益生菌干預骨質疏松癥相關機制的研究進展

陳劍 孫海飚 韓曉強 張子楠 鄭彩玉

1.山西醫科大學第一臨床學院，山西 太原 030001 2.山西醫科大學第一醫院骨科，山西 太原 030001 3.廈門大學附屬第一醫院內分泌科，福建 廈門 361000

1 骨質疏松癥概述

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種表現為骨量減低和骨組織微結構退化的骨骼疾病。OP引起的脆性骨折會導致嚴重的殘疾，使醫療費用的支出和死亡率增加[1]。OP患者骨折主要發生在應力集中的部位，如椎體、股骨近端和前臂遠端[2]。在美國，OP的男性患者發生骨折的幾率為13%，女性為40%，其死亡率也隨之增加[3]。隨著社會人口步入老齡化，OP的發病率不斷增加。其中，絕經期的女性隨著體內雌激素激素水平的下降或者消失，加劇了骨質的流失。OP給衛生保健系統帶來很大的經濟負擔，是一個很嚴重的公共健康問題[4]。研究表明，到2020年將會有超過一半的美國人會發生骨密度減低甚至OP。

目前，藥物在減少骨質流失或者增加骨鈣含量方面有著一定的成效。臨床上常用的治療OP的藥物有維生素D、鈣制劑、鈣的復合制劑和抗骨吸收藥等。然而藥物在長時間、大劑量使用后其副作用也隨之出現[5]，如鈣制劑會引起高鈣血癥，雙膦酸鹽類會發生胃腸道反應，雌激素替代療法會增加乳腺癌風險等。因此尋找和研發新的且副作用小的抗OP治療方法將會是一場革命。

2 益生菌概述

人體胃腸道內定植著巨大而又復雜的微生物群落，其中絕大多數的微生物屬于專性厭氧菌，這些菌群與機體的健康息息相關，這部分菌群稱為正常的腸道菌群(gut microbiota，GM)[6]。GM由萬億的細菌組成，其所含有的基因組數量比人類多150倍[7]。GM在出生的時候獲得，隨著接觸外界環境及各種刺激因素后，菌群也在不斷的變化和完善。GM與人類基因組存在明顯的相互作用，能夠以多種方式與宿主進行反饋并影響宿主[8]。益生菌屬于GM，是指適當攝取后能夠給予機體健康效應的有生命的微生物[9]。益生菌的種屬繁多，現乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、埃希氏桿菌屬、腸球菌屬和芽孢桿菌屬的益生菌已經得到廣泛的使用[10]。

3 研究現狀

相關報道證實益生菌對諸多疾病有確切的療效，如嬰兒腹瀉、壞死性小腸結腸炎、抗生素相關性腹瀉、復發性艱難梭菌結腸炎、幽門螺桿菌感染、癌變傾向的炎癥性腸病、女性泌尿生殖器感染和手術感染等[11]。隨著研究的深入，研究者逐漸意識到益生菌可以作為一種新的治療手段來干預OP，并且在實驗室已經獲得了初步的成果，而其中涉及到相關機制的文章目前少有報道[14-16,19,23-25,,29]。益生菌干預OP的機制不同于以往的認識，其不只局限于影響鈣離子的吸收。隨著研究的不斷深入，發現益生菌與機體的免疫系統、基因的表達、配體及通道的調節存在著密切的關系，益生菌可能通過復雜的方式對OP進行干預。為此，積極探索益生菌干預OP的機制，能夠為未來OP的治療及益生菌的研究提供更多幫助。

4 益生菌干預骨質疏松機制

4.1 益生菌影響炎癥因子的表達

炎癥因子與成骨、破骨細胞關系密切，Yang等[12]發現TNF-α、IL-1b與牙槽骨的體積、密度關系密切，TNF-α、IL-1b減少時，牙槽骨的體積和密度增加。Wu等[13]發現TNF受體家族的新成員骨保護素(osteoprotegerin，OPG)能夠以劑量依賴性的方式阻斷破骨細胞分化。

腸道菌群內的某些菌群發生變化時，可以出現相應的炎癥因子水平的改變，與此同時，成骨細胞和破骨細胞的數量也隨之發生改變。Sj?gren等[14]發現缺少腸道菌群的無菌(germ-free，GF)小鼠骨和骨髓中TNF-α表達減少時，其骨密度增加。Ohlsson等[15]通過實驗證實副干酪乳桿菌、植物乳桿菌能夠減少卵巢切除(ovariectomy，OVX)小鼠體內的炎癥因子TNF-α和IL-1b表達，增加具有抑制溶骨作用的OPG表達，最終導致小鼠皮質骨的骨量丟失減少。McCabe等[16]用羅伊氏乳桿菌(L.reuteri)ATCC PTA 6475飼喂雄性小鼠3～4周，檢測發現L.reuteri 6475抑制了雄性小鼠空腸及回腸內TNF-α mRNA表達，使TNF-α表達減少，小鼠的骨密度增加。實驗還證實了L.reuteri 6475的治療能夠增加雄性小鼠的股骨遠端干骺區及腰椎的松質骨參數，如骨礦物密度、骨體積分數、骨小梁數和小梁厚度，但對皮質骨的相關參數沒有影響。但在雌性小鼠的實驗中并未得出以上結論，可見益生菌干預OP存在受體性別的差異。因此，益生菌可能通過調節與相關炎癥因子的表達，來控制破骨細胞的生成和分化，以實現對OP的干預，其對促進成骨作用的炎癥因子是否有作用，仍需進一步研究來證實。

