腸道微生物與骨病的研究進(jìn)展

張健 韓金祥 王延宙 魯艷芹*

1. 山東省醫(yī)藥生物技術(shù)研究中心，山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250062 2. 醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，濟(jì)南大學(xué)-山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250200 3. 山東省立醫(yī)院，山東 濟(jì)南 250021

1 腸道微生物菌群

在人體內(nèi)或人體表面存在著與人們共生共棲并在一定條件下導(dǎo)致各種疾病的微生物群體[1]，而存在于腸道內(nèi)的微生物菌群是這些微生物群體的主力軍，它們被稱(chēng)為腸道微生物菌群[2]。人體和動(dòng)物腸道中的菌群種類(lèi)繁多，以人體健康腸道為例，細(xì)菌、古菌和真核生物是腸道菌群的主要成分[3]，其內(nèi)微生物數(shù)量與體細(xì)胞的比例可以達(dá)到10∶1，大約存在超過(guò)10萬(wàn)億個(gè)細(xì)菌[4]。另外人類(lèi)腸道微生物宏基因組分為擬桿菌屬、普里沃菌屬和瘤胃球菌屬3個(gè)腸型[5]，這些宏基因組是人類(lèi)基因組基因數(shù)量的100倍之多，被稱(chēng)為人體的“第二基因庫(kù)”[4]。

人體腸道微生物菌群就像人體又一器官，它們不僅對(duì)免疫功能、營(yíng)養(yǎng)吸收和宿主細(xì)胞各種生命活動(dòng)具有重要影響[6]，還與人體的各種疾病及健康狀況密切相關(guān)。腸道微生物菌群通過(guò)菌群穩(wěn)態(tài)改變及其產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物[7]等因素影響機(jī)體，導(dǎo)致機(jī)體代謝過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生。如炎癥性腸病中的潰瘍性結(jié)腸炎[8]和克羅恩氏病[9]等疾病可能由于宿主遺傳、飲食和環(huán)境變化造成腸道微生物構(gòu)成改變而導(dǎo)致；腸道微生物構(gòu)成的變化不但能影響能量代謝導(dǎo)致肥胖發(fā)生[10]，其本身還可能與機(jī)體固有免疫成分共同激活非特異性免疫反應(yīng)，誘導(dǎo)胰島素抵抗，參與II型糖尿病的發(fā)生[11]。腸道菌群還通過(guò)影響免疫系統(tǒng)誘發(fā)類(lèi)風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎[12]和系統(tǒng)性紅斑狼瘡[12]等疾病的發(fā)生。關(guān)于癌癥方面的研究，腸道微生物菌群的幾個(gè)副產(chǎn)物——硫化氫和脆弱擬桿菌腸毒素可直接靶向腸上皮細(xì)胞并介導(dǎo)腫瘤的發(fā)生[13]。此外，當(dāng)腸道內(nèi)革蘭氏陽(yáng)性菌和梭菌菌屬(Fusobacterium)減少，菌群平衡被打破，使得患結(jié)直腸癌的風(fēng)險(xiǎn)增加[14]。菌群-腸道-大腦軸與人的情感和行為關(guān)系密切，它們通過(guò)改變神經(jīng)遞質(zhì)代謝導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)功能紊亂[15]，引起抑郁、精神衰弱等問(wèn)題[16-17]。雖然腸道菌群失衡可以引發(fā)多種疾病，但是處于穩(wěn)態(tài)下的腸道菌群卻可以預(yù)防疾病。比如，腸道微生物菌群依附在腸黏膜上，形成一個(gè)保護(hù)罩，避免外來(lái)病原微生物的侵襲[12]。腸道菌群還可以對(duì)腸道產(chǎn)生一定的刺激，這種刺激能夠誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生對(duì)微生物抗原免疫球蛋白G(immunoglobulin G，IgG)的免疫應(yīng)答，刺激機(jī)體產(chǎn)生更多的淋巴細(xì)胞[18]，隨之產(chǎn)生的IgG抗體可以識(shí)別革蘭氏陰性菌、中和毒素和病毒，調(diào)理機(jī)體清除病原微生物[19]，促進(jìn)免疫系統(tǒng)成熟，保證宿主避免炎癥和感染的發(fā)生，起到提高機(jī)體免疫力的作用[9, 19]。

