腸道微生物對骨骼質量的雙向調節作用

李月曦 陳書艷 高艷虹

1.上海交通大學醫學院附屬新華醫院全科醫學科，上海 200092 2.上海交通大學醫學院附屬新華醫院老年醫學科，上海 200092

原始骨骼一經形成便進入改建的過程，此時破骨細胞作為骨骼改造的拆遷隊完成了“拆”工作，成骨細胞作為施工隊完成“建”的工作。骨骼重建過程中，“拆”和“建”活動的動態平衡是骨骼生長更新的基礎，若破骨活動超過成骨活動，骨量將逐漸流失并最終導致骨質疏松癥的發生。近幾年研究發現，腸道微生物群不僅能影響諸多腸內外疾病的發病，還能調控骨骼的合成與分解代謝。腸道微生物不僅能通過調節免疫功能影響宿主炎性因子釋放、破骨細胞活化及炎性骨丟失的進程，還能作用于多種調節成骨細胞和破骨細胞分化的始動因子來協調這兩種細胞的比例；部分微生物還能促進鈣離子的吸收及腸道黏膜屏障的修復過程，這說明調節腸道微生物的構成可以成為防治骨質疏松癥的新靶點。

1 骨生長過程和骨質疏松概述

原始骨骼的形成由骨髓間充質多能干細胞分化為前成骨細胞觸發，前成骨細胞能分泌類骨質并包埋于其中，類骨質礦化后就形成原始骨骼，前成骨細胞則進一步分化為成骨細胞。骨改建過程由巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)、核因子κB配體(RANKL)等誘導造血干細胞分化為破骨細胞而觸發。破骨細胞不僅能分泌乳酸等酸性物質促使骨組織礦鹽沉積溶解吸收還能釋放組織蛋白酶及膠原溶解組織蛋白酶等破壞骨基質、形成骨吸收陷窩[1]。此后成骨細胞分泌Ⅰ型膠原蛋白修復骨基質的缺損，并吸引礦鹽以羥基磷灰石晶體的形式沉積以增加骨骼強度[2]。故骨改建是破骨活動和成骨活動的共同結果。

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量減低、骨組織微結構損壞，骨脆性增加、骨折容易發生為特征的代謝性骨病[3]。人體骨量在30歲左右達到峰值狀態，此后破骨活動超過成骨活動，骨量逐漸減少，故骨質疏松癥的發病率隨年齡的增長呈上升趨勢。此外，性激素缺乏、維生素D攝入不足及腎功能不全等因素也參與了骨骼質量的負性調節過程。根據國家衛健委2018年發布的流行病學調查結果，我國65歲以上人群骨質疏松癥的患病率高達32.0%，其中女性為51.6%，男性為10.7%。骨質疏松癥最嚴重的并發癥是骨質疏松性骨折，好發于脊柱、髖部、前臂等部位。骨質疏松性骨折的發生會導致患者的病死率和殘疾率增加，故骨質疏松癥又被稱為老年人群“沉默的殺手”。

2 腸道微生物群及其對健康的影響

腸道微生物的種類超過1 000種，總數約1014，所含基因數約為人的100倍[4]，因此腸道微生物群被譽為人體的“第二基因庫”。微生物群的組成包括細菌、真菌、病毒及古細菌等；細菌中最主要的四大門類包括擬桿菌、厚壁菌、放線菌和變形桿菌，其中擬桿菌和厚壁菌占細菌總和的90%以上。微生物的數量和種類在腸道不同部位并非平均分布，一般來講越靠近遠端腸腔微生物的數量越多且厭氧菌的比例越高[5-6]。不同年齡段人群的腸道微生物組成也不是一成不變的，隨著年齡的增長，擬桿菌、乳酸桿菌、普氏菌、雙歧桿菌等數量下降，腸桿菌、瘤胃球菌等數量增加[7]。

