作者：李路嬌 李梅
單位：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院內(nèi)分泌科 國家衛(wèi)生健康委員會(huì)內(nèi)分泌重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
摘要：腸道菌群（gut microbiota，GM）是指定植于腸道的微生物群落。近年來研究發(fā)現(xiàn)GM對(duì)骨代謝具有重要調(diào)控作用，其作用機(jī)制主要包括影響鈣吸收、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)而影響破骨細(xì)胞數(shù)量與功能、影響腸道激素三方面。益生菌（probiotics）和益生元（prebiotics）通過調(diào)節(jié)GM結(jié)構(gòu)發(fā)揮保護(hù)骨骼的作用。未來，GM可能成為治療骨質(zhì)疏松癥等骨骼疾病的重要靶點(diǎn)，益生菌和益生元制劑也有望成為治療骨質(zhì)疏松的新方法。
關(guān)鍵詞：腸道菌群；益生菌；益生元；骨骼
自出生起，腸道就定植了來自母體和外界環(huán)境中的微生物，并逐漸形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的微生物群落，稱為腸道菌群(gut microbiota，GM)。GM包含了相當(dāng)于人體基因量150倍的基因，與人類共同進(jìn)化，通過多種方式對(duì)人體產(chǎn)生影響，有學(xué)者認(rèn)為GM是一個(gè)“被遺忘的人體器官”。在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)下，GM與宿主形成共生關(guān)系，菌群從宿主腸道獲得自身所需營養(yǎng)和能量，同時(shí)幫助宿主消化食物，為宿主提供營養(yǎng)物質(zhì)，加強(qiáng)腸道屏障作用，保護(hù)宿主不被病原體入侵。此外，研究發(fā)現(xiàn)GM還具有調(diào)節(jié)宿主物質(zhì)代謝及免疫系統(tǒng)的功能。
近年來，GM被證實(shí)與肥胖、糖尿病、炎性腸病等疾病相關(guān)，GM與骨骼健康的關(guān)系也逐漸被認(rèn)識(shí)。此外，由于益生菌和益生元對(duì)GM結(jié)構(gòu)具有調(diào)節(jié)作用，其對(duì)骨骼的影響也日益受到關(guān)注。本文就GM對(duì)骨代謝的影響及其機(jī)制、益生菌和益生元對(duì)骨骼的作用研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
GM對(duì)骨骼的影響及其機(jī)制
GM包含多種菌屬，既包括有益菌群，又包括有害菌群，不同菌屬數(shù)量及菌屬間比例形成差異的菌群結(jié)構(gòu)，不同的GM結(jié)構(gòu)將對(duì)骨骼產(chǎn)生不同影響。Sjogren等研究發(fā)現(xiàn)無菌小鼠骨量高于正常小鼠，說明GM對(duì)骨代謝具有調(diào)控作用。隨著年齡增長，骨質(zhì)疏松癥患病率逐漸增加，GM結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生變化：致病性變形菌門和桿菌門比例增加，而具有抗炎作用乳酸桿菌比例下降，這些改變可能影響了骨代謝，增加骨質(zhì)疏松發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。但目前研究尚未闡明影響骨代謝的具體GM種類。GM影響骨代謝的機(jī)制尚不清楚，主要有以下三種可能機(jī)制。
調(diào)節(jié)鈣吸收
