腸道菌群在骨質疏松癥發(fā)病機制中的研究

何姣姣 陳玉林 張敏陳以發(fā) 楊雅*

1.南昌大學第二附屬醫(yī)院內分泌代謝科,江西 南昌 330006

2.贛州市人民醫(yī)院內分泌代謝科,江西 贛州 341000

骨質疏松癥是由于骨吸收大于骨形成引起的全身性骨病,骨密度的減低及骨微結構的破壞導致骨質疏松癥患者骨折的風險極高,嚴重影響患者生活質量及生命健康。據(jù)統(tǒng)計,全球約有2億女性骨質疏松癥患者,隨著年齡增加骨質疏松癥的患病率逐漸上升[1]。人口老齡化使得骨質疏松癥給全世界帶來了沉重的醫(yī)療負擔及經(jīng)濟負擔。在哺乳動物腸道中含有大量而豐富的微生物群,包括細菌、病毒、真菌和原生動物,統(tǒng)稱為腸道微生物群。腸道中約含有100萬億個微生物,目前已知有上千種細菌在人類胃腸道內定殖[2]。近年來,隨著對骨質疏松癥發(fā)病機制的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)腸道菌群在骨質疏松癥的發(fā)病機制中發(fā)揮著重要作用[3]。

1 骨免疫學與微生物-腸-骨軸

骨質疏松癥是一種以慢性低度炎癥為特征的全身性疾病,免疫細胞、細胞因子及趨化因子與骨質疏松癥密切相關,免疫系統(tǒng)對骨轉換的影響常常表現(xiàn)為 B、T細胞激活,白介素-17(interleukin-17,IL-17)、IL-6及核因子κ-B 配體激活受體(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand,RANKL)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor,TNF-α)等促骨吸收因子增多[4]。腸道菌群主要通過引起免疫系統(tǒng)以下幾個方面的變化來調節(jié)骨代謝。

1.1 T細胞

雌激素缺乏可增加腸道通透性,導致腸道微生物成分激活T細胞并使得腸壁中的TNF+T細胞和輔助T細胞17(T helper 17 cells, Th17)細胞增多,從而增加腸壁固有層中TNF和IL-17的產(chǎn)生[5]。去卵巢小鼠腸道總T細胞、TNF+T細胞和Th17細胞從腸組織遷移到骨髓[6]。TNF水平的增加可能上調骨髓細胞CCL20的表達,Th17細胞向骨髓的歸巢由趨化因子配體CCL20(由骨髓基質細胞表達)和趨化因子受體CCR6(由Th17細胞表達)驅動。而TNF+T細胞向骨髓的歸巢是由趨化因子受體CXCR3驅動的,該受體與其配體CXCL9、CXCL10和CXCL11結合[6]。

1.2 Treg-Th17細胞平衡

調節(jié)性T細胞(regulatory cells,Tregs)是CD4+T細胞一個子集,其表面的CTLA-4與破骨細胞前體細胞CD80/CD86結合,促進破骨細胞的凋亡,具有骨保護作用[7]。另一CD4+T細胞亞群Th17主要通過產(chǎn)生破骨細胞生成因子,如IL-17A、RANKL、TNF-α和IL-6,以及低水平的γ-干擾素(Interferon-γ,IFN-γ)發(fā)揮作用介導骨丟失[8]。Treg-Th17細胞之間的平衡對骨量的維持具有重要作用。嗜酸乳桿菌和克勞斯芽孢桿菌被證明通過調節(jié)Treg-Th17細胞之間的平衡來抑制去卵巢誘導的小鼠骨丟失?？藙谑涎挎邨U菌通過調節(jié)Treg-Th17細胞之間的平衡,降低促炎細胞因子(IL-6、IL-17和TNF-α)的水平,增加抗炎細胞因子(IL10和IFN-γ)的水平發(fā)揮作用[9]。

1.3 促炎性破骨細胞因子

年老的小鼠腸道菌群的改變會降低骨量,破壞骨強度[3]。腸道菌群在絕經(jīng)后骨質疏松癥的發(fā)病機制中亦發(fā)揮著重要作用。與正常小鼠相比,去卵巢小鼠的小腸促炎細胞因子(包括IL-1、IL-6和TNFα、IL-17)顯著增加,而去卵巢小鼠經(jīng)口灌胃短乳桿菌AR281顯著抑制IL-1、IL-6和TNFα、IL-17的水平[10]。促炎破骨細胞主要通過RANKL/骨保護素(osteoprotegerin,OPG)影響骨吸收。普通雙歧桿菌降低脂多糖濃度并導致TLR-4/p-NF-κB/TNF-α炎癥通路的下調,進一步改善卵巢切除小鼠的腰椎骨質流失[11]。

