腸道微生物與骨病的研究進展

張健 韓金祥 王延宙 魯艷芹*

1. 山東省醫藥生物技術研究中心，山東省醫學科學院，山東 濟南 250062 2. 醫學與生命科學學院，濟南大學-山東省醫學科學院，山東 濟南 250200 3. 山東省立醫院，山東 濟南 250021

1 腸道微生物菌群

在人體內或人體表面存在著與人們共生共棲并在一定條件下導致各種疾病的微生物群體[1]，而存在于腸道內的微生物菌群是這些微生物群體的主力軍，它們被稱為腸道微生物菌群[2]。人體和動物腸道中的菌群種類繁多，以人體健康腸道為例，細菌、古菌和真核生物是腸道菌群的主要成分[3]，其內微生物數量與體細胞的比例可以達到10∶1，大約存在超過10萬億個細菌[4]。另外人類腸道微生物宏基因組分為擬桿菌屬、普里沃菌屬和瘤胃球菌屬3個腸型[5]，這些宏基因組是人類基因組基因數量的100倍之多，被稱為人體的“第二基因庫”[4]。

人體腸道微生物菌群就像人體又一器官，它們不僅對免疫功能、營養吸收和宿主細胞各種生命活動具有重要影響[6]，還與人體的各種疾病及健康狀況密切相關。腸道微生物菌群通過菌群穩態改變及其產生的代謝產物[7]等因素影響機體，導致機體代謝過程發生變化，進而導致各種疾病的發生。如炎癥性腸病中的潰瘍性結腸炎[8]和克羅恩氏病[9]等疾病可能由于宿主遺傳、飲食和環境變化造成腸道微生物構成改變而導致；腸道微生物構成的變化不但能影響能量代謝導致肥胖發生[10]，其本身還可能與機體固有免疫成分共同激活非特異性免疫反應，誘導胰島素抵抗，參與II型糖尿病的發生[11]。腸道菌群還通過影響免疫系統誘發類風濕關節炎[12]和系統性紅斑狼瘡[12]等疾病的發生。關于癌癥方面的研究，腸道微生物菌群的幾個副產物——硫化氫和脆弱擬桿菌腸毒素可直接靶向腸上皮細胞并介導腫瘤的發生[13]。此外，當腸道內革蘭氏陽性菌和梭菌菌屬(Fusobacterium)減少，菌群平衡被打破，使得患結直腸癌的風險增加[14]。菌群-腸道-大腦軸與人的情感和行為關系密切，它們通過改變神經遞質代謝導致神經系統功能紊亂[15]，引起抑郁、精神衰弱等問題[16-17]。雖然腸道菌群失衡可以引發多種疾病，但是處于穩態下的腸道菌群卻可以預防疾病。比如，腸道微生物菌群依附在腸黏膜上，形成一個保護罩，避免外來病原微生物的侵襲[12]。腸道菌群還可以對腸道產生一定的刺激，這種刺激能夠誘導機體產生對微生物抗原免疫球蛋白G(immunoglobulin G，IgG)的免疫應答，刺激機體產生更多的淋巴細胞[18]，隨之產生的IgG抗體可以識別革蘭氏陰性菌、中和毒素和病毒，調理機體清除病原微生物[19]，促進免疫系統成熟，保證宿主避免炎癥和感染的發生，起到提高機體免疫力的作用[9, 19]。

2 腸道微生物菌群與骨病

2.1 腸道微生物菌群與骨質疏松癥

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是一種由于正常骨轉換被破壞，導致骨質量和骨密度降低以及骨微結構改變的代謝性骨骼疾病，其主要受遺傳和環境兩種因素影響[20]。目前已有不少研究證實腸道微生物菌群與骨質疏松癥間具有一定關系。喂食含有地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)的益生菌膳食補充劑的雞較喂食普通飼料的對照組其脛骨密度顯著增加[21]。雌激素缺乏會導致骨損失誘發骨質疏松癥，卵巢切除術(ovariectomy，OVX)可以誘導雌性小鼠缺乏雌激素[22]。在OVX小鼠飲用水中加入副干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)DSM13434或者L.paracaseiDSM13434、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)DSM 15312和DSM 15313混合物，6周后可發現其體內腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)和白細胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)兩種炎性細胞因子的表達下調，并且小鼠皮質骨中破骨細胞抑制劑骨保護素(osteoprotegerin，OPG)表達上調[22]，因此它們可能在防止卵巢切除誘導的皮質骨損失和骨吸收方面具有一定作用。另外羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)處理的OVX小鼠體內破骨細胞骨吸收標志物5型酸性磷酸酶抗體(thrombin receptor activator for peptide 5，TRAP5)、激活劑核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)以及破骨細胞的生成均顯著降低，促進破骨細胞生成的骨髓CD4+T淋巴細胞也同樣減少[23]，說明羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)可能抑制由雌激素缺乏導致的骨量丟失和骨吸收。I型糖尿病(diabetes mellitus type I,T1D)可誘導骨質疏松癥，骨特異性Wnt10b轉基因小鼠可免受T1D誘導的骨量丟失[24]，據報道使用羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)處理I型糖尿病模型小鼠可降低腫瘤壞死因子TNF-α介導的Wnt10b表達抑制作用，上調Wnt10b表達，在防止骨量丟失和預防骨質疏松癥方面具有一定作用[24]。

