運動通過調控腸道菌群改善肌少癥患者治療效果的研究進展

董 超

1 前言

據2021年五月公布的第七次人口普查報告顯示，我國60歲以上老年人口達2.64億，占總人口的比例接近20%，這標志我國已全面邁入老齡化社會。隨之而來，與老年人日常活動與生活質量的相關的疾病大量產生，肌少癥作為一種極為常見的老年綜合征，在老年人群中發病率隨年齡的增長呈指數式上升，80歲以上老年人肌肉減少癥發病率最高可達50%。 此外，老年肌少癥患者的住院費用是其他疾病患者的5倍之多，這嚴重增加了病患家庭經濟和社會醫保系統的負擔，成為了廣受人民關注的公共健康問題之一。

近些年，腸道菌群作為一種新的治療靶點干預各類疾病逐漸被人們熟知，包括非酒精性脂肪肝，糖尿病，阿爾茲海默癥，癌癥等疾病。2013年，Bindels提出了“肌腸軸”這一新的概念，為腸道菌群作為治療靶點干預肌少癥提供了新方向。運動干預作為人類的一種高效自我干預手段，具有簡單易行，可控制性強等特點，因此其是肌少癥目前主要的治療手段之一。同時，運動干預可以有效調節腸道菌群的多樣性與穩定性，在治療肌少癥等衰老性疾病中具有巨大潛力。

因此，本文從腸道菌群的角度出發，對運動改善肌少癥康復治療效果的實驗性研究及潛在機制進行歸納總結，從而為運動改善肌少癥患者的治療效果提供理論與實踐依據。

2 肌少癥與腸道菌群

2.1 肌少癥概述

肌少癥，即肌肉減少癥，泛指隨著人體年齡的增長，人體出現肌肉質量下降，肌肉力量衰退，肌肉功能缺失等癥狀的臨床疾病。首次由美國教授Rosenberg于1989年提出，但最近十年才逐漸受到學術界關注。歐洲老年人肌少癥工作組2(EWGSOP2)，亞洲肌少癥工作組(AWGS)，中國國家衛生健康委員會等國內外組織相繼發布了肌少癥診斷及治療共識，報告了針對不同人種的肌少癥篩查方式，肌肉力量，肌肉質量和軀體功能的臨界診斷值。(表1)這提示了肌少癥治療效果的治愈標準與骨骼肌的力量，質量密切相關。

表1 診斷肌少癥的臨界值

2.2 腸道菌群與肌少癥的發病機制

腸道菌群，即生存在人體胃幽門至肛門消化管之間全部微生物群落的統稱。包括各種細菌、真菌、病毒、古細菌和其他腸道原生生物。根據菌群的功能以及特點，我們將其分為三類：共生菌，致病菌，條件致病菌。研究者發現，當人體邁入老年后，腸道菌群的會發生大量的改變。主要表現在腸道微生物的α多樣性與β多樣性下降，雙歧桿菌和乳酸桿菌等共生細菌數量及比例大幅度下降； 產生短鏈脂肪酸的糞球菌屬，瘤胃球菌屬等細菌數量大幅度減少；以及產生毒素的腸桿菌，腸球菌等條件致病菌比例增加。這些穩態變化導致的菌群失調現象，導致其無法合理調節機體的物質代謝，免疫應激，神經肌肉接頭等功能，進而引發了包括肌少癥在內的一系列老年性疾病。

3 運動對肌少癥患者腸道菌群的影響

目前，運動對腸道菌群的影響的研究主要集中在健康人群以及不健康人群兩類人之中，運動似乎可以改變腸道內菌群的生態平衡，但相關的生理機制還尚不明確。運動對老年人肌少癥患者腸道菌群影響的研究則更是少之又少，因此本文著重搜集了運動對老年人腸道菌群影響研究的證據，從而得出了以下三方面運動對肌少癥患者腸道菌群影響：

3.1 運動對腸道菌群多樣性的影響

腸道菌群多樣性測定主要有個兩個空間尺度，分別為α多樣性(關注單個試驗對象中物種多樣性的分析，即均勻腸道環境下的菌群數目的大小)和β多樣性(關注單個試驗對象的生境間多樣性分析，即沿腸道環境位置不同，菌群組成之間的相異性)。β多樣性常用于反應不同實驗對象菌群之間的差異性，α多樣性則主要用于反應實驗對象本身菌群多樣性。Etemadi等的研究顯示，腸道菌群α多樣性的大小與人體蛋白質消耗、機體的脂肪沉積密切相關。