2 腸道微生物菌群與骨病

2.1 腸道微生物菌群與骨質(zhì)疏松癥

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis，OP)是一種由于正常骨轉(zhuǎn)換被破壞，導(dǎo)致骨質(zhì)量和骨密度降低以及骨微結(jié)構(gòu)改變的代謝性骨骼疾病，其主要受遺傳和環(huán)境兩種因素影響[20]。目前已有不少研究證實(shí)腸道微生物菌群與骨質(zhì)疏松癥間具有一定關(guān)系。喂食含有地衣芽孢桿菌(Bacilluslicheniformis)的益生菌膳食補(bǔ)充劑的雞較喂食普通飼料的對(duì)照組其脛骨密度顯著增加[21]。雌激素缺乏會(huì)導(dǎo)致骨損失誘發(fā)骨質(zhì)疏松癥，卵巢切除術(shù)(ovariectomy，OVX)可以誘導(dǎo)雌性小鼠缺乏雌激素[22]。在OVX小鼠飲用水中加入副干酪乳桿菌(Lactobacillusparacasei)DSM13434或者L.paracaseiDSM13434、植物乳桿菌(Lactobacillusplantarum)DSM 15312和DSM 15313混合物，6周后可發(fā)現(xiàn)其體內(nèi)腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor, TNF-α)和白細(xì)胞介素1β(interleukin-1β，IL-1β)兩種炎性細(xì)胞因子的表達(dá)下調(diào)，并且小鼠皮質(zhì)骨中破骨細(xì)胞抑制劑骨保護(hù)素(osteoprotegerin，OPG)表達(dá)上調(diào)[22]，因此它們可能在防止卵巢切除誘導(dǎo)的皮質(zhì)骨損失和骨吸收方面具有一定作用。另外羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)處理的OVX小鼠體內(nèi)破骨細(xì)胞骨吸收標(biāo)志物5型酸性磷酸酶抗體(thrombin receptor activator for peptide 5，TRAP5)、激活劑核因子κB受體活化因子配體(receptor activator for nuclear factor-κB ligand，RANKL)以及破骨細(xì)胞的生成均顯著降低，促進(jìn)破骨細(xì)胞生成的骨髓CD4+T淋巴細(xì)胞也同樣減少[23]，說(shuō)明羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)可能抑制由雌激素缺乏導(dǎo)致的骨量丟失和骨吸收。I型糖尿病(diabetes mellitus type I,T1D)可誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥，骨特異性Wnt10b轉(zhuǎn)基因小鼠可免受T1D誘導(dǎo)的骨量丟失[24]，據(jù)報(bào)道使用羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)處理I型糖尿病模型小鼠可降低腫瘤壞死因子TNF-α介導(dǎo)的Wnt10b表達(dá)抑制作用，上調(diào)Wnt10b表達(dá)，在防止骨量丟失和預(yù)防骨質(zhì)疏松癥方面具有一定作用[24]。

胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factors-1，IGF-1)是一種有效的骨骼調(diào)節(jié)因子，可以促進(jìn)成骨細(xì)胞分化[25]。最近有研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可增加IGF-1表達(dá)水平，促進(jìn)骨骼生長(zhǎng)和重塑。另外微生物群發(fā)酵纖維產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)也可誘導(dǎo)IGF-1生成并參與調(diào)控骨代謝平衡[26]。還有研究證實(shí)注射特殊乳酸桿菌菌株(Lacticacidbacteria)可誘導(dǎo)無(wú)菌小鼠體內(nèi)生成IGF-1或類(lèi)IGF-1樣因子，進(jìn)而促進(jìn)成骨細(xì)胞分化，影響骨代謝水平[27]。

腸道微生物還可以通過(guò)改變骨免疫狀態(tài)介導(dǎo)調(diào)節(jié)骨代謝[28]。無(wú)菌小鼠較正常小鼠骨量明顯增加，且骨髓產(chǎn)生的CD4+T細(xì)胞、破骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞前體細(xì)胞數(shù)量明顯減少，TNF-α表達(dá)下調(diào)，但是移植腸道微生物菌群到無(wú)菌小鼠體內(nèi)后這些細(xì)胞的數(shù)量均恢復(fù)正常，且骨小梁和皮層骨質(zhì)量下降[28]。小鼠腸道內(nèi)分節(jié)絲狀菌(Segmentedfilamentousbacteria)可促進(jìn)輔助性T 細(xì)胞17(T helper cell 17, Th17)分化引起促炎免疫應(yīng)答，激活基質(zhì)細(xì)胞上的RANKL表達(dá)，促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成。另外，Th17細(xì)胞還可分泌白細(xì)胞介素17(interleukin-17，IL-17)細(xì)胞因子，同樣參與調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞的分化[29]。

