趙常紅 李世昌 孫朋 徐帥 胡曉磐 劉媛

1.西北師范大學(xué)體育學(xué)院，甘肅 蘭州 730030 2.華東師范大學(xué)體育與健康學(xué)院，上海 200241 3.淮陰師范學(xué)院，江蘇 淮安 223300

骨質(zhì)疏松導(dǎo)致的骨折后果是毀滅性的，近50%患者永久性殘疾，髖部骨折一年，死亡率為24%～30%。許多藥物治療由于成本和副作用的原因，導(dǎo)致大多數(shù)骨質(zhì)疏松癥仍沒有得到有效治療[1]。因此，迫切需要新的、廉價(jià)的、安全的和有效的干預(yù)措施預(yù)防和治療骨質(zhì)疏松癥。

腸道微生物群在生理上起著重要作用，包括能量代謝、營養(yǎng)供應(yīng)、免疫和炎癥反應(yīng)[2]。此外，還與超過25種人類疾病如肥胖、過敏、行為障礙、心血管疾病和一些癌癥相關(guān)。新的證據(jù)也表明腸道微生物群與礦物質(zhì)吸收和骨質(zhì)疏松癥緊密相關(guān)[3]。如圖1。

腸道微生物環(huán)境的改變通過①產(chǎn)生短鏈脂肪酸和其他代謝物，②降低pH值和提高礦物質(zhì)生物利用度，③微生物產(chǎn)生血清素和細(xì)胞因子，④免疫系統(tǒng)修飾，⑤病原體置換影響促進(jìn)各種信號分子、免疫細(xì)胞和有益于骨骼的代謝物的產(chǎn)生促進(jìn)骨代謝和骨形成[3-5]。骨依賴于成骨細(xì)胞、破骨細(xì)胞達(dá)到骨形成和骨吸收平衡，可通過雌激素、甲狀旁腺激素等激素及免疫細(xì)胞來調(diào)節(jié)。胃腸系統(tǒng)在骨骼健康中起著關(guān)鍵作用，尤其是通過調(diào)節(jié)鈣、磷和鎂等礦物質(zhì)的吸收，主要生產(chǎn)向骨細(xì)胞發(fā)出信號的內(nèi)分泌因子(如腸促胰素和5-羥色胺)影響骨健康。最近的研究表明在礦物的吸收方面，腸道微生物發(fā)揮關(guān)鍵性作用[4,6-7]。

1 腸道微生物調(diào)節(jié)骨代謝作用

1.1 對骨生長代謝的作用

腸道微生物是從新生兒到成人整個(gè)生命過程中內(nèi)環(huán)境平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器。越來越多的證據(jù)表明，腸道內(nèi)環(huán)境平衡在兒童和青少年時(shí)期骨骼發(fā)育成健康的成人骨骼中起關(guān)鍵作用。Blanton等[8]研究發(fā)現(xiàn)，與年齡匹配健康微生物群的小鼠相比，腸道內(nèi)營養(yǎng)不良微生物群的無細(xì)菌小鼠顯示出生長減少、骨骼形態(tài)改變和代謝功能障礙，證明微生物群與兒童營養(yǎng)有因果關(guān)系。Schwarzevr等[9]也發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充植物乳桿菌的營養(yǎng)不良小鼠能夠維持正常的生長速率。也就是說，營養(yǎng)不良會抑制生長和骨生長參數(shù)(股骨長度、皮質(zhì)厚度、皮質(zhì)骨分?jǐn)?shù)和股骨小梁分?jǐn)?shù))，這些影響可通過乳桿菌加以預(yù)防。研究表明，發(fā)育過程中微生物群的存在和組成對調(diào)節(jié)小鼠生長速度很重要。通過對野生型和無菌小鼠的比較，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠的生長參數(shù)比野生型小鼠減小4%，體重也比野生型小鼠輕。結(jié)果表明，這種反應(yīng)依賴于IGF-1-IGF-1R軸[10]。補(bǔ)充植物乳桿菌使IGF-1和IGFBP-3回到野生型水平，這表明植物乳桿菌可以重演微生物群對IGF-1-IGF-1R軸的有益作用[11]。Yan等[10]還證明了腸道微生物在調(diào)節(jié)小鼠體內(nèi)IGF-1表達(dá)、骨形成和生長方面有重要作用。這些效應(yīng)跨越了動(dòng)物物種，在果蠅中也有發(fā)現(xiàn)，具體來說，果蠅因營養(yǎng)不良或微生物群缺乏而表現(xiàn)出生長抑制。當(dāng)無細(xì)菌的果蠅重新補(bǔ)充益生菌乳酸桿菌菌株時(shí)，果蠅恢復(fù)正常生長速率，并恢復(fù)IGF軸。綜上所述，這些研究表明，健康的腸道微生物群在發(fā)育過程中對骨骼生長非常重要。

