肠道菌群在肌少症发病机制中的作用

肌少症是一种随着年龄增加而出现的肌肉质量、力量和功能下降的综合征。肌少症会增加跌倒和骨折的风险,降低日常生活活动的能力,与心脏病、呼吸系统疾病和认知障碍有关,可引起行动障碍,并导致老年人生活质量下降,失去独立生活的能力，甚至需要长期护理。目前广泛应用的肌少症概念是由欧洲老年肌少症工作组(EWGSOP)在2010年提出的,规定诊断包括肌肉功能、肌肉力量和肌肉质量3个要素。根据EWGSOP,肌少症分为肌少症前期、肌少症期和重度肌少症期[1]。目前的研究发现,肠道菌群可能对骨骼肌的稳态平衡有调控作用,即“肠肌轴”假说[2]。实际上,肠道微生物组的功能类似于内分泌器官,可产生多种生物活性代谢物,可以影响宿主的生理机能。微生物群通过许多途径与宿主相互作用,包括三甲胺/三甲胺N-氧化物途径,短链脂肪酸途径和一级、二级胆汁酸途径[3]。本文对肠道微生物菌群在肌少症的病理生理学机制中的作用进行总结,分析肌少症人群肠道微生物菌群组成的改变情况,探索运动对肠道菌群的影响以及益生菌对肌肉功能的影响。

1 肠道微生物菌群在肌少症发病机制中的作用

肠道微生物群最近被定义为宿主营养信号的“传感器”。肠道菌群受饮食的影响很大,而肠道菌群对宿主的影响包括氨基酸的生物合成,DNA合成或甲基化,氧化应激或内皮细胞损伤,合成代谢或通过调控胰岛素生长因子(IGF)-1合成促进细胞增殖,并且产生影响机体新陈代谢、胰岛素敏感性和炎症因子的介质[4]。接下来,我们将从以下几个方面将肠道菌群在肌少症发病机制中的作用分别进行阐述。

1.1 短链脂肪酸合成代谢 研究发现,肠道菌群代谢物中的短链脂肪酸,可靶向作用于肌肉线粒体,通过促进线粒体生物合成,与骨骼肌细胞的脂肪酸受体2和3结合调控脂肪酸的代谢[5]。乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐是主要的短链脂肪酸,由结肠微生物群发酵而产生。

丁酸的代谢产生与乳杆菌有一定联系。有研究发现,组蛋白去乙酰化酶抑制剂丁酸盐可改善新陈代谢并减少衰老期间的肌肉萎缩。有研究发现,C57Bl/6雌性小鼠从第16个月开始进行丁酸盐治疗,可完全或部分改善后肢肌肉的萎缩,而正常饮食的26个月大的C57Bl/6雌性小鼠的后肢肌肉质量显著减少[6]。进一步发现,丁酸盐可增加肌纤维横截面积并防止老鼠体内肌肉脂肪堆积。此外,丁酸盐可增加骨骼肌和全身氧消耗中线粒体的生物合成,减少氧化应激和细胞凋亡,并改变抗氧化酶活性[6]。说明肠道菌群可能通过调节丁酸盐的代谢参与肌少症的发生机制。

1.2 胆汁酸合成代谢 肠道微生物群为胆汁酸池中胆汁酸的多样性提供了独特的贡献。肠道微生物酶通过去共轭和脱羟基反应促进胆汁酸代谢,产生未结合的胆汁酸和二级胆汁酸[7],而胆汁酸的代谢与肌肉合成有一定关系。研究发现,循环中的胆汁酸含量与骨骼肌体积相关。脱氧胆酸的水平与骨骼肌体积降低有关,而非脱氧胆酸的水平与骨骼肌体积升高有关[8]。

1.3 炎症因子 肠上皮细胞通常提供紧密的屏障,将肠道细菌与体循环分开。研究发现,肥胖和糖尿病病人对肠道感染和全身炎症的易感性增加。研究者在小鼠中发现,长期高水平葡萄糖可引起肠道黏膜上皮代谢重编码,其中细胞分子的改变会使紧密连接复合物的组装受损,而这些紧密连接的复合物对维持肠道上皮完整的屏障至关重要[9]。研究者对年轻小鼠喂养高脂肪饮食,发现其可以诱导慢性低滴度的炎症反应[如白细胞介素(IL)-1、IL-6和肿瘤坏死因子(TNF)-α升高][10],而这些炎症因子的升高会促进胰岛素抵抗,与肌少症的发生有一定关系。

1.4 骨骼肌合成代谢 肠道菌群通过利用膳食中的营养成分产生一些调节物质，如叶酸、维生素B12、色氨酸等。这些物质参与多条信号通路,通过抑制炎症因子、增强胰岛素敏感性、改善骨骼肌细胞线粒体功能来减少合成代谢抵抗,对骨骼肌的合成代谢起有益的调节作用。2004年进行的一项研究中,研究者将常规饲养动物的盲肠内容物注入无菌(GF)小鼠体内,发现GF小鼠体脂增加了60%,胰岛素敏感性和葡萄糖耐量均降低[11]。为了解GF小鼠看似优越的代谢表型,同一研究小组比较了GF小鼠和常规饲养动物的骨骼肌蛋白活性及基因表达后发现,与具有肠道微生物群的小鼠相比,GF小鼠的AMP活化蛋白激酶(AMPK)和肉毒碱棕榈酰转移酶-1(CPT-1)的活性更高,表明其氧化能力升高[12]。另一种微生物代谢产物尿石素A最近被证明可以调控骨骼肌细胞线粒体的合成,可提高小鼠和大鼠的运动能力[13]。总之,这些研究表明,肠道微生物群可以通过调节骨骼肌合成代谢途径来影响骨骼肌的合成。

