“腦-腸-骨骼”軸對骨質疏松癥發病機制的影響

李平順 王鋼 周孟茹

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院風濕骨病科，甘肅 蘭州 730000 3.蘭州大學基礎醫學院，甘肅 蘭州 730000

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是臨床上最常見的慢性病、難治病、多發病之一，其特征為骨量低、骨組微觀結構損傷、骨脆性增加和易于骨折。據統計，我國OP的總患病率為6.6%～19.3%，平均為13%[1]，其中女性OP的發生率是男性的6～8倍，OP并發骨折者高達10%以上，特別是髖部骨折與較高死亡率和發病率以及高額醫療費用有關。OP往往易被忽視，在骨折發生之前只有慢性疼痛、脊柱變形和活動能力下降等癥狀，故大多數患者均面臨OP性骨折引起的疼痛、殘疾和生活質量降低等問題。因此，適當的干預措施至關重要，否則隨著人口老齡化，這一重要的公共衛生問題將在未來惡化。減少OP性骨折的關鍵措施就是防止骨質流失過多，通過對OP發病機制進一步探討，針對其關鍵環節制定相應的靶向治療措施。近年來，隨著對腸道微生物群及腦-腸軸的深刻認識，發現其與OP密切相關，猜想是否可以通過增加益生菌或者恢復腸道菌群平衡以及合理調控腦-腸-骨骼軸通訊，起到治療疾病的目的。本文以腦-腸-骨骼軸為基礎，淺略探討OP的發病機制。

1 腦-腸雙向通訊

大腦和腸道通過神經、內分泌和免疫通訊形成腦-腸軸，具有雙向性的特點，其中一個器官的變化會影響其他器官[2]。大腦可通過胃腸動力和分泌的變化以及腸道通透性間接影響共生生物(腸道微生物群)，或通過固有層細胞(腸嗜鉻細胞、神經元、免疫細胞)釋放到腸腔內的信號分子直接影響腸道微生物群[3]。另外，腸道微生物的組成和數量的混亂也可影響腸神經系統和中樞神經系統，從而表明存在微生物群-腸-腦軸[4]。

1.1 腦-腸-微生物通訊

中樞神經系統(central nervous system，CNS)[主要指自主神經系統(autonomic nervous system，ANS)分支交感神經和副交感神經系統]在調節腸功能方面具有核心意義：⑴腸道環境變化：ANS主要通過腸杯狀細胞調節胃酸、黏液、碳酸氫鹽、腸肽、抗微生物肽等的分泌，影響腸黏液層的厚度和質量，誘導腸道生理學變化，以影響微生物棲息地，從而調節微生物群的組成和活性[5]。⑵胃腸動力：研究表明，區域腸道運輸時間會影響水含量、養分供應和細菌清除率，在副交感神經控制下，腸道運輸受損，結腸的遷移收縮數量明顯減少，腸中的細菌過度生長；以交感神經支配可見加速腸道轉運并伴隨著巨大的遷移性收縮，細菌清除率較快[6]。⑶腸屏障：ANS至少可通過2種機制引起腸上皮屏障缺陷(滲漏腸)：①直接調節上皮通透性和腸粘膜層性質的改變，最終導致腸微生物及相關分子的易位增加；②ANS還通過調節腸道免疫細胞(如巨噬細胞和肥大細胞)直接影響腔內細菌激活腸道免疫機制，或間接通過改變腸道細菌免疫激活的通路來影響腸道上皮機制[7]。⑷信號傳導：神經內分泌信號分子(如兒茶酚胺、血清素、強啡肽等)也可能被神經元、免疫細胞和腸嗜鉻細胞分泌到腸腔中，并且CNS很可能在這些分子的釋放中起重要作用。例如，人體進食寒冷食物后，胃腸嗜鉻細胞的迷走神經激活介導肥大細胞產物如類胰蛋白酶和組胺分泌到人類空腸中以應對由冷痛引起的應激[8]；同時其他肥大細胞產物如血清素和促腎上腺皮質激素釋放激素，也可分泌到人體空腸中[9]。