4.2 益生菌影響基因表達，參與配體及信號通路的調節

Sparc基因和Bmp-2與骨骼的鈣化、形成及發育關系密切。Sparc(secreted protein, acidic and rich in cysteine)是一種細胞基質糖蛋白，它與組織重塑、修復、發育、細胞轉化以及骨的礦化有關[17]，其也是一種鈣結合的受體[18]，Sparc基因的表達能夠增加骨的鈣化[19]。骨形態發生蛋白(bone morphogenetic proteins，BMPs)是骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化的關鍵因素[20]，而其中的BMP-2主要參與出生后骨骼內穩態的維持，提供骨固有的修復能力所需要的成骨信號[21]。Parvaneh等[19]在實驗中發現飼喂了長雙歧桿菌(B. Longum)的OVX小鼠的股骨微觀結構發生了改變，其中骨形成的相關參數如血清骨鈣蛋白、成骨細胞增加，而骨吸收的相關參數如血清C-末端肽、破骨細胞減少。該研究發現B. Longum引起OVX小鼠股骨的骨密度增加是由Sparc和Bmp-2基因表達的上調引起的。

Wnt10是骨形成過程中表達的一種典型的Wnt配體，其與間充質祖細胞的功能相關。Stevens等[22]在研究中證實Wnt10在維持成體骨髓間充質祖細胞的活性中起重要作用，而Wnt信號通路在胚胎發育和出生后骨穩態的維持起重要作用。Baron等[23]證實人類Wnt信號通路的激活能夠顯著促進骨的形成和骨量的增加，其中Wnt10b是骨形成的正向調節劑，能夠促進成骨細胞分化。眾所周知，I型糖尿病(T1D)的患者常發生OP，而OP的發生與Wnt10b和Wnt信號通路有著密切的聯系。Zhang等[24]的研究發現L. reuteri的治療能夠防止由T1D引起的Wnt10b和Wnt10信號通路的抑制，并且能夠阻止T1D小鼠成骨細胞活性及骨形成的抑制。以上可見益生菌可以通過調節基因表達、參與配體及信號通路的調節的方式干預OP，其中成骨細胞扮演重要角色。

4.3 益生菌抑制破骨細胞形成

成骨細胞及破骨細胞參與骨代謝的調節，兩者數量及活性的相對平衡狀態對骨量的維持及其重要。Britton等[25]使用L.reuteri治療OVX小鼠，研究發現L.reuteri的治療顯著保護了OVX小鼠免受骨質的流失。研究發現經過L.reuteri治療的OVX小鼠的破骨細胞重吸收的標志物Trap5、激活物RANKL以及破骨細胞的數量都顯著減少，并且骨髓CD4+T淋巴細胞的生成受到抑制(CD4+T淋巴細胞具有促進破骨細胞發生的作用)。在體外實驗中發現L.reuteri能夠直接抑制破骨細胞形成。由此可見益生菌可以直接或間接的方式抑制破骨細胞形成，實現OP的干預。

4.4 益生菌影響鈣離子的吸收

骨骼的主要的礦物質是鈣，美國膳食指南將鈣認定為機體缺乏的營養素[26]，鈣的攝入量增加能夠提升骨量[27]。機體鈣的來源主要來自腸道吸收的鈣離子，影響鈣離子吸收的因素包括活性維生素D、腸道內酸堿度、鈣離子通道和載體數量、體內相關的激素水平變化等[28]。Gilman等[29]在Caco-2細胞模型中發現唾液乳桿菌能夠增加鈣的吸收，這種鈣代謝的調節可能是通過促進腸上皮細胞吸收鈣離子實現的，但該研究未說明具體的轉運方式。實驗發現其他益生菌無該作用，例如雙歧桿菌無法增加鈣離子的吸收，由此可見益生菌影響鈣離子的吸收存在菌種間的差異。另外，Sj?gren等[14]發現GF小鼠與正常的小鼠相比其皮質骨與松質骨的骨密度增加，但兩者血清鈣、25-羥維生素D[25-(OH)D3]及血漿甲狀旁腺激素的水平無顯著變化，可見鈣離子可能不是益生菌干預OP的主要機制。

5 總結與展望

益生菌與OP關系的研究是一個全新、充滿未知和挑戰的領域。益生菌干預OP是通過復雜的方式實現的，并且存在菌種、菌屬和受體性別等的差異。根據目前的研究來看，益生菌干預OP可能機制是：①通過免疫系統(如炎癥因子、免疫細胞等)、基因、配體及信號通路等影響成骨和破骨細胞生成和分化，實現OP的干預；②直接影響成骨和破骨細胞生成和分化干預OP；③增加鈣離子的吸收干預OP等等。益生菌作為一種副作用小甚至是沒有副作用的治療方法，其干預OP的具體機制仍需進一步的實驗研究及臨床試驗來闡明。相信未來益生菌在OP治療方面的研究會有巨大的突破，并且益生菌對于其他疾病的治療也會有新的進展。其會改變未來諸多疾病治療的理念，為患者創造福音。