腸道菌群與骨骼肌消耗癥的研究進(jìn)展

趙俊花 牛 潔 綜述 周 萍 審校

近年來(lái),骨骼肌消耗受到越來(lái)越多的關(guān)注。許多慢性和炎癥性疾病均可引起骨骼肌能量消耗過(guò)多,導(dǎo)致骨骼肌萎縮。其中,肌肉減少癥是一種年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量及力量減少的疾病。隨著疾病的進(jìn)展,患者最終表現(xiàn)為骨骼肌萎縮[1]。據(jù)報(bào)道,在歐洲,60～70歲老年人中肌肉減少癥的患病率為5%～13%,80歲及以上老年人患病率可達(dá)11%～50%[2]。骨骼肌萎縮不僅嚴(yán)重影響患者日常生活,還給社會(huì)帶來(lái)極大經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2000年美國(guó)因肌肉減少癥導(dǎo)致的醫(yī)療保健費(fèi)用約185億美元,占醫(yī)療保健總支出的1.5%[3]。目前大量研究表明,腸道菌群可能參與骨骼肌的能量代謝,因此提出“腸-肌”軸概念。隨著我國(guó)老齡化問題日漸突出,骨骼肌萎縮的治療問題也急需解決。因此,深入研究腸道菌群與骨骼肌消耗之間的關(guān)系,尋找通過(guò)干預(yù)腸道菌群來(lái)預(yù)防和治療骨骼肌萎縮的方法,具有重要意義。本文旨在總結(jié)腸道菌群與骨骼肌萎縮的相關(guān)機(jī)制,以期為預(yù)防或改善骨骼肌萎縮提供新的思考。

腸道菌群與骨骼肌消耗

腸道菌群人體內(nèi)存在大量細(xì)菌,其中腸道內(nèi)細(xì)菌含量最多。目前研究發(fā)現(xiàn),腸道細(xì)菌數(shù)量遠(yuǎn)超過(guò)人體細(xì)胞數(shù)量。使用高通量的16SrRNA基因測(cè)序?qū)δc道菌群進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)人體腸道菌群可分為不同門類,其中約90%以上屬于厚壁菌門和擬桿菌門[4]。不同門類的腸道菌群參與構(gòu)成了腸道內(nèi)的微生態(tài)環(huán)境,并且參與人體自出生直至死亡的整個(gè)生命過(guò)程[5]。

骨骼肌消耗骨骼肌是人體最大的器官,具有可塑性且能夠參與各種機(jī)體活動(dòng)。在腫瘤、嚴(yán)重創(chuàng)傷或代謝紊亂等惡病質(zhì)狀態(tài)時(shí),機(jī)體會(huì)出現(xiàn)骨骼肌蛋白質(zhì)降解增加及合成減少,從而表現(xiàn)為骨骼肌萎縮。B?ckhed等[6]研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群參與骨骼肌能量代謝,并提出了“腸-肌”軸的概念。在慢性腎臟病(CKD)研究中發(fā)現(xiàn),患者腎小球?yàn)V過(guò)率降低,尿素在血液中積聚,并彌散到腸道,使腸道pH升高,從而導(dǎo)致腸道菌群紊亂[7]。唐剛等[8]研究表明,與健康人相比,終末期腎病患者190種腸道菌群發(fā)生顯著變化,其中益生菌數(shù)量顯著減少。腸道菌群紊亂產(chǎn)生的病理性代謝產(chǎn)物可進(jìn)入血液循環(huán),并通過(guò)相關(guān)通路影響骨骼肌消耗,導(dǎo)致骨骼肌萎縮。上述研究進(jìn)一步表明,腸道菌群可以參與骨骼肌消耗,并影響骨骼肌萎縮。

腸道菌群參與骨骼肌消耗的可能機(jī)制

短鏈脂肪酸(SCFA)相關(guān)通路在結(jié)腸內(nèi),腸道菌群可將膳食纖維分解為SCFA和氣體,其中SCFA對(duì)宿主健康是非常重要。Lahiri等[9]研究發(fā)現(xiàn),給予無(wú)菌小鼠SCFA腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng),小鼠體內(nèi)調(diào)節(jié)肌肉萎縮相關(guān)的泛素連接酶Atrogin-1表達(dá)降低,骨骼肌質(zhì)量增加。實(shí)驗(yàn)表明,腸道菌群的代謝產(chǎn)物SCFA在骨骼肌消耗機(jī)制中可能發(fā)揮著重要作用,進(jìn)而影響著骨骼肌的萎縮。

