腸菌移植治療骨質疏松癥的研究進展及臨床前景

王寧 郝永強 富靈杰

上海市骨科內植物重點實驗室，上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院骨科，上海 200011

骨質疏松癥是一種以骨量減少、骨組織微結構破壞，骨折風險增加為特征的全身性代謝性疾病[1]。骨質疏松引起的脆性骨折主要發生在椎體、髖部、橈骨遠端等應力集中部位，極大地增加了患者的致殘率和死亡率[2]。我國正逐步進入老齡化社會，骨質疏松癥的發病率逐年增加，骨質疏松性骨折已經成為影響老年人身體健康的重大公共衛生問題，給個人、家庭及社會帶來了沉重的經濟負擔。目前，臨床上常用的抗骨質疏松藥物存在著療效不顯著、長期用藥、過敏反應、下頜骨壞死、非典型性骨折等不良反應[3-4]。因此，尋求新的骨質疏松癥的治療方法仍然是臨床醫生面臨的重要科學問題。

腸道菌群與骨骼代謝之間存在密切的關系，腸道菌群可以通過代謝產物、免疫途徑影響骨改建[5]。目前，已經證實腸道菌群失調和骨質疏松癥的發生密切相關[6-7]。腸菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)作為一種重建腸道微生態平衡的重要方法，已經在臨床上用于治療艱難梭狀芽孢桿菌感染(clostridium difficile infection，CDI)[8-9]。然而，腸菌移植尚未應用于骨質疏松癥的臨床治療。本綜述對腸菌移植調節骨代謝的作用機制展開討論，并為腸菌移植應用于骨質疏松的臨床治療前景提供理論支持。

1 腸菌移植的概述

腸菌移植是指將腸道菌群從健康的供體轉移到腸道菌群失調的受體，其目的是恢復腸道微生物穩態，改善腸道菌群失調[10]。腸菌移植現在尚未形成標準化的治療方案[11]。目前，腸菌移植有上消化道與下消化道兩種給藥方式。上消化道腸菌移植通過鼻胃管或口服膠囊制劑給藥[12]，下消化道腸菌移植通過結腸鏡或灌腸劑給藥[13]。

2 腸菌移植治療腸道疾病的應用

2013年，美國胃腸病學會的艱難梭菌治療指南建議將腸菌移植作為萬古霉素治療無效的CDI復發病例的替代治療方案[14]。此外，腸菌移植在潰瘍性結腸炎、克羅恩病等腸道疾病方面顯示了很好的治療效果。Prado等[15]在一項動物實驗中構建了大鼠壞死性小腸結腸炎(NEC)的模型，分別在造模前與造模后進行腸菌移植，該研究設置了未經腸菌移植治療的NEC組作為模型對照組，和未經任何處理的空白對照組。結果表明無論是在疾病模型誘導之前還是之后進行腸菌移植治療，NEC大鼠的炎癥水平、氧化損傷以及腸道黏膜損傷都得到了改善。在另一項腸菌移植治療結腸炎的研究中，Yan等[16]通過葡聚糖硫酸鈉(DSS)飲水誘導小鼠結腸炎，并將健康組的糞便通過灌胃給藥的方式移植給模型組的小鼠，實驗結果表明腸菌移植可以改善DSS誘導小鼠結腸炎的體重丟失情況與疾病活動性評分，且炎癥因子的表達水平降低。此外，在一項隨機對照的臨床研究中，Sudarshan等[17]對81例活動期潰瘍性結腸炎患者進行了隨機雙盲試驗。患者隨機分為兩組，并在接受了結腸鏡輸液后分別進行腸菌移植與安慰劑灌腸。隨后，對糞便樣本進行了16SrRNA測序分析、鳥槍法宏基因組學分析以及代謝組學分析。分析結果表明腸菌移植改變了患者腸道菌群的多樣性與結構組成，且短鏈脂肪酸(SCFAs)與次級膽汁酸等代謝產物的水平增加。另外，研究證實腸菌移植可以調控腸道免疫介導的炎癥因子的表達，從而介導腸道炎癥[18]。腸菌移植可以通過改善患者的腸道微環境，恢復腸黏膜屏障等機制，并通過腸菌產物與免疫機制調控腸道炎癥因子水平以治療CDI、炎癥性腸病等腸道疾病。值得注意的是，腸道炎癥性疾病往往伴隨著血液炎癥因子水平改變，其中TNF-α、IL-10、IL-17等炎癥因子可以對骨重塑過程起到重要的調節作用。腸菌移植治療腸道疾病的研究目前已經進入臨床研究階段，并且可以作為一種臨床治療的替代方法，這些研究也為“腸-骨軸”機制的提出以及未來腸菌移植用于骨質疏松的治療打下了堅實的基礎。

