肠道菌群在骨质疏松症中的研究进展

孟汉杰 孔令俊 赵军 邓叶龙 韩升龙 王植帅 陈文丽 袁剑 李万潭 黄晓焱

1.甘肃中医药大学，甘肃 兰州 730000 2.甘肃省中医院，甘肃 兰州 730050

骨质疏松症(osteoporosis，OP)是以骨量低、骨组织微结构受损为特征的最常见的骨代谢疾病之一，也是中老年骨折的高危因素[1]。相关流行病学调查显示，我国50岁以上人群中OP患病率高达19.20%[2]。我国城乡居民对OP相关防治常识的知晓率仅为11.7%[3]。这就使得许多OP患者在发病初期贻误治疗，从而导致OP的不断加重。西药通过发挥促进骨形成和抑制骨吸收来减轻OP临床不适症状，进而延缓其进程，是目前临床上治疗OP的主要方式。但不能从根本上预防或逆转骨代谢失衡状态[4]，同时西药不可避免地存在胃肠道反应及肝肾功损害等为表现的多种不良反应。故西药在发挥治疗OP疗效的同时，也带来了身体其他脏器或其他系统的损害。因此围绕既能有效治疗OP，又能减轻机体不良反应这一思路，笔者通过梳理文献，发现肠道菌群是治疗相关骨骼疾病的潜在靶点[5]，从肠道菌群入手，可较好地达到上述治疗目标。并且目前的研究表明脑-肠-肠道菌群轴、脑-骨轴和肠-骨轴是调节OP的主要机制，而益生菌和益生元是调节肠道菌群的重要途径。因此，本文从肠道菌群调节OP的机制和益生菌及益生元调节在OP中的应用两个方面展开综述，以期为临床治疗OP提供新思路。

1 肠道菌群与OP

肠道菌群是定植在人体肠道与粪便中的微生物的总集，是人体内最大、最繁杂的生态系统，数量大约为100万亿，包括细菌、真菌和病毒[6]。人体的肠道菌群源自于母体子宫和产道，直至3岁时稳定形成，拥有一定的自我调节能力，协助维持肠道内环境稳定[7]，并在人体的内分泌系统、免疫系统和代谢系统中起重要调节作用。生理状态下，肠道菌群能够改善肠道通透性，减轻炎症反应，促进营养吸收，参与骨骼系统的免疫调控[8]。病理情况下，肠道的炎症性疾病会导致钙吸收不足和维生素D和维生素K循环水平的降低，从而引起骨量的减少，而肠道的益生菌可以减少肠道和骨的炎症反应，改善肠道通透性，防止骨流失[9]。作为骨代谢的重要调节剂，肠道菌群在骨骼的生长、发育、老化和骨的病理性变化过程中所发挥的作用不容忽视[10]。Blanton等[11]研究发现，婴幼儿营养不良会导致肠道菌群的紊乱，破坏免疫系统发育成熟和骨骼系统正常生长，实验发现移植了营养不良儿童肠道菌群的正常小鼠在一段时间后骨量出现显著下降。Schwarzer等[12]实验发现，无菌小鼠较对照组小鼠存在体重增长较慢、骨量较低的情况，而补充植物乳杆菌的无菌小鼠能够维持正常的生长速率，这表明肠道菌群促进了小鼠骨骼的生长发育。

2 脑、肠、骨之间的联系

2.1 脑-肠-肠道菌群轴

中枢神经系统(central nervous system，CNS)和肠道菌群存在的双向神经体液调节系统称为脑-肠-肠道菌轴，脑-肠-肠道菌轴将宿主肠道和大脑间的信息进行了传递[13]。肠道菌群可以通过不同的信号分子直接与大脑反馈，也可以通过脑-肠轴间接与大脑通信。同样，大脑既可直接调节肠道菌群，亦可通过改变肠道环境来调节肠道菌群[14]。Hayes等[15]研究发现，神经系统通过肠道杯状细胞调节胃酸、黏液、碳酸氢盐、肠肽和抗菌肽的分泌，影响肠道黏液层的厚度和质量。此外，还可以诱导肠道内的生理变化，影响微生物的栖息地，从而调节微生物群落的组成和活性[16]。如丘脑-垂体-肾上腺轴可以通过释放皮质酮、肾上腺素和去甲肾上腺素，干扰细菌间信息传递来影响肠道菌群[18]。应激会影响上皮细胞的完整性，改变肠道蠕动、肠道内分泌以及黏蛋白产生，进而改变肠道共生菌的菌群组成及活性[19]。因为脑-肠-肠道菌群轴整合了大脑和肠道之间的神经、激素和免疫信号，并成为肠道菌群及其代谢产物影响大脑的途径[17]，所以肠道菌群也能借助此途径够反向作用于大脑，例如念珠菌、链球菌和肠球菌产生的5-羟色胺，乳酸菌和双歧杆菌合成和释放的γ-氨基丁酸，芽孢杆菌和酵母菌产生的去甲肾上腺素，这些神经递质既能在局部相关位置发挥应有的作用，也可穿过黏膜影响周围系统和潜在的中枢神经系统的内脏层[20]。