腸道微生物群紊亂可導(dǎo)致炎癥性腸病發(fā)生[30]，炎癥性腸病患者則處于骨質(zhì)疏松和脆性骨折的風(fēng)險(xiǎn)中[31]，與炎癥性腸病相關(guān)的骨質(zhì)減少主要?dú)w因于鈣吸收不足，維生素D和維生素K的循環(huán)水平降低[32]等。攝取足量的對(duì)宿主健康有益的益生菌或益生元時(shí)可增強(qiáng)腸道抗炎特性，如補(bǔ)充益生菌鼠李糖乳桿菌(Lactobacillusrhamnosus)劑能夠改善腸道通透性，減輕腸道炎癥，起到防止骨量丟失的作用[33-34]。利用羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)抗炎、抗TNF-α的特性治療小鼠腸道炎癥，發(fā)現(xiàn)雄性小鼠骨小梁和椎骨的骨密度和骨量均增加，而雌性小鼠的骨參數(shù)卻沒(méi)有影響，其治療效果存在性別特異[35]。當(dāng)腸道菌群穩(wěn)態(tài)失衡出現(xiàn)腸炎癥時(shí)，主要在腸道被吸收的維生素D在維持菌群穩(wěn)態(tài)方面具有一定作用，它通過(guò)活化調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory cell，Treg)，避免影響骨健康[36]。維生素D對(duì)骨骼具有一定的益處[37]，在足夠的鈣供應(yīng)的情況下，腸道內(nèi)被吸收的維生素D及其代謝物可維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)，改善鈣平衡并促進(jìn)骨基質(zhì)中的礦物沉積，在鈣缺乏的情況下，維生素D可增強(qiáng)骨吸收，同時(shí)抑制骨礦化，從而以降低骨量為代價(jià)維持血鈣穩(wěn)態(tài)。在小鼠飲食中加入鈣之后，其腸道內(nèi)具有促進(jìn)骨重建作用的乳酸桿菌(Lactobacillus)和雙歧桿菌(Bifidobacterium)含量均增加[38]。因此補(bǔ)充膳食時(shí)加入適量的維生素D和鈣，對(duì)預(yù)防骨質(zhì)疏松的發(fā)生具有一定作用。腸道菌群通過(guò)發(fā)酵未消化的碳水化合物產(chǎn)生SCFAs對(duì)骨健康也存在一定影響，短鏈脂肪酸可降低腸道pH，有利于鈣吸收，另外它們還可能通過(guò)作為組蛋白脫乙酰酶(histone deacetylase，HDAC)的抑制劑或激活特異性G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptors，GPCRs)介導(dǎo)抑制破骨細(xì)胞的形成[39]。

2.2 腸道微生物菌群與類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎

類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis，RA)是一種以關(guān)節(jié)滑膜慢性炎性病變?yōu)橹饕±硖卣鞯南到y(tǒng)性自身免疫性疾病，發(fā)病時(shí)伴有嚴(yán)重的關(guān)節(jié)疼痛感[40]。Scher等[41]通過(guò)對(duì)類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者和健康者糞便中的腸道細(xì)菌樣品進(jìn)行16S測(cè)序發(fā)現(xiàn)，類(lèi)風(fēng)濕關(guān)性節(jié)炎初診患者糞便中的普氏菌(Prevotellacopri)數(shù)量比健康者或慢性已接受治療的類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者更多，普氏菌(Prevotellacopri)數(shù)量過(guò)多可能與擬桿菌屬(Bacteroides)等有益菌減少相關(guān)。這是首次證明了腸道普氏菌(Prevotellacopri)可能在類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)理中具有潛在的作用。近期Marietta等[42]在研究普氏菌屬細(xì)菌Prevotellahisticola對(duì)關(guān)節(jié)炎易感小鼠的影響時(shí)進(jìn)一步證實(shí)了Scher等的觀點(diǎn)。Marietta等[42]利用普氏菌屬(Prevotella)細(xì)菌Prevotellahisticola處理一組II型膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎易感小鼠，同時(shí)選取未治療小鼠作為對(duì)照。最終發(fā)現(xiàn)Prevotellahisticola可以通過(guò)黏膜調(diào)節(jié)抑制關(guān)節(jié)炎，使處理的小鼠與對(duì)照組相比表現(xiàn)出顯著降低的關(guān)節(jié)炎發(fā)生率，而且癥狀的嚴(yán)重程度也明顯降低。