1.2 對衰老骨代謝的作用

衰老伴隨著骨質(zhì)疏松癥，最近開始關(guān)注腸道微生物調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松的作用和機(jī)制。在一項(xiàng)研究中，對老年男性和女性患者給予干酪乳桿菌治療4個(gè)月后，與安慰劑治療組相比，這些患者骨折愈合(橈骨遠(yuǎn)端)增強(qiáng)[11]。在一項(xiàng)類似的研究中，50名絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松的婦女(50～72歲)被隨機(jī)分配接受6個(gè)月的Gerilact(7種益生菌)或安慰劑治療。與安慰劑相比，盡管在治療期間未觀察到骨密度的顯著變化，但多品種益生菌的骨吸收生物標(biāo)志物顯著降低。有趣的是，益生菌治療確實(shí)顯著降低了血清甲狀旁腺激素和促炎標(biāo)志物TNF-α的水平[12]。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)了對骨密度的影響，凱菲爾發(fā)酵乳治療男性骨質(zhì)疏松癥(64～67歲)6個(gè)月發(fā)現(xiàn)，Dexa測量的股骨頸骨密度增加了5%[13]?？傊罱臄?shù)據(jù)表明，益生菌在整個(gè)生命中有保持骨骼健康的作用。

1.3 對絕經(jīng)期骨質(zhì)疏松癥的作用

絕經(jīng)后雌激素的自然喪失是女性骨質(zhì)疏松癥最主要的因素。女性一生中約有50%的小梁骨和30%的皮質(zhì)骨丟失，大約一半的骨丟失發(fā)生在絕經(jīng)后的前10年[14]。最近的研究發(fā)現(xiàn)羅伊氏乳桿菌治療可以防止小鼠卵巢切除術(shù)導(dǎo)致的骨丟失，這表明缺乏雌激素可能影響骨對羅伊氏乳桿菌的反應(yīng)[15]。其他人使用相似或不同的益生菌證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)[16]。Li等[17]最近證明微生物群對于性激素缺乏引起的骨丟失是必要的，如狼瘡增加了野生型小鼠的腸道通透性，但對無菌小鼠的腸道通透性沒有影響，常規(guī)小鼠補(bǔ)充鼠李糖乳桿菌GG(LGG)或VSL#3，可降低腸道通透性和炎癥，保護(hù)小鼠免受卵巢切除誘導(dǎo)的雌激素缺乏引起的骨質(zhì)流失。研究表明，羅伊氏乳桿菌可以抑制OVX誘導(dǎo)的骨髓CD4+T淋巴細(xì)胞的增加，這是導(dǎo)致破骨細(xì)胞過度刺激的原因。此外還發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌的3kd片段可在體外抑制破骨細(xì)胞生成[5]。Ohlson等[4]研究發(fā)現(xiàn)，益生菌能影響腫瘤壞死因子α、白細(xì)胞介素1β等促炎細(xì)胞因子，并能提高骨保護(hù)素水平，從而降低破骨細(xì)胞生成。同樣，添加了干酪乳桿菌亞種的豆?jié){也能減少骨質(zhì)流失(副干酪NTU101/NTU102)。有研究發(fā)現(xiàn)，在卵巢切除大鼠中使用發(fā)酵乳、丙氨酰脯氨酸和和乳桿菌LBK-16H也證明了類似的結(jié)果。Rodrigues等[18]的結(jié)果也表明，益生元和益生菌(長雙歧桿菌)的組合增加了大鼠的骨礦物質(zhì)含量。總之，這些研究表明口服益生菌在逆轉(zhuǎn)雌激素缺乏引起的骨丟失方面具有積極作用。

1.4 對性別的作用

研究已證明性激素在調(diào)節(jié)骨密度方面起著關(guān)鍵作用[19]。例如，男性比女性有更大的骨密度，主要是由于皮質(zhì)骨擴(kuò)張和更大的骨小梁體積的差異[20]。有研究發(fā)現(xiàn)，向健康的雄性和健康的雌性小鼠給予羅伊氏乳桿菌ATCC PTA 6475(羅伊氏乳桿菌)4周雄性小鼠的骨體積分?jǐn)?shù)和骨密度增加，這與抑制腸道炎癥有關(guān)。但在雌性小鼠中沒有觀察到這些作用，這表明羅伊氏乳桿菌的治療以性別特異性的方式影響骨骼。還有研究發(fā)現(xiàn)，致病細(xì)菌導(dǎo)致雄性小鼠腸道炎癥和骨質(zhì)流失，但對雌性小鼠沒有顯著影響。在后來的研究中發(fā)現(xiàn)，完整的雌性小鼠可以對益生菌(羅伊氏乳桿菌)治療產(chǎn)生反應(yīng)，但只有當(dāng)它們通過背部手術(shù)切口進(jìn)入輕度炎癥狀態(tài)時(shí)，才支持炎癥細(xì)胞和雌激素調(diào)節(jié)雌性對管腔細(xì)菌的潛在作用[6]。這些發(fā)現(xiàn)表明“壞”或“好”細(xì)菌對骨代謝的影響有性別差異。