SCFA能與游離脂肪酸受體2和3(Ffar2/3)結(jié)合,促進(jìn)葡萄糖的吸收和代謝,誘導(dǎo)胰島素樣生長(zhǎng)因子1(IGF-1)的釋放[10]。IGF-1與膜受體(IGF-1R)結(jié)合后,可以激活磷脂酰肌醇激酶(PI3K),磷酸化Akt。磷酸化的Akt既可以激活雷帕霉素靶蛋白(mTOR),促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成,又可以磷酸化FoxO使其失去活性,阻斷骨骼肌蛋白質(zhì)降解。另外,SCFA還通過(guò)兩種機(jī)制增加肌肉對(duì)脂肪酸的分解代謝。第一是通過(guò)增加線粒體內(nèi)腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)的活性,使肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT-1)的活性增強(qiáng),從而導(dǎo)致脂肪酸氧化增加。第二是通過(guò)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子1A(PGC-1A)進(jìn)行調(diào)節(jié)。PGC-1A是許多核受體和轉(zhuǎn)錄因子的激活因子,它能調(diào)節(jié)CPT-1的表達(dá),從而增加脂肪酸氧化。在小鼠模型中,已經(jīng)證實(shí)CPT-1和PGC-1A對(duì)肌肉質(zhì)量有著積極作用,能夠抑制肌肉萎縮[11](圖1)。

圖1 短鏈脂肪酸(SCFA)相關(guān)通路與骨骼肌消耗IGF-1:胰島素樣生長(zhǎng)因子;IGF1R:IGF-1膜受體;Ffar2/3:游離脂肪酸受體2和3;mTOR:雷帕霉素靶蛋白;CPT-1:肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1;PGC-1A:過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子1A;PI3K:磷脂酰肌醇激酶;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;FoxO:叉頭型轉(zhuǎn)錄因子;MuRF-1:肌肉特異性環(huán)指蛋白1；Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

腺苷酸激活蛋白激酶相關(guān)通路AMPK是調(diào)節(jié)生物能量代謝的重要分子,已經(jīng)被證實(shí)與腸道菌群有關(guān)[6]。Hall等[12]發(fā)現(xiàn),在惡病質(zhì)小鼠模型中,AMPK的激動(dòng)劑(AICAR)能夠激活A(yù)MPK,抑制γ干擾素(IFN-γ)和腫瘤壞死因子α(TNF-α),從而阻止骨骼肌的消耗。IFN-γ/TNF-α可以破壞肌管內(nèi)線粒體的氧化呼吸,促進(jìn)有氧糖酵解。激活的AMPK通過(guò)抑制IFN-γ/TNF-α,恢復(fù)了肌管的部分代謝功能,抑制了骨骼肌的萎縮。而Lahiri等[9]發(fā)現(xiàn),由于無(wú)菌小鼠和正常小鼠體內(nèi)腸道菌群含量的不同,AMPK被活化的程度也不同?；罨腁MPK可直接調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物的叉頭型轉(zhuǎn)錄因子3(forkhead box class O3,FoxO3),進(jìn)而激活肌萎縮蛋白Fbox-1(Atrogin-1) 和肌肉特異性環(huán)指蛋白1 (MuRF-1)的表達(dá),并通過(guò)自噬-溶酶體和泛素-蛋白酶體 (UPS)兩種信號(hào)通路導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)發(fā)生降解。

因此,在骨骼肌萎縮過(guò)程中,激活的AMPK可能具有雙重作用。在疾病進(jìn)展的早期,AMPK被外源性激活時(shí),可以通過(guò)抑制IFN-γ/TNF-α對(duì)骨骼肌發(fā)揮保護(hù)作用,從而抑制骨骼肌萎縮;但在疾病進(jìn)展的后期,由于骨骼肌線粒體功能障礙和氧化應(yīng)激被激活,AMPK可通過(guò)FoxO/MuRF1/Atrogin-1信號(hào)通路導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)降解,從而導(dǎo)致骨骼肌萎縮(圖2)。