2 環(huán)境與微生物-腸-骨軸

人類的生命活動與環(huán)境密切相關,特別是光照及溫度的影響。

2.1 光照

紫外線輻射(ultraviolet radiation,UVR)和紅外輻射(infrared light,IR)是陽光光譜中主要的健康光區(qū)域。既往認為紫外線照射能夠通過增加內源性維生素D的生成維持骨骼健康[12]。近年來有研究[13]發(fā)現(xiàn)窄譜紫外線在增加維生素D生成的同時可以快速調節(jié)腸道微生物群,血清25(OH)D濃度與乳桿菌屬的相對豐度呈正相關?？紤]其機制可能是皮膚微生物組在窄譜紫外線的輻射下發(fā)生變化,導致先天性和適應性免疫細胞的局部變化,然后將這些細胞運送到腸道進而影響腸道菌群。同時研究[14]發(fā)現(xiàn)紅外線可誘導丹毒絲菌科、梭菌科和卟啉單孢科增加,并通過抑制炎癥及增加丁酸的生成改善骨代謝。

2.2 溫度

溫暖(34 ℃)的環(huán)境誘導腸道微生物群變化,如阿克曼菌科,并且與骨密度的升高有關[15]。此外有研究發(fā)現(xiàn),溫暖環(huán)境中飼養(yǎng)的小鼠糞便中移植微生物群能夠防止卵巢切除引起的小鼠骨質流失。研究發(fā)現(xiàn)阿克曼菌科定殖的增加觸發(fā)了亞精胺的產(chǎn)生,亞精胺屬于骨保護劑,多胺生物合成抑制劑能阻斷溫熱對性腺功能減退小鼠的骨保護作用[16]。

3 營養(yǎng)素與微生物-腸-骨軸

微量營養(yǎng)素的補充與腸道菌群的調節(jié)相互影響骨代謝的發(fā)揮作用。鈣劑的補充是骨質疏松癥患者的基礎治療。補充鈣劑會引起腸道微生物種類及其代謝產(chǎn)物譜的變化。鈣劑補充增加了腸道厚壁菌門豐度,并使擬桿菌門豐度降低[17]。維生素D對葡萄球菌和埃舍利希菌具有抑制作用,并且能促進擬桿菌等有益細菌定殖[18]。盲腸、肝臟和腎臟中的維生素K含量主要由微生物衍生的甲基萘醌甲基萘醌(menaquinones,MK5-13)組成,約占維生素K總含量的83.3 % ～ 99.9 %。維生素K依賴的γ羧基化是含Gla的蛋白質與骨組織正確結合所必需的。腸道微生物群破壞小鼠的盲腸維生素K總含量較低。在盲腸,腸道微生物群的破壞導致存在的維生素K的形式發(fā)生劇烈變化(MK10和MK11減少,MK7和MK8增加)[19]。鈣劑、維生素D、維生素K這些微量營養(yǎng)素與腸道菌群相互作用以調節(jié)骨質量。

4 黏膜屏障與微生物-腸-骨軸

腸道粘膜屏障是人體內與外環(huán)境的交界面,腸道粘膜的完整性對于防止有害物質(如毒素、細菌)進入體內具有重要意義[20]。腸道菌群可以通過影響粘膜屏障功能影響骨代謝。脂多糖(lipopolysaccharide ,LPS)是一種內毒素,是革蘭氏陰性菌外膜的重要組成部分。在經(jīng)RANKL或LPS處理的原代細胞中可以觀察到Toll樣受體4(TLR4)的膜水平增加,內毒素/TLR4信號途徑分泌的腫瘤壞死因子-α可調節(jié)RANKL誘導的破骨細胞的生成[21]?？梢娫谘装Y性骨病中脂多糖/TLR4/腫瘤壞死因子α軸對破骨細胞的分化具有重要意義。腸道粘膜的完整性可防止細菌脂多糖接觸固有層中的巨噬細胞TLR-4,防止骨質疏松癥[11]。短乳桿菌AR281能夠抑制由雌激素缺乏引起的腸道緊密連接蛋白表達水平顯著下調,包括claudin-2、claudin-3、ZO1和occludin[10]。腸道微生物對腸道粘膜屏障的影響也被證實其參與了糖皮質激素誘導的骨質疏松癥[22]。

