腸道菌群與非創傷性股骨頭壞死相關性研究進展

肖振，李盛華，周明旺，王曉萍，吉星，楊波

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省中醫院，甘肅 蘭州 730050

腸道菌群主要由細菌、古細菌、真核生物和病毒組成，其基因數約為人體基因的150倍[1]。成熟穩定的腸道菌群及其代謝產物可增加腸黏膜穩定性，協助能量攝取與代謝，提升免疫系統發展與成熟等。腸道菌群紊亂能直接或間接影響免疫、代謝及循環功能，導致多種骨病[2-3]。不同個體腸道菌群的差異主要與宿主基因組和生活環境因素的差異有關，如遺傳、飲食結構、生活方式（飲酒等）、衛生狀況（使用激素和抗生素等）及居住在城市（或鄉村）等因素[4]。

非創傷性股骨頭壞死（non-traumatic osteonecrosis of femoral head，NONFH）是中青年人群最常見的致殘疾病之一。目前通過運用代謝組學和基因組學等技術，已了解腸道菌群在較多疾病中的作用機制，并在治療上取得實質性進展。研究發現，腸道菌群及其代謝產物與炎癥免疫、骨代謝、脂代謝、血液微循環等密切相關[2-3，5]，這些病理改變在股骨頭壞死發生發展中起到關鍵作用。茲就與免疫炎癥、骨代謝、脂代謝、血液微循環相關的腸道菌群研究進行梳理，探索腸道菌群影響NONFH可能的作用機制，為其精準防治提供新思路。

1 腸道菌群影響非創傷股骨頭壞死作用方式

1.1 微生物分子模式

宿主在疾病狀態下或受到藥物、毒素、病原體、酒精等刺激后，腸道通透性增加，腸道菌群通過微生物分子模式直接透過腸道屏障進入體循環，分布到遠端骨骼組織，激活免疫炎癥反應，調節成骨細胞和破骨細胞活性，影響骨重塑，損傷骨組織，促進股骨頭壞死[2]。細菌具有獨特的結構成分，稱為微生物相關分子模式[2]，主要包括脂多糖、脂磷酸、脂蛋白、菌毛、肽聚糖等，通過模式識別受體識別后，誘導宿主免疫應答。

脂多糖是革蘭陰性菌一種特征性細胞壁成分，由疏水脂質A、親水核心多糖和親水O抗原特異性側多糖鏈組成，其中脂質A在誘導宿主免疫反應時起到關鍵作用，O抗原可幫助細菌逃避宿主免疫反應，主要被Toll樣受體（TLR）4識別引起免疫反應[6]。脂磷酸由含糖醇磷酸的聚合物和脂錨組成，主要見于革蘭陽性菌。脂蛋白通過N端連接脂肪酸錨定在革蘭陽性菌和陰性菌的細胞膜上，能引起劇烈的免疫應激反應。菌毛是位于細菌表面的大分子，幫助細菌黏附在宿主表面并與宿主相互作用。肽聚糖是一種細菌細胞壁的成分，由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰脲氨酸組成的聚合物組成。腸道菌群不但參與免疫炎癥反應，還可進一步調節宿主骨代謝[7]。

1.2 腸道菌群代謝產物

腸道菌群與宿主相互作用產生多種代謝產物，從多個方面參與股骨頭壞死發病，主要包括短鏈脂肪酸（SCFAs）、氧化三甲胺（TMAO）、膽汁酸等。SCFA是腸道細菌發酵膳食纖維產生的代謝產物（包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等），是一種揮發性脂肪酸，與腸道炎癥和代謝性疾病有關，其中乙酸鹽和丁酸鹽主要參與能量代謝，丙酸鹽由擬桿菌門和厚壁菌門生成，是肝內能量來源，還可抑制膽固醇合成[8]。TMAO是腸道微生物群通過代謝磷脂酰膽堿、膽堿、左旋肉堿及甜菜堿等產生三甲胺在肝臟由黃素單氧化酶氧化后的物質，與血管內皮新生和血栓形成有關。TMAO的增加與腸道菌群失調、手術應激有關[9]。膽汁酸是由腸道菌群將肝臟合成的初級膽汁酸進行水解和脫羥基作用而生成，主要參與脂代謝的調節。

