腸道菌群微生物對骨重建與骨質疏松癥的影響

摘 要：腸道菌群微生物作為人體內的一個重要的微環境系統，因其強大的功能，被稱為人體的第二基因庫，在免疫功能、營養吸收、宿主細胞的各種活動以及人類疾病中發揮著重要作用。骨重建在機體骨骼發育過程起著至關重要的作用，而骨重建的失衡，即成骨細胞主導的骨形成與破骨細胞主導的骨吸收之間的動態平衡被打破，就會造成許多種骨科疾病，諸如骨質疏松癥，就是其中一種。骨質疏松癥是成骨細胞與破骨細胞之間失衡，以骨質減少，骨的脆性增加為主要特征的疾病。研究表明腸道菌群微生物在骨重建與骨質疏松癥的發展過程具有很重要的作用，通過閱讀大量文獻，對腸道菌群與破骨細胞、成骨細胞間充質干細胞之間的關系作一闡述，以期望為臨床研究骨質疏松癥提供一定的思路。

關鍵詞：腸道菌群；骨重建；骨質疏松癥

中圖分類號：R681

腸道微生物參與了多種影響骨骼健康的機制。腸道微生物與遺傳變異密切相關，基因調控在骨質疏松等骨骼相關疾病的發生發展中起著重要作用。腸道菌群微生物通過間接刺激或抑制成骨細胞和破骨細胞，破壞骨形成和骨吸收之間的平衡。骨質疏松癥主要是引起的骨折成為了全世界普遍關注的問題，是世界嚴重的衛生事件之一。

1 腸道菌群的生物學特性

腸道菌群是對于寄居在人體腸道內的具有分解代謝功能的微生物群的統稱。據研究顯示寄居于人體腸道內腸道細菌大約有40×1012個，其基因總數約為人自身基因數目的150倍[1]。因其具有如此龐大的群體，因此將這樣一個龐大的群體稱為“人體的第二基因組”“第二大腦”“腸腦”。這些腸道菌群寄居于宿主的體內，與宿主共生，參與到宿主的各種生命活動中[2]。腸道菌群在機體中主要扮演著飲食物的消化吸收、人體必需維生素的合成、免疫系統的刺激與調節、入侵病原體的排出、致癌及有毒物質的清除、腸道的營養支持等角色，可以說是在為機體的正常運轉源源不斷的提供動力。寄居于機體內部的腸道菌群在一般情況下是可以和宿主及外部環境建立起一種動態的生態平衡，可是一旦一些原因致使腸道菌群發生紊亂，平衡遭到破壞，會引發宿主多種功能喪失，如屏障功能喪失，炎癥和免疫功能喪失等，從而誘發疾病。所以說，保護腸道菌群，使其穩態是一件非常重要的事情。

2 腸道菌群微生物在骨重建中的作用

在機體骨組織的形成過程中，骨形成與骨吸收是兩個相互伴行的過程，倘若在人體的發育過程中破骨細胞占主導的骨吸收強于成骨細胞占主導的骨形成，向著骨吸收方向傾斜，就會造成骨流失的增加，最終骨代謝性疾病的發生，最嚴重的就屬骨質疏松癥的發生。骨質疏松癥的發生有許多的機制，在諸多骨質疏松形成機制中，骨重建失衡學說已經被學者廣泛接受[3]。骨重建是通過“骨多細胞單位”進行的，其中活性破骨細胞和活性成骨細胞在空間和時間上耦合。位于BMU背面的成骨細胞重新填充新骨的速度既取決于成骨細胞的數量，也取決于它們的分泌活動。腸道菌群在骨質疏松的發生過程中的重要作用也日益被研究者所重視。鈣是構成骨骼的所有礦物質里面的主要成分，而用來調節骨骼的鈣主要是在小腸里吸收的。然而，隨著研究的進一步深入，發現腸道及其微生物組的調節可以影響各種動物模型（斑馬魚、嚙齒動物、雞）和人類的骨密度和強度[4]。腸道菌群主要是在成骨細胞、破骨細胞以及骨髓間充質細胞方面影響骨重建。