圖2 腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)相關(guān)通路與骨骼肌消耗FoxO:叉頭型轉(zhuǎn)錄因子;MuRF-1:肌肉特異性環(huán)指蛋白1;IFN-γ:γ抑制劑;TNF-α:腫瘤壞死因子α;Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

BA/TGR5/cAMP/D2通路膽汁酸(Bile Acid,BA)是一種腸道菌群的代謝產(chǎn)物,能夠進(jìn)入肌肉,影響肌肉萎縮過(guò)程。Abrigo等[13]從野生型小鼠骨骼肌中提取肌管并分離肌纖維,之后用膽汁酸培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)野生型小鼠肌纖維直徑減小,肌管萎縮。這表明膽汁酸也參與骨骼肌消耗,從而導(dǎo)致骨骼肌萎縮。Ockenga等[14]研究發(fā)現(xiàn),膽汁酸可以激活G蛋白膽汁酸偶聯(lián)受體5(TGR5),激活的TGR5可以使細(xì)胞內(nèi)cAMP水平升高,并誘導(dǎo)甲狀腺激素Ⅱ型脫碘酶(DeiodinaseⅡ,D2)表達(dá),促進(jìn)T4向T3的轉(zhuǎn)化,進(jìn)而啟動(dòng)UCP基因的表達(dá),最終導(dǎo)致骨骼肌能量消耗增加。但是,在對(duì)非酒精性脂肪肝(NaFLD)患者進(jìn)行的一項(xiàng)研究中,Kobayashi等[15]發(fā)現(xiàn),NaFLD患者的膽汁酸水平與骨骼肌質(zhì)量呈正相關(guān)，提示膽汁酸可能還通過(guò)其他機(jī)制抑制骨骼肌萎縮。

Toll樣受體(TLR)通路腸道細(xì)菌的肽聚糖、脂多糖(LPS)和鞭毛蛋白可以被骨骼肌細(xì)胞的TLR-2、TLR-4、TLR-5和TLR-9識(shí)別。有研究表明,CKD患者腸道菌群紊亂可引起LPS增多,并通過(guò)LPS/TLR/核因子κB(NF-κB)信號(hào)通路影響骨骼肌消耗,從而導(dǎo)致骨骼肌萎縮[8]。在Lewis肺癌小鼠模型實(shí)驗(yàn)中,Zhang等[16]觀察到Lewis肺癌細(xì)胞條件培養(yǎng)液(LCM)處理的C2C12肌管能通過(guò)TLR4激活p38 MAPK-C/EBPβ信號(hào)通路,導(dǎo)致肌管萎縮。故TLR主要是通過(guò)兩種機(jī)制影響骨骼肌消耗:一是增加NK-κB活性,促進(jìn)IL-6和TNF-α的表達(dá),進(jìn)而引發(fā)肌管的炎癥反應(yīng);二是通過(guò)MAPK促進(jìn)Atrogin-1和MuRF1基因的表達(dá),激活UPS和自噬-溶酶體兩種信號(hào)通路,從而導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)發(fā)生降解(圖3)。

圖3 TLR通路與骨骼肌消耗LPS:脂多糖;TLR:Toll樣受體;NF-κB:核因子κB;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;IFN-γ:γ抑制劑;TNF-α：腫瘤壞死因子α;MuRF-1:肌肉特異性環(huán)指蛋白1;UPS:泛素-蛋白酶體；Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