2 腸道菌群影響非創傷性股骨頭壞死作用機制

2.1 腸道菌群-免疫系統-骨代謝

2.1.1 微生物分子模式-免疫-骨代謝

腸道菌群紊亂時，微生物可通過微生物分子模式直接參與宿主免疫反應，影響骨代謝平衡，導致NONFH等骨病。宿主感染革蘭陰性菌時，脂多糖介導的TLR4信號通過Toll/IL-1受體轉移，進一步激活核因子-κB（NF-κB）或IFN調節因子3（IRF3），增加促炎細胞因子的產生，如白細胞介素（IL）-1、IL-6及腫瘤壞死因子（TNF）等，促進NF-κB受體活化因子配體（RANKL）生成，刺激破骨細胞，增強骨吸收和骨質流失[7，10]。此外，脂多糖還可通過下調Runx2、osterix和激活轉錄因子（ATF）4表達，抑制成骨細胞的分化和骨形成[2]。

葡萄球菌脂磷酸（LTA）通過抑制巨噬細胞集落刺激因子（M-CSF）與RANKL刺激的破骨細胞前體中ERK和JNK的磷酸化，激活TLR2免疫通路，降低AP-1的DNA結合活性，抑制破骨細胞的形成和骨吸收[11]。此外，葡萄球菌脂磷酸還能通過增強小鼠間充質干細胞的自噬，上調各種成骨標志物Runx2、堿性磷酸酶（ALP）表達，促進鈣沉積，以及干細胞成骨分化[12]。可見，LTA是一種潛在治療NONFH的方法，但尚需進一步研究。

研究表明，葡萄球菌脂蛋白通過合成的脂肽（Pam2CSK4和Pam3CSK4）激活TLR2/MyD88/NF-κB通路，誘導細菌特異性免疫反應，促進促炎細胞因子和趨化因子產生，刺激成骨細胞上調RANKL和下調骨保護素（OPG）表達，誘導破骨細胞生成。腹腔注射Pam2CSK4或Pam3CSK4可顯著降低小鼠股骨骨密度[13]。卟啉單胞菌菌毛被認為是一種有效的破骨細胞發生因子，菌毛通過TLR4受體誘導破骨細胞分化和炎性因子的產生，如IL-1β、TNF-α等[14]。研究發現，葡萄球菌肽聚糖和大腸桿菌肽聚糖只有與脂多糖共同作用才會結合NOD1受體，激活NF-κB和MAPK通路，加速破骨細胞的形成和骨吸收[15]。此外，肽聚糖還能通過激活NOD2受體上調骨密度，促進成骨細胞分化，通過降低RANKL/OPG比值減少破骨細胞生成[16]。

2.1.2 腸道菌群代謝產物-免疫-骨代謝

腸道菌群代謝產物SCFA和膽汁酸均通過調節宿主免疫反應影響骨代謝，參與NONFH發病。SCFA中的丁酸鹽一方面通過提高骨髓內調節性T細胞（Treg）的數量，抑制炎性環境從而下調破骨細胞分化與形成[17]，同時刺激CD8+T細胞分泌Wnt配體Wnt10b，進而促進骨形態發生蛋白（BMP）9誘導間充質干細胞成骨分化并抑制成脂分化，增加骨形成[18]；另一方面，促進間充質干細胞成骨分化并提高Runx2水平，提高骨量，用于NONFH修復[19]。SCFA可加強破骨前體細胞糖酵解，降低氧化磷酸化水平，從而下調破骨細胞關鍵基因（如TRAF6、NFATc1），抑制破骨細胞分化，還可通過調節Treg直接抑制CTLA4/CD80/60細胞間接觸和吲哚胺2,3-二加氧酶誘導的破骨細胞分化，減少破骨細胞數量[16，20]。SCFA還通過增加胰島素樣生長因子-1的含量，結合成骨細胞表面受體LRP1，激活p42/44/MAPK信號通路誘導成骨細胞增殖，還可抑制成骨細胞凋亡，促進骨骼生長及骨科植入物在骨中的整合[9]。此外，SCFA衍生物還影響礦物質吸收，已被用于各種組織工程結構中，以減少炎癥并誘導骨組織生成[21]。

膽汁酸參與免疫及骨代謝主要通過激活核受體FXR及跨膜G蛋白偶聯膽汁酸受體（TGR5）實現。一方面激活TGR5抑制IκBα/NF-κB通路活性，減輕炎性所致骨破壞，同時激活AMPK信號通路促進成骨細胞相關基因OC及轉錄因子Runx2表達，進而促進成骨細胞的分化和骨骼發育[22]；另一方面，通過影響FXR靶基因，并激活BMP2誘導的小鼠骨髓間充質干細胞樣ST2細胞分化為成骨細胞[23]。

