基于腸道微生態(tài)探討膝關(guān)節(jié)軟骨損傷＊

蔣 瑋，溫孝明，劉建軍，張 巖，唐文華

（甘肅中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院，甘肅 蘭州 730000）

在人體腸道中寄生著種類繁多，數(shù)量龐大的微生物群，不同菌群之間相互制約，維持動態(tài)平衡。有研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群參與了宿主的物質(zhì)能量代謝，同時與宿主的疾病發(fā)生密切相關(guān)，在疾病的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。在以往的研究中，有研究者發(fā)現(xiàn)腸道微生物群的生態(tài)失調(diào)與代謝性疾病和炎癥性疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，因此也可能與膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。然而，腸道微生物群代謝物對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制的確切機(jī)制和貢獻(xiàn)仍未確定，需要進(jìn)一步探索。對此，本文就腸道微生態(tài)與膝關(guān)節(jié)軟骨損傷之間的相關(guān)性，以及國內(nèi)外最新研究進(jìn)展做以下綜述。

1 腸道微生態(tài)系統(tǒng)

人體內(nèi)寄生著大量的微生物，與人體共同組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，人體腸道中有數(shù)千種菌群，數(shù)達(dá)萬億級別[1]。其中絕大多數(shù)為厭氧菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌、真桿菌、類桿菌、梭菌等，其次為需氧菌，如真菌、病毒群和螺旋體菌等。因年齡、地域、飲食、激素周期和人種等多種因素的影響，不同個體之間微生物菌群及數(shù)量有著巨大的差別[2]。對于個體而言，微生態(tài)對個體生長、發(fā)育和健康有非常重要的作用，其不僅僅參與了食糖、蛋白質(zhì)、脂類、礦物質(zhì)、維生素和酶類等營養(yǎng)物質(zhì)的消化、分解、合成和吸收過程，還對機(jī)體的生理功能和內(nèi)環(huán)境平衡起到重要的調(diào)節(jié)作用[3-5]。有研究[6-8]顯示微生態(tài)系統(tǒng)的紊亂，會引發(fā)內(nèi)環(huán)境變化，導(dǎo)致全身免疫炎癥反應(yīng)系統(tǒng)的紊亂，引起各種免疫介導(dǎo)的相關(guān)疾病發(fā)生，如代謝性疾病、心血管疾病，神經(jīng)系統(tǒng)疾病、免疫性疾病等。

2 膝關(guān)節(jié)軟骨損傷常見原因

膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的常見原因有勞損、創(chuàng)傷、免疫性疾病、代謝性疾病等[3]。最常見的勞損損傷是以超重負(fù)荷為主要原因致病的膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎，主要表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)腫脹而疼痛，關(guān)節(jié)活動時常伴有摩擦音。半月板損傷和韌帶損傷為常見的創(chuàng)傷導(dǎo)致軟骨損傷，突然過度內(nèi)旋伸膝、外旋伸膝致按月版損傷或外翻、內(nèi)翻致內(nèi)側(cè)或外側(cè)副韌帶損傷，以關(guān)節(jié)腫脹、疼痛、關(guān)節(jié)活動時有彈響及活動受限為主要臨床癥狀。風(fēng)濕、類風(fēng)濕、強(qiáng)直性脊柱炎、紅斑狼瘡等均可引起的膝關(guān)節(jié)軟骨損傷。痛風(fēng)為常見的代謝性疾病導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨損傷。還有一些損傷是多種治病因素共同導(dǎo)致的，如脂肪墊勞損、滑膜炎、長期不良的生活習(xí)慣等。但對于膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的治療，除了短期的緩解疼痛之外，目前還沒發(fā)現(xiàn)有效的藥物或治療能夠有效地再生軟骨并治愈疾病。臨床上常使用乙酰氨基酚等抗炎藥，雖然可以抑制骨關(guān)節(jié)炎性反應(yīng)，減少軟骨損傷，但類固醇和激素類藥物存在成癮性、導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)和肥胖等并發(fā)癥的發(fā)生。因此尋找新的、有效的藥物，能夠預(yù)防、治療膝關(guān)節(jié)軟骨損傷迫在眉睫。