糖皮質(zhì)激素(GCs)對(duì)骨骼肌的糖代謝、脂代謝以及蛋白質(zhì)代謝有多種調(diào)控途徑[17]。(1)在糖代謝過(guò)程中,GCs可促進(jìn)磷脂酰肌醇-3-激酶調(diào)節(jié)亞基1(Pik3r1)的表達(dá)。Pik3r1能夠與胰島素受體底物1(IGF-1R)競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,阻斷胰島素信號(hào)通路。此外,Pik3r1還能激活磷酸酶及張力蛋白同源基因(PTEN),抑制PI3K活性,從而抑制胰島素信號(hào)通路。(2)在脂質(zhì)代謝過(guò)程中,GCs可以使骨骼肌內(nèi)的神經(jīng)酰胺和二酰甘油累積,誘發(fā)胰島素抵抗,從而抑制骨骼肌的脂代謝。(3)在蛋白質(zhì)代謝過(guò)程中,GCs可通過(guò) FoxO促進(jìn)MuRF1與Atrogin-1 表達(dá),激活UPS和自噬-溶酶體途徑,導(dǎo)致骨骼肌蛋白質(zhì)降解;此外,GCs還可通過(guò)促進(jìn)Pik3r1的表達(dá),抑制PI3K/Akt/mTOR通路,從而抑制骨骼肌蛋白質(zhì)合成。Lahiri等[9]觀察發(fā)現(xiàn),無(wú)菌小鼠體內(nèi)下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)活性升高,進(jìn)而GCs水平增高。通過(guò)構(gòu)建體外肌管模型,研究發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)激素可以使肌管中Atrogin-1的表達(dá)增高,導(dǎo)致肌管萎縮。這表明,腸道菌群可以促進(jìn)宿主體內(nèi)GCs的釋放,進(jìn)而導(dǎo)致骨骼肌的萎縮。

調(diào)節(jié)腸道微生態(tài)改善骨骼肌萎縮

益生菌益生菌是一類可以定植在宿主胃腸道并對(duì)宿主產(chǎn)生益處的活性微生物。其中,乳酸桿菌和雙歧桿菌應(yīng)用最為廣泛。An等[18]實(shí)驗(yàn)表明,益生菌可以增強(qiáng)腸道免疫反應(yīng)及黏膜屏障功能,減少有害物質(zhì)進(jìn)入宿主循環(huán)系統(tǒng),從而減少炎癥反應(yīng),阻止因炎癥反應(yīng)導(dǎo)致的骨骼肌萎縮。此外,SUN等[19]發(fā)現(xiàn),益生菌可以使小鼠糞便中SCFA的含量升高。SCFA可促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成,同時(shí)抑制骨骼肌蛋白質(zhì)降解,通過(guò)調(diào)控能量代謝來(lái)改善骨骼肌萎縮。以上實(shí)驗(yàn)表明,益生菌可以有效改善骨骼肌萎縮。這為臨床治療骨骼肌萎縮提供了新的思路。

益生元益生元是一類能夠被人體內(nèi)的微生物進(jìn)行選擇性利用,并且促進(jìn)人體健康的物質(zhì)。益生元的種類豐富,其中的菊粉和低聚果糖能促進(jìn)乳酸桿菌、雙歧桿菌等有益菌群的生長(zhǎng),同時(shí)抑制有害菌群的生長(zhǎng)。Theou等[20]選取50例療養(yǎng)院居民進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn),讓居民分別服用益生元和安慰劑。13周后,服用益生元組的居民與服用安慰劑組的居民相比,其骨骼肌萎縮情況有明顯改善。這證明益生元可以通過(guò)改變腸道菌群的組成,改善腸道微環(huán)境,進(jìn)而影響骨骼肌萎縮。由于益生元安全有效且無(wú)副作用,臨床醫(yī)生或許可以嘗試將益生元制品應(yīng)用到預(yù)防或治療骨骼肌萎縮中。

合生元益生菌和益生元兩者結(jié)合形成的一種腸道微生態(tài)復(fù)合制劑稱為合生元。合生元在腸道內(nèi)兼具益生菌活性作用和益生元對(duì)腸道的保護(hù)作用。在對(duì)40例危重患者研究中,Seifi等[21]發(fā)現(xiàn),通過(guò)腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)方式給予合生元治療,患者骨骼肌萎縮癥狀明顯緩解,這表明合生元也能通過(guò)改變腸道微生態(tài)影響骨骼肌消耗。因?yàn)楹仙牟涣挤磻?yīng)少見,患者依從性好,臨床療效可能優(yōu)于其他藥物。

維生素D 維生素D是一種類固醇激素,除了調(diào)節(jié)鈣磷代謝,還可調(diào)節(jié)腸道菌群,保護(hù)腸道黏膜。在關(guān)于維生素D與嬰兒腎病型膀胱氨酸血癥的研究中,Cheung等[22]發(fā)現(xiàn),患病小鼠補(bǔ)充維生素D后,肌肉萎縮狀況明顯改善。此外,在結(jié)直腸癌小鼠實(shí)驗(yàn)中,小鼠補(bǔ)充適量的維生素 D 后,腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變,肌肉萎縮狀況也明顯好轉(zhuǎn)[23]。以上實(shí)驗(yàn)表明,維生素D可以改善骨骼肌萎縮,或許能成為臨床上治療骨骼肌萎縮的一種新方法。