2.1 腸道菌群與破骨細胞

破骨細胞（OC）來源于造血干細胞，主要來源于造血干細胞的髓系譜系，局部微環境決定髓系前體細胞是否會產生，造血干細胞也能產生免疫細胞，其中免疫細胞CD4+T細胞可以根據它們產生的細胞因子的類型大致分為Th1（IFN）、Th2（IL-4）和Th17（IL-17）[5]。而Th17細胞就屬于破骨細胞，被認為與自身免疫性關節炎的骨破壞階段有關。值得注意的是Th17細胞的發育特別受腸道微生物群的影響，通過研究發現與常規小鼠相比，無菌小鼠脾臟中CD4+T數量較少，也就是說無菌小鼠因為CD4+T細胞減少，相對來說Th17細胞，產生IL-17的能力就會下降，這就說明了腸道細菌可以調節CD4+T細胞，從而來調節破骨細胞。骨組織的表面也分布有破骨細胞。短鏈脂肪酸是由腸道微生物群分解產生的分解產物中的最具代表性的一類。組蛋白脫乙酰基酶是可以作用于破骨細胞[6]。研究表明，靶向組蛋白脫乙酰基酶是調節人單核細胞和破骨細胞炎癥和分解代謝過程的一種有效方法，而短鏈脂肪酸可以通過抑制靶向組蛋白脫乙酰基酶的活性從而抑制破骨細胞的分化[6]。研究顯示短鏈脂肪酸可以直接通過抑制破骨細胞分化從而延緩骨質的吸收[7]。血清TRAP-5b是破骨細胞的一種標志酶，通過對無菌小鼠和正常飼養的小鼠血清學檢測，結果顯示無菌小鼠血清TRAP-5b水平顯著升高，破骨細胞數量增加[8]。SPF小鼠的牙槽骨表面表明，宿主免疫應答機制介導了與共生口腔微生物群的穩態，誘導了基礎的低級別炎癥狀態支持破骨細胞生成，導致健康牙周組織中自然發生的牙槽骨丟失。綜上所述，腸道菌群可以通過不同的途徑，直接或間接地影響破骨細胞，從而對骨重建造成影響。

2.2 腸道菌群與成骨細胞

成骨細胞（OB）來源于多能間充質基質細胞，分布于骨膜內表面的成骨細胞，在骨骼形成過程中發揮作用。研究發現腸平滑肌和腸毛細血管內皮細胞表達誘導型一氧化氮合酶（nitric oxide synthase， iNOS），而一氧化氮合酶（NOS）是一種生物合成一氧化氮（NO）的限速酶[9]。維生素D在骨骼的形成過程當中具有舉足輕重的作用，維生素D作為內皮細胞NOS的直接轉錄調節因子，可以正向調節NO，反過來NO也可以與維生素D發生相互作用，影響成骨細胞的數量。另一方面血漿NO濃度的變化也會影響骨血流量的變化，這也可能會影響骨穩態[10]。微生物可以驅動致病菌或細菌脂多糖誘導的轉錄因子核因子（NF-kB）與iNOS啟動子結合，從而上調iNOS的轉錄。所以說腸道菌群可以通過調節NO的釋放從而來調節成骨細胞，可以作為研究骨質疏松癥的一條路徑。一項研究通過觀察無菌小鼠與正常小鼠的報道，指出共生菌群對體外培養的成骨細胞可以產生直接的影響，并在SPF小鼠中顯示了抗合成代、謝抑制成骨細胞生成。骨鈣素被認為是成熟成骨細胞的特定標記物，通過對常規飼養和無菌飼養的小鼠進行牙槽提取液骨鈣素的水平分析，結果顯示無菌小鼠的明顯高于常規小鼠，并且無菌的小鼠顱骨成骨細胞與常規小鼠成骨細胞相比，骨鈣素表達明顯增強[11]。一項研究通過探討蘑菇發酵產物對人成骨細胞的影響，結果顯示它們的提取物可以增強成骨細胞的活性，促進成骨[12]。5-羥色胺是一種快樂的遞質，大部分在中樞合成，其在中樞神經系統以外的主要合成部位是腸道，由腸嗜鉻細胞和黏膜肥大細胞產生。益生元是短鏈碳水化合物，以一種有益的方式改變腸道菌群的組成或代謝。在過去的20年里，許多研究已經確定了益生元在礦物質代謝方面的有益作用，特別是在嚙齒動物和人類中提高鈣的吸收[13]。綜上所述，腸道菌群可以通過調節NO、骨鈣素、5-羥色胺以及鈣的吸收來影響骨重建。