3 微生物與膝關(guān)節(jié)軟骨損傷

3.1 微生物群有助于膝關(guān)節(jié)軟骨損傷

因肥胖、飲食結(jié)構(gòu)和審美的改變，這些改變的發(fā)生對腸道菌群也有一定的影響，導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的發(fā)生率比過去更高。Mancabelli L.等[9]對工業(yè)化、城市化人群和農(nóng)業(yè)人群腸道菌群進(jìn)行薈萃分析表明，工業(yè)化、城市化人群與農(nóng)業(yè)人群腸道菌群有很大的差異，然而這些腸道細(xì)菌中的某些細(xì)菌是否對軟骨有影響尚未得到確定的結(jié)論。Boercg 等[10]在腸道微生物對骨關(guān)節(jié)炎的研究中發(fā)現(xiàn)，腸道微生物產(chǎn)生的內(nèi)毒素誘發(fā)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致骨關(guān)節(jié)炎的疼痛。GussJD.等[11]在研究膝關(guān)節(jié)軟骨負(fù)荷實驗中發(fā)現(xiàn)，使用抗生素預(yù)防治療代謝綜合征的小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，腸道微生態(tài)的改變導(dǎo)致實驗小鼠的軟骨負(fù)荷降低，表明腸道微生態(tài)對膝關(guān)節(jié)軟骨有影響。軟骨細(xì)胞是軟骨中唯一的細(xì)胞類型，負(fù)責(zé)在軟骨組織中合成大量的膠原蛋和蛋白聚糖等細(xì)胞外基質(zhì)（ECM），這些基質(zhì)在關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中為軟骨提供剪切力和壓力支撐。軟骨細(xì)胞的正常代謝是維持軟骨穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)。在骨關(guān)節(jié)炎中，早期的骨軟骨板血管生成可能會進(jìn)一步增強(qiáng)微生物群靠近軟骨深層的能力，這可能導(dǎo)致局灶性生態(tài)失調(diào)、低度炎癥、軟骨退化、軟骨細(xì)胞的表觀遺傳變化和骨關(guān)節(jié)炎的惡化。

3.2 軟骨中發(fā)現(xiàn)腸道微生物

對于膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎出現(xiàn)的“耀斑”現(xiàn)象，有研究者給出了腸道微生物位移到膝關(guān)節(jié)軟骨下或軟骨下骨髓、或更深的軟骨下區(qū)域，腸道微生物通過其自身產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物參與機(jī)體的免疫炎癥反應(yīng)，進(jìn)而引起軟骨的低度炎癥，最終導(dǎo)致軟骨損傷[12]。JeffriesMA.等[13-14]通過DNA 鑒定技術(shù)，將軟骨微生物DNA 與骨關(guān)節(jié)炎相關(guān)的微生物組譜進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，骨關(guān)節(jié)炎軟骨下以β 變形桿菌為主導(dǎo)，而正常人類膝關(guān)節(jié)軟骨以放線菌和梭狀芽孢桿菌為特征，可以發(fā)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎患者軟骨中的微生物有向革蘭氏陰性菌組成改變的傾向。但對髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨與膝關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，髖關(guān)節(jié)骨關(guān)節(jié)炎軟骨菌群主要由變形桿菌門控制，而膝骨骨關(guān)節(jié)炎菌群則以放線菌為特征。盡管這些發(fā)現(xiàn)還有待進(jìn)一步的驗證，但類似的研究發(fā)現(xiàn)門靜脈菌群在代謝紊亂患者中觀察到了腸道微生物標(biāo)志物，表明腸道微生物的位移確實存在。

3.3 腸道微生物及其DNA 如何位移至軟骨

腸道微生物的DNA 是否存儲在軟骨下骨髓，深軟骨血管，軟骨基質(zhì)或軟骨細(xì)胞本身中，目前尚不清楚。膝關(guān)節(jié)軟骨與大多數(shù)組織不同，關(guān)節(jié)軟骨在淺表，中部和深部區(qū)域沒有血管、神經(jīng)或淋巴管，因此，關(guān)節(jié)軟骨的大部分營養(yǎng)來自滑膜和軟骨下血管的供養(yǎng)。按軟骨的分子結(jié)構(gòu)來說，軟骨細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)的平均孔徑約為6.0nm，而大多數(shù)細(xì)菌的大小為100～4000nm、孢子在100nm 左右[15-16]。因此，細(xì)菌幾乎不能穿過軟骨的表層。細(xì)菌DNA 可能也是如此，DNA 的電荷是負(fù)電荷，需要一種正電荷物質(zhì)的積累，才能促進(jìn)其在軟骨基質(zhì)中的積累，而大多數(shù)細(xì)菌，無論是革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁均帶負(fù)電荷。所以細(xì)菌DNA 也幾乎不可能透過軟骨的表層。有研究發(fā)現(xiàn)骨關(guān)節(jié)炎發(fā)生的過程中，骨與軟骨交界的區(qū)域會有新血管生成，這為細(xì)菌侵入軟骨提供了途徑。Wormstrand B.等[17]對患有化膿性關(guān)節(jié)炎或骨髓炎的年輕馬的軟骨管的研究中發(fā)現(xiàn)，該動物模型的軟骨中發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌，表明細(xì)菌極有可能通過骨與軟骨間的血管，進(jìn)一步侵犯至軟骨，引起軟骨損傷。目前雖沒有報道發(fā)現(xiàn)，微生物通關(guān)骨與軟骨間形成的微小血管進(jìn)行侵犯，但來自骨髓或軟骨下深處的腸道菌群極有可能通過該通道，進(jìn)而影響軟骨，導(dǎo)致軟骨損傷。

