腸道菌群在骨質疏松癥中的研究進展

孟漢杰 孔令俊 趙軍 鄧葉龍 韓升龍 王植帥 陳文麗 袁劍 李萬潭 黃曉焱

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

骨質疏松癥(osteoporosis，OP)是以骨量低、骨組織微結構受損為特征的最常見的骨代謝疾病之一，也是中老年骨折的高危因素[1]。相關流行病學調查顯示，我國50歲以上人群中OP患病率高達19.20%[2]。我國城鄉居民對OP相關防治常識的知曉率僅為11.7%[3]。這就使得許多OP患者在發病初期貽誤治療，從而導致OP的不斷加重。西藥通過發揮促進骨形成和抑制骨吸收來減輕OP臨床不適癥狀，進而延緩其進程，是目前臨床上治療OP的主要方式。但不能從根本上預防或逆轉骨代謝失衡狀態[4]，同時西藥不可避免地存在胃腸道反應及肝腎功損害等為表現的多種不良反應。故西藥在發揮治療OP療效的同時，也帶來了身體其他臟器或其他系統的損害。因此圍繞既能有效治療OP，又能減輕機體不良反應這一思路，筆者通過梳理文獻，發現腸道菌群是治療相關骨骼疾病的潛在靶點[5]，從腸道菌群入手，可較好地達到上述治療目標。并且目前的研究表明腦-腸-腸道菌群軸、腦-骨軸和腸-骨軸是調節OP的主要機制，而益生菌和益生元是調節腸道菌群的重要途徑。因此，本文從腸道菌群調節OP的機制和益生菌及益生元調節在OP中的應用兩個方面展開綜述，以期為臨床治療OP提供新思路。

1 腸道菌群與OP

腸道菌群是定植在人體腸道與糞便中的微生物的總集，是人體內最大、最繁雜的生態系統，數量大約為100萬億，包括細菌、真菌和病毒[6]。人體的腸道菌群源自于母體子宮和產道，直至3歲時穩定形成，擁有一定的自我調節能力，協助維持腸道內環境穩定[7]，并在人體的內分泌系統、免疫系統和代謝系統中起重要調節作用。生理狀態下，腸道菌群能夠改善腸道通透性，減輕炎癥反應，促進營養吸收，參與骨骼系統的免疫調控[8]。病理情況下，腸道的炎癥性疾病會導致鈣吸收不足和維生素D和維生素K循環水平的降低，從而引起骨量的減少，而腸道的益生菌可以減少腸道和骨的炎癥反應，改善腸道通透性，防止骨流失[9]。作為骨代謝的重要調節劑，腸道菌群在骨骼的生長、發育、老化和骨的病理性變化過程中所發揮的作用不容忽視[10]。Blanton等[11]研究發現，嬰幼兒營養不良會導致腸道菌群的紊亂，破壞免疫系統發育成熟和骨骼系統正常生長，實驗發現移植了營養不良兒童腸道菌群的正常小鼠在一段時間后骨量出現顯著下降。Schwarzer等[12]實驗發現，無菌小鼠較對照組小鼠存在體重增長較慢、骨量較低的情況，而補充植物乳桿菌的無菌小鼠能夠維持正常的生長速率，這表明腸道菌群促進了小鼠骨骼的生長發育。

2 腦、腸、骨之間的聯系

2.1 腦-腸-腸道菌群軸

中樞神經系統(central nervous system，CNS)和腸道菌群存在的雙向神經體液調節系統稱為腦-腸-腸道菌軸，腦-腸-腸道菌軸將宿主腸道和大腦間的信息進行了傳遞[13]。腸道菌群可以通過不同的信號分子直接與大腦反饋，也可以通過腦-腸軸間接與大腦通信。同樣，大腦既可直接調節腸道菌群，亦可通過改變腸道環境來調節腸道菌群[14]。Hayes等[15]研究發現，神經系統通過腸道杯狀細胞調節胃酸、黏液、碳酸氫鹽、腸肽和抗菌肽的分泌，影響腸道黏液層的厚度和質量。此外，還可以誘導腸道內的生理變化，影響微生物的棲息地，從而調節微生物群落的組成和活性[16]。如丘腦-垂體-腎上腺軸可以通過釋放皮質酮、腎上腺素和去甲腎上腺素，干擾細菌間信息傳遞來影響腸道菌群[18]。應激會影響上皮細胞的完整性，改變腸道蠕動、腸道內分泌以及黏蛋白產生，進而改變腸道共生菌的菌群組成及活性[19]。因為腦-腸-腸道菌群軸整合了大腦和腸道之間的神經、激素和免疫信號，并成為腸道菌群及其代謝產物影響大腦的途徑[17]，所以腸道菌群也能借助此途徑夠反向作用于大腦，例如念珠菌、鏈球菌和腸球菌產生的5-羥色胺，乳酸菌和雙歧桿菌合成和釋放的γ-氨基丁酸，芽孢桿菌和酵母菌產生的去甲腎上腺素，這些神經遞質既能在局部相關位置發揮應有的作用，也可穿過黏膜影響周圍系統和潛在的中樞神經系統的內臟層[20]。