微生物群結構的變化不僅與炎癥性腸病、胃腸炎、腸道腫瘤等腸內疾病的發生有關[8-9]，還能影響非酒精性脂肪肝、癌癥等腸外疾病及肥胖、糖尿病等代謝性疾病的發病[10-13]。經證實類風濕關節炎和系統性紅斑狼瘡等免疫系統疾病的發生也受腸道微生物的調節[14]。近年來研究發現腸道微生物在骨骼質量的調節中也起了重要作用，比如：腸道微生物既能促進腫瘤壞死因子(TNF)、白細胞介素-1(IL-1)等表達來誘導破骨細胞增殖及骨的分解代謝過程，也能抑制M-CSF的表達來減少破骨細胞活化。另外，腸道微生物還能通過升高胰島素樣生長因子(IGF-1)水平來誘導成骨細胞增殖并促進鈣吸收為骨骼礦化提供物質條件。

3 腸道微生物與骨量減少

Williams和Cox等先后給小鼠補充四環素和低劑量的青霉素，發現接受抗生素治療的小鼠獲得了更高的骨量[15-16]。通常抗生素的使用會破壞腸道微生物群穩態、減少腸道活菌的數量和種類，故Williams和Cox等觀察到的現象可能是抗生素殺滅了腸道中對骨骼分解代謝起促進作用的微生物引起的。Sjogren等[17]發現與常規飼養的小鼠相比，無菌小鼠獲得更高水平的骨小梁數量、皮質骨面積以及更低水平的CD4+ T細胞、CD11b+/GR1破骨細胞前體、IL-6、TNF-α及血清5-羥色胺(5-HT)含量。這與2016年Li等[18]觀察到的結果一致。這些現象進一步表明腸道微生物促進骨量丟失的過程與炎性反應的激活有關，但上述研究都只提供了腸道微生物引起骨量丟失的間接證據，沒有揭示引起骨量異常的微生物菌種。Ohlsson等[19]發現無菌小鼠體內TNF-α及破骨細胞生成因子減少的現象可以被NOD1和NOD2免疫信號通路失活逆轉，推測腸道微生物可能是依賴NOD1和NOD2信號通路上調TNF-α并活化破骨細胞的。細菌細胞壁中的二氨基庚二酸(iE-DAP)和胞壁酰二肽(MDP)分別是NOD1和NOD2的配體[20]，這兩種物質可能介導了骨骼質量的下降過程。RANKL/OPG比例升高是破骨細胞活化的有效刺激因素，Novince等[21]發現與無菌小鼠相比，常規飼養小鼠的RANKL含量及破骨細胞活動水平明顯升高，證明腸道微生物也能通過調節RANKL/OPG比例來誘導破骨活動。Yano等[22]發現孢子形成菌能催化腸道5-HT產生，有學者認為5-HT作為一種神經激素能作用于腦-腸-骨軸參與腸道微生物對骨骼強度的調節，而常規飼養小鼠較無菌小鼠相比5-HT水平更高、骨質量更低的發現[17]也證實了腸道微生物對骨骼質量的負性調節與5-HT水平升高有關。5-HT可能是通過與5-羥色胺受體1B(5-HT1BR)和環腺苷酸反應元件結合蛋白(CREB)結合來抑制成骨細胞增殖的[23]。

4 腸道微生物與骨量增加

GH/IGF-1軸是一條調節骨骼代謝的內分泌通路。Novince等[21]發現與無菌小鼠相比，正常喂養小鼠的IGF-1水平偏低且成骨細胞活動受到抑制，認為腸道微生物能作用于GH/IGF-1軸干擾了成骨活動。而Yan等[24]發現長期接受抗生素治療小鼠的IGF-1水平下降、成骨活動減弱。這說明腸道中也存在能促進IGF-1分泌及成骨細胞活化的微生物菌種，抗生素的使用導致了這些菌種含量的下降。相對而言，動物培養的無菌環境是一種較為理想而又難以實現的情況，而生理狀況下的人類活動幾乎都在有菌環境下進行，因此Yan等[24]的發現對人為干預骨骼代謝過程更有指導意義，通過比較抗生素使用前后腸道微生物組成的變化可以明確作用于GH/IGF-1軸對骨骼質量起正向調節作用的微生物菌種。此外，有研究發現雙歧桿菌不僅能下調RANKL/OPG比例，減少破骨細胞活化，還能上調宿主Bmp-2和Sparc基因的表達[25]，而Bmp-2基因表達能促進成骨細胞分化，Sparc基因的表達能促進骨的礦化。除了通過對成骨活動的促進作用以增加骨骼質量，腸道微生物還能抑制破骨活動以維持骨骼穩態，比如：羅伊氏乳桿菌[26]能通過減少Trap 5的表達和RANKL再活化、降低T淋巴細胞水平、抑制TNF及Wnt10產生等方式抑制宿主破骨細胞活化。腸道梭狀芽孢桿菌能富集以調節性T細胞(Tregs)與輔助T細胞(Th)為主的T細胞群，CD4+CD25+FoxP3+Tregs能通過CTLA-4抑制M-CSF的產生，間接減弱M-CSF對破骨細胞成熟的催化作用[27]。

