基于腸道微生態探討膝關節軟骨損傷＊

蔣 瑋，溫孝明，劉建軍，張 巖，唐文華

（甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730000）

在人體腸道中寄生著種類繁多，數量龐大的微生物群，不同菌群之間相互制約，維持動態平衡。有研究發現，腸道微生物群參與了宿主的物質能量代謝，同時與宿主的疾病發生密切相關，在疾病的發生發展中起著重要的作用。在以往的研究中，有研究者發現腸道微生物群的生態失調與代謝性疾病和炎癥性疾病的發病機制密切相關，因此也可能與膝關節骨性關節炎的發病機制有關。然而，腸道微生物群代謝物對膝關節骨性關節炎發病機制的確切機制和貢獻仍未確定，需要進一步探索。對此，本文就腸道微生態與膝關節軟骨損傷之間的相關性，以及國內外最新研究進展做以下綜述。

1 腸道微生態系統

人體內寄生著大量的微生物，與人體共同組成穩定的結構，人體腸道中有數千種菌群，數達萬億級別[1]。其中絕大多數為厭氧菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌、真桿菌、類桿菌、梭菌等，其次為需氧菌，如真菌、病毒群和螺旋體菌等。因年齡、地域、飲食、激素周期和人種等多種因素的影響，不同個體之間微生物菌群及數量有著巨大的差別[2]。對于個體而言，微生態對個體生長、發育和健康有非常重要的作用，其不僅僅參與了食糖、蛋白質、脂類、礦物質、維生素和酶類等營養物質的消化、分解、合成和吸收過程，還對機體的生理功能和內環境平衡起到重要的調節作用[3-5]。有研究[6-8]顯示微生態系統的紊亂，會引發內環境變化，導致全身免疫炎癥反應系統的紊亂，引起各種免疫介導的相關疾病發生，如代謝性疾病、心血管疾病，神經系統疾病、免疫性疾病等。

2 膝關節軟骨損傷常見原因

膝關節軟骨損傷的常見原因有勞損、創傷、免疫性疾病、代謝性疾病等[3]。最常見的勞損損傷是以超重負荷為主要原因致病的膝關節骨關節炎，主要表現為膝關節腫脹而疼痛，關節活動時常伴有摩擦音。半月板損傷和韌帶損傷為常見的創傷導致軟骨損傷，突然過度內旋伸膝、外旋伸膝致按月版損傷或外翻、內翻致內側或外側副韌帶損傷，以關節腫脹、疼痛、關節活動時有彈響及活動受限為主要臨床癥狀。風濕、類風濕、強直性脊柱炎、紅斑狼瘡等均可引起的膝關節軟骨損傷。痛風為常見的代謝性疾病導致膝關節軟骨損傷。還有一些損傷是多種治病因素共同導致的，如脂肪墊勞損、滑膜炎、長期不良的生活習慣等。但對于膝關節軟骨損傷的治療，除了短期的緩解疼痛之外，目前還沒發現有效的藥物或治療能夠有效地再生軟骨并治愈疾病。臨床上常使用乙酰氨基酚等抗炎藥，雖然可以抑制骨關節炎性反應，減少軟骨損傷，但類固醇和激素類藥物存在成癮性、導致內分泌失調和肥胖等并發癥的發生。因此尋找新的、有效的藥物，能夠預防、治療膝關節軟骨損傷迫在眉睫。

3 微生物與膝關節軟骨損傷

3.1 微生物群有助于膝關節軟骨損傷

因肥胖、飲食結構和審美的改變，這些改變的發生對腸道菌群也有一定的影響，導致膝關節軟骨損傷的發生率比過去更高。Mancabelli L.等[9]對工業化、城市化人群和農業人群腸道菌群進行薈萃分析表明，工業化、城市化人群與農業人群腸道菌群有很大的差異，然而這些腸道細菌中的某些細菌是否對軟骨有影響尚未得到確定的結論。Boercg 等[10]在腸道微生物對骨關節炎的研究中發現，腸道微生物產生的內毒素誘發巨噬細胞介導的炎癥反應，進而導致骨關節炎的疼痛。GussJD.等[11]在研究膝關節軟骨負荷實驗中發現，使用抗生素預防治療代謝綜合征的小鼠模型中發現，腸道微生態的改變導致實驗小鼠的軟骨負荷降低，表明腸道微生態對膝關節軟骨有影響。軟骨細胞是軟骨中唯一的細胞類型，負責在軟骨組織中合成大量的膠原蛋和蛋白聚糖等細胞外基質（ECM），這些基質在關節運動過程中為軟骨提供剪切力和壓力支撐。軟骨細胞的正常代謝是維持軟骨穩態的基礎。在骨關節炎中，早期的骨軟骨板血管生成可能會進一步增強微生物群靠近軟骨深層的能力，這可能導致局灶性生態失調、低度炎癥、軟骨退化、軟骨細胞的表觀遺傳變化和骨關節炎的惡化。

3.2 軟骨中發現腸道微生物

對于膝關節骨性關節炎出現的“耀斑”現象，有研究者給出了腸道微生物位移到膝關節軟骨下或軟骨下骨髓、或更深的軟骨下區域，腸道微生物通過其自身產生的某些代謝產物參與機體的免疫炎癥反應，進而引起軟骨的低度炎癥，最終導致軟骨損傷[12]。JeffriesMA.等[13-14]通過DNA 鑒定技術，將軟骨微生物DNA 與骨關節炎相關的微生物組譜進行對比發現，骨關節炎軟骨下以β 變形桿菌為主導，而正常人類膝關節軟骨以放線菌和梭狀芽孢桿菌為特征，可以發現膝關節骨關節炎患者軟骨中的微生物有向革蘭氏陰性菌組成改變的傾向。但對髖關節骨關節炎軟骨與膝關節骨關節炎軟骨進行對比發現，髖關節骨關節炎軟骨菌群主要由變形桿菌門控制，而膝骨骨關節炎菌群則以放線菌為特征。盡管這些發現還有待進一步的驗證，但類似的研究發現門靜脈菌群在代謝紊亂患者中觀察到了腸道微生物標志物，表明腸道微生物的位移確實存在。

