腸道免疫功能與骨代謝的研究進(jìn)展

董萬濤 鞏彥龍 宋敏* 劉濤 周靈通 劉小鈺 蔣林博

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000

脊椎動(dòng)物的消化道被微生物復(fù)雜的組合，統(tǒng)稱為腸道菌群所棲息。人類腸道是迄今為止研究最為密集的生態(tài)系統(tǒng)之一。人和動(dòng)物的胃腸道棲息的細(xì)菌大約重1 000 g，種類大約30個(gè)屬400～500多種，總體數(shù)量在1014以上，比人體細(xì)胞的10倍還多，其基因組的基因數(shù)約為人類基因組基因總數(shù)的150倍[1]。腸道微生態(tài)和人體有著密不可分的互利共生關(guān)系，直接影響著每個(gè)人的健康，對(duì)促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)食物消化吸收、產(chǎn)生有益營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、抵御外來致病菌的侵入以及調(diào)節(jié)免疫機(jī)制等方面有著重要作用。最近的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群在人類的健康和疾病之間具有重要作用，這引起人們迫切希望了解腸道微生物群落和它們?nèi)绾斡绊憴C(jī)體健康的強(qiáng)烈興趣[2]。腸道的屏障功能包含腸黏膜的機(jī)械屏障、生物屏障、化學(xué)屏障及免疫屏障等。1976年著名學(xué)者Genant等[3]首先報(bào)道炎癥性腸病(inflammato bowel disease，IBD)患者出現(xiàn)了骨代謝異常，并發(fā)現(xiàn)IBD患者尤其是青少年存在骨量減少的情況。有越來越多的證據(jù)顯示環(huán)境因素與腸道菌群之間的相互作用，導(dǎo)致代謝性疾病包括骨質(zhì)疏松癥的風(fēng)險(xiǎn)增加[4]。本文將從以下方面進(jìn)行綜述腸道免疫功能與骨代謝的研究進(jìn)展。

1 腸道免疫屏障的組成

研究[5]表明腸道具有400 m2的巨大表面積，小腸內(nèi)部有無數(shù)的絨毛，每根絨毛上又有無數(shù)的微絨毛，總表面積達(dá)到300 m2，遠(yuǎn)大于皮膚(2 m2)及肺部黏膜系統(tǒng)(80 m2)的表面積，機(jī)體腸道有七成以上的免疫細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞、T細(xì)胞、NK細(xì)胞、B細(xì)胞等集中在腸道，有七成以上的免疫球蛋白A，又有眾多的細(xì)菌，腸道是消化器官，又是免疫器官，組成了機(jī)體免疫系統(tǒng)的第一道防線[6]。

腸黏膜是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)環(huán)境，胃腸道的上皮表面構(gòu)成對(duì)“外界”的物理屏障，從而為機(jī)體提供了防御感染的第一層防御；第二層防御是發(fā)現(xiàn)的與上皮細(xì)胞相鄰的黏液層，即覆蓋在胃腸道的上皮表面由一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)粘蛋白和抗微生物蛋白組成，從而阻礙微生物到達(dá)上皮細(xì)胞；第三層防御是由居住在腸道的眾多免疫細(xì)胞提供、或是分散在整個(gè)腸上皮和固有層的淋巴系統(tǒng)提供，如Peyer氏集合淋巴結(jié)、腸系膜淋巴結(jié)等[7]。黏液層、上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞共同構(gòu)成腸黏膜屏障功能，防止外生有害微生物通過腸道侵犯機(jī)體，其中最重要的是免疫系統(tǒng)提供的針對(duì)潛在有害共生生物的屏障[8]。

傳統(tǒng)上病原體的感染被認(rèn)為是微生物和免疫系統(tǒng)之間的斗爭(zhēng)，免疫系統(tǒng)在阻止病原菌定植在宿主致病過程中起到了關(guān)鍵的作用[9]。腸道微生物的免疫功能主要是防止致病菌定植腸道生長(zhǎng)和腸道原有細(xì)菌微生物群落的破壞從而影響機(jī)體的健康，這種調(diào)節(jié)菌群紊亂、抑制病原菌生長(zhǎng)的機(jī)制是復(fù)雜的，包括競(jìng)爭(zhēng)性代謝性相互作用、定位腸龕和誘導(dǎo)宿主的免疫反應(yīng)，反過來，病原體進(jìn)化以逃避共生介導(dǎo)的抗侵染[10-12]。因此，腸道共生菌、病原體、腸道原有菌之間的相互作用對(duì)腸道免疫功能有重大意義，了解病原菌共生的相互作用可能會(huì)帶給新的治療方法來治療相關(guān)性疾病。