1.2 微生物-腸-腦通訊

人類腸道中含有400～1 000種不同的細菌，每克結腸內容物可以發現大約1011個細菌細胞[10]，其構成了一個復雜的同居生物網絡，主要存在于結腸并與宿主共生。微生物組對CNS自下而上的雙向神經體液通信系統稱微生物-腸-腦軸，整合宿主腸道和大腦活動[11]。目前的證據表明，腸-腦軸主要通過神經免疫和神經內分泌機制發生[12]：以微生物來源的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFA)、次級膽汁酸(secondary bile acid，2BA)和色氨酸代謝物為介導[13]，與腸內分泌細胞(enteroendocrine cell，EEC)、腸嗜鉻細胞(enterochromaffin cell，ECC)，和粘膜免疫系統相互作用[19]，越過腸屏障進入全身循環，穿過血-腦屏障，影響大腦功能。

1.2.1神經內分泌：腸-腦通信與EEC密切相關，腸道內分泌系統至少存在12種不同類型的內分泌細胞，其中幾種亞型(特別是A、K和L細胞)作為亞組沿著腸道分布，主要散布在腸上皮細胞之間；當其受到化學和(或)機械刺激后可分泌超過20種不同類型的信號分子(以SCFA、2BA為主)，這些分子可以進入體循環并到達與攝入行為有關的CNS中心(主要是孤束核和下丘腦)或局部起作用并激活緊鄰的傳入迷走神經末梢，進一步整合大腦功能[14]。例如，SCFA可刺激位于回腸末端的L細胞分泌肽YY和胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)，誘導飽腹感和行為改變[15]；2BA可激活回腸表達的核因子受體法尼醇X受體(farnesoid X receptor，FXR)，導致成纖維細胞生長因子19(fibroblast growth factor，FGF19)產生[16]，其可進入體循環并穿過血-腦屏障，激活下丘腦弓狀核改善中樞對能量和葡萄糖代謝的調節和抑制下丘腦-垂體-腎上腺軸活性[17]。

1.2.2神經免疫：腸道微生物具有直接調節自身免疫、炎癥和免疫細胞運輸的重要作用。免疫激活可能是將微生物作用傳遞給CNS的重要途徑：微生物主要通過促進T細胞的積累和轉化[18]維持腸道穩態與免疫系統穩定，腸道微生態紊亂直接導致微生物-大腦通訊的變化和隨后的行為改變；小膠質細胞是中樞神經系統中的免疫細胞，研究發現腸道微生物的代謝可以調節小膠質細胞的發育和功能，從而影響CNS的功能[19]。

2 腦-骨通訊

骨的代謝受神經系統的影響，研究發現代謝活躍的骨骼中分泌神經肽的神經纖維分布豐富，且已經在骨膜、Volkmann氏管、骨髓、生長板的骨軟骨連接處和滑膜的附著血管中證實了有自主神經纖維的存在[20]。骨骼神經有兩種不同的作用[21]：⑴骨機械刺激的調節：作為能夠感知機械刺激的“器官”，將拉伸、壓力和位置的感知等信號進一步處理后轉換成細胞的生化反應；⑵骨代謝必需營養因子來源：骨骼是一種不斷重塑的活性組織，神經相關分子似乎對正常骨代謝具有營養作用。因此，OP受中樞或外周神經失調影響，這種影響的潛在傳遞者神經肽包括谷氨酸、降鈣素基因相關蛋白(CGRP)、P物質、血管活性腸肽(VIP)等有關。

2.1 谷氨酸

谷氨酸是一種重要的中樞興奮性神經遞質，參與骨重塑的調節主要與離子型N-甲基-D天冬氨酸谷氨酸受體(NMDAR)密切相關[22]。NMDAR是一種異聚蛋白復合物，屬于陽離子通道，其基本特征是受體激活和隨后的鈣離子流入可引發一系列鈣介導的細胞內事件；當NMDAR被拮抗時，骨髓基質細胞優先分化成脂肪細胞而不是OB，且OB中堿性磷酸酶活性和鈣化結節數量均減少，直接導致骨質流失[23]。

