腸道微生物與骨質疏松癥的相關性研究進展

趙常紅 李世昌 孫朋 徐帥 胡曉磐 劉媛

1.西北師范大學體育學院，甘肅 蘭州 730030 2.華東師范大學體育與健康學院，上海 200241 3.淮陰師范學院，江蘇 淮安 223300

骨質疏松導致的骨折后果是毀滅性的，近50%患者永久性殘疾，髖部骨折一年，死亡率為24%～30%。許多藥物治療由于成本和副作用的原因，導致大多數骨質疏松癥仍沒有得到有效治療[1]。因此，迫切需要新的、廉價的、安全的和有效的干預措施預防和治療骨質疏松癥。

腸道微生物群在生理上起著重要作用，包括能量代謝、營養供應、免疫和炎癥反應[2]。此外，還與超過25種人類疾病如肥胖、過敏、行為障礙、心血管疾病和一些癌癥相關。新的證據也表明腸道微生物群與礦物質吸收和骨質疏松癥緊密相關[3]。如圖1。

腸道微生物環境的改變通過①產生短鏈脂肪酸和其他代謝物，②降低pH值和提高礦物質生物利用度，③微生物產生血清素和細胞因子，④免疫系統修飾，⑤病原體置換影響促進各種信號分子、免疫細胞和有益于骨骼的代謝物的產生促進骨代謝和骨形成[3-5]。骨依賴于成骨細胞、破骨細胞達到骨形成和骨吸收平衡，可通過雌激素、甲狀旁腺激素等激素及免疫細胞來調節。胃腸系統在骨骼健康中起著關鍵作用，尤其是通過調節鈣、磷和鎂等礦物質的吸收，主要生產向骨細胞發出信號的內分泌因子(如腸促胰素和5-羥色胺)影響骨健康。最近的研究表明在礦物的吸收方面，腸道微生物發揮關鍵性作用[4,6-7]。

1 腸道微生物調節骨代謝作用

1.1 對骨生長代謝的作用

腸道微生物是從新生兒到成人整個生命過程中內環境平衡的關鍵調節器。越來越多的證據表明，腸道內環境平衡在兒童和青少年時期骨骼發育成健康的成人骨骼中起關鍵作用。Blanton等[8]研究發現，與年齡匹配健康微生物群的小鼠相比，腸道內營養不良微生物群的無細菌小鼠顯示出生長減少、骨骼形態改變和代謝功能障礙，證明微生物群與兒童營養有因果關系。Schwarzevr等[9]也發現補充植物乳桿菌的營養不良小鼠能夠維持正常的生長速率。也就是說，營養不良會抑制生長和骨生長參數(股骨長度、皮質厚度、皮質骨分數和股骨小梁分數)，這些影響可通過乳桿菌加以預防。研究表明，發育過程中微生物群的存在和組成對調節小鼠生長速度很重要。通過對野生型和無菌小鼠的比較，發現無菌小鼠的生長參數比野生型小鼠減小4%，體重也比野生型小鼠輕。結果表明，這種反應依賴于IGF-1-IGF-1R軸[10]。補充植物乳桿菌使IGF-1和IGFBP-3回到野生型水平，這表明植物乳桿菌可以重演微生物群對IGF-1-IGF-1R軸的有益作用[11]。Yan等[10]還證明了腸道微生物在調節小鼠體內IGF-1表達、骨形成和生長方面有重要作用。這些效應跨越了動物物種，在果蠅中也有發現，具體來說，果蠅因營養不良或微生物群缺乏而表現出生長抑制。當無細菌的果蠅重新補充益生菌乳酸桿菌菌株時，果蠅恢復正常生長速率，并恢復IGF軸。綜上所述，這些研究表明，健康的腸道微生物群在發育過程中對骨骼生長非常重要。

1.2 對衰老骨代謝的作用

衰老伴隨著骨質疏松癥，最近開始關注腸道微生物調節骨質疏松的作用和機制。在一項研究中，對老年男性和女性患者給予干酪乳桿菌治療4個月后，與安慰劑治療組相比，這些患者骨折愈合(橈骨遠端)增強[11]。在一項類似的研究中，50名絕經后骨質疏松的婦女(50～72歲)被隨機分配接受6個月的Gerilact(7種益生菌)或安慰劑治療。與安慰劑相比，盡管在治療期間未觀察到骨密度的顯著變化，但多品種益生菌的骨吸收生物標志物顯著降低。有趣的是，益生菌治療確實顯著降低了血清甲狀旁腺激素和促炎標志物TNF-α的水平[12]。另一項研究發現了對骨密度的影響，凱菲爾發酵乳治療男性骨質疏松癥(64～67歲)6個月發現，Dexa測量的股骨頸骨密度增加了5%[13]。總之，最近的數據表明，益生菌在整個生命中有保持骨骼健康的作用。