2 腸道免疫功能與骨代謝

腸道免疫功能即腸道免疫屏障，研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群所引起炎性腸病而引起自身免疫狀態(tài)的改變，而自身免疫狀態(tài)改變與機(jī)體的骨量丟失相關(guān)，說明了腸道菌群與骨組織間存在著某種關(guān)系[13]。有研究已證明宿主的免疫系統(tǒng)受腸道菌群的影響，而免疫系統(tǒng)的變化與機(jī)體骨代謝緊密相關(guān)[14,15]。所以，研究腸道菌群、免疫系統(tǒng)、骨代謝三者的關(guān)系，有助于進(jìn)一步闡明腸道菌群通過調(diào)控宿主免疫系統(tǒng)來作用于機(jī)體骨代謝的機(jī)制，這可能對(duì)臨床治療骨質(zhì)疏松癥提供一種新的思維策略。

2.1 腸道免疫功能與骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞

骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)是存在于骨髓中的具有高度自我更新能力和多向分化潛能的干細(xì)胞群體，BMMSCs與骨質(zhì)疏松骨代謝密切相關(guān)，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞產(chǎn)生中胚層細(xì)胞能分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、脂肪細(xì)胞、肌細(xì)胞、肝細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等，有治療各種疾病的潛能。

Zhang等[16]研究BMMSCs在大鼠異位腸移植術(shù)后小腸黏膜屏障的保護(hù)作用中，用同種異體骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞，通過靜脈途徑移植到靈長(zhǎng)類動(dòng)物并分布到胃腸道增殖，由于多種生長(zhǎng)因子的分泌，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞具有免疫調(diào)節(jié)能力，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞減少大鼠腸道缺血再灌注損傷，明顯延長(zhǎng)復(fù)合組織異體移植的存活時(shí)間和促進(jìn)移植組織血運(yùn)的重建。Rahmi 等[17]研究發(fā)現(xiàn)，炎性腸病大鼠模型中BMMSCs增生活躍，誘導(dǎo)抗炎性細(xì)胞因子(TGF-β2和IL-10等)表達(dá)增加，在宿主腸道組織修復(fù)過程中多種生長(zhǎng)因子(EGF和VEGF等)表達(dá)增加。BMMSCs在腸黏膜屏障功能損傷時(shí)，在多種細(xì)胞因子參與可以保護(hù)和修復(fù)受損的腸黏膜屏障功能，但這種機(jī)制是復(fù)雜的，需要進(jìn)一步研究。

2.2 腸道免疫功能與成骨細(xì)胞

成骨細(xì)胞(osteoblast，OB)和破骨細(xì)胞(osteoclast，OC)是骨代謝中維持骨量的兩種主要細(xì)胞，在正常骨組織二者處于動(dòng)態(tài)平衡中，這種平衡關(guān)系被打破，就會(huì)導(dǎo)致骨代謝疾病，常見的如骨質(zhì)疏松癥等。近年來，通過腸道免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)OB、OC進(jìn)而影響骨代謝的研究報(bào)道逐漸增多，這將對(duì)骨質(zhì)疏松癥的治療提供新的治療思路。

免疫系統(tǒng)是一個(gè)平行的智能系統(tǒng)，包括腸道免疫系統(tǒng)及闌尾，已經(jīng)證實(shí)[18]造血干細(xì)胞從在于骨髓以外的組織，間充質(zhì)干細(xì)胞能從兒童和成人年齡組獲得(0～18歲)的正常闌尾分離出來。闌尾對(duì)腸道免疫的發(fā)展是很重要的，人們已經(jīng)能從動(dòng)物和人類的闌尾分離出造血干細(xì)胞。De Coppi等[19]手術(shù)切除非炎癥闌尾，并分離出間充質(zhì)干細(xì)胞即闌尾來源的間充質(zhì)干細(xì)胞(appendix-derived mesenchymal stem cells，ADMCs)，通過免疫組化法和細(xì)胞化學(xué)證實(shí)其向成骨、脂肪和肌源性分化。ADMCs在成骨條件下分化為成骨細(xì)胞，并且此過程中顯示堿性磷酸酶的表達(dá)增加。

2.3 腸道免疫功能與破骨細(xì)胞

白三烯B4(LTB4)是一種來自于花生四烯酸的強(qiáng)效炎癥介質(zhì)，已經(jīng)確定LTB4的兩個(gè)G蛋白偶聯(lián)受體：高親和性受體蛋白BLT1和低親和力受體蛋白BLT2，這兩種受體主要是對(duì)百日咳毒素敏感的胃腸道G蛋白，BLT2在破骨細(xì)胞高表達(dá)。Yokomizo等[20]研究發(fā)現(xiàn)BLT1缺陷在各種炎癥模型小鼠表現(xiàn)出明顯癥狀，如骨質(zhì)疏松癥、腹膜炎、支氣管哮喘、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和動(dòng)脈粥樣硬化。在小鼠中，BLT2蛋白表達(dá)僅限于腸上皮細(xì)胞和表皮角質(zhì)層細(xì)胞，BLT2蛋白缺失的小鼠模型由于腸道免疫屏障功能減弱，小鼠在給右旋糖酐硫酸酯藥表現(xiàn)出結(jié)腸炎癥狀加重。