GM中有益菌群可發(fā)酵食物中的纖維產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)，SCFA可降低腸道局部pH值，減少腸道鈣離子與磷形成復(fù)合物，從而促進(jìn)鈣吸收。一項(xiàng)包含了24名青少年的研究發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門中的擬桿菌屬、厚壁菌門中的小類桿菌屬和顫桿菌屬可發(fā)酵膳食纖維，產(chǎn)生SCFA，降低腸道局部pH值，增加鈣離子吸收。此外，SCFA中的丁酸鹽可為腸黏膜上皮細(xì)胞提供能量，改善腸絨毛結(jié)構(gòu)，增大吸收面積，利于腸道鈣吸收。這在一項(xiàng)體外試驗(yàn)中也得到證實(shí)：與正常小鼠結(jié)腸細(xì)胞相比，無菌小鼠結(jié)腸細(xì)胞處于能量剝奪狀態(tài)，三羧酸循環(huán)中關(guān)鍵限速酶表達(dá)被抑制，ATP產(chǎn)生減少，從而誘導(dǎo)細(xì)胞自噬；當(dāng)加入丁酸鹽后結(jié)腸細(xì)胞線粒體氧化呼吸得到改善，從而抑制細(xì)胞自噬。SCFA還可能通過表觀遺傳調(diào)控，包括改變核小體定位及誘導(dǎo)組蛋白乙?；?，促進(jìn)腸黏膜細(xì)胞對(duì)礦物質(zhì)的吸收。此外，SCFA還通過影響礦物質(zhì)吸收的信號(hào)通路促進(jìn)鈣吸收，體外研究發(fā)現(xiàn)，SCFA與細(xì)胞表面G蛋白偶聯(lián)受體結(jié)合后，降低細(xì)胞內(nèi)cAMP水平，增加促分裂原活化蛋白激酶磷酸化水平，引起下游信號(hào)熱休克蛋白27磷酸化，促進(jìn)細(xì)胞吸收鈣離子。
調(diào)節(jié)免疫，影響破骨細(xì)胞數(shù)量與功能
骨組織中的造血干細(xì)胞可分化為破骨細(xì)胞和免疫細(xì)胞，GM通過促進(jìn)宿主免疫系統(tǒng)成熟而調(diào)節(jié)骨代謝。GM中有害菌群能夠產(chǎn)生內(nèi)毒素(lipopolysaccharide，LPS)，通過與宿主免疫細(xì)胞表面Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)結(jié)合，引起炎性反應(yīng)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無菌小鼠免疫系統(tǒng)中腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)、白細(xì)胞介素-6(interleukin-6，IL-6)表達(dá)量降低，T細(xì)胞數(shù)目較GM定植小鼠減少，同時(shí)，骨骼中破骨細(xì)胞數(shù)量減少，骨質(zhì)量高于GM定植小鼠，推測GM通過調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)及骨髓局部炎性反應(yīng)來調(diào)控破骨細(xì)胞生成，從而影響骨代謝。源于造血干細(xì)胞的前破骨細(xì)胞表面也表達(dá)TLR，同時(shí)還表達(dá)核因子kappa-B配體激活受體(receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand，RANKL)，前破骨細(xì)胞的命運(yùn)與RANKL、護(hù)骨素(osteoprotegerin，OPG)及LPS密切關(guān)聯(lián)。LPS對(duì)破骨細(xì)胞分化成熟具有雙向作用，當(dāng)前破骨細(xì)胞只暴露于LPS而不暴露于RANKL時(shí)，將分化為吞噬細(xì)胞，而不分化為破骨細(xì)胞，此時(shí)LPS具有抑制破骨細(xì)胞生成，減少骨吸收作用。當(dāng)在RANKL刺激下，RANKL/ OPG比例升高，LPS與TLR結(jié)合，將促進(jìn)前破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化為破骨細(xì)胞，加速破骨細(xì)胞分化成熟，從而增加骨吸收。
調(diào)節(jié)腸道激素分泌，影響骨代謝
GM中有益菌群可刺激腸道細(xì)胞分泌腸促胰素。腸促胰素包括一系列由腸道分泌，具有葡萄糖濃度依賴性促進(jìn)胰島素分泌作用的激素，包括葡萄糖依賴促胰肽(glucose-dependent insulinotropic polypeptide，GIP)和胰高血糖素樣肽1(glucagon-like peptide-1，GLP-1)。GIP可與成骨細(xì)胞表面受體結(jié)合，增加Ⅰ型膠原基因表達(dá)，促進(jìn)膠原基質(zhì)成熟及礦化，增加堿性磷酸酶活性，促進(jìn)TGF-β分泌，促進(jìn)骨形成；而GIP與前破骨細(xì)胞表面受體結(jié)合，抑制破骨細(xì)胞生成及活性，減少骨吸收。GLP-1則具有促進(jìn)胰島β細(xì)胞分泌胰島素的作用，胰島素能夠促進(jìn)骨形成；GLP-1還可以促進(jìn)甲狀腺C細(xì)胞分泌降鈣素，從而抑制骨吸收。近期研究表明GM中有害菌群的血清素可進(jìn)入血循環(huán)，減少成骨細(xì)胞數(shù)量，抑制成骨細(xì)胞分化成熟，抑制骨形成，降低骨小梁體積百分?jǐn)?shù)，亦有研究發(fā)現(xiàn)色氨酸羥化酶1具有催化血清素合成作用，而其抑制劑具有治療低骨量的潛在作用。