2014年，Clarke等人將職業橄欖球運動員與普通人群的糞便進行研究，通過16SrDNA高通測序儀技術對腸道菌群進行測序比較分析，結果顯示職業運動員相比于其他人群具有更大的α多樣性。此外，美國 “胃腸道工程”也得出了與之類似的結果。一些動物實驗也為此提供證據，Denou等人通過為期6周HIIT運動干預肥胖小鼠后，遠端腸道的微生物α多樣性顯著增加。此外，為期四周的力量訓練也被證實可以增加腸道菌群多樣性。但并非所有的實驗都可以證明運動可以增加腸道菌群多樣性，楊文謙等人將相同情況的三十只小鼠分為中強度運動小鼠(NE)以及不運動的對照小鼠(NC)兩組，分別在運動干預前，運動干預持續兩周、六周、十周、十四周后進行腸道微生物的對比分析。結果顯示雖然兩組小鼠的體重基本類似且NC組運動表現大于NE組，但運動干預持續六周和十周后，N-組小鼠香農-威納指數(shannon)高于NE組；運動干預持續十四周后，NC組小鼠Chao指數高于NE組。該文章結果顯示小鼠進行持續中強度運動后，腸道菌群α多樣性出現降低，而β多樣性無顯著變化。

綜上所述，目前關于運動對腸道菌群多樣性的影響學術界尚未達成共識，這種差異可能與實驗的對象，運動干預類型，強度等原因有關，需要進行進一步研究。

3.2 運動對條件致病菌的影響

條件致病菌，又稱之為機會致病菌，在特定條件下可以導致機體患病的腸道菌群的統稱，包括腸球菌、腸桿菌、梭桿菌、糞芽孢菌、梭狀芽孢桿菌等在內的一系列菌群。

2012年，孫紅梅在對多名中老年人在進行了為期6個月的中國傳統功法—八段錦干預后，腸道菌群前后對比結果顯示腸桿菌、腸球菌、梭桿菌的豐度下降。腸桿菌和腸球菌在一定條件下可導致敗血癥、心內膜炎等危及生命。梭桿菌則會產3-甲基吲哚(3-methylindole)、亞硝胺、苯并吡咯等大量有毒物質，對人體危害更大。 與之類似結果的還包括大量的動物實驗，如：Queipo等在對雄性大鼠進行為期6天芽孢動干預后，梭狀芽孢桿菌和腸球菌豐度減少。Bernardo等通過中等強度運動干預肥胖大鼠后，其鏈球菌(Streptococcus)、桿菌屬(Aggregatibacter)豐度大幅度下降。此外，條件致病菌細胞壁外層的脂多糖，也是運動干預肌少癥的重要的靶點之一。2018年，Doyle 等通過動物實驗研究發現，對大鼠進行腹部注射 LPS 之后，大鼠分別出現了不同程度骨骼肌萎縮，導致了骨骼肌質量降低，功能下降等情況，產生了大量肌少癥相關癥狀。2020年，Motiani等通過對久坐不動者進行沖刺間歇訓練(SIT)與中等強度連續訓練(MICT)兩種不同的運動干預之后證明了運動可以改善腸道微生物，減少了脂多糖標志物的含量。

因此，我們有理由進行初步推論，運動可通過降低脂多糖含量，進而改善肌少癥患者的治療效果。但并非所有研究表明運動都可以降低腸道菌群脂多糖水平，眾所周知，運動干預具有很強的劑量效應，長時間劇烈的體育鍛煉會增加腸道的通透性，從而使腸道菌群內毒素通過這種簡易化的跨膜運輸到達循環系統中。從而引發全身炎癥反應。故，今后對肌少癥患者在進行運動干預時，要根據患者實際情況進行適度運動干預。

3.3 運動對腸道菌群共生菌的影響

人體腸道內的雙歧桿菌屬，真桿菌屬，瘤胃球菌屬等通過分解體內不能直接代謝的膳食纖維等，產生短鏈脂肪酸(SCFAs)等產物，進而參與人體的新陳代謝和免疫調節等進程。此外，除了生成這些短鏈脂肪酸酸外的細菌外，其他寄生在人體腸道內不引起腸道致病癥狀的優勢菌群，我們將其稱之為共生菌。

