腸道微生物代謝產物丁酸對骨代謝機制的研究進展

袁鵬 董萬濤,2* 張杰 劉靜怡 邱世明 楊攀

1.甘肅中醫藥大學中醫臨床學院,甘肅 蘭州 730000 2.甘肅中醫藥大學附屬醫院,甘肅 蘭州 730000

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)主要包括乙酸、丙酸和丁酸等有機酸,主要由細菌發酵未消化的膳食碳水化合物中產生[1]。據估計,SCFAs貢獻了結腸上皮細胞能量需求的60%～70%和人類總熱量需求的5%～15%[2]。丁酸鹽既是腸道微生物的代謝產物,又能促進骨髓和腸道的發育[3]。同時,丁酸鹽作為一種組蛋白去乙酰酶抑制劑,已被證明是成骨細胞和破骨細胞代謝的調節劑[4-5],在保護腸道黏膜屏障、抗炎反應和預防相關腫瘤發生等過程中受到廣泛的關注[6-7]。

骨代謝包括骨形成與骨吸收,骨穩態主要由破骨細胞和成骨細胞的功能調節控制。丁酸鹽可以通過控制輔助性T細胞17(Th17)和調節性T細胞(Treg)之間的平衡,從而抑制破骨細胞的分化和骨吸收[4]。在基因水平上,丁酸誘導破骨細胞的代謝重編程,以氧化磷酸化為代價增強糖酵解,從而下調必要的破骨細胞基因(TRAF6、NFATc1等),直接抑制破骨細胞分化[4]。在研究中發現,丁酸鹽促進脂肪間充質干細胞向成骨細胞分化[8]。另外,Zhang等[9]研究中證實,丁酸鈉恢復了在急性硫侖暴露下誘導的脛骨軟骨發育不全肉雞的臨床癥狀,改善了生長性能,骨密度,血管生成以及軟骨細胞的形態和排列。這表明了丁酸能夠調節機體的骨代謝,從而治療骨代謝相關疾病。本文綜述了國內外丁酸與骨代謝相關的文章,期望為與骨代謝相關疾病提供一定的防治思路。

1 丁酸調節鈣磷水平影響骨代謝

鈣磷是構成骨的重要物質成分,機體骨形成伴隨著鈣磷的吸收。食物中含有鈣僅有30%會被人體吸收,因此提高鈣的吸收率,可以促進骨的生成。丁酸鹽是研究最廣泛的與骨相關的短鏈脂肪酸。丁酸鹽通過降低人體內酸堿度(pondus hydrogenii,pH)促進礦物質(即鈣和鎂)的吸收,從而減少礦物質復合物的形成。相關研究表明,丁酸鈉可以在體內和體外影響骨代謝,特別是可以促進骨礦化,通過劑量依賴性地增加礦化結節的鈣含量,刺激骨形成,增加骨保護素(osteoclastogenesis inhibitory factor,OPG)表達,同時抑制破骨細胞分化[10]。在其他研究中,證明了丁酸鈉對大鼠具有很強的保持骨微結構和鈣穩態的作用[11]。甲狀旁腺素在一定情況下會增加骨中磷酸鹽的沉積[12]。而甲狀旁腺素誘導雌鼠骨合成需要丁酸鹽的促進作用[13],可以推測丁酸鹽能夠促進人體骨骼中磷酸鹽的沉積。

2 丁酸鹽調節免疫系統影響骨代謝

免疫系統主要由免疫器官、免疫細胞和免疫因子構成,具有免疫監控、防御、調控的作用。成骨細胞和破骨細胞是骨代謝過程中的兩個主要參與者。免疫細胞可以分泌釋放多種促破骨和促成骨細胞因子來影響骨代謝,例如,T細胞分泌TNF-α、RANKL、IFN-γ、IL-1、IL-6、IL-17、IL-22促進破骨細胞增殖分化和IFN-γ、IL-10、TGF-β、IL-17來促進成骨細胞增殖分化。此外,不同類型的骨細胞影響免疫細胞的活性,它們復雜的相互作用形成復雜的骨微環境。

