肠道微生物与骨质疏松症的相关性研究进展

赵常红 李世昌 孙朋 徐帅 胡晓磐 刘媛

1.西北师范大学体育学院，甘肃 兰州 730030 2.华东师范大学体育与健康学院，上海 200241 3.淮阴师范学院，江苏 淮安 223300

骨质疏松导致的骨折后果是毁灭性的，近50%患者永久性残疾，髋部骨折一年，死亡率为24%～30%。许多药物治疗由于成本和副作用的原因，导致大多数骨质疏松症仍没有得到有效治疗[1]。因此，迫切需要新的、廉价的、安全的和有效的干预措施预防和治疗骨质疏松症。

肠道微生物群在生理上起着重要作用，包括能量代谢、营养供应、免疫和炎症反应[2]。此外，还与超过25种人类疾病如肥胖、过敏、行为障碍、心血管疾病和一些癌症相关。新的证据也表明肠道微生物群与矿物质吸收和骨质疏松症紧密相关[3]。如图1。

肠道微生物环境的改变通过①产生短链脂肪酸和其他代谢物，②降低pH值和提高矿物质生物利用度，③微生物产生血清素和细胞因子，④免疫系统修饰，⑤病原体置换影响促进各种信号分子、免疫细胞和有益于骨骼的代谢物的产生促进骨代谢和骨形成[3-5]。骨依赖于成骨细胞、破骨细胞达到骨形成和骨吸收平衡，可通过雌激素、甲状旁腺激素等激素及免疫细胞来调节。胃肠系统在骨骼健康中起着关键作用，尤其是通过调节钙、磷和镁等矿物质的吸收，主要生产向骨细胞发出信号的内分泌因子(如肠促胰素和5-羟色胺)影响骨健康。最近的研究表明在矿物的吸收方面，肠道微生物发挥关键性作用[4,6-7]。

1 肠道微生物调节骨代谢作用

1.1 对骨生长代谢的作用

肠道微生物是从新生儿到成人整个生命过程中内环境平衡的关键调节器。越来越多的证据表明，肠道内环境平衡在儿童和青少年时期骨骼发育成健康的成人骨骼中起关键作用。Blanton等[8]研究发现，与年龄匹配健康微生物群的小鼠相比，肠道内营养不良微生物群的无细菌小鼠显示出生长减少、骨骼形态改变和代谢功能障碍，证明微生物群与儿童营养有因果关系。Schwarzevr等[9]也发现补充植物乳杆菌的营养不良小鼠能够维持正常的生长速率。也就是说，营养不良会抑制生长和骨生长参数(股骨长度、皮质厚度、皮质骨分数和股骨小梁分数)，这些影响可通过乳杆菌加以预防。研究表明，发育过程中微生物群的存在和组成对调节小鼠生长速度很重要。通过对野生型和无菌小鼠的比较，发现无菌小鼠的生长参数比野生型小鼠减小4%，体重也比野生型小鼠轻。结果表明，这种反应依赖于IGF-1-IGF-1R轴[10]。补充植物乳杆菌使IGF-1和IGFBP-3回到野生型水平，这表明植物乳杆菌可以重演微生物群对IGF-1-IGF-1R轴的有益作用[11]。Yan等[10]还证明了肠道微生物在调节小鼠体内IGF-1表达、骨形成和生长方面有重要作用。这些效应跨越了动物物种，在果蝇中也有发现，具体来说，果蝇因营养不良或微生物群缺乏而表现出生长抑制。当无细菌的果蝇重新补充益生菌乳酸杆菌菌株时，果蝇恢复正常生长速率，并恢复IGF轴。综上所述，这些研究表明，健康的肠道微生物群在发育过程中对骨骼生长非常重要。

1.2 对衰老骨代谢的作用

衰老伴随着骨质疏松症，最近开始关注肠道微生物调节骨质疏松的作用和机制。在一项研究中，对老年男性和女性患者给予干酪乳杆菌治疗4个月后，与安慰剂治疗组相比，这些患者骨折愈合(桡骨远端)增强[11]。在一项类似的研究中，50名绝经后骨质疏松的妇女(50～72岁)被随机分配接受6个月的Gerilact(7种益生菌)或安慰剂治疗。与安慰剂相比，尽管在治疗期间未观察到骨密度的显著变化，但多品种益生菌的骨吸收生物标志物显著降低。有趣的是，益生菌治疗确实显著降低了血清甲状旁腺激素和促炎标志物TNF-α的水平[12]。另一项研究发现了对骨密度的影响，凯菲尔发酵乳治疗男性骨质疏松症(64～67岁)6个月发现，Dexa测量的股骨颈骨密度增加了5%[13]。总之，最近的数据表明，益生菌在整个生命中有保持骨骼健康的作用。

