肠道菌落
——治疗骨质疏松症新靶点

赵佳伟， 唐国涛

(南华大学衡阳医学院药学院药物药理研究所 湖南省分子靶标新药研究协同创新中心，湖南省衡阳市421001)

肠道菌落的失调不仅影响着成骨细胞和破骨细胞的分化和活力，而且与人体早期的骨骼密度密切相关，是诱发骨质疏松的重要因素。本文探讨肠道菌落调控骨质疏松的潜在机制。

1 骨质疏松发病机制

骨骼受到损坏时，受损的骨骼和凋亡的骨细胞会被来源于单核吞噬细胞系的破骨细胞吸收，随后经间充质干细胞在相关细胞因子，激素的调节作用下分化为成骨细胞并聚集于骨基质表面上进行增殖分化和钙质积累，最终形成新骨[1-3]。成年人每年有一定比例的骨骼进行更新，但总体骨量会保持相对稳定。骨骼重塑的稳态会因长期营养不良、性激素水平降低、抽烟和喝酒等不良的生活方式被打破，进而引发骨质疏松(osteoporosis，OP)。患者常表现为骨微结构破坏，骨脆性增大，骨折风险增加等症状[4]。目前，抑制破骨细胞吸收的药物(双磷酸盐、雌激素类、降钙素等)只能抑制骨质的流失而不能增加骨量[5]。另外，一些药物伴有颌骨骨折和乳腺癌等不良反应[6]，患者也不宜长期服药。OP是一种慢性疾病，骨质积累周期漫长，因而需要进行长期治疗。因此探索其发病机制及治疗方法才能有效改善骨骼健康。

2 肠道菌落对OP的影响

随着现代分子生物技术的快速发展，人类微生物群对骨骼重塑起着重要的作用，调节肠道菌落的生长状态逐渐成为改善骨质健康的潜在靶点[7]。肠道菌落多样性随年龄而变化，与老年人的骨骼健康指数呈负相关。研究发现，绝经后骨质疏松症人群体内的细菌丰富度和多样性降低[8]。其中，骨质流失人群的肠道菌落中大肠杆菌和韦氏菌高于健康人群，且与健康人群相比，骨质疏松症受试者体内放线菌、埃格特菌、梭菌和乳酸杆菌的含量更高。这可能源于梭菌产生丁酸盐调节了骨骼的重塑。研究发现，厚壁菌和放线菌与骨密度呈正相关，而拟杆菌与骨密度成反比，补充双歧杆菌,乳酸菌等益生菌可逆转小鼠骨质的流失[9]。以上研究表明肠道菌落的改变与骨骼的重塑有着重要的联系。不过，目前肠道菌落对骨质的影响结果也存在一些矛盾研究[10]，这很可能是由于肠道菌落的差异性以及实验中选用动物模型不一致所导致的。

3 肠道菌落调节骨量的机制

3.1 促进钙吸收

肠道菌落状态影响着胃肠道对营养物质的吸收。钙是骨骼重塑所必须矿物质，其经成骨细胞吸收矿化后以磷酸氢钙和羟基磷灰石的形式分布于旧骨上。许多肠道菌落会影响营养吸收。肠道中乳酸杆菌和双歧杆菌水平升高可以促进钙、镁和磷等矿物质的吸收，从而增加骨密度[11]。临床研究表明，单纯补钙效果往往不佳，而且常会引发高钙血症，故联合维生素与钙的治疗可以提升肠道对钙的吸收[12]。体内维生素B、维生素K和维生素D可由肠道菌落自身生成，经肠道内壁被吸收并通过体循环分布至全身，促进全身骨骼的发育。当体内钙充足时，肠道中的维生素D及其代谢产物可维持肠道菌落的稳态和促进骨基质中矿物质的沉积[1]。

此外，肠道内未消化吸收的碳水化合物经结肠内厌氧菌酵解产生短链脂肪酸会提升骨形成标志物的表达水平，促进成骨细胞分化和抑制破骨细胞的吸收。短链脂肪酸的生成过程中降低了肠道内的pH，增加钙离子含量，进一步增强骨质对钙的吸收[10]。在缺钙的情况下，维生素D会抑制骨矿化，增强骨吸收，从而以牺牲骨量为代价维持血钙稳态。这在一定程度证明了骨质疏松患者不可单纯通过补维生素D来治疗，而应注重和钙剂联合使用。

3.2 调节免疫系统

免疫系统与骨密度降低、骨吸收增加和骨折风险增加相关。肠道菌落与肠道表面的树突细胞和众多免疫细胞密切接触，影响着肠道内炎性因子的释放，进而调节骨量的平衡[13]。性类固醇缺乏会增加肠道通透性，增加辅助性T-17细胞的数量，并上调肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)、白细胞介素-17(interleukin 17,IL-17)和核因子κB受体活化因子配体在小肠和骨髓中的表达[14-15]。以上因子是骨质疏松检测评价的重要指标，其迁移到骨组织直接调节核因子κB(nuclear factor kappa-B，NF-κB)，进而激活破骨细胞的分化和活化[16]。肠道菌落可以增加转化生长因子-β(transforming growth factor,TGF-β)、IL-10等抗炎因子的分泌，抑制破骨细胞的增殖分化，诱导破骨细胞凋亡，减少骨吸收，从而增加骨量改善原发性骨质疏松症[15]。除此之外，短链脂肪酸是免疫细胞调节剂，可调节结肠中T细胞的数量和功能，抑制免疫因子诱导的破骨细胞分化和增殖[17]。

