腸道免疫功能與骨代謝的研究進展

董萬濤 鞏彥龍 宋敏* 劉濤 周靈通 劉小鈺 蔣林博

1.甘肅中醫藥大學，甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院，甘肅 蘭州 730000

脊椎動物的消化道被微生物復雜的組合，統稱為腸道菌群所棲息。人類腸道是迄今為止研究最為密集的生態系統之一。人和動物的胃腸道棲息的細菌大約重1 000 g，種類大約30個屬400～500多種，總體數量在1014以上，比人體細胞的10倍還多，其基因組的基因數約為人類基因組基因總數的150倍[1]。腸道微生態和人體有著密不可分的互利共生關系，直接影響著每個人的健康，對促進營養食物消化吸收、產生有益營養物質、抵御外來致病菌的侵入以及調節免疫機制等方面有著重要作用。最近的研究發現，腸道菌群在人類的健康和疾病之間具有重要作用，這引起人們迫切希望了解腸道微生物群落和它們如何影響機體健康的強烈興趣[2]。腸道的屏障功能包含腸黏膜的機械屏障、生物屏障、化學屏障及免疫屏障等。1976年著名學者Genant等[3]首先報道炎癥性腸病(inflammato bowel disease，IBD)患者出現了骨代謝異常，并發現IBD患者尤其是青少年存在骨量減少的情況。有越來越多的證據顯示環境因素與腸道菌群之間的相互作用，導致代謝性疾病包括骨質疏松癥的風險增加[4]。本文將從以下方面進行綜述腸道免疫功能與骨代謝的研究進展。

1 腸道免疫屏障的組成

研究[5]表明腸道具有400 m2的巨大表面積，小腸內部有無數的絨毛，每根絨毛上又有無數的微絨毛，總表面積達到300 m2，遠大于皮膚(2 m2)及肺部黏膜系統(80 m2)的表面積，機體腸道有七成以上的免疫細胞，如巨噬細胞、T細胞、NK細胞、B細胞等集中在腸道，有七成以上的免疫球蛋白A，又有眾多的細菌，腸道是消化器官，又是免疫器官，組成了機體免疫系統的第一道防線[6]。

腸黏膜是一個不斷變化的動態環境，胃腸道的上皮表面構成對“外界”的物理屏障，從而為機體提供了防御感染的第一層防御；第二層防御是發現的與上皮細胞相鄰的黏液層，即覆蓋在胃腸道的上皮表面由一個復雜的網絡粘蛋白和抗微生物蛋白組成，從而阻礙微生物到達上皮細胞；第三層防御是由居住在腸道的眾多免疫細胞提供、或是分散在整個腸上皮和固有層的淋巴系統提供，如Peyer氏集合淋巴結、腸系膜淋巴結等[7]。黏液層、上皮細胞和免疫細胞共同構成腸黏膜屏障功能，防止外生有害微生物通過腸道侵犯機體，其中最重要的是免疫系統提供的針對潛在有害共生生物的屏障[8]。

傳統上病原體的感染被認為是微生物和免疫系統之間的斗爭，免疫系統在阻止病原菌定植在宿主致病過程中起到了關鍵的作用[9]。腸道微生物的免疫功能主要是防止致病菌定植腸道生長和腸道原有細菌微生物群落的破壞從而影響機體的健康，這種調節菌群紊亂、抑制病原菌生長的機制是復雜的，包括競爭性代謝性相互作用、定位腸龕和誘導宿主的免疫反應，反過來，病原體進化以逃避共生介導的抗侵染[10-12]。因此，腸道共生菌、病原體、腸道原有菌之間的相互作用對腸道免疫功能有重大意義，了解病原菌共生的相互作用可能會帶給新的治療方法來治療相關性疾病。

2 腸道免疫功能與骨代謝

腸道免疫功能即腸道免疫屏障，研究發現，腸道菌群所引起炎性腸病而引起自身免疫狀態的改變，而自身免疫狀態改變與機體的骨量丟失相關，說明了腸道菌群與骨組織間存在著某種關系[13]。有研究已證明宿主的免疫系統受腸道菌群的影響，而免疫系統的變化與機體骨代謝緊密相關[14,15]。所以，研究腸道菌群、免疫系統、骨代謝三者的關系，有助于進一步闡明腸道菌群通過調控宿主免疫系統來作用于機體骨代謝的機制，這可能對臨床治療骨質疏松癥提供一種新的思維策略。

2.1 腸道免疫功能與骨髓間充質干細胞

骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMMSCs)是存在于骨髓中的具有高度自我更新能力和多向分化潛能的干細胞群體，BMMSCs與骨質疏松骨代謝密切相關，骨髓間充質干細胞產生中胚層細胞能分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞、肌細胞、肝細胞和神經細胞等，有治療各種疾病的潛能。

Zhang等[16]研究BMMSCs在大鼠異位腸移植術后小腸黏膜屏障的保護作用中，用同種異體骨髓間充質干細胞，通過靜脈途徑移植到靈長類動物并分布到胃腸道增殖，由于多種生長因子的分泌，骨髓間充質干細胞具有免疫調節能力，骨髓間充質干細胞減少大鼠腸道缺血再灌注損傷，明顯延長復合組織異體移植的存活時間和促進移植組織血運的重建。Rahmi 等[17]研究發現，炎性腸病大鼠模型中BMMSCs增生活躍，誘導抗炎性細胞因子(TGF-β2和IL-10等)表達增加，在宿主腸道組織修復過程中多種生長因子(EGF和VEGF等)表達增加。BMMSCs在腸黏膜屏障功能損傷時，在多種細胞因子參與可以保護和修復受損的腸黏膜屏障功能，但這種機制是復雜的，需要進一步研究。