在超過(guò)一半的類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者中，N-乙酰氨基葡萄糖-6-硫酸酯酶(N-acetylglucosamine-6-sulfatase，GNS)和細(xì)絲蛋白A(filamin A，F(xiàn)LNA)兩種蛋白均能夠引發(fā)T細(xì)胞與B細(xì)胞的免疫反應(yīng)，而健康人體內(nèi)卻沒(méi)有此類(lèi)效應(yīng)[43-44]。因此它們被認(rèn)為是類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的自身抗原。HLA-DR提呈的GNS蛋白與Prevotella菌屬和Parabacteroides菌屬的硫酸酯酶蛋白的表位具有同源性序列，HLA-DR提呈的FLNA蛋白與Prevotella和Butyricimonas菌屬蛋白的表位具有同源性?；谶@些，腸道微生物分泌的GNS和FLNA兩種蛋白質(zhì)很可能引發(fā)類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者體內(nèi)出現(xiàn)異常免疫反應(yīng)[43]。

2.3 腸道微生物菌群與強(qiáng)直性脊柱炎

強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis，AS)是一種以脊柱和骶髂關(guān)節(jié)炎癥為主要病理特征的慢性自身免疫系統(tǒng)疾病，與遺傳具有一定的相關(guān)性[45]。目前已有大量證據(jù)表明腸道微生物菌群可能對(duì)強(qiáng)直性脊柱炎具有重要作用。較早之前有研究發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯桿菌(Klebsiellapneumoniae)是強(qiáng)直性脊柱炎發(fā)病機(jī)制中的觸發(fā)和促進(jìn)因素[46]。近年來(lái)有報(bào)道指出強(qiáng)直性脊柱炎患者體內(nèi)可能還有其他特定的腸道微生物，采用16S核糖體RNA基因測(cè)序分析技術(shù)，通過(guò)篩選終末回腸活檢中的微生物譜發(fā)現(xiàn)強(qiáng)直性脊柱炎患者的腸道微生物構(gòu)成與健康對(duì)照受試者具有顯著差異，強(qiáng)直性脊柱炎患者的回腸末端富集了五類(lèi)細(xì)菌，毛螺科菌科(Lachnospiraceae)、瘤胃菌科(Ruminococcaceae)、紫單胞菌科(Porphyromonadaceae)、理研菌科(Rikenellaceae)和擬桿菌科(Bacteroidaceae)，而韋榮球菌科(Veillonellaceae)和普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)卻明顯減少[47]。除了這些細(xì)菌外，還有研究結(jié)果顯示，人體白細(xì)胞抗原HLA-B27陽(yáng)性強(qiáng)直性脊柱炎患者體內(nèi)耶爾森氏菌(Yersinia)、克雷伯氏菌(Klebsiella)和沙門(mén)氏菌(Salmonella)它們的熱休克蛋白與健康對(duì)照受試者相比具有較高的IgG抗體水平[48]，說(shuō)明它們也可能與強(qiáng)直性脊柱炎的發(fā)生具有一定關(guān)系。最近研究人員們還利用定量宏基因組分析研究了強(qiáng)直性脊柱炎患者與健康人腸道菌群的差異性，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)直性脊柱炎患者中放線菌屬(Actinomyces)數(shù)量顯著升高，它可以調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞中介物人核因子κB抑制蛋白α(NF-kappa-B inhibitor alpha，IκB-α)的泛素化，激活NF-κB代謝通路，促成炎癥反應(yīng)[49]。而患者體內(nèi)的擬桿菌屬(Bacteroides)和腸桿菌屬(Enterobacter)數(shù)量卻顯著降低，可能造成腸道菌群紊亂，導(dǎo)致強(qiáng)直性脊柱炎病情惡化[49]。

以上關(guān)于腸道微生物對(duì)骨質(zhì)疏松癥、類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和強(qiáng)直性脊柱炎影響的主要研究進(jìn)展可見(jiàn)圖1腸道微生物與骨病關(guān)系。

圖1 腸道微生物與骨病關(guān)系Fig.1 The relationship between intestinal microorganism and bone disease

3 結(jié)語(yǔ)

隨著腸道微生物研究的不斷深入，其在骨病發(fā)生過(guò)程中的作用逐步得到證實(shí)，腸道菌群構(gòu)成的改變與骨病發(fā)生相關(guān)聯(lián)，基于測(cè)序技術(shù)篩選出的特定腸道菌群可以作為早期診斷和疾病活動(dòng)監(jiān)測(cè)的新標(biāo)志物。腸道微生物對(duì)骨病的作用主要通過(guò)調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)促進(jìn)產(chǎn)生生物小分子，進(jìn)而參與調(diào)控骨代謝。此外它們還可通過(guò)影響宿主全身代謝，參與骨質(zhì)疏松、類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和強(qiáng)直性脊柱炎等相關(guān)骨病的發(fā)生?？傊?，關(guān)于腸道微生物與骨病關(guān)系的研究，分別從菌群差異性、功能研究等方面取得的一定進(jìn)展將為今后深入探討腸道菌群影響骨病的分子機(jī)制提供重要參考。