宿主受酒精刺激會出現腸道菌群失調和通透性增加，以及血清代謝組學改變和神經遞質紊亂。酒精被腸道菌群和宿主共同作用代謝成乙醛、棕櫚酸乙酯及油酸乙酯等物質，參與機體免疫反應，擾亂NONFH骨重塑。其機制可能為以下兩點：①通過抑制核因子KLF-4/SLC5A6軸活性，抑制維生素B7的攝取，激活mTOR信號通路，誘導人類CD4+T淋巴細胞中Th1和Th17介導的炎癥免疫反應，增強破骨細胞活性 ；②直接激活骨髓T細胞，刺激破骨細胞生成，增加RANKL、M-CSF、c-Fos及NFATc1等表達，促進骨吸收[26]。Cheng等[27]發現，厚壁菌門/擬桿菌門比值在長期飲酒后顯著降低，導致炎癥反應和RANKL信號被激活，發生骨質丟失。

總之，腸道菌群既能直接通過微生物分子模式，還能間接通過與宿主作用腸道代謝產物引起免疫炎癥反應，影響成骨細胞和破骨細胞活性，快速調節骨形成和骨吸收，在NONFH發展中起到重要作用，因此可利用這些促進骨吸收或骨形成的不同特性進行干預，以阻止或逆轉骨壞死進程。

2.2 腸道菌群-脂代謝

脂代謝紊亂是指通過遺傳、獲得而引起血液及其他組織器官中脂類及其代謝產物異常的病理過程，其中血脂代謝是核心。腸道菌群失衡可引起血脂水平失常，進一步可同時影響骨代謝和血液微循環，與NONFH發病進程密切相關。

腸道菌群可抑制磷酸化腺苷酸活化蛋白激酶活性，刺激肝細胞生脂應答的轉錄因子（SREBP-1、ChREBP），調節宿主脂肪存儲基因的表達活性，增加宿主脂肪酸的合成、血脂增高和脂肪堆積[28]。脂肪堆積可引發炎癥通路激活及胰島素抵抗，進而抑制骨代謝相關指標骨鈣素、總Ⅰ型膠原氨基端延長肽和β-膠原特殊序列等水平，降低骨量和骨小梁數量，導致骨代謝失衡[29]。血脂增高可引起Runx2、轉化生長因子-β（TGF-β）/BMP及Wnt通路等成骨相關信號通路活性降低，抑制成骨細胞活性及骨形成[30]，還可激活RANKL/NF-κB受體激活因子/OPG通路，上調破骨基因表達，增加破骨細胞活性和數量，促進骨吸收[31]。研究發現，高脂狀態下腸道類桿菌的豐度顯著降低，厚壁菌的豐度明顯增加[32]，會抑制成骨細胞活性，甚至引起成骨細胞凋亡、骨小梁減少，最終導致股骨頭因喪失正常生物力學支撐而壞死[33]。另外，使用乳酸桿菌可增加非酒精性脂肪性肝病模型大鼠腸道內雙歧桿菌數量，通過抑制TLR2和TLR9表達，減輕腸道炎癥，降低三酰甘油、膽固醇、脂肪酸合成酶和脂肪酸結合蛋白1等，進而降低骨吸收，維持骨量[34]。

脂多糖因菌群失調而增加，可介導免疫細胞CD14/TLR4受體，激活MyD88/NF-κB通路，促進IL、TNF等多種促炎因子分泌[35]，增加巨噬細胞衍生泡沫細胞的脂質攝入，導致細胞死亡和斑塊形成，促進動脈粥樣硬化，影響血液微循環[36]。