糞菌移植糞菌移植是一種將健康供者糞便中的功能菌群移植到患者腸道內(nèi),通過(guò)重建患者腸道菌群結(jié)構(gòu)來(lái)治療某些疾病的新興技術(shù)。目前,在胃腸道疾病、自身免疫性疾病、神經(jīng)退行性疾病等多種疾病治療中,糞菌移植已經(jīng)被成功應(yīng)用。Chen等[24]給小鼠腹腔注射5-FU,小鼠骨骼肌發(fā)生明顯萎縮。之后給小鼠進(jìn)行糞菌移植,發(fā)現(xiàn)小鼠腸道菌群相對(duì)豐度明顯增加,骨骼肌萎縮明顯改善,表明糞菌移植可以通過(guò)調(diào)整腸道菌群結(jié)構(gòu)治療骨骼肌萎縮,為臨床治療骨骼肌萎縮提供了一種新的思路。需注意的是,糞菌移植并非毫無(wú)風(fēng)險(xiǎn),研究人員還需制訂嚴(yán)格的流程,對(duì)捐贈(zèng)的糞便進(jìn)行全面檢驗(yàn)及篩選,以確保其移植后的安全性及有效性。

植物活性物質(zhì)番茄紅素是一種常見的類胡蘿卜素,廣泛存在于番茄、西瓜等水果中。Wiese等[25]研究發(fā)現(xiàn),番茄紅素能顯著增加小鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌和乳酸桿菌的相對(duì)豐度,改善腸道菌群結(jié)構(gòu),影響骨骼肌萎縮。在Adams等[26]研究中,番茄紅素被證實(shí)是骨骼肌萎縮的天然小分子抑制劑。番茄紅素可以激活PI3K/Akt/mTOR通路中的mTOR,促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)的合成,從而抑制骨骼肌萎縮。

白藜蘆醇(RSV)是存在于核桃、漿果和葡萄等多種植物中的天然多酚。在CKD小鼠模型中,Sun等[27]發(fā)現(xiàn),RSV可以通過(guò)下調(diào)MuRF1的表達(dá),減少骨骼肌蛋白質(zhì)降解,進(jìn)而減輕骨骼肌萎縮。Korsholm等[28]對(duì)患有代謝綜合征的中年男性進(jìn)行為期4個(gè)月的RSV治療后,發(fā)現(xiàn)患者腸道菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,患者骨骼肌萎縮明顯減輕。

白術(shù)內(nèi)酯Ⅲ(ATL-Ⅲ)是白術(shù)根莖的主要成分。Wang等[29]實(shí)驗(yàn)表明,ATL-Ⅲ是一種肌肉萎縮的保護(hù)性藥物,通過(guò)氧化應(yīng)激介導(dǎo)的PI3K/Akt/mTOR途徑,促進(jìn)骨骼肌蛋白質(zhì)合成,改善CKD小鼠的骨骼肌萎縮。

綜上所述,在小鼠實(shí)驗(yàn)中,已知植物活性物質(zhì)可以有效改善骨骼肌萎縮,但其臨床應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。

總結(jié)與展望

骨骼肌萎縮造成的負(fù)擔(dān)日益增加。隨著對(duì)腸道菌群和骨骼肌消耗研究的深入,兩者相互影響的機(jī)制也日漸清晰,包括SCFA相關(guān)通路、AMPK相關(guān)通路、BA/TGR5/cAMP/D2通路、TLR通路及GCs相關(guān)通路等。由此可見能引起骨骼肌消耗的因素多種多樣,通路錯(cuò)綜復(fù)雜,因此腸道菌群對(duì)骨骼肌消耗的影響機(jī)制仍需繼續(xù)探索。另外,由于腸道菌群改善骨骼肌萎縮的研究多是動(dòng)物實(shí)驗(yàn),因此還需更多的臨床隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)加以證實(shí),為腸道菌群治療骨骼肌萎縮展開更廣闊的前景。