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factors-1，IGF-1)是一種有效的骨骼調節因子，可以促進成骨細胞分化[25]。最近有研究發現腸道菌群可增加IGF-1表達水平，促進骨骼生長和重塑。另外微生物群發酵纖維產生的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)也可誘導IGF-1生成并參與調控骨代謝平衡[26]。還有研究證實注射特殊乳酸桿菌菌株(Lacticacidbacteria)可誘導無菌小鼠體內生成IGF-1或類IGF-1樣因子，進而促進成骨細胞分化，影響骨代謝水平[27]。

腸道微生物還可以通過改變骨免疫狀態介導調節骨代謝[28]。無菌小鼠較正常小鼠骨量明顯增加，且骨髓產生的CD4+T細胞、破骨細胞與破骨細胞前體細胞數量明顯減少，TNF-α表達下調，但是移植腸道微生物菌群到無菌小鼠體內后這些細胞的數量均恢復正常，且骨小梁和皮層骨質量下降[28]。小鼠腸道內分節絲狀菌(Segmentedfilamentousbacteria)可促進輔助性T 細胞17(T helper cell 17, Th17)分化引起促炎免疫應答，激活基質細胞上的RANKL表達，促進破骨細胞的形成。另外，Th17細胞還可分泌白細胞介素17(interleukin-17，IL-17)細胞因子，同樣參與調節破骨細胞的分化[29]。

腸道微生物群紊亂可導致炎癥性腸病發生[30]，炎癥性腸病患者則處于骨質疏松和脆性骨折的風險中[31]，與炎癥性腸病相關的骨質減少主要歸因于鈣吸收不足，維生素D和維生素K的循環水平降低[32]等。攝取足量的對宿主健康有益的益生菌或益生元時可增強腸道抗炎特性，如補充益生菌鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)劑能夠改善腸道通透性，減輕腸道炎癥，起到防止骨量丟失的作用[33-34]。利用羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)抗炎、抗TNF-α的特性治療小鼠腸道炎癥，發現雄性小鼠骨小梁和椎骨的骨密度和骨量均增加，而雌性小鼠的骨參數卻沒有影響，其治療效果存在性別特異[35]。當腸道菌群穩態失衡出現腸炎癥時，主要在腸道被吸收的維生素D在維持菌群穩態方面具有一定作用，它通過活化調節性T細胞(regulatory cell，Treg)，避免影響骨健康[36]。維生素D對骨骼具有一定的益處[37]，在足夠的鈣供應的情況下，腸道內被吸收的維生素D及其代謝物可維持腸道菌群穩態，改善鈣平衡并促進骨基質中的礦物沉積，在鈣缺乏的情況下，維生素D可增強骨吸收，同時抑制骨礦化，從而以降低骨量為代價維持血鈣穩態。在小鼠飲食中加入鈣之后，其腸道內具有促進骨重建作用的乳酸桿菌(Lactobacillus)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)含量均增加[38]。因此補充膳食時加入適量的維生素D和鈣，對預防骨質疏松的發生具有一定作用。腸道菌群通過發酵未消化的碳水化合物產生SCFAs對骨健康也存在一定影響，短鏈脂肪酸可降低腸道pH，有利于鈣吸收，另外它們還可能通過作為組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)的抑制劑或激活特異性G蛋白偶聯受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)介導抑制破骨細胞的形成[39]。