1.3 對絕經期骨質疏松癥的作用

絕經后雌激素的自然喪失是女性骨質疏松癥最主要的因素。女性一生中約有50%的小梁骨和30%的皮質骨丟失，大約一半的骨丟失發生在絕經后的前10年[14]。最近的研究發現羅伊氏乳桿菌治療可以防止小鼠卵巢切除術導致的骨丟失，這表明缺乏雌激素可能影響骨對羅伊氏乳桿菌的反應[15]。其他人使用相似或不同的益生菌證實了這些發現[16]。Li等[17]最近證明微生物群對于性激素缺乏引起的骨丟失是必要的，如狼瘡增加了野生型小鼠的腸道通透性，但對無菌小鼠的腸道通透性沒有影響，常規小鼠補充鼠李糖乳桿菌GG(LGG)或VSL#3，可降低腸道通透性和炎癥，保護小鼠免受卵巢切除誘導的雌激素缺乏引起的骨質流失。研究表明，羅伊氏乳桿菌可以抑制OVX誘導的骨髓CD4+T淋巴細胞的增加，這是導致破骨細胞過度刺激的原因。此外還發現，羅伊氏乳桿菌的3kd片段可在體外抑制破骨細胞生成[5]。Ohlson等[4]研究發現，益生菌能影響腫瘤壞死因子α、白細胞介素1β等促炎細胞因子，并能提高骨保護素水平，從而降低破骨細胞生成。同樣，添加了干酪乳桿菌亞種的豆漿也能減少骨質流失(副干酪NTU101/NTU102)。有研究發現，在卵巢切除大鼠中使用發酵乳、丙氨酰脯氨酸和和乳桿菌LBK-16H也證明了類似的結果。Rodrigues等[18]的結果也表明，益生元和益生菌(長雙歧桿菌)的組合增加了大鼠的骨礦物質含量。總之，這些研究表明口服益生菌在逆轉雌激素缺乏引起的骨丟失方面具有積極作用。

1.4 對性別的作用

研究已證明性激素在調節骨密度方面起著關鍵作用[19]。例如，男性比女性有更大的骨密度，主要是由于皮質骨擴張和更大的骨小梁體積的差異[20]。有研究發現，向健康的雄性和健康的雌性小鼠給予羅伊氏乳桿菌ATCC PTA 6475(羅伊氏乳桿菌)4周雄性小鼠的骨體積分數和骨密度增加，這與抑制腸道炎癥有關。但在雌性小鼠中沒有觀察到這些作用，這表明羅伊氏乳桿菌的治療以性別特異性的方式影響骨骼。還有研究發現，致病細菌導致雄性小鼠腸道炎癥和骨質流失，但對雌性小鼠沒有顯著影響。在后來的研究中發現，完整的雌性小鼠可以對益生菌(羅伊氏乳桿菌)治療產生反應，但只有當它們通過背部手術切口進入輕度炎癥狀態時，才支持炎癥細胞和雌激素調節雌性對管腔細菌的潛在作用[6]。這些發現表明“壞”或“好”細菌對骨代謝的影響有性別差異。

2 腸道微生物預防病理性骨代謝作用

2.1 對腸道疾病骨丟失的作用

腸道微生物失調是由腸道微生物群組成或功能失衡引起的，主要是腸道疾病，由于腸粘膜的滲透性增加，可能具有系統性影響[21]。這可能導致細菌產物(如脂多糖)進入系統循環，導致包括骨骼在內較遠部位的系統和局部組織炎癥。有研究已經證明，由感染性H肝螺桿菌引起的發育不良可導致雄性小鼠腸道炎癥和骨丟失。長期的抗生素治療也會導致骨骼發育不良，如4～16周齡的雄性小鼠使用抗生素(氨芐西林和新霉素)后，B細胞和T細胞數量減少，骨強度降低[22]。在牙周發育不良模型中，激活核苷酸結合寡聚化結構域1(nod1)(腸道免疫功能的一種受體)，可避免這些小鼠的骨丟失，表明它在人類的類似情況下可能具有重要作用[23]。

益生菌治療可以通過維持腸道屏障功能，從而防止毒素進入系統循環，有益于發育不良和腸道健康。病理性的失調會損害腸道屏障，但這種屏障可以通過使用特定的益生菌來挽救。益生菌還被證明對發育不良模型中的骨骼健康具有積極作用[24]。