維生素D能通過減輕腸道炎性反應、降低腸壁通透性的方式拮抗炎性骨量流失[28]，而鼠李糖桿菌[29]能增加腸壁細胞維生素D受體(VDR)基因表達以促進維生素D的吸收；羅伊氏乳桿菌[30]也能升高循環25羥維生素D水平。腸道微生物還能分解膳食纖維產生的短鏈脂肪酸(SCFAs)，通過SCFAs降低腸道PH、增加腸壁細胞對鈣離子的吸收能力的作用促進離子鈣的吸收[31]，為骨骼礦化提供物質準備。這說明分解膳食纖維產生SCFAs是腸道微生物保護骨質量的另一有效途徑，增加膳食纖維的攝入對骨骼健康是有益的。

5 腸道微生物雙向調控雌激素水平下降后的骨量流失過程

雌激素能作用于Wnt/β-Catenin[32]及Notch信號通路[33]調節骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化，雌激素缺乏是骨量流失的促進因素。此外，雌激素能刺激絲分裂原活化蛋白激酶(MAPK)表達，MAPK作用于磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)信號通路能上調腸道上皮連接蛋白的表達維持腸道黏膜屏障的完整性。雌激素缺乏時腸道黏膜屏障功能減弱，這種改變為腸道微生物激活宿主的免疫功能誘發炎性骨丟失提供了物理條件。而Li等[18]發現與無菌雌激素缺乏小鼠相比，常規飼養的雌激素缺乏小鼠T淋巴細胞擴增，腸道和骨骼的TNF、RANKL水平升高，破骨細胞數量增加，骨分解代謝旺盛，這證明腸道微生物對雌激素缺乏引起的炎性骨丟失進程起促進作用。目前引起破骨細胞增殖的細胞因子是由腸道微生物刺激腸道免疫細胞產生后再穿過腸壁間隙經循環運輸到骨髓的，還是腸道抗原穿過腸壁進入循環后刺激細胞免疫產生的還存在爭議。有一種觀點認為腸道菌群移位及穿透腸壁的現象雖然存在，但極少發生在健康宿主中，故這些細胞因子先于腸道產生，再經腸道吸收后運輸到骨骼的可能性較大。此外，部分腸道微生物能抑制雌激素缺乏引起的骨量流失。比如：鼠李糖桿菌能逆轉雌激素減退后MAPK活性喪失[34]，通過穩定腸黏膜的通透性來減少腸源性免疫應答介導的破骨細胞增殖。雙歧桿菌[25]能升高性腺切除大鼠血清骨鈣素(OC)濃度及成骨細胞水平，降低血清交聯C-末端肽(CTX)濃度和破骨細胞數量，逆轉雌激素缺乏引起的骨吸收和骨質量減少。因此，推測腸道微生物可能對女性絕經后骨質疏松的發病過程也有雙向調節作用。

綜上所述，腸道微生物群能同時調控骨骼的合成代謝及分解代謝。調節腸道微生物的構成、增加對骨骼健康有促進作用的微生物含量可能是延緩骨量流失的速度、防治骨質疏松癥的有效途徑，因此找到更多有促進骨量累積、抑制骨量流失作用的微生物菌種意義重大。另外，目前腸道微生物影響骨骼質量的研究多為動物實驗，這些微生物對人類宿主骨骼質量的調節作用仍是今后研究的重點。