“肠-骨轴”机制在骨质疏松症与肠道疾病中的相关性研究

郭海瑞 田林灵 张文彬 孙浩然 杜晓明 冯杰 胡一梅,2*

1.成都中医药大学,四川 成都 610041 2.成都中医药大学附属医院,四川 成都 610041

骨质疏松(osteoporosis,OP)作为一种易发生脆性骨折的全身性代谢疾病[1]。据统计因OP发生多次骨折的男女比为2∶3,且全球每年新增患者过亿,给医疗保障系统带来了巨大的压力[2-3]。OP患者早期临床表现主要以疼痛和脊柱变形为主,其发现与治疗经常被忽视,所以面临因骨质疏松性骨折导致的生活质量降低的风险[4-5]。因此,进行学科交联研究和制定相应的靶向治疗策略已成为预防和治疗OP的关键。

随着对肠道菌群的探索和理解,已经证实肠道菌群可通过代谢吸收、炎症、免疫和信号通路等[6-7]多方面对OP的发生发展产生影响。在中医学核心理论中,脾运化水湿和肠分清泌浊之功与肠道疾病密切相关,肾主骨生髓与OP密切相关。因此,本文通过回顾OP与肠道菌群的研究情况,从中医“脾肾相济”理论去理解“肠-骨轴”[8]并将肠道菌群与骨代谢的相关性进行阐释。

1 “肠-骨轴”提出的中西医研究依据

1.1 “脾肾相济”理论在骨质疏松症与肠道疾病中的研究基础

脾肾作为先后天之本,具有相互辅佐、协同的联系,如《医宗必读》记载:“脾、肾者…有相赞之功能”。脾运化水谷精微,在肾阳作用下将水谷精微传输至全身及五脏。在此过程中,肾精得以滋养和脾阳得以温煦,这种相互资生、相辅相成的关系形成了“脾肾相济”理论。脾肾互济失衡则发生脾肾系病证,如《素问·气厥论篇》记载“肾移热于脾…肠澼死…”,指出脾肾两脏的病变可引起肠道疾病产生相互传变、相互影响,同时,现代临床研究也指出补肾健脾类方剂可调节肠道菌群产生变化[9]。脾病使气血无以生化、肾精无以滋养而竭,渐至髓减骨枯而致“骨痿”,阐明脾肾两脏生理功能失调可引起肠道菌群紊乱,最终将导致OP。因此,“脾肾相济”理论为OP与肠道疾病提供了中医理论基础,并且从“脾肾相济”理论出发链接“肠-骨轴”可能是OP治疗的一种新方法。

1.2 肠道菌群是骨代谢的重要调节剂

肠道菌群作为骨代谢的重要调节剂,或直接或间接参与OP的发生发展。首先肠道菌群直接参与骨形成,如肠道丝状细菌可介导炎症相关因子参与骨形成并改善卵巢切除术小鼠的OP[10-11];乳杆菌通过减少破骨细胞因子的表达,刺激OP小鼠中骨保护素的表达增加骨组织[12];长双歧杆菌可增加骨质丢失的卵巢切除术大鼠的骨量[13]。同时,研究表明补充罗伊氏乳杆菌可治疗因激素或抗生素诱导后的菌群失调OP小鼠的小梁骨丢失[14-15],提示其可有效防止OP小鼠的骨质流失。此外,肠道菌群可通过胰岛素样生长因子-1和β-葡萄糖醛酸酶参与骨代谢。胰岛素样生长因子-1是最早被发现可以介导肠道菌群与OP的物质[16]。β-葡萄糖醛酸酶的分泌会随肠道菌种数量下降而减少并致循环雌激素减少[17],说明绝经后OP患者的肠道菌群可通过改变雌激素水平增加骨吸收,导致骨质流失形成OP[18]。

1.3 骨代谢失调影响肠道内环境

血清素作为一种神经递质将肠道菌群与骨代谢联系起来,并被证实可通过肠道菌群调节骨代谢[19]。血清素是通过其受体实现参与肠道菌群及骨代谢作用的;研究发现血清素受体的基因表达可在骨组织中发生[20],提示血清素可能参与骨骼系统的代谢。已证实肠道中的血清素对骨形成具有负面影响[21]。在研究肠源性血清素对骨代谢的影响时,通过敲除成骨细胞血清素受体基因发现多种血清素受体可在成骨细胞中表达[22-23]。在研究女性血清素水平与骨代谢相关性时发现血清素水平的升高与骨形成减少和骨转化增加均有关[24];通过探讨血清素水平与骨代谢的相互关系,发现肠源性血清素水平与骨密度呈相反趋势[25-26]。邓伟民等[27]在研究高骨量综合征患者血清素水平时发现其血清素浓度普遍较低,证实了骨代谢对血清素水平存在影响。由于血清素主要分布于肠道,所以其水平的改变必然引起肠道内血清素含量的变化进而影响肠道微环境。Yadav等[28]早期的OP小鼠实验中发现了血清素水平的减少和肠道代谢紊乱。因此,骨代谢失调可能会引起血清素水平发生紊乱进一步影响肠道内环境。