2.3 腸道菌群與骨髓間充質干細胞

骨髓間充質干細胞（hBMSCs）是一類具有多向分化潛能的干細胞，在特定環境下可誘導分化成為成骨細胞，調控骨的生長發育。骨髓間充質干細胞也可以分化為骨髓脂肪細胞，有明顯促進局部和全身代謝的潛力。骨髓脂肪組織（MAT）積累發生在衰老和其他臨床條件下，包括骨質疏松。在克羅恩病中，骨髓間充質干細胞能通過直接細胞-細胞接觸對抗原特異性T細胞起到免疫調節作用。這種通過抑制異體抗原特異性反應和有絲分裂原誘導的增殖，可以防止細胞毒性T淋巴細胞的產生。同時CD8+T細胞分泌IFN-γ，進而作用于骨髓間充質間質細胞，誘導這些細胞釋放造血細胞因子，尤其是IL-6，而IL-6不但能調節髓系發育所必需的轉錄因子的表達，而且能促進周圍髓系細胞的聚集。這可能是由于骨髓間充質干細胞在損傷區分化為結腸基質細胞并表達血管內皮生長因子和TGF-β1所致[14]。總體來說，越來越多的證據表明，骨髓間充質干細胞可以用于治療由腸道菌群失調引起的炎癥性腸病，反過來，由腸道菌群失調所造成的炎性腸病也可以影響骨髓間充質細胞，但負責免疫調節的精確分子和機制還需要確定。

3 腸道菌群與骨質疏松癥

腸道菌群與骨質疏松癥關系這幾年已經成為研究的熱點問題，根據這幾年已經研究得出的結論，在已鑒定的微生物種類中，厚壁細菌、擬桿菌、微藻、放線菌和變形桿菌占大多數。而其中與骨相關的腸道菌群主要是與炎癥、營養和鈣相關的細菌。研究發現在小鼠體內，厚壁細菌，特別是梭狀芽胞桿菌，促進了調節性T細胞（Treg）在結腸固有層的積累。而調節性T淋巴細胞可以抑制破骨細胞的分化，阻礙破骨細胞的形成。通過研究與炎癥反應相關的羅伊氏乳桿菌發現，羅伊氏乳桿菌可以減少T淋巴細胞的數量，抑制破骨細胞的形成[15]。研究發現給雞喂養含地衣芽孢桿菌和枯草芽孢桿菌的益生菌飼料可以增加了腸道菌群的多樣性，并且含上述2種益生菌的飼料能使雞的脛骨密度顯著增加[16]。

運用腸道菌群來治療骨代謝疾病也有了進展，有的學者利用酪酸梭菌聯合阿侖膦酸鈉來治療炎癥性腸病合并骨質疏松癥的患者，發現治療一段時間后患者的骨密度增加，骨代謝指標得到改善，機體炎性反應減輕[17]。益生菌有可能是通過激活體內雌激素的方式影響鈣磷的吸收代謝，從而對骨代謝發揮正向調節作用，防止骨質疏松癥的發生。在治療骨質疏松癥的過程中發揮著很重要的作用的中藥就與腸道菌群有很大的關系，中藥中一些用來治療骨質疏松癥的核心藥物大多含有植物激素，而植物激素在進入人體后，在腸道吸收時會受到腸道菌群的影響，會使其生成活性更強的成分[18]。綜上所述，腸道菌群在治療骨質疏松癥中具有重要的作用。

4 小結

骨質疏松癥作為威脅人類健康的嚴重危險因素，嚴重影響著人類的生活質量。從腸道菌群與骨質疏松癥的關系，涉及到了其發病機制以及治療，對于其關系的研究已經涉及到了實驗研究以及臨床研究。成骨細胞與破骨細胞的動態失衡是造成骨代謝疾病的發生，腸道菌群通過調節成骨細胞與破骨細胞，促進或抑制骨代謝平衡的傾斜，加速或延緩骨質的流失，造成或阻止骨質疏松癥的發生。腸道微生物群有益作用的機制是非常復雜的，需要進一步研究。腸道菌群移植技術已被廣泛應用于小鼠，腸道微生物與許多疾病，包括影響骨骼健康的疾病有關。對于腸道菌群的研究將會為研究骨質疏松癥提供新的治療方向。

參考文獻：

[1]" Qin J，Li R，Raes J，et al. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing[J]. Nature，2010，464（7285）：59-65.