2.2 腦-骨軸

骨代謝直接受到CNS介導的神經通路的控制，感覺神經纖維和自主神經纖維也參與了骨組織的調節。谷氨酸、腎上腺素(E)、去甲腎上腺素(NE)、P物質(Substance P，SP)、血管活性腸肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)和神經肽Y(NPY)在這一過程中發揮了重要作用[21]。谷氨酸是一種中樞興奮性神經遞質，Suva等[22]在小鼠顱骨中分離的成骨細胞(osteoblast，OB)中發現了谷氨酸受體和轉運體的表達和功能，表明谷氨酸可以調節OB的表達和轉化。VIP是一種具有抗炎和免疫調節作用的神經肽，參與骨吸收、代謝和骨折愈合的重建，可有效改善關節炎癥狀，抑制軟骨損傷[23]。李祥澤等[24]研究發現，甲狀旁腺激素能夠在骨重建過程中加強骨的強度、改善人體對于鈣和磷的吸收，具有升高血鈣、降低血磷的功能，從而促進骨骼的礦化，間接促進骨骼的生長發育。P物質是一種從感覺神經末梢釋放出來的神經肽，廣泛分布于外周和中樞神經系統[25]。Matayoshi等[26]通過SP刺激滑膜細胞來誘導破骨細胞形成，研究發現從周圍感覺神經末梢釋放的SP是導致關節炎發展的危險因素之一。SP誘導滑膜增生和肥大，上調滑膜成纖維細胞中RANKL的表達，下調骨保護素(OPG)的表達，從而導致破骨細胞(osteoclast，OC)的生成。骨是腦-腸軸中的一個作用點，腦信號和腸道信號通過單一或整合的形式直接或間接地作用于骨，從而影響各種骨細胞的數量和活性，特別是OB和OC，最終導致骨密度的降低[27]。因此，中樞神經網絡在平衡OB和OC以及骨形成和骨吸收中起著主導作用[28]。此外，骨骼會調節激素和多肽等骨源性分子以作用于大腦。當骨感知到拉伸、壓力的信號時，會將信號轉化為細胞的生化反應傳遞給中樞神經系統[29]。

2.3 腸-骨軸

腸道菌群直接影響著腸道神經系統、免疫系統、內分泌系統和腸道的通透性[30]。它在食物消化、維生素營養、抵御外來病原微生物入侵等方面也發揮著重要作用。研究發現，飲食攝入的微生物均可通過腸道代謝、內分泌和免疫調節等途徑作用于骨骼[31]。此外，經由腸道菌群代謝而由腸道吸收的營養物質可進一步作用于骨，減緩OC的破骨作用及相關因素，從而促進成骨分化[32]，改善OP。Gehrig等[33]以嬰幼兒、小鼠、小豬為研究對象，發現補充微生物導向性食物可改善上述研究對象營養不良引起的病態腸道菌群分布，減輕免疫炎癥反應并增加骨量。例如，Treg細胞可以分泌轉化生長因子β1，抑制T細胞活化，限制炎癥的發展與擴散，減少IFN-γ和TNF-α的生成，抑制OC活性[34]。Th17細胞受致病菌刺激后會引發炎癥反應，大量分泌IL-17因子，聚集免疫細胞來吞噬、清除腸道易位的致病菌，同時也增加RANKL的表達，激活OC功能，增加骨吸收與溶解[35-36]。由于Th17細胞的作用是與Treg細胞相互拮抗的，故通過免疫調節影響估量的內在機制可能是腸道菌群通過免疫系統調節腸道Treg細胞與Th17細胞的平衡，影響腸道乃至全身的免疫炎癥狀態，從而建立OC和OB新的動態平衡，最終維持骨量的穩定[37]。

3 益生菌和益生元在防治OP中的應用

隨著腸道微生物相關生物制劑研究的日益加深，益生菌和益生元作為新的預防和治療疾病的手段開始被人們所重視。腸道菌群作為維持包括宿主骨穩態在內的各種生命活動的動態平衡的重要因素，在“腸道菌群-腸-骨”軸已經被證實的前提下，適當補充調節腸道菌群的益生菌和益生元不失為預防和治療OP的一種有效方法。