丁酸能夠通過以下幾條途徑調節免疫系統,進而影響人體的骨代謝:①微生物代謝物丁酸鹽通過促進腸道內IgA水平[14]和促進IgM 漿細胞的分化[15],從而增加IgA和IgM水平,從而維持腸道屏障的功能;②研究證明,丁酸可以通過直接靶向T細胞和樹突狀細胞(dendritic cell,DC)來促進Treg的分化[16],同時,丁酸鹽通過抑制組蛋白去乙酰化酶17(HDAC17)促進Foxp1并阻斷IL-6/STAT3/IL-17下游途徑,從而減少Th17和增加Treg,進而發揮顯著的抗炎作用[17];③丁酸通過抑制多種蛋白的乙酰化激活腸上皮細胞中的AP-1信號通路[18]和抑制NF-κB信號通路,調節IL-2、IL-8、IL-17A、IL-1β、IL-6和TNF-α等炎癥相關細胞因子的表達[19],從而抑制炎癥的發生。抑制炎癥反應有益于骨骼修復,但當炎癥不受調節時,會對骨組織造成破壞[20]。在一種類風濕性關節炎模型中,炎癥的抑制伴隨著骨骼的再生[21]。綜上所述,丁酸通過對免疫系統的調節,進而改變腸道乃至全身的內環境狀態,影響骨吸收和骨形成的動態平衡,從而促進骨形成。見圖1。

圖1 丁酸調節免疫系統影響骨代謝

3 丁酸調節腸上皮屏障影響骨代謝

腸上皮細胞的屏障功能是機體重要的第一道防線,腸道屏障在抵抗有害抗原和病原微生物、影響吸收營養、發揮免疫保護功能等方面上起著至關重要的作用。當腸道屏障被破壞,致病菌從腸腔轉移到上皮下空間,隨后引發炎癥反應,從而造成骨密度降低[22]。緊密連接蛋白(如claudin-1、Occludin和ZO-1)是細胞間黏附復合物,能有效阻止細菌和內毒素等有害物質透過腸黏膜進入血液,對腸上皮屏障功能極其重要。研究證明,在丁酸鹽刺激下Caco-2和NMC-460細胞中的上皮緊密連接蛋白(ZO-1和occludin)升高[23]。另外,丁酸鈉在mRNA水平上顯著提高腸黏膜上皮細胞中occludin和ZO-1的表達,對維持腸道整合有積極作用[24]。有研究證明,丁酸鹽緩解了重癥急性胰腺炎大鼠腸道組織學病變,occludin和ZO-1表達增加,減輕了重癥急性胰腺炎腸損傷,保護了腸道粘膜屏障[25]。此外,多項研究表明丁酸鹽可通過調節結腸上皮細胞和糖尿病小鼠的代謝或抑制組蛋白去乙酰化來改善腸屏障功能障礙[26-28]。丁酸可以通過上調occludin、ZO-1蛋白表達和抑制組蛋白去乙酰化來改善腸道屏障功能,從而改善骨密度。

炎癥小體通路和細胞因子IL-18的產生是修復和維持上皮完整性、腸道穩態的最佳分子機制[29-31]。研究顯示,丁酸鹽已被證實可以預防腸道炎癥,并通過結合G蛋白偶聯受體43(GPR43)和誘導NOD 樣受體熱蛋白結構域蛋白 3(NLRP3)炎癥小體激活來促進腸道屏障功能的完整性,同時,丁酸鹽激活G蛋白偶聯受體109A(GPR109A)信號通路在腸上皮細胞中增加IL-18的分泌共同來維持腸道屏障功能[32]。AMP活化蛋白激酶(AMPK)的激活涉及調節緊密連接的形成。當AMPK活性被降低時,緊密連接的形成受損[33]。丁酸可以通過激活單分子層中的AMPK來促進緊密連接的形成[34]。黏液蛋白2 (MUC2)是腸道黏膜表面最突出的黏液蛋白,可以增強黏膜層,從而增強修復和維持腸道穩態功能,而丁酸鹽能夠上調MUC2的表達[35-36]。此外,丁酸鹽可以增加三葉因子(TFFs)的表達,TFFs是一種黏液蛋白相關的肽,有助于腸粘膜的維護和修復[37]。