3.3 调节激素分泌

激素是影响人类骨骼重塑的重要刺激因素。一项随机、双盲、安慰剂对照临床试验发现，向骨密度降低的老年人提供路氏乳杆菌会导致骨量增加[18]。无菌小鼠在雌激素阻滞后表现出大量的骨丢失症状，而口服益生菌和异黄酮苷元会刺激雌激素的产生，显著减少雌激素缺乏引起的骨质流失，从而改善OP[17]。胰岛素生长因子-1(insulin-like growth factor-I，IGF-1)是改善骨骼重塑的重要激素。肠道菌落可以调节IGF-1水平，从而调节年轻和中年小鼠的骨形成和吸收。如抗生素治疗后小鼠血清IGF-1显著降低，导致骨形成受到抑制，而抗生素治疗的小鼠补充短链脂肪酸可使IGF-1和骨质量恢复至抗生素治疗前的水平，表明肠道菌落可能通过其自身的代谢产物调节IGF-1影响骨骼的重塑[18]。肠道菌落的改变因个体性别不同而造成炎症表型差异，这可能是由于不同性别对性激素灵敏度和耐受度等因素导致[16]。

3.4 调节肠-脑-骨轴

肠道菌落在神经系统中具有合成激素和神经递质的重要作用。5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)已被认为在骨发育和维持中起着重要的调节作用，按其生成位置可分为中枢型和外周型，且不同来源的5-HT对骨转换有不同的作用。据报道，肠道来源的5-HT与骨丢失有关，而脑来源的5-HT导致骨形成[19]。其中脑干脊髓神经元合成的5-HT作用于中枢神经系统，主要通过激活腹内侧下丘脑神经元上的5-HT受体来促进骨骼生长[13]。使用5-HT抑制剂降低5-HT水平可以防止卵巢切除术引起的骨丢失[13]，这可能是该抑制剂阻滞了肠来源的5-HT激活破骨细胞所致。

3.5 其他因素

通过基因测序分析人体肠道菌落的组成和丰富度有助于发现骨质疏松人群中异样的肠道菌落，从而诊断多种疾病。尽管骨密度与肠道菌落遗传之间的联系目前还不清楚，但宿主基因也会通过肠道菌落影响骨骼的重塑[4]。除此之外，服用药物和运动行为也参与着肠道菌落的调控。研究发现，当使用抗生素破坏幼年小鼠的肠道菌落时，IGF-1的水平降低[18]，因而合理适度地使用抗生素对于肠道菌落的保护有着重要的作用。长期使用抗生素会大大降低肠道菌落的生物多样性，提升肠道来源的5-HT水平，进而降低骨对矿物质的吸收。除此之外，运动对于肠道菌落也起到一定的调节作用[16]。

4 改善肠道菌落促进骨骼健康

4.1 饮食调节改善肠道菌落

食物供应着人体生长发育所需的营养外，还决定着宿主体内的菌落类型和比例。通过长期合理的饮食方式维持骨骼健康和预防骨折可能是目前最经济有效，可持续的方法之一。长期高脂高糖的饮食方式会改变肠道菌落的结构和代谢活性，造成骨质流失加剧[20]。适当补充益生菌能促进成骨细胞对体内矿物质元素的吸收，增强骨质量。除补充钙剂和维生素外，饮食补充低聚糖、碳水化合物和膳食纤维可以恢复肠道菌落的平衡、改变肠道菌落的组成和抵抗炎症反应。高纤维食品可降低肠道酸度，促进矿物质的吸收[8]。乳酸杆菌或市售益生菌补充剂喂养摘除卵巢小鼠，完全抑制了与雌激素缺乏相关的骨丢失[14]。因而摄入定量的发酵食物和膳食纤维对于改善肠道菌落组成和促进肠上皮黏膜屏障对营养物质的吸收与骨骼代谢密切相关。相反，饮食不均衡可能会对骨代谢产生负面影响。

4.2 运动调节改善肠道菌落

运动锻炼会影响肠道菌落的组成，对于早期骨量的积累很有益处。研究表明，肠道菌落产生的脂多糖可诱导OP小鼠骨流失，而锻炼可以重塑肠道菌落的生态系统，降低体内的脂多糖水平[21]。炎性因子是刺激宿主免疫系统和肠道菌落组成的重要因子。研究发现，运动改变了实验动物上皮内淋巴细胞的标志基因表达，具体表现为促炎因子下调，抗炎细胞因子和抗氧化酶上调[22]，这有助于调节肠道菌落的炎性因子环境，促进骨质积累。

4.3 减少抗生素使用改善肠道菌落

β-内酰胺类非甾体抗炎药等抗生素的使用会引起肠道菌落严重失调，导致肠道菌落对矿物质吸收效率下降，破坏肠黏膜屏障引发宿主免疫系统释放相关免疫因子激活破骨细胞的分化，加剧骨质疏松患者骨质流失[23]。尽管抗生素导致骨质流失的机制还不清楚，但抗生素严重影响机体对矿物质元素的吸收以及诱导骨质流失加剧已得到证实[21]。

除了继发性OP，肠道菌落在影响肥胖、糖尿病、炎症性肠病和类风湿性关节炎等原发性OP也显示出一定的潜力[23]。不过目前大多数的研究模型为动物或者体外肠道模型，缺乏大规模和长期随机试验，因而在未来的研究中进一步阐明肠道菌落调节骨骼重塑的机制和建立肠道菌落疗法改善骨骼健康具有重要的意义。