3.3 腸道微生物及其DNA 如何位移至軟骨

腸道微生物的DNA 是否存儲在軟骨下骨髓，深軟骨血管，軟骨基質或軟骨細胞本身中，目前尚不清楚。膝關節軟骨與大多數組織不同，關節軟骨在淺表，中部和深部區域沒有血管、神經或淋巴管，因此，關節軟骨的大部分營養來自滑膜和軟骨下血管的供養。按軟骨的分子結構來說，軟骨細胞外基質內的平均孔徑約為6.0nm，而大多數細菌的大小為100～4000nm、孢子在100nm 左右[15-16]。因此，細菌幾乎不能穿過軟骨的表層。細菌DNA 可能也是如此，DNA 的電荷是負電荷，需要一種正電荷物質的積累，才能促進其在軟骨基質中的積累，而大多數細菌，無論是革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌細胞壁均帶負電荷。所以細菌DNA 也幾乎不可能透過軟骨的表層。有研究發現骨關節炎發生的過程中，骨與軟骨交界的區域會有新血管生成，這為細菌侵入軟骨提供了途徑。Wormstrand B.等[17]對患有化膿性關節炎或骨髓炎的年輕馬的軟骨管的研究中發現，該動物模型的軟骨中發現了細菌，表明細菌極有可能通過骨與軟骨間的血管，進一步侵犯至軟骨，引起軟骨損傷。目前雖沒有報道發現，微生物通關骨與軟骨間形成的微小血管進行侵犯，但來自骨髓或軟骨下深處的腸道菌群極有可能通過該通道，進而影響軟骨，導致軟骨損傷。

3.4 腸道微生態如何影響膝關節軟骨

因創傷導致的血管再生，可能為細菌通過該通道位移至軟骨下，提供了可能。但其發揮作用的是其代謝產物，如脂多糖（LPS），又稱為內毒素。LPS 能直接通過腸壁進入血液，進而引起免疫相關反應，導致關節軟骨的損傷，當外界環境、內環境的變化，導致腸道菌群的失調，可能導致LPS 的大量產生，釋放入血后，導致全身性的免疫炎癥反應。有研究發現，腸道微生物產生的LPS 與全身免疫炎癥反應成正相關[18]。LPS 不僅能引起全身性的免疫相關炎癥反應，還能激活組織內的細胞TLR-4 受體。TLR-4 受體大量存在于膝關節內的軟骨細胞、滑膜細胞和軟骨下骨細胞，使得TLR-4 受體介導的相關信號通路激活，進而影響軟骨細胞、滑膜細胞和軟骨下骨組織導致軟骨受損。有研究者[19]對SPF 級小鼠進行LPS 誘導，最終導致全身性的免疫相關的炎性反應發生，針對膝關節軟骨的研究發現，LPS 激活后的軟骨相關細胞的言行發生更加持久。在血液循環中，LPS 及其結合蛋白（LBP）的濃度與骨關節炎的影像學檢查和患者的關節癥狀有密切的相關性。動物實驗研究發現，與正常環境飼養的小鼠相比，無菌條件下飼養的小鼠血液中LPS 與LBP 的含量顯著降低，在影像學檢查也有骨贅減少的骨關節炎指標降低表現[20-22]。這些結論都證明腸道微生物群可能通過促進血液中LPS 水平的升高來促進骨關節炎的發生和發展。這也從側面暗示了其他腸道微生物分泌的其他生物活性分子也可能破壞腸道屏障的完整性，從而使許多生物活性分子能夠進入關節周圍組織或進入血液循環，從而對關節軟骨產生損傷作用，進而導致膝骨性關節炎的發生發展[23]。

4 討論

腸道菌群與多種疾病的發病機制密切相關。但新的研究發現，腸道微生物與骨骼疾病的發生息息相關，這種關聯常常由低度的炎性反應而聯系[24-26]。因衰老、性別、肥胖、營養不良、藥物、吸煙、飲食習慣等因素的變化導致腸道微生物發生改變，進而導致膝關節軟骨損傷。因此，需要對更多不同種族、體重和年齡、飲食習慣人群的軟骨進行多因素研究，以更好地了解腸道微生物對軟骨生長的作用。然而當今臨床中認為，勞損、創傷、免疫性疾病、代謝性疾病是膝關節軟骨損傷的主要原因，但導致這些原因的根本因素有可能是腸道微生態發生的變化。腸道微生物群成分的變化會導致機體生物動態平衡的破壞，進而影響免疫功能作用的發揮失效、炎性反應增加，尤其是對自身免疫性疾病、代謝異常綜合征和惡性腫瘤發生的增多。保持腸道菌群健康狀況，轉向健康的生活方式，從而操縱腸道菌群向有益于機體的發展，是膝關節軟骨損傷的重要治療方式之一。此外，腸道微生物組的檢測可能是預見性地診斷膝關節軟骨損傷的方法之一，以及調控腸道微生態可能是新的干預措施。但相關研究證據尚不充分，該領域需要進一步研究。