3 腸道菌群與骨質疏松癥的相關性

近年來有諸多基礎研究與臨床研究證實了腸道菌群與骨質疏松癥之間存在相關性。Ma等[19]在一項動物實驗中用3月齡的大鼠建立了絕經后骨質疏松癥的模型。實驗將大鼠隨機分為去勢組(切除卵巢)與對照組，并分別分析比較了術前、術后4周、8周、12周的腸道菌群、血液骨轉換指標以及骨組織形態計量學等結果，實驗結果表明去勢大鼠的腸道菌群與去勢前相比α多樣性增加，且腸菌組成發生顯著變化，腸道菌群與絕經后骨質疏松癥之間存在相關性。隨后，Ma等[20]在另一項動物實驗中分析比較了22月齡大鼠與6月齡大鼠的腸道菌群、血液骨轉換指標以及骨組織形態計量學等結果，實驗結果表明老年大鼠的腸道菌群α多樣性較低且腸道菌群組成與青年大鼠具有顯著差異，腸道菌群與老年性骨質疏松之間存在相關性。

而在臨床研究方面，Wang等[21]首先在一項臨床研究中觀察到了骨質疏松癥患者與健康人群腸道菌群的差異。隨后，Li等[22]和Das等[23]各自在其臨床研究中加大了受試者的樣本量，其入排標準以及分組方式也有所改變，但研究結果表明其骨質疏松癥患者與健康人群之間的腸菌分析結果都存在顯著差異。最近，He等[24]在臨床研究中觀察到絕經后骨質疏松癥患者腸道菌群與健康人群之間存在顯著差異，進一步證實了腸道菌群與絕經后骨質疏松癥之間存在相關性，并對腸道菌群調節骨代謝的現象展開討論。

4 腸菌移植對骨代謝的調節作用

腸道菌群可以通過多種機制影響骨骼的代謝。2012年，Sjogren等[25]利用無菌小鼠模型首先研究了腸道菌群與骨骼之間的關系。研究發現，與對照組相比，GF小鼠的骨量增加、骨髓CD4+T細胞和TNF的水平較低，而將正常小鼠的腸菌移植給GF小鼠之后，GF小鼠的骨量以及CD4+T細胞和TNF的水平恢復正常。在這項研究中，移植后小鼠的骨量低于GF小鼠的骨量，雖然這一結論與Schwarzer等[26]的研究結果等不一致，但可以反映出腸菌移植對免疫系統發揮了一定的調節作用。另外，Yan等[27]也將正常小鼠的腸菌移植給GF小鼠，結果移植后一個月GF小鼠的骨量減少，而移植后8個月GF小鼠的骨量增加，并逐漸恢復到正常小鼠的水平，這表明腸道菌群對骨量的影響是一個動態的過程，短期移植可以增強骨的分解代謝，而長期移植后骨的合成代謝也增強。

腸道菌群在激素發揮調節骨代謝過程中也發揮了核心作用。Jau等[28]的一項研究中，GF小鼠缺乏性類固醇，但破骨細胞以及細胞因子未增加，這表明腸道菌群是性類固醇缺乏性骨丟失的關鍵，且補充益生菌可以預防骨丟失。Jonathon等[29]在一項腸菌移植試驗中，將糖皮質激素性骨質疏松(GIO)小鼠的腸菌移植給經抗生素處理一周的小鼠，隨后發現受體小鼠骨量減少，表明糖皮質激素激素對于骨量的影響可以通過腸菌移植的方式進行轉移。上述研究說明，調節腸道菌群可以調節機體的骨量，但通過腸菌移植治療骨質疏松癥到目前為止鮮有報道，以上的腸菌移植實驗僅限于將腸菌移植給GF小鼠以研究腸道菌群對于骨代謝的影響，腸菌移植對于骨質疏松癥的治療作用及相應的機制，具有廣闊的研究前景與應用空間，還需要在更深入的基礎研究與臨床試驗中繼續探索。

5 腸菌移植調節骨量的作用機制

骨的重塑過程是一個動態平衡的過程，包含兩個部分，即成骨細胞介導的骨形成與破骨細胞介導的骨吸收，而腸道菌群可以通過短鏈脂肪酸等代謝產物以及免疫系統調控成骨細胞與破骨細胞的成熟與分化，從而調節機體的骨量。綜上所述，作者認為腸菌移植可以通過以下機制調節骨代謝，改善腸道菌群紊亂，通過腸道菌群代謝產物和免疫系統調節骨量。

