腸道菌落
——治療骨質疏松癥新靶點

趙佳偉， 唐國濤

(南華大學衡陽醫學院藥學院藥物藥理研究所 湖南省分子靶標新藥研究協同創新中心，湖南省衡陽市421001)

腸道菌落的失調不僅影響著成骨細胞和破骨細胞的分化和活力，而且與人體早期的骨骼密度密切相關，是誘發骨質疏松的重要因素。本文探討腸道菌落調控骨質疏松的潛在機制。

1 骨質疏松發病機制

骨骼受到損壞時，受損的骨骼和凋亡的骨細胞會被來源于單核吞噬細胞系的破骨細胞吸收，隨后經間充質干細胞在相關細胞因子，激素的調節作用下分化為成骨細胞并聚集于骨基質表面上進行增殖分化和鈣質積累，最終形成新骨[1-3]。成年人每年有一定比例的骨骼進行更新，但總體骨量會保持相對穩定。骨骼重塑的穩態會因長期營養不良、性激素水平降低、抽煙和喝酒等不良的生活方式被打破，進而引發骨質疏松(osteoporosis，OP)。患者常表現為骨微結構破壞，骨脆性增大，骨折風險增加等癥狀[4]。目前，抑制破骨細胞吸收的藥物(雙磷酸鹽、雌激素類、降鈣素等)只能抑制骨質的流失而不能增加骨量[5]。另外，一些藥物伴有頜骨骨折和乳腺癌等不良反應[6]，患者也不宜長期服藥。OP是一種慢性疾病，骨質積累周期漫長，因而需要進行長期治療。因此探索其發病機制及治療方法才能有效改善骨骼健康。

2 腸道菌落對OP的影響

隨著現代分子生物技術的快速發展，人類微生物群對骨骼重塑起著重要的作用，調節腸道菌落的生長狀態逐漸成為改善骨質健康的潛在靶點[7]。腸道菌落多樣性隨年齡而變化，與老年人的骨骼健康指數呈負相關。研究發現，絕經后骨質疏松癥人群體內的細菌豐富度和多樣性降低[8]。其中，骨質流失人群的腸道菌落中大腸桿菌和韋氏菌高于健康人群，且與健康人群相比，骨質疏松癥受試者體內放線菌、埃格特菌、梭菌和乳酸桿菌的含量更高。這可能源于梭菌產生丁酸鹽調節了骨骼的重塑。研究發現，厚壁菌和放線菌與骨密度呈正相關，而擬桿菌與骨密度成反比，補充雙歧桿菌,乳酸菌等益生菌可逆轉小鼠骨質的流失[9]。以上研究表明腸道菌落的改變與骨骼的重塑有著重要的聯系。不過，目前腸道菌落對骨質的影響結果也存在一些矛盾研究[10]，這很可能是由于腸道菌落的差異性以及實驗中選用動物模型不一致所導致的。

3 腸道菌落調節骨量的機制

3.1 促進鈣吸收

腸道菌落狀態影響著胃腸道對營養物質的吸收。鈣是骨骼重塑所必須礦物質，其經成骨細胞吸收礦化后以磷酸氫鈣和羥基磷灰石的形式分布于舊骨上。許多腸道菌落會影響營養吸收。腸道中乳酸桿菌和雙歧桿菌水平升高可以促進鈣、鎂和磷等礦物質的吸收，從而增加骨密度[11]。臨床研究表明，單純補鈣效果往往不佳，而且常會引發高鈣血癥，故聯合維生素與鈣的治療可以提升腸道對鈣的吸收[12]。體內維生素B、維生素K和維生素D可由腸道菌落自身生成，經腸道內壁被吸收并通過體循環分布至全身，促進全身骨骼的發育。當體內鈣充足時，腸道中的維生素D及其代謝產物可維持腸道菌落的穩態和促進骨基質中礦物質的沉積[1]。

此外，腸道內未消化吸收的碳水化合物經結腸內厭氧菌酵解產生短鏈脂肪酸會提升骨形成標志物的表達水平，促進成骨細胞分化和抑制破骨細胞的吸收。短鏈脂肪酸的生成過程中降低了腸道內的pH，增加鈣離子含量，進一步增強骨質對鈣的吸收[10]。在缺鈣的情況下，維生素D會抑制骨礦化，增強骨吸收，從而以犧牲骨量為代價維持血鈣穩態。這在一定程度證明了骨質疏松患者不可單純通過補維生素D來治療，而應注重和鈣劑聯合使用。

3.2 調節免疫系統

免疫系統與骨密度降低、骨吸收增加和骨折風險增加相關。腸道菌落與腸道表面的樹突細胞和眾多免疫細胞密切接觸，影響著腸道內炎性因子的釋放，進而調節骨量的平衡[13]。性類固醇缺乏會增加腸道通透性，增加輔助性T-17細胞的數量，并上調腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白細胞介素-17(interleukin 17,IL-17)和核因子κB受體活化因子配體在小腸和骨髓中的表達[14-15]。以上因子是骨質疏松檢測評價的重要指標，其遷移到骨組織直接調節核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)，進而激活破骨細胞的分化和活化[16]。腸道菌落可以增加轉化生長因子-β(transforming growth factor,TGF-β)、IL-10等抗炎因子的分泌，抑制破骨細胞的增殖分化，誘導破骨細胞凋亡，減少骨吸收，從而增加骨量改善原發性骨質疏松癥[15]。除此之外，短鏈脂肪酸是免疫細胞調節劑，可調節結腸中T細胞的數量和功能，抑制免疫因子誘導的破骨細胞分化和增殖[17]。