2.2 降鈣素基因相關肽

降鈣素基因相關肽(calcitonin-gene related peptide，CGRP)是通過組織特異性替代加工降鈣素基因的初級RNA轉錄物而產生的含有37個氨基酸的神經肽(有α和β兩種形式)，主要定位于C和Aδ感覺纖維[24]。CGRP對骨生成的影響是通過CGRPα和CGRPβ受體介導，激活cAMP或蛋白激酶C(PKC)途徑刺激成骨生成或激活骨髓干細胞有絲分裂；同時，CGRP可上調OB中胰島素樣生長因子，抑制IL-6、IL-10、TNF-α表達以增加骨形成和抑制骨吸收[25]。

2.3 血管活性腸肽

血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)屬于促胰液素/胰高血糖素家族裂解產物，含有28個氨基酸，由內分泌細胞和免疫細胞產生[26]。VIP可通過抗炎和免疫調節機制影響OC和OB合成代謝過程，這些效應是由兩種骨細胞中不同VIP受體介導的：1型VIP受體(VPAC1)與主要集中于OC，通過下調IL-1β、IL-6、IL-11、IL-17、TNFα、PGE和NO，提高IL-4和IL-10水平以及抑制RANK/RANKL/OPG系統[27]，從而抑制OC活性；VPAC2在OB中表達，可促進OB培養物中礦化結節的形成[28]。

3 腸-骨通訊

3.1 胃腸道功能紊亂與OP

胃腸道是人體最主要的消化吸收部位，衰老與腸道菌群失調等因素均可導致胃腸功能紊亂，消化吸收功能受影響，使鈣、磷、VitD3及VitK等骨礦物質密度降低。鈣、磷是骨骼正常生長和發育所必需的，當食物中的鈣、磷無法入血，血鈣水平下降，無法進行正常的新陳代謝，從而影響與骨代謝相關的激素的調節；當血鈣下降到一定水平時，骨吸收加速伴隨著骨轉換標志物水平的升高，促使骨骼中的骨鈣釋放入血，維持血中的鈣的濃度，導致骨吸收增加[29]。VitD是一種必需的營養素，1,25(OH)2D3是其天然活性形式，當1,25(OH)2D3血液濃度<20 ng/mL會伴隨著骨轉換標志物水平的升高[30]。VitK是許多VitK依賴性蛋白質中羧化作用的必需輔助因子，而OB介導的骨重塑需要VitK依賴性的谷氨酸殘基對骨鈣蛋白和基質Gla蛋白翻譯后進一步γ-羧化；另外，VitK可抑制OC合成的前列腺素，降低OC活性[31]。

3.2 腸道微生物群影響骨骼健康機制

3.2.1免疫機制：骨架作為間充質干細胞和造血祖細胞進一步分化的微環境[32]，骨髓中的造血干細胞產生的T細胞前體遷移到胸腺發育為成熟T細胞，然后在血液和次級淋巴器官之間再循環，且大部分又遷移回骨髓，并與其他漿細胞共存，因此骨髓是記憶B細胞和T細胞的主要儲存器[33]。調節性T細胞(Treg細胞)和輔助性T17細胞(Th17細胞)與骨骼健康密切相關：Treg細胞通過IL-10或介導細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4結合破骨細胞前體細胞抑制OC分化與活性，從而減少骨質流失；成熟的Th17細胞及相關炎性因子IL-17是骨丟失性疾病類風濕關節炎、骨質疏松等發病中為主要的驅動力，主要與IL-17能夠顯著上調RANKL及其受體RANK的表達，增強OC活性，進而破壞骨代謝的平衡加重骨破壞[34-35]。近年來，諸多研究揭示腸道定植菌梭菌的存在可導致Tregs在結腸固有層中的優先積累從而影響Tregs的數量和功能，轉化生長因子β(TGF-β)是Tregs發育的關鍵調節因子，其活性形式在結腸中含量豐富，而其他Tregs誘導分子也在結腸中也有所發現[36]。另一方面，分段絲狀菌(SFB)可誘導Th17細胞的分化[37]。因此，腸道菌群失調可抑制Treg亞群的分化，導致Th17細胞分化占主導方向，增加破骨細胞前體細胞的數量，上調基質細胞RANKL表達，從而促進OC分化。此外，OPG作為RANKL的天然拮抗劑，微生物群體還可通過OPG影響骨吸收[38]。