2 腸道微生物預(yù)防病理性骨代謝作用

2.1 對腸道疾病骨丟失的作用

腸道微生物失調(diào)是由腸道微生物群組成或功能失衡引起的，主要是腸道疾病，由于腸粘膜的滲透性增加，可能具有系統(tǒng)性影響[21]。這可能導(dǎo)致細(xì)菌產(chǎn)物(如脂多糖)進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，導(dǎo)致包括骨骼在內(nèi)較遠(yuǎn)部位的系統(tǒng)和局部組織炎癥。有研究已經(jīng)證明，由感染性H肝螺桿菌引起的發(fā)育不良可導(dǎo)致雄性小鼠腸道炎癥和骨丟失。長期的抗生素治療也會導(dǎo)致骨骼發(fā)育不良，如4～16周齡的雄性小鼠使用抗生素(氨芐西林和新霉素)后，B細(xì)胞和T細(xì)胞數(shù)量減少，骨強(qiáng)度降低[22]。在牙周發(fā)育不良模型中，激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域1(nod1)(腸道免疫功能的一種受體)，可避免這些小鼠的骨丟失，表明它在人類的類似情況下可能具有重要作用[23]。

益生菌治療可以通過維持腸道屏障功能，從而防止毒素進(jìn)入系統(tǒng)循環(huán)，有益于發(fā)育不良和腸道健康。病理性的失調(diào)會損害腸道屏障，但這種屏障可以通過使用特定的益生菌來挽救。益生菌還被證明對發(fā)育不良模型中的骨骼健康具有積極作用[24]。

2.2 對炎癥性腸病骨丟失的作用

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)可通過影響成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的作用促進(jìn)骨質(zhì)疏松癥，對骨骼健康產(chǎn)生不利影響。IBD的特點(diǎn)是腸道發(fā)育不良，在局部和全身產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，包括骨髓和骨骼。因此，IBD引起的腸道炎癥是導(dǎo)致IBD引起的骨質(zhì)疏松癥的主要原因。當(dāng)免疫系統(tǒng)識別出這種失調(diào)時(shí)，會發(fā)生炎癥反應(yīng)，包括釋放很多促炎細(xì)胞因子，如TNF-α、IL-6、IL-11和IL-17，以及前列腺素E2，細(xì)胞因子表達(dá)也在骨骼中升高[25]。促炎細(xì)胞因子的升高促進(jìn)破骨細(xì)胞的活性，也抑制成骨細(xì)胞的活性，后者主要通過降低成熟度和增加細(xì)胞死亡發(fā)生。IBD還影響骨代謝的RANK-RANKL-OPG途徑，并促進(jìn)骨質(zhì)過度流失。前列腺素E2促進(jìn)RANKL并抑制OPG，從而導(dǎo)致破骨細(xì)胞活化。最近的研究表明益生菌對IBD引起的腸道炎癥和骨骼有保護(hù)作用。在潰瘍性結(jié)腸炎小鼠模型中施用益生菌VSL#3可導(dǎo)致腸道通透性降低并有助于治療炎癥癥狀。DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎導(dǎo)致雌性BALB/c小鼠腸道通透性增加，這種現(xiàn)象通過雙歧桿菌CCM 7952(B1)的治療而得到預(yù)防[26]。其他研究表明，調(diào)節(jié)toll樣受體9(TLR9)對于益生菌在潰瘍性結(jié)腸炎治療中發(fā)揮有益作用。雖然這些研究沒有觀察到益生菌對骨骼的直接影響，但確實(shí)表明益生菌可以對IBD引起的腸道炎癥產(chǎn)生有益的影響，這是IBD引起骨丟失的主要原因之一。