5 腸道菌群代謝物與微生物-腸-骨軸

腸道微生物群通過多種代謝產(chǎn)物調節(jié)宿主炎癥狀態(tài),從而影響多種疾病,如類風濕關節(jié)炎、結直腸癌、肥胖和糖尿病[23]。近年來,腸道微生物組的變化同樣被證明與骨相關疾病有關,如骨關節(jié)炎和絕經(jīng)后骨質疏松癥[24]。胞外多糖(exopoly saccharides,EPS)是一種由細菌產(chǎn)生、存在于細胞表面的結構中并可以分泌至胞外的長多糖鏈[25]。一種雙歧桿菌-長雙歧桿菌(B. longum),其表面的EPS624被認為通過單核細胞來源的樹突狀細胞中TLR2信號抑制破骨細胞形成從而預防絕經(jīng)后骨質疏松癥的發(fā)生[26]。其他腸道菌群的諸多代謝產(chǎn)物亦被證明具有重要的骨代謝調節(jié)作用。

5.1 尿石素-A

尿石素-A(urolithin A ,Uro-A)是一種天然的腸道微生物衍生代謝產(chǎn)物,由攝入的鞣花單寧和鞣花酸產(chǎn)生。然而,只有40 %的老年人能夠將膳食纖維轉化為Uro-A[27]。這種轉化取決于個人腸道菌群的屬性、生物健康狀況和飲食習慣。Uro-A被證明具有抗炎、抗氧化作用[28]。Uro-A可以通過下調炎癥級聯(lián)反應來減輕RAW264.7誘導的破骨細胞形成[29]。目前認為RANKL誘導體外破骨細胞生成中Uro-A通過增強的自噬作用抑制骨吸收,并通過抑制絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated proteinkinase ,MAPK )信號通路進而抑制破骨細胞的形成[30]。

5.2 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids ,SCFA)由腸道細菌通過非消化性多糖發(fā)酵產(chǎn)生,與宿主免疫系統(tǒng)的成熟有關,包括誘導外周調節(jié)性T細胞、防止感染、調節(jié)代謝率和能量穩(wěn)態(tài)[31]。人類短鏈脂肪酸的主要來源于食物纖維以及肽和蛋白質在腸道內微生物發(fā)酵,其中丁酸、丙酸和醋酸鹽占結腸中SCFA總量的90 %[32]。SCFA誘導破骨細胞的代謝重編程,導致以氧化磷酸化為代價的糖酵解增強,從而下調必要的破骨細胞基因,如TRAF6和NFATc1直接抑制破骨細胞活性[33];醋酸鹽可上調MC3T3-E1細胞堿性磷酸酶mRNA的表達,具有促進成骨細胞分化的能力[34]。而丁酸被認為是iPTH促進骨合成代謝所必需的,丁酸增強了iPTH誘導原始CD4+T細胞分化為Tregs的能力,而Tregs能誘導CD8+T細胞釋放Wnt10b激活成骨細胞中的Wnt信號刺激骨形成[35]。

5.3 吲哚-3-丙酸

吲哚-3-丙酸(indolepropionic acid ,IPA)是一種腸道微生物群衍生的色氨酸代謝產(chǎn)物。有研究發(fā)現(xiàn)補充益生菌可提高吲哚-3-丙酸水平,防止肥胖小鼠的腸道炎癥和并通過緊密連接蛋白(ZO-1、ocludin和Claudin-5)的表達影響腸道通透性;IPA通過增加組蛋白脫甲基酶Kdm6b的結合和降低H3K27 me3與Tfam啟動子的結合來增強線粒體轉錄激活因子Tfam,從而促進成骨細胞分化;此外,IPA可以抑制TLR4受體的表達,并防止內毒素誘導的成骨細胞功能障礙[36]。

5.4 膽汁酸

法尼醇X受體(farnesoid x receptor ,FXR)是由膽汁酸(bile acids,BAs)直接激活的核受體,膽汁酸也是膜結合的G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein coupled bile acid receptor 1 ,GPBAR1)又稱為TGR5的配體,FXR和TGR5調節(jié)糖、脂和能量代謝[37]。近年來有研究[38]發(fā)現(xiàn),骨質疏松癥導致膽汁酸分泌增加,膽汁酸對腸道細菌的抗菌作用導致腸道菌群物種豐度的變化,這種作用可能會增加膽汁酸代謝菌群,減少膽汁酸敏感菌群,進而影響膽汁酸腸道代謝,影響血清膽汁酸濃度,最終影響破骨細胞活性并導致骨量損失。TGR5通過AMP激活蛋白激酶(AMP-activated protein kinase ,AMPK)信號通路抑制破骨細胞分化,TGR5和FXR雙重激活可有效改善小鼠雌激素缺乏引起的骨丟失[39]。