3.2.2內分泌機制：腸道微生物群作為一種虛擬內分泌器官，可直接產生或調節許多激素性化學物質，釋放到血液中起到影響遠端器官和系統功能的作用[39]。例如，微生物群產生的許多激素也是CNS的神經遞質，如乳酸桿菌產生的γ-氨基丁酸(GABA)是大腦中最重要的抑制性遞質，而草芽孢桿菌產生的單胺如去甲腎上腺素、多巴胺為興奮性遞質[40]，從而對復雜的內分泌網絡中起間接作用，尤其對下丘腦-垂體分泌軸的影響，導致雌激素與糖皮質激素的分泌與微生物群密切相關[41]。雌激素對維持骨骼穩態至關重要，缺乏雌激素會增加OC和OB的活性，但對OC的影響更大，引起骨質流失[42]；同時雌激素缺乏會增加腸道通透性和OC生成因子TNF、RANKL和IL-17的水平，可進一步上調OC數量與活性導致OP[43]。過量糖皮質激素可抑制骨基質蛋白質的合成，促進骨基質蛋白的分解，抑制OB及前體分化，減少骨膠原合成，減少骨鈣素的合成和分泌，從而導致骨形成降低。此外，糖皮質激素還可直接作用于OC促進其活性，影響鈣磷代謝從而促進骨吸收[44]。

3.3 腸道微生物群和OP

OP是一種代謝性骨病，主要受遺傳和環境因素的影響，目前許多研究證實腸道微生物菌群與OP之間存在一定的關系。例如Claes等[45]采用外科卵巢切除術(OVX)或雌激素抑制導致小鼠雌激素缺乏，導致骨質流失以成功獲取OP模型；當OVX小鼠用單個乳酸桿菌菌株與嗜酸乳桿菌治療時，骨吸收標志物與炎性因子水平降低，OC形成受到抑制，有效防治了雌激素缺乏導致的骨質疏松。此外，羅伊氏乳桿菌可通過降低T淋巴細胞的數量[46]與TNF和Wnt10b的水平[47]，抑制OC形成，預防骨丟失。另外，胰島素樣生長因子1(IGF-1)是一種對骨骼生長有明顯促進作用的激素，抗生素使用降低了血清IGF-1并抑制了骨形成；相反，補充微生物代謝產物SCFAs，IGF-1水平與骨量均可恢復至使用抗生素之前水平；因此，微生物直接誘導IGF-1或通過SCFA誘導IGF-1產生是微生物群影響骨骼健康的機制之一[48]。

4 骨骼-肌肉單位與OP

骨骼與肌肉組織均由來源于中胚層的間充質細胞增殖分化而來，因此，骨骼-肌肉單位的發育、功能及衰老是一個有機的整體[49]。研究發現骨形態發生不僅依賴骨骼肌數量與肌力，而且肌肉分泌的IL-6、腦源性神經營養因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)、IGF-1、成纖維細胞生長因子2(fibroblast growth factor 2，FGF-2)等相關因子參與骨骼的調控，對骨骼的生長、發育、發展有一定的影響；研究證實肌肉萎縮、肌力下降和肌肉功能減退可致皮質骨吸收加速、變薄，對抗剪切力、扭力和折彎力能力變弱；松質骨內的水平骨小梁數量減少，垂直骨小梁變得稀疏，骨密度越來越低。骨骼組織處于骨重塑與骨侵蝕動態平衡的狀態，當感應機體老年化改變或神經內分泌信號或肌肉收縮力量的改變等刺激時，通過改變骨量和骨強度來應答，即骨細胞將神經內分泌學或力學刺激轉換為生化信號調節骨密度。因此，骨骼-肌肉單位調節失衡可能為OP發生的原因之一。