1.5 免疫功能的调节 肠道微生物群与宿主免疫系统之间的相互作用从出生即开始:微生物群影响免疫系统的发育,免疫系统反过来塑造了肠道微生物群的组成[14]。在某些情况下,这些信号分子是微生物群的结构组成部分,如脂多糖(LPS)和与宿主黏膜表面细胞相互作用的肽聚糖,通常通过所谓的模式识别受体,识别病原体相关的分子模式,刺激和指导宿主免疫反应[15]。另外L-色氨酸在肠道免疫耐受和肠道微生物群之间的平衡中起着至关重要的作用。研究已经证明,L-色氨酸在哺乳动物中发挥抗炎作用,并参与炎症反应的调节过程[16]。而肠道微生物群可以直接利用L-色氨酸,大约4%～6%的L-色氨酸通过肠道微生物群被代谢成吲哚色胺、粪臭素以及吲哚酸衍生物[17]。因此肠道微生物群的变化可通过调节宿主免疫系统,与肌少症的发生有一定的关联。

1.6 肠道屏障功能的改变 研究发现,与对照组相比,在高脂肪喂养的小鼠循环系统中,革兰阴性细菌外膜组分LPS的水平升高2～3倍。而LPS的升高会损害肠道上皮细胞的紧密连接并增加肠道通透性[18],这个过程主要是通过介导肠细胞膜的TLR-4和膜相关蛋白CD14的表达增加[19]。另有研究发现,喂食益生纤维低聚果糖的肥胖小鼠血浆中的LPS水平降低,益生纤维低聚果糖可通过增加内源性肠内营养前胰高血糖素衍生肽(GLP-2)的产生,促进肠道上皮细胞的紧密连接而改善肠道通透性,增加骨骼肌质量[20]。

2 肌少症病人肠道微生物菌群分布的改变

大多数肠道微生物群落仅由“5个门”(拟杆菌、厚壁菌门、放线菌、变形杆菌和Cerrucomicrobia)组成[21]。研究者在衰老大鼠中同时检测衰老相关的肠道菌群变化、肌肉生理功能及血清蛋白质组和脂质组发现,衰老改变了大鼠的肠道菌群,特别是与肌肉功能减退有关的萨特菌属/Barneseilla菌属的比值[22]。同时,研究发现双歧杆菌含量随着年龄的增长而降低[23],并且与肠道通透性和循环中的类毒素水平增加有关[24-25]。因此,与年龄相关的肠道双歧杆菌含量减少可能是循环内毒素增加的基础,而这种内毒素被证明可诱导骨骼肌萎缩[26]。不仅如此,在老年人肠道中,通常产短链脂肪酸的细菌Roseburia和Faecalibacterium减少,而耐氧菌和致病菌增加[27]。这些变化会导致菌群失调,进而引起多种老年性疾病包括肌少症的发生。

3 肠道菌群对肌肉功能的影响

肠道菌群通过代谢营养物质产生叶酸、维生素B2、维生素B12、甜菜碱、色氨酸、短链脂肪酸、尿石素等,影响骨骼肌功能[28]。有研究发现,白血病小鼠肠道乳杆菌属下降,给予含有罗伊乳杆菌和加氏乳杆菌的口服益生菌后,小鼠血清中炎性细胞因子IL-6和MCP-1水平下降,而胫骨肌的质量增加。有趣的是,这些效应似乎与细菌种类特异性相关,因为嗜酸乳杆菌补充剂似乎不会影响炎症因子标志物[29]。另外有研究发现,植物乳杆菌TWK10可增加健康幼鼠的瘦体质量和肌肉功能，包括握力和游泳时间,而血清白蛋白、血尿素氮、肌酐和甘油三酯水平显著降低。长期补充植物乳杆菌TWK10可以具有促进健康和抗疲劳的作用[30]。总之,这些研究表明乳杆菌属物种对骨骼肌功能有促进作用,值得进一步研究。

一项在西班牙人群中的研究将60名65岁以上老年人随机分到试验组和对照组,其中试验组每天服用含有3375 mg菊粉和3488 mg低聚果糖的益生元,对照组每天服用相同剂量的麦芽糊精。13周后发现,试验组的老年人每周感到疲劳的次数明显低于对照组,右手握力明显强于对照组,此研究证明了肠道菌群对人体骨骼肌功能的正向调节作用[31]。也有研究发现,一种含有生物多巴的乳酸杆菌能够抑制癌症小鼠模型恶病质的发展,并且与肌肉的保存有关[32]。

4 运动引起的菌群改变对肌少症的影响

研究发现,在用高脂肪饮食诱导肥胖的小鼠模型中,高强度训练可预防肥胖相关的肠道微生物群失调,从而保持肠道菌群的生物多样性[33]。运动对肠道微生物群落产生特异性特征,包括扩大了某些菌群的分类群,如粪类杆菌、梭状芽孢杆菌等[34-35]。

5 总结

粪便菌群的组成、物种丰度、多样性与肌少症有关,其中粪便菌群的组成变化可能与肌肉性能及肌肉量的下降有关。肌少症病人中的微生物移位降低了肠道上皮细胞紧密连接的完整性，并增加了肠道渗透性,允许微生物产物(例如LPS、硫酸吲哚酯、丁酸盐)进入血液。 一旦进入循环,内毒素和其他微生物因子触发促炎信号,促进骨骼肌萎缩。骨骼肌质量减少降低了其收缩能力并最终影响了老年人的功能独立性和生活质量。而锻炼可以影响肠道菌群组成,益生菌和益生元的干预也可以影响肌肉功能。因此,肠道菌群可以作为营养对肌肉细胞作用的中介。