2008年，MastuMoto等在對雄性大鼠進行運動干預的研究中，首次證明了運動能夠改變動物腸道菌群的結構，其中生成短鏈脂肪酸細菌的種類顯著增加。2017年，蔣興宇等通過對400名兩種截然不同生活方式(跑步人群，少動人群)的志愿者進行腸道微生物豐度分析，研究結果顯示跑步人群的毛螺菌科和擬桿菌科等共生菌的豐度顯著高于少動人群。都文淵等在對60-80歲老年人進行為期六個月的八段錦干預后，普拉梭菌和乳酸菌水平顯著大于對照組。此外，大量關于嚙齒動物的運動干預實驗也從側面為此提供了證據，沙繼斌等人通過六周的有氧運動干預高脂膳食大鼠，導致其腸道中的雙歧桿菌屬、阿克曼氏菌屬豐度顯著增加。無獨有偶，Allen等將運動小鼠的糞便移植到受體小鼠中(久坐不動且無菌小鼠)，其腸道內分泌丁酸鹽的細菌豐度顯著增高。

以上均研究證明了運動可以顯著增大共生菌豐度，特別是那些生成短鏈脂肪酸的細菌，這對運動促進老年肌少癥的治療提供了新的證據。

4 運動改善腸道菌群是否對肌少癥患者治療效果有影響——菌群移植

菌群移植(faecal microbiota transplant，FMT)，是指將干預或健康組的糞便供體轉移至實驗組體內，從而改善腸道菌群結構與分布的一種方法。目前作為一種新型疾病治療方法，在臨床和科研中取得了越來越重要的地位。據http://ClinicalTrials.gov網站顯示，截止至2020年6月1號已經有超過270項注冊實驗正在使用菌群移植治療各項疾病，包括代謝綜合征(metabolic syndrome，MS)，腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)，肝性腦病(Hepatic Encephalopathy，HE)，孤獨癥譜系障礙(Autism Spectrum Disorder，ASD)等一系列疾病。

Lahiri等的實驗表明，無腸道菌群小鼠與具有腸道菌群的健康小鼠相比，其骨骼肌大量萎縮，肌肉質量大幅度降低。出現這種情況的原因可能是菌群失調導致小鼠體內胰島素樣增長因子1(IGF1)的表達降低，以及與骨骼肌生長和線粒體功能相關的基因轉錄的降低。之后研究者使用糞群移植技術，將健康小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內后，無菌小鼠的骨骼肌質量明顯增加；神經肌肉接頭處的Rapsyn and Lrp4這兩種蛋白表達也明顯升高，這提示健康狀態下的腸道菌群可以改善小鼠骨骼肌質量與功能。

越來越多的研究表明了腸道菌群在老年肌少癥發病中起到重要作用，但目前還缺乏足夠的證據來確定腸道菌群的中介效應，菌群移植的實驗可以進一步確定腸道微生物在疾病干預中是因還是果，因此，這可能是今后實驗研究的重要方向之一。此外，將適度運動后得到改善的腸道菌群移植到肌少癥患者中從而改善肌少癥患者的治療效果，尚需更多實驗性研究提供證據。

5 運動調控肌少癥患者腸道菌群在肌少癥治療中可能的潛在機制

5.1 短鏈脂肪酸(SCFAs)

正常老年人通過骨骼肌有節律地收縮與舒張，從而使其可以正常地參與日常活動。在其中為骨骼肌收縮與舒張提供能量的系統主要包括三種，拋開只參與短時供能的ATP-CP系統外，糖酵解和有氧氧化供能系統中，葡萄糖與脂肪是肌肉獲取能量的重要來源。由此可見，人體的糖代謝與脂代謝的速率是影響老年人的肌肉質量與功能重要因素之一。

短鏈脂肪酸(SCFAs)，腸道共生菌發酵的主要產物之一。主要包括乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽、戊酸鹽等。 研究表明，短鏈脂肪酸是調控骨骼肌質量與力量的關鍵因子之一。腸道微生物生成的SCFAs通過血液運輸至人體全身各處骨骼肌細胞，與游離脂肪酸受體2(FFAR-2)和游離脂肪酸受體 3(FFAR-3)相結合，這兩個游離脂肪酸受體在胰島素進行調節血糖時發揮重要作用。因此SCFA s的減少可能引發胰島素抵抗，一方面抑制過程了機體的糖原分解及糖異生，另一方低低低骨骼肌利用葡萄糖與脂肪供能的速率，脂肪酸大量沉積于肌肉內部，導致骨骼肌質量大幅度下降。隨之而來，肌肉質量的下降進一步引起胰島素敏感性再次下降，以此循環往復，從而形成惡性循環，最終導致肌少癥等代謝疾病的發生。Maruta等人動物實驗也表明，外源性的補充短鏈脂肪酸可以逆轉小鼠肌肉質量與力量低下的現象。短鏈脂肪酸(SCFAs)可激活單磷酸腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)影響骨骼肌的葡萄糖與脂質代謝。Maruta等人將乙酸加入到培養基中的L-6肌管細胞(L6 Myotube Cells)中，證明了乙酸可以通過激活AMPK增強葡萄糖和脂質代謝，并增加骨骼肌紅蛋白(Myoglobin，Mb)和葡萄糖轉運蛋白4(GLUT4)的表達。