基于各位学者对肠道菌群与OP之间的研究,结合中医“脾肾相济”理论与OP和肠道疾病的关系,提出了“脾肾相济”理论与“肠-骨轴”可能是肠道菌群与OP之间存在的一种机制。

2 “肠-骨轴”的作用机制分析

2.1 “肠-骨轴”通过钙吸收的调节机制

钙作为骨骼健康的营养元素,摄入量是全身骨量的重要预测因素[29-30]。研究表明,乳酸杆菌菌株可通过控制肠道菌群调节钙吸收达到影响实验小鼠的钙吸收[31]。钙吸收与矿物利用和盲肠pH值降低有关[32],菌群变化通过降低肠道PH值,阻碍肠内钙酸复合物的形成来增加钙的溶解度和可供吸收的钙量[33],也可通过上调钙转运蛋白的表达增加钙吸收,减少骨吸收对骨产生下游的影响[34]。钙摄入对骨骼健康的影响与菌群数量和种类有关,给实验小鼠补充钙或高钙饮食可增加有益细菌的数量,保持肠道菌群完整性[35],解释了钙吸收可通过改变肠道菌群进而影响骨代谢。

2.2 “肠-骨轴”通过炎性反应的调节机制

当肠道菌群紊乱时,菌群的数量及种类发生变化导致炎症因子的产生,最终引起肠道局部乃至全身炎症反应。在OP方面则表现为骨代谢紊乱及骨代谢相关因子发生改变。Sjogren等[36]发现无菌小鼠骨骼中TNF-α表达的降低会导致骨密度升高。炎性因子如IL-6和TNF-α作为强烈的骨吸收刺激因子,在OP患者中的升高可增加破骨细胞吸收能力而出现骨丢失。肠道菌群失调通过诱导肠内炎症的应答,导致IL-6和TNF-α的大量释放,解释了炎症性肠病患者更趋向于患OP 的可能机制[37]。有学者在肠道菌群与OP的炎症病因研究中,提出炎症通路或许是OP与炎症性肠病的共同病因,发现IL-6、TNF-α在炎症性肠病患者肠道黏膜中大量表达并不断产生级联反应,加重肠道微循环的障碍[38],同时也在OP患者体内显著升高并抑制骨保护素的表达[39],使破骨细胞活性增加进一步加重OP,提示肠道菌群可通过调节炎症进而影响OP。

2.3 “肠-骨轴”通过免疫系统的调节机制

骨骼肌肉与免疫系统之间的相互作用称为骨免疫[40],而骨免疫的紊乱可导致OP的发生[41]。肠道菌群作为介导免疫功能的重要成分,可直接对机体的健康产生影响。Sjogren等[36]发现无菌小鼠免疫相关因子如T细胞、骨髓破骨细胞及其前体细胞的减少,可能是该小鼠骨量增加的主要原因,指出肠内免疫与骨免疫存在联系。巨噬细胞源于单核细胞,并通过集落刺激因子活化单核细胞,使其成为骨组织中的常驻巨噬细胞[42]。其中,粒细胞-巨 噬 细 胞 集 落 刺 激 因 子 可改善肠黏膜损伤和增强肠内免疫[43],并结合破骨前体细胞受体促进骨破坏影响骨代谢[44]。另外,肠道菌群可通过免疫系统调节肠道T细胞影响肠道及全身的免疫状态,T细胞在此过程中通过抑制破骨细胞或介导细胞免疫因子与破骨前体细胞结合减少骨丢失、影响骨代谢和破坏骨免疫[45-46],提示肠道菌群可通过调节细胞免疫因子改变机体的免疫状态,对骨量调节和骨骼形成均有积极作用。