2.2 脑-骨轴

骨代谢直接受到CNS介导的神经通路的控制，感觉神经纤维和自主神经纤维也参与了骨组织的调节。谷氨酸、肾上腺素(E)、去甲肾上腺素(NE)、P物质(Substance P，SP)、血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide，VIP)和神经肽Y(NPY)在这一过程中发挥了重要作用[21]。谷氨酸是一种中枢兴奋性神经递质，Suva等[22]在小鼠颅骨中分离的成骨细胞(osteoblast，OB)中发现了谷氨酸受体和转运体的表达和功能，表明谷氨酸可以调节OB的表达和转化。VIP是一种具有抗炎和免疫调节作用的神经肽，参与骨吸收、代谢和骨折愈合的重建，可有效改善关节炎症状，抑制软骨损伤[23]。李祥泽等[24]研究发现，甲状旁腺激素能够在骨重建过程中加强骨的强度、改善人体对于钙和磷的吸收，具有升高血钙、降低血磷的功能，从而促进骨骼的矿化，间接促进骨骼的生长发育。P物质是一种从感觉神经末梢释放出来的神经肽，广泛分布于外周和中枢神经系统[25]。Matayoshi等[26]通过SP刺激滑膜细胞来诱导破骨细胞形成，研究发现从周围感觉神经末梢释放的SP是导致关节炎发展的危险因素之一。SP诱导滑膜增生和肥大，上调滑膜成纤维细胞中RANKL的表达，下调骨保护素(OPG)的表达，从而导致破骨细胞(osteoclast，OC)的生成。骨是脑-肠轴中的一个作用点，脑信号和肠道信号通过单一或整合的形式直接或间接地作用于骨，从而影响各种骨细胞的数量和活性，特别是OB和OC，最终导致骨密度的降低[27]。因此，中枢神经网络在平衡OB和OC以及骨形成和骨吸收中起着主导作用[28]。此外，骨骼会调节激素和多肽等骨源性分子以作用于大脑。当骨感知到拉伸、压力的信号时，会将信号转化为细胞的生化反应传递给中枢神经系统[29]。

2.3 肠-骨轴

肠道菌群直接影响着肠道神经系统、免疫系统、内分泌系统和肠道的通透性[30]。它在食物消化、维生素营养、抵御外来病原微生物入侵等方面也发挥着重要作用。研究发现，饮食摄入的微生物均可通过肠道代谢、内分泌和免疫调节等途径作用于骨骼[31]。此外，经由肠道菌群代谢而由肠道吸收的营养物质可进一步作用于骨，减缓OC的破骨作用及相关因素，从而促进成骨分化[32]，改善OP。Gehrig等[33]以婴幼儿、小鼠、小猪为研究对象，发现补充微生物导向性食物可改善上述研究对象营养不良引起的病态肠道菌群分布，减轻免疫炎症反应并增加骨量。例如，Treg细胞可以分泌转化生长因子β1，抑制T细胞活化，限制炎症的发展与扩散，减少IFN-γ和TNF-α的生成，抑制OC活性[34]。Th17细胞受致病菌刺激后会引发炎症反应，大量分泌IL-17因子，聚集免疫细胞来吞噬、清除肠道易位的致病菌，同时也增加RANKL的表达，激活OC功能，增加骨吸收与溶解[35-36]。由于Th17细胞的作用是与Treg细胞相互拮抗的，故通过免疫调节影响估量的内在机制可能是肠道菌群通过免疫系统调节肠道Treg细胞与Th17细胞的平衡，影响肠道乃至全身的免疫炎症状态，从而建立OC和OB新的动态平衡，最终维持骨量的稳定[37]。

3 益生菌和益生元在防治OP中的应用

随着肠道微生物相关生物制剂研究的日益加深，益生菌和益生元作为新的预防和治疗疾病的手段开始被人们所重视。肠道菌群作为维持包括宿主骨稳态在内的各种生命活动的动态平衡的重要因素，在“肠道菌群-肠-骨”轴已经被证实的前提下，适当补充调节肠道菌群的益生菌和益生元不失为预防和治疗OP的一种有效方法。