5.1 SCFAs調節機制

短鏈脂肪酸(SCFAs)是結腸中無法消化的碳水化合物或氨基酸經細菌發酵產生的，包括乙酸、丙酸和丁酸。SCFAs主要由梭狀芽孢桿菌、雙歧桿菌和乳桿菌產生，是腸菌移植時腸道有益菌群最主要的代謝產物之一。SCFAs可以作為激活G蛋白偶聯受體43和41的信號分子[30]。而且SCFAs不僅可以增加鈣的吸收，還具有抑制炎癥和維持腸道菌群平衡的作用[31]。此外，SCFAs還可以通過增加鈣的結合水平，蛋白質轉錄水平以及上調VDR來增加鈣與維生素D的吸收。SCFAs還可以促進Treg細胞的發育及刺激Treg的免疫反應，從而改善因腸菌失調引起的免疫系統異常。另外，SCFAs可以通過提高血清IGF-1的水平發揮骨保護作用[27]。而另一類代謝產物5-HT是由腸嗜鉻細胞產生的一種神經遞質。在人體中有90%以上的5-HT是在腸道內合成的[32]。研究表明，棒狀桿菌、鏈球菌和大腸桿菌在培養中可以產生5-HT[33]。成骨細胞表面表達了3種5-HT受體，分別為Htr1b、Htr2a和HTR2b，5-HT以成骨細胞為靶點，通過Htr1b、Htr2a和HTR2b等信號通路調節成骨細胞的增殖。另外，值得注意的是，SCFAs也可以對5-HT進行調控[34]。

5.2 免疫調節機制

腸菌移植可以通過調節腸道免疫來調節骨免疫，進而影響骨代謝。腸道菌群影響了腸道黏膜固有層中細胞因子的產生和淋巴細胞的分化，特別是CD4+T細胞向Th17細胞和Treg細胞的分化。Goto等[35]研究發現，將節段性絲狀細菌(SFB)移植到GF小鼠體內可增加Th17細胞的數量，從而導致IL-17、TNF-α以及IL-1水平的上升，誘導RANKL的表達，從而發揮促進破骨細胞生成的作用。而Atarashi等[36]發現，用從小鼠中分離出的梭狀芽孢桿菌IV和XIVa移植給GF小鼠，可使全身性和固有層Treg細胞增多，另外，SCFAs也可以誘導Treg細胞分化，Treg細胞通過分泌IL-4、IL-10以及TGF-β發揮調節破骨細胞生成的作用[5]。此外，腸菌移植還可以通過先天免疫介導腸道菌群和骨骼之間的關系，這些先天免疫是通過幾種受體介導的，例如核苷酸結合寡聚域蛋白(NOD1和NOD2)受體和Toll樣受體5(TLR5)。NOD1和NOD2是普遍存在的病原體相關分子模式(PAMP)的細胞內傳感器，主要在上皮和免疫細胞上表達，結合細菌肽聚糖并激活NF-kB途徑，在腸道菌群對骨骼的影響中起關鍵作用[37]。TLR5是識別鞭毛蛋白的先天免疫受體，而鞭毛蛋白是細菌的主要成分。TLR5在免疫細胞和非免疫細胞上都有表達。最近的一項研究發現，通過激活RANKL通路，TLR5成為了炎癥誘導骨丟失和破骨細胞形成過程中一種新的介質[38]。

6 腸菌移植的臨床應用前景

盡管腸菌移植作為治療艱難梭菌感染的治療方法已經日趨成熟，但將其用于治療骨質疏松依然存在一些尚未解決的問題。首先，腸菌移植目前傳統的給藥途徑依舊是通過鼻飼、胃鏡及腸鏡等方式，操作帶來的不適感可能會大大降低患者的依從性，進而致使患者傾向于使用其他抗骨質疏松藥物。其次，據文獻報道，部分患者在移植腸菌后會出現惡心、嘔吐、腹痛、腹脹不良反應。當然，這些不良反應可能與移植的異體腸菌有關，也可能與鼻胃管或內窺鏡等操作有關[39]。因此，臨床應用過程中可采用腸菌制劑如膠囊給藥等方式移植以提高患者的依從性，減輕不良反應。按時長期對骨質疏松癥患者進行腸菌移植治療，可以從根本上改善患者腸道微生物結構及腸屏障功能，有望成為臨床上治療骨質疏松的有效療法。

7 小結

隨著對人體微生物-宿主相互作用認識的增加，腸道菌群調控已經成為促進宿主健康的一種全新方式。腸菌移植治療骨質疏松是一個全新的、充滿未知與挑戰的領域。盡管腸菌移植已經用于治療艱難梭菌感染，但腸菌移植作為一種骨質疏松癥的全新治療方法，目前為止鮮有報道，仍需進一步的動物實驗創建骨質疏松模型來研究腸菌移植的治療效果以及移植后動物腸道菌群結構與功能的變化。另外，在腸菌制劑常規應用于臨床治療之前，需經過大樣本的RCT研究以驗證腸菌移植治療應用于人體的安全性及有效性，經過長期隨訪記錄受試者的骨量變化情況及不良事件發生率。未來腸菌移植有可能成為傳統藥物治療骨質疏松癥的有效補充手段，甚至是替代方法，在臨床治療骨質疏松癥方面具有廣泛的研究與應用前景。