1.3 对绝经期骨质疏松症的作用

绝经后雌激素的自然丧失是女性骨质疏松症最主要的因素。女性一生中约有50%的小梁骨和30%的皮质骨丢失，大约一半的骨丢失发生在绝经后的前10年[14]。最近的研究发现罗伊氏乳杆菌治疗可以防止小鼠卵巢切除术导致的骨丢失，这表明缺乏雌激素可能影响骨对罗伊氏乳杆菌的反应[15]。其他人使用相似或不同的益生菌证实了这些发现[16]。Li等[17]最近证明微生物群对于性激素缺乏引起的骨丢失是必要的，如狼疮增加了野生型小鼠的肠道通透性，但对无菌小鼠的肠道通透性没有影响，常规小鼠补充鼠李糖乳杆菌GG(LGG)或VSL#3，可降低肠道通透性和炎症，保护小鼠免受卵巢切除诱导的雌激素缺乏引起的骨质流失。研究表明，罗伊氏乳杆菌可以抑制OVX诱导的骨髓CD4+T淋巴细胞的增加，这是导致破骨细胞过度刺激的原因。此外还发现，罗伊氏乳杆菌的3kd片段可在体外抑制破骨细胞生成[5]。Ohlson等[4]研究发现，益生菌能影响肿瘤坏死因子α、白细胞介素1β等促炎细胞因子，并能提高骨保护素水平，从而降低破骨细胞生成。同样，添加了干酪乳杆菌亚种的豆浆也能减少骨质流失(副干酪NTU101/NTU102)。有研究发现，在卵巢切除大鼠中使用发酵乳、丙氨酰脯氨酸和和乳杆菌LBK-16H也证明了类似的结果。Rodrigues等[18]的结果也表明，益生元和益生菌(长双歧杆菌)的组合增加了大鼠的骨矿物质含量。总之，这些研究表明口服益生菌在逆转雌激素缺乏引起的骨丢失方面具有积极作用。

1.4 对性别的作用

研究已证明性激素在调节骨密度方面起着关键作用[19]。例如，男性比女性有更大的骨密度，主要是由于皮质骨扩张和更大的骨小梁体积的差异[20]。有研究发现，向健康的雄性和健康的雌性小鼠给予罗伊氏乳杆菌ATCC PTA 6475(罗伊氏乳杆菌)4周雄性小鼠的骨体积分数和骨密度增加，这与抑制肠道炎症有关。但在雌性小鼠中没有观察到这些作用，这表明罗伊氏乳杆菌的治疗以性别特异性的方式影响骨骼。还有研究发现，致病细菌导致雄性小鼠肠道炎症和骨质流失，但对雌性小鼠没有显著影响。在后来的研究中发现，完整的雌性小鼠可以对益生菌(罗伊氏乳杆菌)治疗产生反应，但只有当它们通过背部手术切口进入轻度炎症状态时，才支持炎症细胞和雌激素调节雌性对管腔细菌的潜在作用[6]。这些发现表明“坏”或“好”细菌对骨代谢的影响有性别差异。

2 肠道微生物预防病理性骨代谢作用

2.1 对肠道疾病骨丢失的作用

肠道微生物失调是由肠道微生物群组成或功能失衡引起的，主要是肠道疾病，由于肠粘膜的渗透性增加，可能具有系统性影响[21]。这可能导致细菌产物(如脂多糖)进入系统循环，导致包括骨骼在内较远部位的系统和局部组织炎症。有研究已经证明，由感染性H肝螺杆菌引起的发育不良可导致雄性小鼠肠道炎症和骨丢失。长期的抗生素治疗也会导致骨骼发育不良，如4～16周龄的雄性小鼠使用抗生素(氨苄西林和新霉素)后，B细胞和T细胞数量减少，骨强度降低[22]。在牙周发育不良模型中，激活核苷酸结合寡聚化结构域1(nod1)(肠道免疫功能的一种受体)，可避免这些小鼠的骨丢失，表明它在人类的类似情况下可能具有重要作用[23]。

益生菌治疗可以通过维持肠道屏障功能，从而防止毒素进入系统循环，有益于发育不良和肠道健康。病理性的失调会损害肠道屏障，但这种屏障可以通过使用特定的益生菌来挽救。益生菌还被证明对发育不良模型中的骨骼健康具有积极作用[24]。