6 內分泌骨信號因子與微生物-腸-骨軸

6.1 雌激素

基礎及臨床試驗均證明,雌激素缺乏性骨質疏松癥患者表現(xiàn)出明顯的腸道菌群改變[6,40]。重建小鼠腸道菌群顯示出對絕經(jīng)后骨質疏松癥的益處。例如,補充短乳桿菌AR281重建去卵巢小鼠的腸道菌群可通過減輕骨吸收發(fā)揮抗骨質疏松癥作用。核因子-κB(nuclear factor-kappa B,NF-κB)通過激活c-Fos和活化T細胞核因子1(nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1,NFATc1)調節(jié)RANKL誘導的破骨細胞前體細胞分化[41]。短乳桿菌AR281不僅通過抑制促炎性破骨細胞因子調節(jié)RANKL/OPG比值,在RANKL和RANK結合后,可通過TRAF6/NF-κB/NFATc-1途徑抑制破骨細胞前體細胞分化為破骨細胞[10]。

6.2 PTH

甲狀旁腺素(parathyroid hormone,PTH)是一種由甲狀旁腺合成的促鈣激素。間歇性注射PTH(intermittent PTH treat-ment,iPTH) 能夠刺激骨形成和骨吸收, 在調節(jié)骨骼發(fā)育和成熟中發(fā)揮重要作用。有研究[42]證明這一作用依賴于腸道菌群及其代謝產(chǎn)物,iPTH需要生理濃度的丁酸調節(jié)Treg并誘導骨合成代謝。同時iPTH需要微生物群來增加骨髓中轉化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β1)和胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor- 1,IGF-1)的產(chǎn)生,在用廣譜抗生素去除微生物群后的無菌雌性小鼠中,iPTH無法誘導骨形成。

6.3 5-羥色胺

腸道內分泌細胞共同構成體內最大的內分泌組織。這些細胞分散在胃腸道上皮內,約占胃腸道所有細胞的1%。它們由一系列不同類型的細胞組成。胃腸粘膜內的腸嗜鉻細胞(enterochromaffin cell,EC)是專門的腸內分泌細胞,合成和分泌全身90 % ～ 95 %的5-羥色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)[43]。長期攝入酒精可改變腸道微生物組成,導致5-HT分泌增多,進而顯著抑制BMSCs的成骨活性和骨礦化導致骨質疏松癥[44]。細胞內5-HT受體6(5-HT receptors 6,5-HT6R)信號與RhoA GTP酶激活有關并參與破骨細胞的成熟,抑制5-HT6R介導的RhoA GTPase信號對卵巢切除小鼠骨丟失具有保護作用[45]。腸源性5-HT是微生物調節(jié)骨內穩(wěn)態(tài)的重要中間因素。

6.4 胰島素樣生長因子-1

胰島素樣生長因子-1(insulin-like growth factor- 1,IGF-1)是一種調節(jié)生長的重要內分泌激素,可通過Wnt/β-catenin途徑促進骨髓間充質干細胞(BMSCs)的增殖和成骨分化,對骨累積和成熟至關重要[46]?？股刂委熞鸬闹貜托暂p度創(chuàng)傷性腦損傷(RmTBI)會導致GH分泌異常,最終中斷GH/IGF-1軸影響骨骼發(fā)育[47]。廣譜抗生素或萬古霉素可降低無特定病原體(specific pathogen Free,SPF)小鼠的血清IGF-1水平,微生物群定殖后腸道細菌衍生的SCFA誘導肝臟和脂肪組織產(chǎn)生IGF-1,增加循環(huán)IGF-1水平從而促進骨形成[48]。

綜上所述,環(huán)境、營養(yǎng)物質、腸粘膜屏障、腸道代謝產(chǎn)物、內分泌激素、免疫對骨代謝的影響與腸道菌群的調節(jié)息息相關。益生菌可維持腸道粘膜屏障完整性,減少細菌及毒素導致的集體免疫激活從而發(fā)揮骨保護作用,其產(chǎn)生的有利代謝產(chǎn)物如尿石素-A、短鏈脂肪酸等亦能發(fā)揮重要的抗骨質疏松癥效應。不僅如此,環(huán)境、營養(yǎng)素及體內激素水平也通過腸道菌群發(fā)揮調節(jié)骨代謝的作用,腸道菌群又可以通過促進腸道內分泌激素的釋放、免疫系統(tǒng)的激活進一步影響骨代謝。微生物-腸-骨軸為各型骨質疏松癥發(fā)病機制的研究提供了新的思路。但值得注意的是,盡管腸道菌群可通過多種途徑影響骨代謝,但對于不同類型的骨質疏松癥其機制不盡相同,具體作用途徑仍需要更多針對性的研究?？傊?益生菌、益生元的補充有望作為一種廉價便利的方式應用于骨質疏松癥的預防甚至是治療當中,值得后續(xù)臨床研究進一步予以證實。