3.1 益生菌

益生菌是定殖在肠道内，对宿主有益的活性微生物。益生菌能够稳定肠道菌群的定植，调节肠道菌群的构成[38]。益生菌通过免疫调节、内分泌调节和肠道代谢调节等方式调节肠道内菌群平衡，促进营养吸收保持肠道健康的作用，从而可均衡宿主肠道内微生物菌群的结构并以维持骨稳态。例如，益生菌通过发酵未完全消化的碳水化合物产生短链脂肪酸，为肠道上皮细胞提供能量，进而影响肠道上皮屏障，调节T细胞和B细胞介导的特异性免疫[39]。此外，益生菌干预还降低了TNF-α和IL-1β两种细胞因子的表达，减少了炎症反应，增加了OC抑制剂骨蛋白的表达，减少骨丢失，进而实现治疗OP的目的[40]。此外，益生菌鼠李糖乳杆菌(LGG)和益生菌补充剂VSL#3可降低肠道通透性，抑制肠道炎症，防止雌激素缺乏引起的骨丢失[41]。罗伊氏乳杆菌通过调节肠道菌群，减弱了链脲佐菌素(STZ)诱导的T1D(1型糖尿病)介导的小鼠骨丢失，阻止了骨钙素和矿物质沉积率的降低，表明益生菌对骨合成代谢有积极作用[42]。另一项研究表明，口服罗伊氏乳杆菌可以减少性腺完整的雄性小鼠的肠道炎症，改善骨密度。Fabiana Carvalho Rodrigues等[43]研究发现，益生菌与长双歧杆菌联合使用可提高大鼠骨矿物质含量。以上均表明，通过益生菌维持骨稳态是一种有效的途径。

3.2 益生元

益生元指一些不被宿主消化吸收却能够选择性地促进体内有益菌的代谢和增殖、从而改善宿主健康的有机物质[44]。它们既可以天然存在于植物性食品中，如芦笋、甜菜、大蒜、菊苣、洋葱、菊芋、黑小麦、蜂蜜、香蕉、大麦、番茄、豆类等[45]，也可以通过酶转化来合成，以多种难以消化的寡糖为主要代表，其中最常见的是低聚半乳糖(GOS)、低聚果糖(FOS)、低聚木糖(XOS)和乳糖等[46]。菊粉是菊科植物毛菊苣根茎的提取物，研究表明，摄入不可消化的菊粉可以促进人和动物肠道对矿物质吸收，提高骨骼中的钙含量，进而增强宿主的骨密度[47]。龙舌兰果聚糖可促进矿物质在肠道的吸收转化，提高骨矿物质含量[48]。低聚果糖则可以更有效地促进高钙饮食喂养的大鼠的钙吸收[49]。此外，益生元还能增加对骨的保护[50]。果糖低聚糖和大豆异黄酮作为混合益生元，能提高去卵巢大鼠的骨强度[51]，且当大豆异黄酮的含量相对较低时，该混合益生元对骨强度的增加效果也愈发显著，充分表明益生元和对与其搭配的不同成分可以起到协同促进作用，比益生元的单一使用具有更好的骨强化效果。因此，益生元在调节肠道菌群和维持骨稳态方面具有重要作用。但当益生元过量时，肠道中未消化的糖和发酵的纤维会导致肠胃胀气和腹部不适[52]。因此，应用时要考虑个体差异和身体耐受性。

3.3 益生元和益生菌的联合使用

另外研究发现，益生元和益生菌的联合使用会对骨骼健康有积极的影响[53]。如FOS与长双歧杆菌联合使用可增加大鼠骨中钙、镁、磷的含量，提高大鼠骨的最大应力，增加骨形成面积[43]。还有双歧杆菌和乳糖的类似组合可以改善骨量，FOS和二果糖Ⅲ促进胃切除大鼠对钙的吸收。此外，寡聚半乳糖增加了大鼠肠道中双歧杆菌的比例，能够起到增加骨量的作用[54]。

综上所述，肠道菌群可通过不同途径调节宿主的免疫、代谢和内分泌系统，在防治OP方面发挥重要作用。同时将益生菌和益生元应用于改变宿主肠道菌群的组成，可为肠道菌群防治OP提供一个新的靶点。笔者认为肠道菌群运用于治疗OP既价格低廉、便于摄入，又因调节肠道菌群能减少口服西药所带来的不良反应。因此，通过肠道菌群的干预，改善骨代谢，调节骨稳态，可达到治疗OP的目的，具有重要意义。但目前的相关研究多集中在动物实验领域，缺乏大样本的临床研究及循证数据，且个体特异性、生物安全性等问题仍有待进一步研究，因此仍需要对肠道菌群进行深入研究，进而为肠道菌群治疗OP提供更多坚实的理论及实验依据。