綜上所述，運動可以顯著增大共生菌豐度，特別是那些生成短鏈脂肪酸的細菌，進一步導致腸道菌群生成的短鏈脂肪酸的增多，以FFAR-2、 FFAR-3為干預靶點在一定程度上抑制人體胰島素代謝抵抗，同時通過AMPK信號通路老年人糖脂代謝速率，進而調節骨骼肌的合成代謝從而達到改善老年人肌少癥患者治療效果的作用。

5.2 脂多糖(LPS)

隨著年齡的不斷增長，人體各系統逐漸衰老。體內的慢性炎癥以及氧化應激水平急劇增加，這種人體免疫系統被大量破壞的現象被認為是誘發老年人肌少癥的重要因素。

脂多糖(LPS)，即腸道革蘭氏陰性菌(Gram negative bacillus)細胞壁外層的主要成分，主要由Kdo2-類脂A(Kdo2-lipidA)、核心糖(core)和O-抗原(O-antigen)3部分組成。腸道菌群表面的脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)在人體非特異性免疫系統中發揮著極為重要的作用。在機體內環境正常時不釋放，但當機體開始衰老，氧化應激加劇或機體產生其他病理性變化后，LPS作為一種非特異性免疫原，首先通過增加腸道各層膜的通透性，使細菌位置發現變化。從而進一步通過激活骨骼肌Toll樣受體4(toll-like receptorsLRS4)并使NF-κB轉錄因子不斷激活；與T細胞、B細胞、血液細胞，中性粒細胞等免疫細胞相互作用，增加大量炎性細胞因子產生，如：白介素、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)等。白介素6大量參與肌肉蛋白質的調節控制，是細胞分解的一個重要介質。TNF-α則可通過調節Akt /mTOR信號通路，增強骨骼肌蛋白質分解，減少其合成。當機體出現異常時，LPS會大量進入人體血液中，通過誘導一氧化氮合酶活性增加，從而產生大量的一氧化氮。臨床上將這種血液中一氧化氮含量大量增加的病癥診斷為內毒素血癥。該疾病的產生的影響就不僅僅局限于肌骨系統了，而是會造成了嚴重的免疫系統損傷和循環衰竭。

綜上所述，適度運動可以通過降低腸道條件致病菌的豐度，進而降低了LPS進入血液的含量，這種改善腸屏障功能的變化就在一定程度上避免了機體產生過度炎癥反應與免疫失調現象，這為運動改善肌少癥患者的治療效果提供理論依據。

5.3 膽汁酸(BAs)

膽汁酸(BAs)是人體膽汁中重要的結構化合物之一，產生于肝臟而儲存于膽囊，經釋放進入小腸發揮作用，由游離型膽酸、初級結合型膽酸以及次級游離膽酸組成。其不僅是食物消化吸收的重要物質，也是體內調控糖脂代謝重要的信號分子。腸道菌群不僅可以通過參與膽汁酸的去偶聯、脫氫、脫羥基等過程，還可以通過FXR-FGF15 /19 途徑負向調節膽汁酸的合成。擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、乳桿菌、 雙歧桿菌和李斯特菌能促進膽汁酸解離；梭菌和優桿菌促進脫羥基作用；擬桿菌、 優桿菌和乳桿菌促進酯化。

陳枕等人的研究表明，循環膽汁酸的含量與骨骼肌容積之間相關，膽汁酸可以通過 FXR-SHP 依賴的方式提高糖異生相關基因PEPCK，G6Pase，FBP1 的轉錄，增強 G蛋白偶聯受體5(TGR5)的活性，從而提高人體糖脂代謝的速率，最終導致骨骼肌質量提高。