2.4 “肠-骨轴”通过信号通路的调节机制

肠道菌群紊乱时,PI3K/Akt信号通路可同时参与肠道炎症反应和骨代谢,加重肠道功能紊乱和骨细胞破裂影响骨代谢[47-48]。RANK-RANKL-OPG轴是OP的关键调节通路,在肠道菌群紊乱时相关因子通过其发挥骨吸收和骨形成的作用[49]。在肠道菌群紊乱状态下分析骨代谢通路时,发现核心靶点基因可通过相互作用调节Wnt/β-catenin和AMPK/mTOR等骨代谢信号通路介导成骨[50]。研究观察Toll样受体蛋白敲除的小鼠,发现肠道微生物群发生变化,同时Toll样受体蛋白的激活促进了小鼠破骨细胞形成和骨丢失[51],表明肠道菌群与OP可通过信号通路产生联系。

2.5 其他

研究肠道代谢产物及益生菌时,发现两者与OP密切相关。益生菌可提高肠道PH值、增强肠道抗菌和抑菌能力维持肠道菌群平衡,并且可抑制炎症反应降低破骨细胞形成和成骨细胞减少降低骨破坏[52]。Ali等[53]发现益生菌通过抑制肠道炎症降低卵巢去势小鼠破骨细胞活性而增加骨量。肠道代谢可产生短链脂肪酸进行肠道保护和调节骨代谢与骨量,也可产生脂多糖增加肠道通透性释放大量炎性因子影响OP[8],同时脂多糖可抑制小鼠成骨细胞的前体细胞分化,使骨细胞的形成减少[22]。

3 讨论

3.1 以“脾肾”为基点的中医理论贴合“肠-骨轴”机制原理

“肠-骨轴”机制不但解释肠道菌群与OP之间的关系,也与传统医学“脾肾同源”理论一脉相承。《素问》提到:“脾病…则腹满肠鸣,飨泄”阐明脾病累及肠道发生泄泻,与现代医学肠道菌群紊乱导致泄泻一致。其次,肠道菌群紊乱引发肠道排泄改变,与中医学肾司二便和肠道传导糟粕密不可分。《景岳全书》指出“肾中阳气不足,则命门火衰…令人洞泄…。”阐明在机体出现肠道疾病时,肾阳可影响其发展趋势。“脾肾相济”指出了脾肾与OP和肠道疾病的联系,所以在“以脾肾为基点”的中医理论体系中,脾肾直接影响OP和肠道疾病并与“肠-骨轴”机制贴合。

3.2 “脾肾相济”理论和“肠-骨轴”的提出明晰了肠道菌群失调与骨质疏松症之间存在的必然关系

肠道菌群失调可引起包括胃肠道及骨骼肌肉系统在内的各脏器疾病,如肠道炎症疾病和OP,而同时患有两者要比正常人发生骨折的风险高[53]。研究表明炎症性肠病相关OP的发生和发展与多种因素密切相关,最常见的是胃肠道的持续性慢性感染,肠道菌群紊乱和钙、维生素D吸收障碍等[54];尽管已有大量学者研究肠道菌群对OP的影响,至今仍未完全清楚其发病机理。因此通过分析中医脏腑脾肾和大小肠的功能联系,与现代医学肠道菌群失调疾病和OP的关系,提出“脾肾相济”理论和“肠-骨轴”机制,使两者的关系变得清晰起来。

3.3 基于“脾肾相济”的“肠-骨轴”机制研究为骨质疏松症的防治提供了新方向

肠道菌群可介导多种途径引起成骨细胞和破骨细胞在骨形成过程中失去平衡,最终影响OP的发生发展。研究发现健脾清肠补肾煎剂可同时抑制RANK-RANKL-OPG 轴的激活和结肠黏膜炎症的产生,促进肠黏膜的愈合达到抗OP的目的[55]。通过对中医“脾肾相济”理论的探讨,明确提出了补肾健脾法对治疗与“肠-骨轴”密切相关的肠道菌群相关疾病和OP具有较好的临床疗效,为中医治疗OP打开了新的思路[56-57]。因此,基于“脾肾相济”的“肠-骨轴”理论,奠定了中医药靶向肠道菌群治疗OP的理论基础。

4 总结与展望

肠道菌群与OP之间的联系越来越受关注,已有学者对其进行了初步的动物实验研究,并分析总结出肠道菌群可能影响OP的途径和特点,提出了“肠-骨轴”机制。但是目前的研究仍旧处于动物实验阶段,缺乏临床数据支持和具体的肠道菌群或菌种如何对骨质疏松的发生发展产生影响,并且两者之间具体的机制并未完全明确。文章基于中医“脾肾相济”理论,提出了以“脾肾相济”理论为基础的“肠-骨轴”机制,指出中医补肾健脾法、肠道菌群相关微生物制剂、针对特定肠道菌群调控技术和中药靶向肠道特定菌群或菌种的疗法可能成为骨质疏松治疗的新方向。