2.2 腸道微生物菌群與類風濕性關節炎

類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種以關節滑膜慢性炎性病變為主要病理特征的系統性自身免疫性疾病，發病時伴有嚴重的關節疼痛感[40]。Scher等[41]通過對類風濕性關節炎患者和健康者糞便中的腸道細菌樣品進行16S測序發現，類風濕關性節炎初診患者糞便中的普氏菌(Prevotellacopri)數量比健康者或慢性已接受治療的類風濕性關節炎患者更多，普氏菌(Prevotellacopri)數量過多可能與擬桿菌屬(Bacteroides)等有益菌減少相關。這是首次證明了腸道普氏菌(Prevotellacopri)可能在類風濕性關節炎的發病機理中具有潛在的作用。近期Marietta等[42]在研究普氏菌屬細菌Prevotellahisticola對關節炎易感小鼠的影響時進一步證實了Scher等的觀點。Marietta等[42]利用普氏菌屬(Prevotella)細菌Prevotellahisticola處理一組II型膠原誘導的關節炎易感小鼠，同時選取未治療小鼠作為對照。最終發現Prevotellahisticola可以通過黏膜調節抑制關節炎，使處理的小鼠與對照組相比表現出顯著降低的關節炎發生率，而且癥狀的嚴重程度也明顯降低。

在超過一半的類風濕性關節炎患者中，N-乙酰氨基葡萄糖-6-硫酸酯酶(N-acetylglucosamine-6-sulfatase，GNS)和細絲蛋白A(filamin A，FLNA)兩種蛋白均能夠引發T細胞與B細胞的免疫反應，而健康人體內卻沒有此類效應[43-44]。因此它們被認為是類風濕性關節炎患者的自身抗原。HLA-DR提呈的GNS蛋白與Prevotella菌屬和Parabacteroides菌屬的硫酸酯酶蛋白的表位具有同源性序列，HLA-DR提呈的FLNA蛋白與Prevotella和Butyricimonas菌屬蛋白的表位具有同源性。基于這些，腸道微生物分泌的GNS和FLNA兩種蛋白質很可能引發類風濕性關節炎患者體內出現異常免疫反應[43]。

2.3 腸道微生物菌群與強直性脊柱炎

強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種以脊柱和骶髂關節炎癥為主要病理特征的慢性自身免疫系統疾病，與遺傳具有一定的相關性[45]。目前已有大量證據表明腸道微生物菌群可能對強直性脊柱炎具有重要作用。較早之前有研究發現肺炎克雷伯桿菌(Klebsiellapneumoniae)是強直性脊柱炎發病機制中的觸發和促進因素[46]。近年來有報道指出強直性脊柱炎患者體內可能還有其他特定的腸道微生物，采用16S核糖體RNA基因測序分析技術，通過篩選終末回腸活檢中的微生物譜發現強直性脊柱炎患者的腸道微生物構成與健康對照受試者具有顯著差異，強直性脊柱炎患者的回腸末端富集了五類細菌，毛螺科菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)、理研菌科(Rikenellaceae)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)，而韋榮球菌科(Veillonellaceae)和普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)卻明顯減少[47]。除了這些細菌外，還有研究結果顯示，人體白細胞抗原HLA-B27陽性強直性脊柱炎患者體內耶爾森氏菌(Yersinia)、克雷伯氏菌(Klebsiella)和沙門氏菌(Salmonella)它們的熱休克蛋白與健康對照受試者相比具有較高的IgG抗體水平[48]，說明它們也可能與強直性脊柱炎的發生具有一定關系。最近研究人員們還利用定量宏基因組分析研究了強直性脊柱炎患者與健康人腸道菌群的差異性，發現強直性脊柱炎患者中放線菌屬(Actinomyces)數量顯著升高，它可以調節上皮細胞中介物人核因子κB抑制蛋白α(NF-kappa-B inhibitor alpha，IκB-α)的泛素化，激活NF-κB代謝通路，促成炎癥反應[49]。而患者體內的擬桿菌屬(Bacteroides)和腸桿菌屬(Enterobacter)數量卻顯著降低，可能造成腸道菌群紊亂，導致強直性脊柱炎病情惡化[49]。

以上關于腸道微生物對骨質疏松癥、類風濕性關節炎和強直性脊柱炎影響的主要研究進展可見圖1腸道微生物與骨病關系。

圖1 腸道微生物與骨病關系Fig.1 The relationship between intestinal microorganism and bone disease

3 結語

隨著腸道微生物研究的不斷深入，其在骨病發生過程中的作用逐步得到證實，腸道菌群構成的改變與骨病發生相關聯，基于測序技術篩選出的特定腸道菌群可以作為早期診斷和疾病活動監測的新標志物。腸道微生物對骨病的作用主要通過調節宿主免疫系統促進產生生物小分子，進而參與調控骨代謝。此外它們還可通過影響宿主全身代謝，參與骨質疏松、類風濕性關節炎和強直性脊柱炎等相關骨病的發生。總之，關于腸道微生物與骨病關系的研究，分別從菌群差異性、功能研究等方面取得的一定進展將為今后深入探討腸道菌群影響骨病的分子機制提供重要參考。