[2]" Faderl M，Noti M，Corazza N，et al. Keeping bugs in check：The mucus layer as a critical component in maintaining intestinal homeostasis[J]. IUBMB Life，2015，67（4）：275-85.

[3]" Anargyrou K，Fotiou D，Vassilakopoulos TP，et al. Low bone mineral density and high bone turnover in patients with Non-Hodgkin's Lymphoma （NHL） who receive frontline therapy： Results of a multicenter prospective study[J]. Hemasphere，2019，3（6）：303.

[4]" D'Amelio P，Sassi F. Gut microbiota， immune system， and bone[J]. Calcif Tissue Int，2018，102（4）：415-425.

[5]" 1Sj？觟gren K，Engdahl C，Henning P，et al. The gut microbiota regulates bone mass in mice[J]. J Bone Miner Res， 2012，27（6）：1357-1367.

[6]" Kent A，David H，Tracy F，et al. Histone deacetylases 1 and 2 inhibition suppresses cytokine production and osteoclast bone resorption in vitro[J]. Journal of Cellular Biochemistry，2020，121（1）：110-119.

[7]" Montalvany-Antonucci CC，Duffles LF，Arruda JAA，et al. Short-chain fatty acids and FFAR2 as suppressors of bone resorption[J]. Bone，2019，125：112-121.

[8]" Uchida Y，Irie K，Fukuhara D，et al. Commensal Microbiota Enhance Both Osteoclast and Osteoblast Activities.Molecules[J]. Published 2018（23），69-71.

[9]" Hao ML，Wang GY，Zuo XQ，et al. Gut microbiota：an overlooked factor that plays a significant role in osteoporosis[J]. J Int Med Res，2019，47（9）：4095-4103.

[10] Andrukhova O，Slavic S，Zeitz U，et al. Vitamin D is a regulator of endothelial nitric oxide synthase and arterial stiffness in mice[J]. Mol Endocrinol，2014，28（1）：53-64.

[11] Novince CM，Whittow CR，Aartun JD，et al. Commensal Gut Microbiota Immunomodulatory Actions in Bone Marrow and Liver have Catabolic Effects on Skeletal Homeostasis in Health[J]. Sci Rep，2017，7（1）：5747-5751.

[12] Kerezoudi EN，Mitsou EK，Gioti K，et al. Fermentation of pleurotus ostreatus and ganoderma lucidum mushrooms and their extracts by the gut microbiota of healthy and osteopenic women： Potential prebiotic effect and impact of mushroom fermentation products on human osteoblasts[J]. Food Funct，2021，12（4）：1529-1546.

[13] Macfarlane S，Macfarlane GT，Cummings JH. Review article：Prebiotics in the gastrointestinal tract[J]. Aliment Pharmacol Ther，2006，24（5）：701-714.

[14] Di Nicola M，Carlo-Stella C，Magni M，et al. Human bone marrow stromal cells suppress T-lymphocyte proliferation induced by cellular or nonspecific mitogenic stimuli[J].Blood，2002，99（10）：3838-3843.

[15] Britton RA，Irwin R，Quach D，et al. Probiotic L. reuteri treatment prevents bone loss in a menopausal ovariectomized mouse model[J]. J Cell Physiol，2014，229（11）：1822-1830.

[16] Mutu R，Kocabagli N，Alp M，et al. The effect of dietary probiotic supplementation on tibial bone characteristics and strength in broilers[J]. Poult Sci，2006，85（9）：1621-1625. [17] 崔瀟鐿，劉武，滕健竣，等. 酪酸梭菌聯合阿侖膦酸鈉治療炎癥性腸病合并骨質疏松癥效果分析[J]. 中國骨質疏松雜志，2020，26（6）：906-909.

[18] 敬一夫，楊鶇祥，于巖松. 腸道菌群與中藥相互作用防治骨質疏松癥的研究進展[J]. 中華中醫藥學刊，2019，37（3）：766-768.