2.2 对炎症性肠病骨丢失的作用

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)可通过影响成骨细胞和破骨细胞的作用促进骨质疏松症，对骨骼健康产生不利影响。IBD的特点是肠道发育不良，在局部和全身产生炎症反应，包括骨髓和骨骼。因此，IBD引起的肠道炎症是导致IBD引起的骨质疏松症的主要原因。当免疫系统识别出这种失调时，会发生炎症反应，包括释放很多促炎细胞因子，如TNF-α、IL-6、IL-11和IL-17，以及前列腺素E2，细胞因子表达也在骨骼中升高[25]。促炎细胞因子的升高促进破骨细胞的活性，也抑制成骨细胞的活性，后者主要通过降低成熟度和增加细胞死亡发生。IBD还影响骨代谢的RANK-RANKL-OPG途径，并促进骨质过度流失。前列腺素E2促进RANKL并抑制OPG，从而导致破骨细胞活化。最近的研究表明益生菌对IBD引起的肠道炎症和骨骼有保护作用。在溃疡性结肠炎小鼠模型中施用益生菌VSL#3可导致肠道通透性降低并有助于治疗炎症症状。DSS诱导的结肠炎导致雌性BALB/c小鼠肠道通透性增加，这种现象通过双歧杆菌CCM 7952(B1)的治疗而得到预防[26]。其他研究表明，调节toll样受体9(TLR9)对于益生菌在溃疡性结肠炎治疗中发挥有益作用。虽然这些研究没有观察到益生菌对骨骼的直接影响，但确实表明益生菌可以对IBD引起的肠道炎症产生有益的影响，这是IBD引起骨丢失的主要原因之一。

2.3 对1型糖尿病骨丢失的影响

1型糖尿病(type 1 Diabetes，T1D)是胰岛素生成的胰腺β细胞被破坏，导致需要外源性胰岛素来控制血糖水平，由此产生的代谢失调加速骨质流失。非肥胖糖尿病小鼠(NOD)的一项研究表明，缺乏MyD88蛋白(识别细菌刺激的多种先天免疫受体的接头)的NOD小鼠没有发展成T1D。这种保护依赖于共生微生物，因为无细菌MyD88阴性NOD小鼠发展为严重的糖尿病，而细菌定殖减弱T1D，共生细菌降低了疾病的易感性[27]。有研究已经证实，用益生菌罗伊氏乳杆菌6475调节肠道微生物群可以防止链球菌唑菌素(STZ)诱导的小鼠T1D介导的骨丢失。在这项研究中，雄性(C57BL/6，14周大)小鼠接受STZ注射以诱导1型糖尿病，注射后4周其骨体积分数降低35%[3]。用罗伊氏乳杆菌6475治疗可以防止这种骨丢失，可阻止T1D诱导的骨小梁间距增加和骨小梁数量减少。STZ诱导的T1D骨丢失源于成骨细胞活性的降低，这与骨形成血清标志物的降低和骨密度的降低结果一致。罗伊氏乳杆菌6475预防了骨钙素和矿物沉积率的减少，这表明益生菌对骨骼合成代谢有积极作用[3]。在这项研究中，经罗伊氏乳杆菌6475治疗的T1D小鼠脂肪细胞数量没有增加，有益于骨骼健康[23]。此外，在间充质前体细胞中刺激成骨细胞生成和抑制脂肪细胞生成的Wnt10b信号在T1D小鼠骨骼中降低。益生菌罗伊氏乳杆菌6475治疗完全恢复了全骨Wnt10b基因的表达，能恢复到正常水平。这些发现表明，益生菌可以通过调节骨骼中Wnt10b的表达来预防T1D引起的骨丢失[23]。

3 益生菌的安全问题

研究表明，益生菌对骨骼健康有很大的促进作用，益生菌营养补充剂可能将代表一种新的预防和治疗策略。在动物实验研究中发现，益生菌可预防牙周病[28]、糖尿病[29]和雌激素缺乏[17]导致的骨质流失。肠道微生物群的某些分类群中所含的酶活性可消化碳水化合物，以产生毫摩尔浓度的短链脂肪酸(SCFAs)、丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐[15]，通过促进成骨细胞分化来刺激骨形成，是甲状旁腺激素刺激骨形成的关键[30]。最近有研究发现，补充LGG可增加肠道和全身丁酸盐浓度和刺激骨形成。丁酸盐的增加也导致Treg细胞的数量增加，Treg细胞与BM CD8+T细胞的相互作用调节了Wnt10b的产生，Wnt10b作用于基质细胞和成骨细胞以促进骨形成[31]。

益生菌一般认为是安全的，但在某些情况下需要谨慎使用。免疫系统受损、严重肠屏障功能障碍或患有严重疾病的患者容易受到诸如败血症、真菌血症和肠缺血等不良影响[32]，进入血液系统，免疫细胞可能受损。最近对益生菌鼠李糖乳杆菌GG(LGG)的耐受性研究是非常积极的。患有克罗恩病的儿童，可以允许口服补充LGG并显示出与安慰剂相当的副作用特征。同样，老年患者(66～80岁)对益生菌(LGG)治疗没有表现出严重的不良反应[33]。

4 总结

许多研究发现肠道微生物在骨健康调节中的重要作用。直接补充有益的益生菌可以通过调节肠道的各个方面来影响骨骼健康。然而，需要更多的研究来了解肠道微生物与骨骼之间的信号通路，未来的研究将着重于确定肠道微生物调节成骨细胞和破骨细胞活性的机制。这些研究对未来骨质疏松症的治疗具有重要意义。