2.2 對炎癥性腸病骨丟失的作用

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)可通過影響成骨細胞和破骨細胞的作用促進骨質疏松癥，對骨骼健康產生不利影響。IBD的特點是腸道發育不良，在局部和全身產生炎癥反應，包括骨髓和骨骼。因此，IBD引起的腸道炎癥是導致IBD引起的骨質疏松癥的主要原因。當免疫系統識別出這種失調時，會發生炎癥反應，包括釋放很多促炎細胞因子，如TNF-α、IL-6、IL-11和IL-17，以及前列腺素E2，細胞因子表達也在骨骼中升高[25]。促炎細胞因子的升高促進破骨細胞的活性，也抑制成骨細胞的活性，后者主要通過降低成熟度和增加細胞死亡發生。IBD還影響骨代謝的RANK-RANKL-OPG途徑，并促進骨質過度流失。前列腺素E2促進RANKL并抑制OPG，從而導致破骨細胞活化。最近的研究表明益生菌對IBD引起的腸道炎癥和骨骼有保護作用。在潰瘍性結腸炎小鼠模型中施用益生菌VSL#3可導致腸道通透性降低并有助于治療炎癥癥狀。DSS誘導的結腸炎導致雌性BALB/c小鼠腸道通透性增加，這種現象通過雙歧桿菌CCM 7952(B1)的治療而得到預防[26]。其他研究表明，調節toll樣受體9(TLR9)對于益生菌在潰瘍性結腸炎治療中發揮有益作用。雖然這些研究沒有觀察到益生菌對骨骼的直接影響，但確實表明益生菌可以對IBD引起的腸道炎癥產生有益的影響，這是IBD引起骨丟失的主要原因之一。

2.3 對1型糖尿病骨丟失的影響

1型糖尿病(type 1 Diabetes，T1D)是胰島素生成的胰腺β細胞被破壞，導致需要外源性胰島素來控制血糖水平，由此產生的代謝失調加速骨質流失。非肥胖糖尿病小鼠(NOD)的一項研究表明，缺乏MyD88蛋白(識別細菌刺激的多種先天免疫受體的接頭)的NOD小鼠沒有發展成T1D。這種保護依賴于共生微生物，因為無細菌MyD88陰性NOD小鼠發展為嚴重的糖尿病，而細菌定殖減弱T1D，共生細菌降低了疾病的易感性[27]。有研究已經證實，用益生菌羅伊氏乳桿菌6475調節腸道微生物群可以防止鏈球菌唑菌素(STZ)誘導的小鼠T1D介導的骨丟失。在這項研究中，雄性(C57BL/6，14周大)小鼠接受STZ注射以誘導1型糖尿病，注射后4周其骨體積分數降低35%[3]。用羅伊氏乳桿菌6475治療可以防止這種骨丟失，可阻止T1D誘導的骨小梁間距增加和骨小梁數量減少。STZ誘導的T1D骨丟失源于成骨細胞活性的降低，這與骨形成血清標志物的降低和骨密度的降低結果一致。羅伊氏乳桿菌6475預防了骨鈣素和礦物沉積率的減少，這表明益生菌對骨骼合成代謝有積極作用[3]。在這項研究中，經羅伊氏乳桿菌6475治療的T1D小鼠脂肪細胞數量沒有增加，有益于骨骼健康[23]。此外，在間充質前體細胞中刺激成骨細胞生成和抑制脂肪細胞生成的Wnt10b信號在T1D小鼠骨骼中降低。益生菌羅伊氏乳桿菌6475治療完全恢復了全骨Wnt10b基因的表達，能恢復到正常水平。這些發現表明，益生菌可以通過調節骨骼中Wnt10b的表達來預防T1D引起的骨丟失[23]。

3 益生菌的安全問題

研究表明，益生菌對骨骼健康有很大的促進作用，益生菌營養補充劑可能將代表一種新的預防和治療策略。在動物實驗研究中發現，益生菌可預防牙周病[28]、糖尿病[29]和雌激素缺乏[17]導致的骨質流失。腸道微生物群的某些分類群中所含的酶活性可消化碳水化合物，以產生毫摩爾濃度的短鏈脂肪酸(SCFAs)、丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽[15]，通過促進成骨細胞分化來刺激骨形成，是甲狀旁腺激素刺激骨形成的關鍵[30]。最近有研究發現，補充LGG可增加腸道和全身丁酸鹽濃度和刺激骨形成。丁酸鹽的增加也導致Treg細胞的數量增加，Treg細胞與BM CD8+T細胞的相互作用調節了Wnt10b的產生，Wnt10b作用于基質細胞和成骨細胞以促進骨形成[31]。

益生菌一般認為是安全的，但在某些情況下需要謹慎使用。免疫系統受損、嚴重腸屏障功能障礙或患有嚴重疾病的患者容易受到諸如敗血癥、真菌血癥和腸缺血等不良影響[32]，進入血液系統，免疫細胞可能受損。最近對益生菌鼠李糖乳桿菌GG(LGG)的耐受性研究是非常積極的。患有克羅恩病的兒童，可以允許口服補充LGG并顯示出與安慰劑相當的副作用特征。同樣，老年患者(66～80歲)對益生菌(LGG)治療沒有表現出嚴重的不良反應[33]。

4 總結

許多研究發現腸道微生物在骨健康調節中的重要作用。直接補充有益的益生菌可以通過調節腸道的各個方面來影響骨骼健康。然而，需要更多的研究來了解腸道微生物與骨骼之間的信號通路，未來的研究將著重于確定腸道微生物調節成骨細胞和破骨細胞活性的機制。這些研究對未來骨質疏松癥的治療具有重要意義。