3.3 調節激素分泌

激素是影響人類骨骼重塑的重要刺激因素。一項隨機、雙盲、安慰劑對照臨床試驗發現，向骨密度降低的老年人提供路氏乳桿菌會導致骨量增加[18]。無菌小鼠在雌激素阻滯后表現出大量的骨丟失癥狀，而口服益生菌和異黃酮苷元會刺激雌激素的產生，顯著減少雌激素缺乏引起的骨質流失，從而改善OP[17]。胰島素生長因子-1(insulin-like growth factor-I，IGF-1)是改善骨骼重塑的重要激素。腸道菌落可以調節IGF-1水平，從而調節年輕和中年小鼠的骨形成和吸收。如抗生素治療后小鼠血清IGF-1顯著降低，導致骨形成受到抑制，而抗生素治療的小鼠補充短鏈脂肪酸可使IGF-1和骨質量恢復至抗生素治療前的水平，表明腸道菌落可能通過其自身的代謝產物調節IGF-1影響骨骼的重塑[18]。腸道菌落的改變因個體性別不同而造成炎癥表型差異，這可能是由于不同性別對性激素靈敏度和耐受度等因素導致[16]。

3.4 調節腸-腦-骨軸

腸道菌落在神經系統中具有合成激素和神經遞質的重要作用。5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)已被認為在骨發育和維持中起著重要的調節作用，按其生成位置可分為中樞型和外周型，且不同來源的5-HT對骨轉換有不同的作用。據報道，腸道來源的5-HT與骨丟失有關，而腦來源的5-HT導致骨形成[19]。其中腦干脊髓神經元合成的5-HT作用于中樞神經系統，主要通過激活腹內側下丘腦神經元上的5-HT受體來促進骨骼生長[13]。使用5-HT抑制劑降低5-HT水平可以防止卵巢切除術引起的骨丟失[13]，這可能是該抑制劑阻滯了腸來源的5-HT激活破骨細胞所致。

3.5 其他因素

通過基因測序分析人體腸道菌落的組成和豐富度有助于發現骨質疏松人群中異樣的腸道菌落，從而診斷多種疾病。盡管骨密度與腸道菌落遺傳之間的聯系目前還不清楚，但宿主基因也會通過腸道菌落影響骨骼的重塑[4]。除此之外，服用藥物和運動行為也參與著腸道菌落的調控。研究發現，當使用抗生素破壞幼年小鼠的腸道菌落時，IGF-1的水平降低[18]，因而合理適度地使用抗生素對于腸道菌落的保護有著重要的作用。長期使用抗生素會大大降低腸道菌落的生物多樣性，提升腸道來源的5-HT水平，進而降低骨對礦物質的吸收。除此之外，運動對于腸道菌落也起到一定的調節作用[16]。

4 改善腸道菌落促進骨骼健康

4.1 飲食調節改善腸道菌落

食物供應著人體生長發育所需的營養外，還決定著宿主體內的菌落類型和比例。通過長期合理的飲食方式維持骨骼健康和預防骨折可能是目前最經濟有效，可持續的方法之一。長期高脂高糖的飲食方式會改變腸道菌落的結構和代謝活性，造成骨質流失加劇[20]。適當補充益生菌能促進成骨細胞對體內礦物質元素的吸收，增強骨質量。除補充鈣劑和維生素外，飲食補充低聚糖、碳水化合物和膳食纖維可以恢復腸道菌落的平衡、改變腸道菌落的組成和抵抗炎癥反應。高纖維食品可降低腸道酸度，促進礦物質的吸收[8]。乳酸桿菌或市售益生菌補充劑喂養摘除卵巢小鼠，完全抑制了與雌激素缺乏相關的骨丟失[14]。因而攝入定量的發酵食物和膳食纖維對于改善腸道菌落組成和促進腸上皮黏膜屏障對營養物質的吸收與骨骼代謝密切相關。相反，飲食不均衡可能會對骨代謝產生負面影響。

4.2 運動調節改善腸道菌落

運動鍛煉會影響腸道菌落的組成，對于早期骨量的積累很有益處。研究表明，腸道菌落產生的脂多糖可誘導OP小鼠骨流失，而鍛煉可以重塑腸道菌落的生態系統，降低體內的脂多糖水平[21]。炎性因子是刺激宿主免疫系統和腸道菌落組成的重要因子。研究發現，運動改變了實驗動物上皮內淋巴細胞的標志基因表達，具體表現為促炎因子下調，抗炎細胞因子和抗氧化酶上調[22]，這有助于調節腸道菌落的炎性因子環境，促進骨質積累。

4.3 減少抗生素使用改善腸道菌落

β-內酰胺類非甾體抗炎藥等抗生素的使用會引起腸道菌落嚴重失調，導致腸道菌落對礦物質吸收效率下降，破壞腸黏膜屏障引發宿主免疫系統釋放相關免疫因子激活破骨細胞的分化，加劇骨質疏松患者骨質流失[23]。盡管抗生素導致骨質流失的機制還不清楚，但抗生素嚴重影響機體對礦物質元素的吸收以及誘導骨質流失加劇已得到證實[21]。

除了繼發性OP，腸道菌落在影響肥胖、糖尿病、炎癥性腸病和類風濕性關節炎等原發性OP也顯示出一定的潛力[23]。不過目前大多數的研究模型為動物或者體外腸道模型，缺乏大規模和長期隨機試驗，因而在未來的研究中進一步闡明腸道菌落調節骨骼重塑的機制和建立腸道菌落療法改善骨骼健康具有重要的意義。