2.3 對1型糖尿病骨丟失的影響

1型糖尿病(type 1 Diabetes，T1D)是胰島素生成的胰腺β細(xì)胞被破壞，導(dǎo)致需要外源性胰島素來控制血糖水平，由此產(chǎn)生的代謝失調(diào)加速骨質(zhì)流失。非肥胖糖尿病小鼠(NOD)的一項(xiàng)研究表明，缺乏MyD88蛋白(識別細(xì)菌刺激的多種先天免疫受體的接頭)的NOD小鼠沒有發(fā)展成T1D。這種保護(hù)依賴于共生微生物，因?yàn)闊o細(xì)菌MyD88陰性NOD小鼠發(fā)展為嚴(yán)重的糖尿病，而細(xì)菌定殖減弱T1D，共生細(xì)菌降低了疾病的易感性[27]。有研究已經(jīng)證實(shí)，用益生菌羅伊氏乳桿菌6475調(diào)節(jié)腸道微生物群可以防止鏈球菌唑菌素(STZ)誘導(dǎo)的小鼠T1D介導(dǎo)的骨丟失。在這項(xiàng)研究中，雄性(C57BL/6，14周大)小鼠接受STZ注射以誘導(dǎo)1型糖尿病，注射后4周其骨體積分?jǐn)?shù)降低35%[3]。用羅伊氏乳桿菌6475治療可以防止這種骨丟失，可阻止T1D誘導(dǎo)的骨小梁間距增加和骨小梁數(shù)量減少。STZ誘導(dǎo)的T1D骨丟失源于成骨細(xì)胞活性的降低，這與骨形成血清標(biāo)志物的降低和骨密度的降低結(jié)果一致。羅伊氏乳桿菌6475預(yù)防了骨鈣素和礦物沉積率的減少，這表明益生菌對骨骼合成代謝有積極作用[3]。在這項(xiàng)研究中，經(jīng)羅伊氏乳桿菌6475治療的T1D小鼠脂肪細(xì)胞數(shù)量沒有增加，有益于骨骼健康[23]。此外，在間充質(zhì)前體細(xì)胞中刺激成骨細(xì)胞生成和抑制脂肪細(xì)胞生成的Wnt10b信號在T1D小鼠骨骼中降低。益生菌羅伊氏乳桿菌6475治療完全恢復(fù)了全骨Wnt10b基因的表達(dá)，能恢復(fù)到正常水平。這些發(fā)現(xiàn)表明，益生菌可以通過調(diào)節(jié)骨骼中Wnt10b的表達(dá)來預(yù)防T1D引起的骨丟失[23]。

3 益生菌的安全問題

研究表明，益生菌對骨骼健康有很大的促進(jìn)作用，益生菌營養(yǎng)補(bǔ)充劑可能將代表一種新的預(yù)防和治療策略。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，益生菌可預(yù)防牙周病[28]、糖尿病[29]和雌激素缺乏[17]導(dǎo)致的骨質(zhì)流失。腸道微生物群的某些分類群中所含的酶活性可消化碳水化合物，以產(chǎn)生毫摩爾濃度的短鏈脂肪酸(SCFAs)、丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽[15]，通過促進(jìn)成骨細(xì)胞分化來刺激骨形成，是甲狀旁腺激素刺激骨形成的關(guān)鍵[30]。最近有研究發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)充LGG可增加腸道和全身丁酸鹽濃度和刺激骨形成。丁酸鹽的增加也導(dǎo)致Treg細(xì)胞的數(shù)量增加，Treg細(xì)胞與BM CD8+T細(xì)胞的相互作用調(diào)節(jié)了Wnt10b的產(chǎn)生，Wnt10b作用于基質(zhì)細(xì)胞和成骨細(xì)胞以促進(jìn)骨形成[31]。

益生菌一般認(rèn)為是安全的，但在某些情況下需要謹(jǐn)慎使用。免疫系統(tǒng)受損、嚴(yán)重腸屏障功能障礙或患有嚴(yán)重疾病的患者容易受到諸如敗血癥、真菌血癥和腸缺血等不良影響[32]，進(jìn)入血液系統(tǒng)，免疫細(xì)胞可能受損。最近對益生菌鼠李糖乳桿菌GG(LGG)的耐受性研究是非常積極的?；加锌肆_恩病的兒童，可以允許口服補(bǔ)充LGG并顯示出與安慰劑相當(dāng)?shù)母弊饔锰卣?。同樣，老年患?66～80歲)對益生菌(LGG)治療沒有表現(xiàn)出嚴(yán)重的不良反應(yīng)[33]。

4 總結(jié)

許多研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物在骨健康調(diào)節(jié)中的重要作用。直接補(bǔ)充有益的益生菌可以通過調(diào)節(jié)腸道的各個(gè)方面來影響骨骼健康。然而，需要更多的研究來了解腸道微生物與骨骼之間的信號通路，未來的研究將著重于確定腸道微生物調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞活性的機(jī)制。這些研究對未來骨質(zhì)疏松癥的治療具有重要意義。