3 腸道免疫功能紊亂與骨代謝

長(zhǎng)期以來人們認(rèn)為腸道是通過吸收鈣的關(guān)鍵骨鹽來調(diào)節(jié)骨質(zhì)，在多種動(dòng)物模型和人體內(nèi)腸道微生物可調(diào)節(jié)骨密度、骨強(qiáng)度[21]。幾種益生元，達(dá)到低位腸道導(dǎo)致腸道菌群的改變，這種改變被認(rèn)為是提高了纖維發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)的作用，青少年身體中、動(dòng)物模型中鈣吸收率的增強(qiáng)與其骨密度和強(qiáng)度增加成正比[22]。通過影響飲食而影響腸道微生物，繼而如何調(diào)節(jié)骨質(zhì)的機(jī)制知之甚少，正如上述觀念認(rèn)為是飲食或益生元纖維影響到低位腸道微生物纖維發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸的作用，由此產(chǎn)生的較低的pH值環(huán)境已被認(rèn)為是減少絡(luò)合的礦物質(zhì)，如形成磷酸鈣[23]。因此，更多的鈣將被吸收，以支持骨的增長(zhǎng)，短鏈脂肪酸可提高腸道對(duì)鈣的吸收而維持骨骼的健康[24]。

腸道菌群對(duì)骨的作用可以通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。雌激素缺乏癥產(chǎn)生的慢性炎癥狀態(tài)、飲食中的脂肪和醫(yī)學(xué)濫用抗生素可增加腸道微生物的炎癥環(huán)境，能導(dǎo)致骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生[25]。腸道菌群在免疫系統(tǒng)不斷的溝通，它們有助于抑制無害的共生微生物的免疫反應(yīng)，有助于保護(hù)宿主免受病原體的入侵，無菌動(dòng)物有不成熟的腸道黏膜免疫系統(tǒng)，腸道微生物幫助塑造全身免疫[26]。研究表明[27]，無菌小鼠腸道植入一定細(xì)菌后骨量增加(與破骨細(xì)胞減少有關(guān)系)和免疫系統(tǒng)發(fā)生改變(與降低TNFα和T細(xì)胞的表達(dá)有關(guān))。熱滅活的乳酸乳球菌G50給予衰老小鼠模型1月后加速小鼠老年性骨質(zhì)疏松癥的發(fā)展[28]。可見腸道微生物與腸道免疫系統(tǒng)相互作用共同影響骨代謝。

炎性腸病患者，在小腸粘膜某些面筋蛋白結(jié)合后與HLA-DQ2或HLA-DQ8具有較高的親和力，后激活特異性T細(xì)胞而破壞小腸絨毛的吸收功能，此過程中自身抗原組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶通過增強(qiáng)與DQ2或DQ8T的結(jié)合產(chǎn)生脫蛋白肽進(jìn)而與T細(xì)胞反應(yīng)，產(chǎn)生典型癥狀如骨質(zhì)疏松癥、腹瀉和吸收不良性貧血[29]。炎性腸病在骨質(zhì)疏松發(fā)展中的作用重大[33]。炎性腸病能通過炎性因子(如TNF-ɑ、IL-1、IL-6等)促進(jìn)破骨細(xì)胞的活性；能通過相關(guān)信號(hào)通路(如RANK-RANKL-OPG信號(hào)通路、Wnt信號(hào)通路等)促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟而導(dǎo)致骨量丟失增加；能通過對(duì)維生素及鈣等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)節(jié)，而調(diào)節(jié)骨質(zhì)[30-34]。

4 展望

腸道免疫功能紊亂與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系密切，但往往容易被忽視。腸道免疫功能紊亂患者骨質(zhì)疏松及骨質(zhì)疏松性骨折的風(fēng)險(xiǎn)增加，尤其是在IBD并伴有絕經(jīng)后的女性、老年男性、低身體質(zhì)量指數(shù)、使用糖皮質(zhì)激素患者、有骨質(zhì)疏松癥家族史、及營(yíng)養(yǎng)吸收不良患者更易發(fā)生骨質(zhì)疏松癥及骨折風(fēng)險(xiǎn)。主要治療包括改善骨質(zhì)疏松癥的危險(xiǎn)因素，如鈣和維生素D的補(bǔ)充，糾正激素缺乏癥、戒煙、改善生活方式、控制炎性腸病等。盡管隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，腸道免疫功能與骨質(zhì)疏松癥關(guān)系的研究越來越多，機(jī)制也在不斷地闡明，但該領(lǐng)域仍有許多未知點(diǎn)需要進(jìn)一步闡述，這將會(huì)從腸道免疫途徑治療骨質(zhì)疏松奠定理論基礎(chǔ)。