3.1 益生菌

益生菌是定殖在腸道內，對宿主有益的活性微生物。益生菌能夠穩定腸道菌群的定植，調節腸道菌群的構成[38]。益生菌通過免疫調節、內分泌調節和腸道代謝調節等方式調節腸道內菌群平衡，促進營養吸收保持腸道健康的作用，從而可均衡宿主腸道內微生物菌群的結構并以維持骨穩態。例如，益生菌通過發酵未完全消化的碳水化合物產生短鏈脂肪酸，為腸道上皮細胞提供能量，進而影響腸道上皮屏障，調節T細胞和B細胞介導的特異性免疫[39]。此外，益生菌干預還降低了TNF-α和IL-1β兩種細胞因子的表達，減少了炎癥反應，增加了OC抑制劑骨蛋白的表達，減少骨丟失，進而實現治療OP的目的[40]。此外，益生菌鼠李糖乳桿菌(LGG)和益生菌補充劑VSL#3可降低腸道通透性，抑制腸道炎癥，防止雌激素缺乏引起的骨丟失[41]。羅伊氏乳桿菌通過調節腸道菌群，減弱了鏈脲佐菌素(STZ)誘導的T1D(1型糖尿病)介導的小鼠骨丟失，阻止了骨鈣素和礦物質沉積率的降低，表明益生菌對骨合成代謝有積極作用[42]。另一項研究表明，口服羅伊氏乳桿菌可以減少性腺完整的雄性小鼠的腸道炎癥，改善骨密度。Fabiana Carvalho Rodrigues等[43]研究發現，益生菌與長雙歧桿菌聯合使用可提高大鼠骨礦物質含量。以上均表明，通過益生菌維持骨穩態是一種有效的途徑。

3.2 益生元

益生元指一些不被宿主消化吸收卻能夠選擇性地促進體內有益菌的代謝和增殖、從而改善宿主健康的有機物質[44]。它們既可以天然存在于植物性食品中，如蘆筍、甜菜、大蒜、菊苣、洋蔥、菊芋、黑小麥、蜂蜜、香蕉、大麥、番茄、豆類等[45]，也可以通過酶轉化來合成，以多種難以消化的寡糖為主要代表，其中最常見的是低聚半乳糖(GOS)、低聚果糖(FOS)、低聚木糖(XOS)和乳糖等[46]。菊粉是菊科植物毛菊苣根莖的提取物，研究表明，攝入不可消化的菊粉可以促進人和動物腸道對礦物質吸收，提高骨骼中的鈣含量，進而增強宿主的骨密度[47]。龍舌蘭果聚糖可促進礦物質在腸道的吸收轉化，提高骨礦物質含量[48]。低聚果糖則可以更有效地促進高鈣飲食喂養的大鼠的鈣吸收[49]。此外，益生元還能增加對骨的保護[50]。果糖低聚糖和大豆異黃酮作為混合益生元，能提高去卵巢大鼠的骨強度[51]，且當大豆異黃酮的含量相對較低時，該混合益生元對骨強度的增加效果也愈發顯著，充分表明益生元和對與其搭配的不同成分可以起到協同促進作用，比益生元的單一使用具有更好的骨強化效果。因此，益生元在調節腸道菌群和維持骨穩態方面具有重要作用。但當益生元過量時，腸道中未消化的糖和發酵的纖維會導致腸胃脹氣和腹部不適[52]。因此，應用時要考慮個體差異和身體耐受性。

3.3 益生元和益生菌的聯合使用

另外研究發現，益生元和益生菌的聯合使用會對骨骼健康有積極的影響[53]。如FOS與長雙歧桿菌聯合使用可增加大鼠骨中鈣、鎂、磷的含量，提高大鼠骨的最大應力，增加骨形成面積[43]。還有雙歧桿菌和乳糖的類似組合可以改善骨量，FOS和二果糖Ⅲ促進胃切除大鼠對鈣的吸收。此外，寡聚半乳糖增加了大鼠腸道中雙歧桿菌的比例，能夠起到增加骨量的作用[54]。

綜上所述，腸道菌群可通過不同途徑調節宿主的免疫、代謝和內分泌系統，在防治OP方面發揮重要作用。同時將益生菌和益生元應用于改變宿主腸道菌群的組成，可為腸道菌群防治OP提供一個新的靶點。筆者認為腸道菌群運用于治療OP既價格低廉、便于攝入，又因調節腸道菌群能減少口服西藥所帶來的不良反應。因此，通過腸道菌群的干預，改善骨代謝，調節骨穩態，可達到治療OP的目的，具有重要意義。但目前的相關研究多集中在動物實驗領域，缺乏大樣本的臨床研究及循證數據，且個體特異性、生物安全性等問題仍有待進一步研究，因此仍需要對腸道菌群進行深入研究，進而為腸道菌群治療OP提供更多堅實的理論及實驗依據。