綜上，GM中菌屬繁多，其中有益菌群不僅能夠代謝產(chǎn)生SCFA，降低腸道局部pH值，為腸黏膜細(xì)胞提供能量，增加吸收面積，調(diào)控腸黏膜上皮表觀遺傳及礦物質(zhì)吸收信號(hào)通路，促進(jìn)腸道鈣吸收，而且能夠刺激腸道細(xì)胞分泌GIP和GLP-1促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收，從而促進(jìn)骨骼健康，降低骨質(zhì)疏松發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。而有害菌群則一方面通過代謝產(chǎn)生LPS，促進(jìn)炎性反應(yīng)刺激破骨細(xì)胞生成，直接誘導(dǎo)前破骨細(xì)胞向破骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化，促進(jìn)破骨細(xì)胞分化成熟，促進(jìn)骨吸收；另一方面通過血清素，抑制骨形成，破壞骨微結(jié)構(gòu)，增加骨質(zhì)疏松風(fēng)險(xiǎn)。
因此，調(diào)整GM菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)GM中有益菌群生長，降低有害菌群比例，對(duì)維持骨骼健康具有顯著意義。近期研究顯示，益生菌作為GM中有益菌群對(duì)骨骼具有保護(hù)作用，益生元由于具有調(diào)節(jié)GM結(jié)構(gòu)的功能，有利于增加有益菌群，減少有害菌群。
益生菌對(duì)骨骼的作用
益生菌(probiotics)是指與宿主共生且達(dá)一定數(shù)量后，通過改善腸道功能，保護(hù)腸黏膜，調(diào)解免疫反應(yīng)等機(jī)制，有利于宿主健康的微生物。GM中乳酸菌、雙歧桿菌、埃希氏菌、腸球菌、芽孢桿菌、枯草桿菌、酵母菌等是有益于宿主健康的益生菌。使用益生菌來發(fā)酵酸奶、制作奶酪等食物由來已久，近年來益生菌對(duì)骨代謝的影響也倍受關(guān)注。
有多項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明益生菌對(duì)骨骼發(fā)揮多重影響。第一，通過增加骨骼中鈣含量促進(jìn)骨骼健康：與空白對(duì)照組相比，補(bǔ)充芽孢桿菌和枯草桿菌可增加家禽脛骨中鈣含量，并使脛骨橫徑增粗。第二，抑制破骨細(xì)胞活性：在去卵巢小鼠中，補(bǔ)充乳酸菌與補(bǔ)充溶劑對(duì)照相比，破骨細(xì)胞活性降低，骨吸收降低，骨密度及骨小梁骨體積分?jǐn)?shù)增加。第三，通過抑制炎癥反應(yīng)減少骨吸收：口腔枯草桿菌、酵母菌、雙歧桿菌能降低牙槽骨的破骨細(xì)胞活性從而減少牙槽骨的骨吸收；在牙周炎局部使用乳酸桿菌，通過其合成的精氨酸脫亞氨酶降低炎性反應(yīng)因子基因表達(dá)，能夠有效減少牙周炎所致牙周骨吸收；予雄性小鼠乳酸菌制劑灌胃，每周3次，連續(xù)4周，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組TNF-α表達(dá)水平顯著下降，減少了TNF-α介導(dǎo)的骨吸收，而骨小梁骨體積分?jǐn)?shù)和骨密度顯著增加；予性激素缺乏小鼠每周補(bǔ)充兩次乳酸菌，發(fā)現(xiàn)其能降低腸道滲透性，抑制炎性反應(yīng)，減少骨吸收。第四，促進(jìn)成骨細(xì)胞活性：1型糖尿病小鼠模型中，與未干預(yù)組相比，使用乳酸菌干預(yù)組Wnt10b表達(dá)水平更高，提示乳酸菌具有促進(jìn)成骨細(xì)胞活性作用。第五，促進(jìn)骨骼礦化：斑馬魚研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌能夠刺激胰島素樣生長因子1分泌，而促進(jìn)骨骼礦化。第六，調(diào)節(jié)骨代謝通路：斑馬魚研究發(fā)現(xiàn)，乳酸菌通過上調(diào)MAPK1/3通路基因表達(dá)而促進(jìn)成骨細(xì)胞和骨細(xì)胞的成熟及分化；此外，大鼠研究也發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌通過上調(diào)SPARC和Bmp-2基因表達(dá)增加去卵巢大鼠的骨密度。