3.4 腸道微生態(tài)如何影響膝關(guān)節(jié)軟骨

因創(chuàng)傷導(dǎo)致的血管再生，可能為細(xì)菌通過該通道位移至軟骨下，提供了可能。但其發(fā)揮作用的是其代謝產(chǎn)物，如脂多糖（LPS），又稱為內(nèi)毒素。LPS 能直接通過腸壁進(jìn)入血液，進(jìn)而引起免疫相關(guān)反應(yīng)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)軟骨的損傷，當(dāng)外界環(huán)境、內(nèi)環(huán)境的變化，導(dǎo)致腸道菌群的失調(diào)，可能導(dǎo)致LPS 的大量產(chǎn)生，釋放入血后，導(dǎo)致全身性的免疫炎癥反應(yīng)。有研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物產(chǎn)生的LPS 與全身免疫炎癥反應(yīng)成正相關(guān)[18]。LPS 不僅能引起全身性的免疫相關(guān)炎癥反應(yīng)，還能激活組織內(nèi)的細(xì)胞TLR-4 受體。TLR-4 受體大量存在于膝關(guān)節(jié)內(nèi)的軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞和軟骨下骨細(xì)胞，使得TLR-4 受體介導(dǎo)的相關(guān)信號通路激活，進(jìn)而影響軟骨細(xì)胞、滑膜細(xì)胞和軟骨下骨組織導(dǎo)致軟骨受損。有研究者[19]對SPF 級小鼠進(jìn)行LPS 誘導(dǎo)，最終導(dǎo)致全身性的免疫相關(guān)的炎性反應(yīng)發(fā)生，針對膝關(guān)節(jié)軟骨的研究發(fā)現(xiàn)，LPS 激活后的軟骨相關(guān)細(xì)胞的言行發(fā)生更加持久。在血液循環(huán)中，LPS 及其結(jié)合蛋白（LBP）的濃度與骨關(guān)節(jié)炎的影像學(xué)檢查和患者的關(guān)節(jié)癥狀有密切的相關(guān)性。動物實驗研究發(fā)現(xiàn)，與正常環(huán)境飼養(yǎng)的小鼠相比，無菌條件下飼養(yǎng)的小鼠血液中LPS 與LBP 的含量顯著降低，在影像學(xué)檢查也有骨贅減少的骨關(guān)節(jié)炎指標(biāo)降低表現(xiàn)[20-22]。這些結(jié)論都證明腸道微生物群可能通過促進(jìn)血液中LPS 水平的升高來促進(jìn)骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展。這也從側(cè)面暗示了其他腸道微生物分泌的其他生物活性分子也可能破壞腸道屏障的完整性，從而使許多生物活性分子能夠進(jìn)入關(guān)節(jié)周圍組織或進(jìn)入血液循環(huán)，從而對關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生損傷作用，進(jìn)而導(dǎo)致膝骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生發(fā)展[23]。

4 討論

腸道菌群與多種疾病的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)。但新的研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物與骨骼疾病的發(fā)生息息相關(guān)，這種關(guān)聯(lián)常常由低度的炎性反應(yīng)而聯(lián)系[24-26]。因衰老、性別、肥胖、營養(yǎng)不良、藥物、吸煙、飲食習(xí)慣等因素的變化導(dǎo)致腸道微生物發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)軟骨損傷。因此，需要對更多不同種族、體重和年齡、飲食習(xí)慣人群的軟骨進(jìn)行多因素研究，以更好地了解腸道微生物對軟骨生長的作用。然而當(dāng)今臨床中認(rèn)為，勞損、創(chuàng)傷、免疫性疾病、代謝性疾病是膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的主要原因，但導(dǎo)致這些原因的根本因素有可能是腸道微生態(tài)發(fā)生的變化。腸道微生物群成分的變化會導(dǎo)致機(jī)體生物動態(tài)平衡的破壞，進(jìn)而影響免疫功能作用的發(fā)揮失效、炎性反應(yīng)增加，尤其是對自身免疫性疾病、代謝異常綜合征和惡性腫瘤發(fā)生的增多。保持腸道菌群健康狀況，轉(zhuǎn)向健康的生活方式，從而操縱腸道菌群向有益于機(jī)體的發(fā)展，是膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的重要治療方式之一。此外，腸道微生物組的檢測可能是預(yù)見性地診斷膝關(guān)節(jié)軟骨損傷的方法之一，以及調(diào)控腸道微生態(tài)可能是新的干預(yù)措施。但相關(guān)研究證據(jù)尚不充分，該領(lǐng)域需要進(jìn)一步研究。