腸道代謝產物TMAO可下調膽汁酸合成酶和膽汁酸轉運蛋白，如CYP7A1、CYP8B1[37]，抑制膽固醇逆向轉運，通過增加巨噬細胞表面CD36及下調膽固醇、逆轉運關鍵基因ABCA1表達，進而促進膽固醇從動脈壁的巨噬細胞泡沫細胞外流到細胞外載脂蛋白A-I，以防動脈粥樣硬化，改善血液微循環[38]。SCFA與脂代謝關系密切，其中乙酸是肝臟膽固醇合成材料，丙酸鹽可通過抑制HMG-CoA的活性，抑制膽固醇合成。乙酸鹽和丁酸鹽可激活游離脂肪酸受體2和3，促進胰島素、多肽YY分泌，調節血脂代謝。丁酸鹽還通過另外2種方式影響脂代謝：①上調PDK1介導Sp1的磷酸化，誘導異二聚體促進ABCA-1轉錄，加速巨噬細胞膽固醇流出，降低高血脂[39]；②上調肝臟SREBP2和低密度脂蛋白（LDL）受體來增強糞便中膽汁酸的排泄，加速膽固醇流出[40]。此外，通過補充富含丁酸和益生菌[41]的膳食纖維可降低血漿膽固醇水平（總膽固醇、肝膽固醇、膽固醇酯或LDL膽固醇）。研究表明，人體內膽汁酸與血清三酰甘油含量呈正相關，且膽汁酸能促進脂肪、膽固醇及脂溶性維生素在腸道重吸收，調節血脂含量，降低高脂飲食引起的高脂血癥[42]。

綜上，腸道菌群能通過調節脂代謝，同時影響骨代謝和血液微循環。表明脂代謝是下一步研究腸道菌群與股骨頭壞死的關鍵機制。

2.3 腸道菌群-微循環

腸道菌群可調節宿主內皮細胞及血小板活性，影響血管重塑和血栓形成，妨礙股骨頭核心組織血供，最終發生壞死。付品婷等[43]研究發現，腸道代謝產物TMAO可通過內皮型一氧化氮合酶/一氧化氮（NO）/活性氧途徑促進內皮細胞病理性遷移增殖而加速動脈損傷后新生內膜增生，致管腔舒縮能力降低，管腔負性重塑加速，導致骨組織血供受損、甚至壞死。TMAO還可通過增加三磷酸肌醇以促進血小板細胞內Ca2+的釋放，增加血小板活化聚集[44]，促進血栓形成。此外，TMAO能抑制抗衰老酶1表達，提高氧化應激，介導激活p53/p21/Rb通路，加速血管內皮細胞衰老和血管老化[45]。

SCFA可能通過影響內皮細胞增殖和功能調節血管重塑，促進血管新生，增加股骨頭內血液供應，營養骨細胞，促進骨修復。丁酸鹽通過降低NADPH氧化酶和誘導型一氧化氮合酶表達水平，減少氧化應激，改善內皮功能，恢復骨組織血液供應[46]，促進壞死區骨修復。白藜蘆醇通過降低厚壁菌門與擬桿菌門比例，增加阿克曼氏菌、乳桿菌和雙歧桿菌種群豐度，并減少糞腸球菌生長，改善動脈血管重塑[7]。植物乳桿菌能改善動脈粥樣硬化患者動脈內皮依賴性血管舒張，增加骨微血管循環血量[47]。

此外，血管內皮生長因子（VEGF）是促進血管內皮細胞修復及血管新生的關鍵因子，與股骨頭壞死密切相關[48]。較高的血管滲透性和血管舒張有利于血管新生，VEGF-A可通過提升NO水平提高血管舒張和滲透性，促進血管新生[49]。口服雙歧桿菌能提高潰瘍性結腸炎模型小鼠VEGF含量，加快血管修復與新生[50]。

總之，股骨頭內部是高度血管化的組織，良好的血供不僅為骨細胞提供營養保障，還能促進骨生成，是調控腸道菌群逆轉骨壞死的重要研究方向。

3 展望

隨著代謝組學和高通量測序技術發展，已經明確腸道菌群對疾病發生發展的重要性，初步了解菌群作用的機制途徑，但NONFH相關研究尚未展開。上述通過對腸道菌群及其代謝產物在骨代謝、微循環、血管新生、脂代謝等方面的調節作用進行梳理，為NONFH的腸道菌群研究提供支撐。建議今后重點關注：①借助代謝組學和基因組學對不同原因所致NONFH分別檢測，明確腸道菌群調控骨骼及血管表型等分子作用機制；②探索調控腸道菌群的方法，維持體內骨穩態和正常微循環，逆轉早期骨壞死；③開發具備有益腸道菌群功能的骨生物復合材料，提高NONFH保頭成功率。另外，因不同個體腸道菌群有一定差異，可制定個體化菌群調治方案，以防治NONFH。