因此，從斑馬魚到嚙齒類動(dòng)物研究均表明，益生菌能夠通過多種途徑抑制骨吸收，促進(jìn)骨形成及礦化，增加骨密度，改善骨微結(jié)構(gòu)，保護(hù)骨骼健康。
益生元對(duì)骨骼的作用
益生元(prebiotics)是一類不能被人體消化的食物成分，具有刺激及活化腸道益生菌的作用，有利于人體健康。益生元包含大量不被人體消化的低聚糖，包括葡聚糖、低聚果糖、菊粉、木聚糖、低聚半乳糖和大豆低聚糖等。GM中有益菌群可代謝產(chǎn)生SCFA、支鏈脂肪酸、膽汁酸衍生物和維生素等益于人體健康的產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物的生成依賴于GM的基質(zhì)，這些基質(zhì)部分來源于益生元，因此益生元可調(diào)節(jié)GM代謝產(chǎn)物，從而影響骨代謝。
研究發(fā)現(xiàn)益生元對(duì)骨骼有以下影響：第一，益生元能夠促進(jìn)鈣離子吸收：動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)低聚果糖、菊粉、低聚半乳糖不僅增加小鼠和成年健康大鼠的鈣吸收，而且菊粉和低聚果糖可顯著增加去卵巢大鼠的鈣吸收，減少骨量丟失。人類研究中也發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充低聚果糖9天到1年不等的時(shí)間，可增加青少年的鈣吸收，且持續(xù)1年補(bǔ)充低聚果糖有助于升高青少年骨密度。在一項(xiàng)安慰劑對(duì)照雙盲交叉設(shè)計(jì)的研究中，補(bǔ)充丁酯低聚糖6周，能夠增加絕經(jīng)后女性的腸鈣和鎂的吸收，且骨密度低者，效果更顯著。低聚半乳糖也可增加絕經(jīng)后女性的腸鈣吸收。第二，益生元對(duì)骨轉(zhuǎn)換具有一定影響：低聚果糖和菊粉可升高小鼠體內(nèi)骨鈣素水平。低聚半乳糖/低聚果糖混合制劑與鈣劑合用時(shí)，可增加大鼠骨的礦化和骨密度，還可增加成骨細(xì)胞表面積。一項(xiàng)針對(duì)絕經(jīng)后女性的隨機(jī)干預(yù)試驗(yàn)表明，補(bǔ)充低聚果糖24個(gè)月，可降低血及尿中I型膠原羧基端片段、骨鈣素等骨轉(zhuǎn)換生化指標(biāo)水平。第三，益生元具有改善骨強(qiáng)度的作用：低聚果糖和菊粉可增加小鼠及大鼠骨密度及骨小梁厚度，低聚果糖、低聚半乳糖和菊粉具有增加健康大鼠及去卵巢大鼠骨強(qiáng)度的作用。第四，益生元還能增強(qiáng)其他益于骨骼健康制劑的作用：低聚果糖可增強(qiáng)大豆異黃酮對(duì)去卵巢大鼠骨密度及骨強(qiáng)度的改善作用，益生元也可增加益生菌的骨保護(hù)作用。
可見，動(dòng)物及人體研究均提示，益生元通過直接或間接作用促進(jìn)骨形成，抑制骨吸收，增加骨密度及骨強(qiáng)度，從而發(fā)揮保護(hù)骨骼的作用。
總結(jié)和展望
腸道菌群與骨代謝存在復(fù)雜而密切的關(guān)聯(lián)，益生菌和益生元制劑對(duì)骨骼可能具有保護(hù)作用。然而，對(duì)骨骼具有保護(hù)作用的益生菌和益生元有哪些種類，其調(diào)節(jié)骨代謝的信號(hào)通路及確切機(jī)制，仍有待深入探討。未來，腸道菌群可能成為調(diào)節(jié)骨代謝的重要靶點(diǎn)，益生菌和益生元等調(diào)節(jié)腸道菌群制劑有望為骨質(zhì)疏松癥的治療提供新的思路，其治療骨質(zhì)疏松癥的大樣本、隨機(jī)對(duì)照、長期人群研究，值得深入開展。
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