增加，骨量增多[34]。Fabiana[35]將小鼠分成4組，分別喂養(yǎng)雪蓮果粉、長雙歧桿菌、雪蓮果粉聯(lián)合長雙歧桿菌，并設(shè)以空白對照，結(jié)果顯示，長雙歧桿菌組、雪蓮果粉聯(lián)合長雙歧桿菌組中脛骨礦物質(zhì)含量以及骨硬度增高。用益生元金線蓮萃取物干預(yù)卵巢切除大鼠，能夠改善骨質(zhì)疏松[36]，金線蓮萃取物的使用增加了腸道黏膜雙歧桿菌屬的數(shù)量，提高了腸道的酸度以及鈣吸收。

益生元和益生菌均通過改變腸道微生物群，提高礦物質(zhì)生物利用度，改善骨質(zhì)疏松癥狀，可以作為未來骨質(zhì)疏松防治的策略之一。

6 未來與展望

腸道微生物群與多種疾病相關(guān)，而近年許多研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群能夠調(diào)節(jié)骨量，是骨質(zhì)疏松的病因之一。目前認為腸道微生物群調(diào)節(jié)骨量主要是通過免疫系統(tǒng)介導(dǎo)，產(chǎn)生活化的細胞因子促進破骨細胞分化，骨吸收增加。此外益生菌、益生元的使用能夠改變腸道微生物群的構(gòu)成，調(diào)節(jié)骨代謝。益生菌近年已被使用于治療骨質(zhì)疏松，特別是對于絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松病人。腸道微生物群影響骨質(zhì)的機制還有待進一步研究。腸道微生物群可能是骨質(zhì)疏松癥的新的治療靶點，為未來新的治療方式提供思路。

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（收稿日期：2017-03-15）