4 丁酸調節內分泌系統影響骨代謝

4.1 PTH

甲狀旁腺素(PTH)是甲狀旁腺主要細胞合成的一種肽激素,是骨穩態的重要調節因子。PTH還是一種調節鈣磷代謝的激素[38]。甲狀旁腺素根據靶細胞是連續還是間歇性接觸甲狀旁腺素分為持續性注射PTH(continuous PTH treatment,cPTH)和間歇性注射PTH(intermittent PTH treat-ment,iPTH)。cPTH主要通過OPG-RANKL-RANK通路促進骨吸收[39],而iPTH則主要通過WNT通路產生骨合成作用[40],PTH對骨吸收和骨形成都具有促進作用。而丁酸可以促進iPTH的骨形成作用。研究證明,iPTH誘導雌鼠的骨合成代謝需要從腸道菌群中產生一定量的丁酸鹽,丁酸鹽增強了iPTH誘導初始CD4+T細胞分化為treg,treg可誘導CD8+T細胞釋放Wnt10b[41]。Wnt10b激活成骨細胞中的Wnt信號,促進成骨細胞的增殖和分化,并刺激骨形成[42]。

4.2 雌激素

雌激素缺乏造成的影響是骨形成和骨吸收同時增強,但是骨吸收代謝速度大于骨形成,從而導致骨質疏松癥。雌激素缺乏在細胞水平上促進破骨細胞形成和抑制成骨細胞分泌導致骨質疏松癥[43]。最新研究顯示,丁酸鹽在非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)患者和雌激素降低的小鼠中顯著降低[44],但是補充丁酸鹽可以緩解肝脂肪變性和緩解NAFLD癥狀,雌激素也可有效控制NAFLD癥狀,是否可以推測出丁酸鹽是否通過促進雌激素分泌來改善NAFLD癥狀,但具體機制需要進一步試驗證明。而另一項研究證明,丁酸鹽可以增加機體雌二醇的分泌,維持循環中的雌激素水平[45]。這一研究可以證明丁酸鹽能夠促進雌激素的分泌,從而調節骨代謝。

4.3 IGF-1

胰島素樣生長因子-1(IGF-1)是一種分子結構上類似于胰島素的激素,在兒童的發育中起重要作用,在成人中繼續發揮合成代謝功能。IGF-1雖然在人體中一直產生,但是在老年和嬰幼兒時期產量最低,在青春期最高。同時IGF-1在骨骼中含量較高,在調節破骨細胞增殖分化、骨細胞的功能、骨代謝等方面起著重要作用[46]。有研究表明,補充SCFAs可以增加肝臟和脂肪IGF-1,使抗生素治療小鼠的血清IGF-1水平升高[46]。在其他研究中,丁酸鹽可以通過促進生長激素從垂體釋放或直接作用于產生IGF-1的器官(如肝臟、肌肉和脂肪)以增加IGF-1[47]。同時,丁酸鈉已被證實可以促進新生羔羊IGF-1 mRNA的表達和增加IGF-1的水平[48]。這可以表明腸道微生物群影響骨骼形成的一種機制是通過從不易消化的碳水化合物中產生丁酸,然后促進宿主IGF-1的產生。但丁酸調節IGF-1的產生的具體機制目前尚不清楚,需要相關試驗進行研究。

5 結語

總之,丁酸能通過調節鈣磷的吸收、腸道屏障、免疫系統和內分泌系統等途徑直接或間接影響骨形成和骨吸收。補充與促進丁酸相關的益生菌和益生元以及調整飲食結構,可為骨代謝疾病的防治提供新思路。這也提示,丁酸可能是未來研究骨代謝性疾病的方向之一。