2.2 腸道免疫功能與成骨細胞

成骨細胞(osteoblast，OB)和破骨細胞(osteoclast，OC)是骨代謝中維持骨量的兩種主要細胞，在正常骨組織二者處于動態平衡中，這種平衡關系被打破，就會導致骨代謝疾病，常見的如骨質疏松癥等。近年來，通過腸道免疫系統調節OB、OC進而影響骨代謝的研究報道逐漸增多，這將對骨質疏松癥的治療提供新的治療思路。

免疫系統是一個平行的智能系統，包括腸道免疫系統及闌尾，已經證實[18]造血干細胞從在于骨髓以外的組織，間充質干細胞能從兒童和成人年齡組獲得(0～18歲)的正常闌尾分離出來。闌尾對腸道免疫的發展是很重要的，人們已經能從動物和人類的闌尾分離出造血干細胞。De Coppi等[19]手術切除非炎癥闌尾，并分離出間充質干細胞即闌尾來源的間充質干細胞(appendix-derived mesenchymal stem cells，ADMCs)，通過免疫組化法和細胞化學證實其向成骨、脂肪和肌源性分化。ADMCs在成骨條件下分化為成骨細胞，并且此過程中顯示堿性磷酸酶的表達增加。

2.3 腸道免疫功能與破骨細胞

白三烯B4(LTB4)是一種來自于花生四烯酸的強效炎癥介質，已經確定LTB4的兩個G蛋白偶聯受體：高親和性受體蛋白BLT1和低親和力受體蛋白BLT2，這兩種受體主要是對百日咳毒素敏感的胃腸道G蛋白，BLT2在破骨細胞高表達。Yokomizo等[20]研究發現BLT1缺陷在各種炎癥模型小鼠表現出明顯癥狀，如骨質疏松癥、腹膜炎、支氣管哮喘、類風濕關節炎和動脈粥樣硬化。在小鼠中，BLT2蛋白表達僅限于腸上皮細胞和表皮角質層細胞，BLT2蛋白缺失的小鼠模型由于腸道免疫屏障功能減弱，小鼠在給右旋糖酐硫酸酯藥表現出結腸炎癥狀加重。

3 腸道免疫功能紊亂與骨代謝

長期以來人們認為腸道是通過吸收鈣的關鍵骨鹽來調節骨質，在多種動物模型和人體內腸道微生物可調節骨密度、骨強度[21]。幾種益生元，達到低位腸道導致腸道菌群的改變，這種改變被認為是提高了纖維發酵產生的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)的作用，青少年身體中、動物模型中鈣吸收率的增強與其骨密度和強度增加成正比[22]。通過影響飲食而影響腸道微生物，繼而如何調節骨質的機制知之甚少，正如上述觀念認為是飲食或益生元纖維影響到低位腸道微生物纖維發酵產生的短鏈脂肪酸的作用，由此產生的較低的pH值環境已被認為是減少絡合的礦物質，如形成磷酸鈣[23]。因此，更多的鈣將被吸收，以支持骨的增長，短鏈脂肪酸可提高腸道對鈣的吸收而維持骨骼的健康[24]。

腸道菌群對骨的作用可以通過調節免疫系統實現。雌激素缺乏癥產生的慢性炎癥狀態、飲食中的脂肪和醫學濫用抗生素可增加腸道微生物的炎癥環境，能導致骨質疏松癥的發生[25]。腸道菌群在免疫系統不斷的溝通，它們有助于抑制無害的共生微生物的免疫反應，有助于保護宿主免受病原體的入侵，無菌動物有不成熟的腸道黏膜免疫系統，腸道微生物幫助塑造全身免疫[26]。研究表明[27]，無菌小鼠腸道植入一定細菌后骨量增加(與破骨細胞減少有關系)和免疫系統發生改變(與降低TNFα和T細胞的表達有關)。熱滅活的乳酸乳球菌G50給予衰老小鼠模型1月后加速小鼠老年性骨質疏松癥的發展[28]。可見腸道微生物與腸道免疫系統相互作用共同影響骨代謝。

炎性腸病患者，在小腸粘膜某些面筋蛋白結合后與HLA-DQ2或HLA-DQ8具有較高的親和力，后激活特異性T細胞而破壞小腸絨毛的吸收功能，此過程中自身抗原組織轉谷氨酰胺酶通過增強與DQ2或DQ8T的結合產生脫蛋白肽進而與T細胞反應，產生典型癥狀如骨質疏松癥、腹瀉和吸收不良性貧血[29]。炎性腸病在骨質疏松發展中的作用重大[33]。炎性腸病能通過炎性因子(如TNF-ɑ、IL-1、IL-6等)促進破骨細胞的活性；能通過相關信號通路(如RANK-RANKL-OPG信號通路、Wnt信號通路等)促進破骨細胞分化成熟而導致骨量丟失增加；能通過對維生素及鈣等營養物質的調節，而調節骨質[30-34]。

4 展望

腸道免疫功能紊亂與骨質疏松癥關系密切，但往往容易被忽視。腸道免疫功能紊亂患者骨質疏松及骨質疏松性骨折的風險增加，尤其是在IBD并伴有絕經后的女性、老年男性、低身體質量指數、使用糖皮質激素患者、有骨質疏松癥家族史、及營養吸收不良患者更易發生骨質疏松癥及骨折風險。主要治療包括改善骨質疏松癥的危險因素，如鈣和維生素D的補充，糾正激素缺乏癥、戒煙、改善生活方式、控制炎性腸病等。盡管隨著科學技術的進步，腸道免疫功能與骨質疏松癥關系的研究越來越多，機制也在不斷地闡明，但該領域仍有許多未知點需要進一步闡述，這將會從腸道免疫途徑治療骨質疏松奠定理論基礎。