綜上所述，研究者推測運動可以通過增加腸道共生菌的豐度，從而增加腸道菌群合成的次級膽汁酸的濃度，以糖異生相關基因與TGR5為靶點改善機體糖脂代謝水平，從而提高骨骼肌質量，這為運動改善肌少癥患者的治療效果提供理論依據。

5.4 支鏈氨基酸(BCAAs)

老年人肌少癥的發病本質之一可以歸結于骨骼肌蛋白質的凈降解，即人體蛋白質的合成水平遠小于降解水平。支鏈氨基酸，即亮氨酸，異亮氨酸，纈氨酸三種人體必需氨基酸的統稱，其是保持老年人骨骼肌的質量與力量的重要營養物質。拋開營養攝入之外，運動可能是影響骨骼肌氧化利用BCAAs能力的獨立因素。

腸道菌群通過攝取外來營養物質的蛋白質含量，一方面為其自身的生長發育提供營養物質，另一方面從為宿主提供大量的必需氨基酸，從而影響機體蛋白質的合成。有研究表明，很多菌群在支鏈氨基酸代謝中都發揮重要作用，例如梭桿菌屬、擬桿菌屬和韋榮球菌等，梭狀芽孢桿菌是賴氨酸發酵的關鍵驅動因素，而消化鏈球菌屬是支鏈氨基酸利用的重要成員。

目前，蛋白質合成代謝抵抗這種現象普遍存在于老年人群體。這種現象會引起肌肉蛋白質合成減少，從而導致大量的肌肉生理變化，為肌少癥的發病提供了發病基礎。此外，Timmerman等人的研究表明，老年人骨骼肌蛋白質合成代謝抵抗可能與氨基酸的運輸速度有關。機體向肌細胞遞送氨基酸的速度取決于動脈氨基酸濃度。腸道菌群一旦出現菌群失調則導致動脈氨基酸濃度出現下降。支鏈氨基酸的含量在克服老年人蛋白質合成代謝抵抗中起著尤為重要作用。適當提高支鏈氨基特別是色氨酸的含量，可以起著增加老年人肌肉蛋白質合成的作用。色氨酸還可以通過刺激肌細胞的IGF-1 /mTOR通路，從而促進肌纖維合成基因的表達，促進骨骼肌的生長。除了增加蛋白質合成以外，胰島素樣生長因子IGF-1還可以通過抑制衰老骨骼肌蛋白質的水解，增加抗氧化酶活性，從而改善老年人肌少癥，這些蛋白質代謝效應在肌少癥的發展中至關重要。

劉炎等人通過人體實驗，證明了運動可以大幅度增加人體腸道菌群支鏈氨基酸的分解代謝能力與短鏈脂肪酸的合成能力，綜上所述，運動可以增加參與分解BCAAs的共生菌的含量，以IGF-1 /mTOR信號通路為干預靶點從而提高骨骼肌蛋白質合成，改善肌少癥患者的蛋白質接觸代謝抵抗現象，為運動改善肌少癥患者的治療效果提供生理理論依據。

圖1 運動通過調控腸道菌群改善肌少癥患者治療效果機制路徑圖Figure 1.Mechanism roadmap of exercise improving the therapeutic effect of sarcopenia patients by regulating intestinal flora

6 結論與展望

6.1 結論

1.運動可以有效調節肌少癥患者腸道菌群的分布與結構，提高菌群多樣性，增加共生菌豐度，降低條件致病菌豐度。

2.運動可以通過參與腸道菌群與短鏈脂肪酸(SCFAs)，脂多糖(LPS)，膽汁酸(BAs)，支鏈氨基酸(BCAAs)等物質的代謝過程，從而對肌少癥患者治療效果產生有益影響。(圖1)

6.2 展望

目前，越來越多的證據可以直接表明運動可以改善肌少癥患者的治療效果，但其中機制還未被闡述清楚。隨著16SrDNA，宏基因組學，qPCR技術等檢測技術的發展，人類對腸道菌群與疾病的相關研究不斷深入，已經證明了大量藥物干預以腸道菌群為載體干預疾病的治療效果，這可能是今后分析運動干預對肌少癥或其他疾病治療效果生理機制重要方向。本文以運動調控腸道菌群為落腳點探討其改善肌少癥患者的治療效果，提出了可能的中介物質與信號通路，但支持本文論述的直接臨床與基礎性研究還較少，后續應選擇合適的動物或人體模型，選擇合適研究方法，為肌少癥患者的預防和治療提供新思路。