5 “腦-腸-骨骼”軸對OP的影響

大腦和腸道微生物群通過神經、內分泌和免疫機制形成了腦-腸-微生物軸雙向生物模型系統，在腦、腸和腸微生物群循環通信中，任何水平的擾動都可以在整個回路中傳播失調。近年來，隨著對腦-腸環路各個環節的深入探索發現，腦-腸-微生物軸可以以骨骼-肌肉單位作為潛在靶點，構成“腦-腸-骨骼”軸對OP發病進行調節。在此生物軸中腦信號、腸信號通過單一或整合形式直接或間接作用于骨骼，以影響骨細胞尤其OC活性與數量或者調節骨骼-肌肉單位，降低皮質骨的質量，減少松質骨骨小梁數量，導致骨密度降低。

近年來，諸多研究報道在OP的發病機理中存在腦-腸-微生物通信的改變，雖然該領域的研究有限，但臨床前研究的結果支持腦-腸-骨骼軸對骨礦物質密度和強度參數產生較大影響[50]。例如，針對腦卒中或腦缺血患者進行低創傷性骨折風險評估表明，與健康對照組相比骨折風險增加了4倍，主要原因是OP發病率明顯增加，其機制可能是因為骨質失用性萎縮或者中樞神經系統功能障礙，骨代謝必需神經營養因子缺乏[51-52]。Yatsonsky等[53]提出腸道微生物菌群失調可能導致鈣轉運受損，加強T細胞應答，通過細胞因子激活全身性炎癥，從而誘導OC活化和骨吸收；Sj?gren等[54]對這一理論進行了實驗驗證：用腸道微生物群對無菌小鼠進行短期定植導致CD4+T細胞活化，骨中促炎細胞因子增加，隨后OC介導的骨吸收增加。另有研究[55]表明，腸道菌群還可以通過釋放雌激素類似物、免疫調節以及影響鈣磷的吸收代謝等方面對骨代謝進行影響。

綜上所述，腦-腸-骨骼軸與OP的發病密切相關，基于此，導師王鋼主任將OP歸屬于中醫“骨萎”，其發生與“虛”“痰”“瘀”3個因素有關：腎主先天、主骨生髓，脾主后天、化生氣血，腎虛則骨枯髓減，脾虛則氣血生化乏源，健運失司，聚濕生痰，日久則因痰致瘀，由瘀致痹，筋骨失養，骨痿髓空，發為骨痹。“腎虛”的實質乃是下丘腦-垂體軸發生了紊亂，即腦信號以影響激素內分泌水平進而引起成骨密度下降，而某些補腎中藥可抑制或糾正下丘腦-垂體-性腺軸功能減退或紊亂的發生，減緩OP[49]；“脾虛”與腸-微生物信號對應，脾主運化，脾虛則精微不至，“痰生則百病生”，加重骨骼失養；血瘀的產生主要是因虛致瘀，而瘀血作為OP的致病因素，與骨骼-肌肉單位相似，與脾腎的虛衰相應，促進“骨萎”發生。故腎虛、脾虛、血瘀是OP的重要病機，補益肝腎、顧護脾胃、活血化瘀為基本治則，基于這一法則，選取肉桂、鱉甲、鹿角霜等中藥組成骨癆愈康丸在減緩OP患者肌肉、骨骼疼痛，改善運動功能，提高患者生存質量等方面取得了獨特療效，尚未發現明顯不良反應。但必須指出的是，中藥藥性復雜，作用靶點分散，且目前對該信號軸諸多環節機制的研究尚未成熟，因此，對于腦-腸-骨骼軸持續的研究有望確定新的治療目標并制定治療策略，以解決一些如骨質疏松、類風濕關節炎等臨床發病率高，治療代價高昂且預后不良的疾病。