楊雪歌 傅力

天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系（天津 300070）

1 肌減癥與腸道菌群概述

肌減癥（sarcopenia）又稱肌肉減少癥，在老年人群高發(fā)。2011年歐洲肌減癥工作組將肌減癥定義為全身進行性廣泛骨骼肌質(zhì)量減少，同時伴有肌力下降和（或）肌肉功能減退綜合癥。2018年該工作組更新了診斷標(biāo)準(zhǔn)，指出肌力降低是肌減癥的關(guān)鍵特征，機能下降是肌減癥的標(biāo)志，同時更新了臨床診斷程序、提供了針對肌減癥的診斷指征[1]。肌減癥的診斷通常采用握力、4米步行速度測試和椅立測試來評估肌肉功能，且握力測試作為診斷肌減癥并判斷其預(yù)后的標(biāo)準(zhǔn)已在臨床廣泛應(yīng)用[2]。研究證實，肌減癥的發(fā)生與激素水平、炎癥、骨骼肌線粒體功能障礙、蛋白質(zhì)代謝穩(wěn)態(tài)失衡等有關(guān)[3]，嚴(yán)重危害老年人的健康。此外，由于肌減癥患者的肌肉力量喪失，其跌倒風(fēng)險、致殘率和死亡率也顯著高于常人[4，5]。

人類腸道微生物由1014種病毒、真菌、細(xì)菌和古生菌組成，重約0.175～1.5 kg，其中，擬桿菌門和厚壁菌門占腸道菌群總體的90%以上，并進一步細(xì)分為100多個不同的細(xì)菌種類。此外，腸道菌群所含基因數(shù)量是人體細(xì)胞基因數(shù)量的150倍[6]。腸道菌群豐富的多樣性決定了其在機體各項生理功能中的重要作用。腸道菌群與宿主互利共生，并受宿主飲食習(xí)慣、生活方式等因素影響，而由腸道菌群合成的微量營養(yǎng)素和代謝物可進入血循環(huán)，調(diào)節(jié)宿主正常生理代謝活動并維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)平衡[7]。

近些年來，多項研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群與骨骼肌之間存在相互作用，“腸-肌軸”學(xué)說被提出[8]：骨骼肌功能與代謝的異?？梢鹉c道菌群數(shù)量及結(jié)構(gòu)組成的改變，而通過對腸道菌群施加干預(yù)可改變肌減癥的表型[9]。

2 肌減癥患者的腸道菌群特征

研究發(fā)現(xiàn)，衰老機體的腸道菌群經(jīng)各種內(nèi)外刺激后復(fù)原能力下降[9]，腸道屏障功能受損，腸粘膜通透性增加[2]。與健康成年人相比，肌減癥患者腸道菌群多樣性、嗜黏蛋白阿克曼菌等有益菌數(shù)量及比例降低，而大部分病原菌如鏈球菌和艱難梭狀芽胞桿菌等過度生長，且常伴有厚壁菌門和擬桿菌門重排[10]。采用16S rRNA基因靶向測序技術(shù)分析肌減癥患者腸道菌群變化發(fā)現(xiàn)，促炎菌屬如變形菌門中大腸桿菌及沙門氏菌等顯著增加，而促短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）生成相關(guān)菌群如擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、梭菌屬等含量顯著降低[2]。此外，在肌減癥患者腸道菌群中發(fā)現(xiàn)具有蛋白水解功能的細(xì)菌明顯增加，而水解蛋白的細(xì)菌如梭桿菌等可使氨基酸發(fā)酵，導(dǎo)致有害物質(zhì)，如吲哚硫酸酚（indoxyl-sulfate，IS）的產(chǎn)生[11]。

上述研究結(jié)果表明肌減癥患者的腸道菌群發(fā)生了異常改變。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)也可參與炎癥、營養(yǎng)代謝，氧化應(yīng)激等多個過程。

3 腸道菌群失調(diào)促進肌減癥發(fā)病的潛在機制

3.1 腸道菌群失調(diào)與機體炎癥反應(yīng)

衰老機體往往伴有低度炎癥狀態(tài)，而機體處于低度炎癥狀態(tài)是肌減癥發(fā)生的機制之一[10]。大量研究表明，炎癥因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor，TNF-α）、C反應(yīng)蛋白（C-reactive protein，CRP）、白細(xì)胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）及IL-6（interleukin-6，IL-6）等激活多條骨骼肌蛋白分解代謝通路，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成與分解失衡[11，12]。研究發(fā)現(xiàn)，在衰老機體中，腸道菌群的炎癥反應(yīng)早于全身炎癥的發(fā)生[13]。這提示，衰老機體低度炎癥狀態(tài)可能與腸道菌群有關(guān)。與此一致的是，通過16S rRNA基因靶向測序技術(shù)分析老年大鼠糞便中腸道菌群的多樣性及分布情況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的細(xì)菌明顯增多[14]。LPS是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的組成成分，在體內(nèi)通過與巨噬細(xì)胞的相互作用釋放大量炎性因子，如TNF-α和IL-6，最終誘發(fā)機體炎癥反應(yīng)[15]。此外，LPS通過激活小鼠Toll樣受體4（tolllike receptor 4，TLR4）促進自噬小體的形成以及肌肉萎縮相關(guān)基因1（atrogin-1）和肌肉環(huán)指蛋白-1（muscle ring finger protein-1，MuRF-1）的表達(dá)來誘導(dǎo)C2C12肌管細(xì)胞萎縮[16]。值得注意的是，衰老所導(dǎo)致的腸道通透性增加也引起循環(huán)血LPS含量增加[17]。因此，衰老機體的腸道菌群變化與肌減癥的發(fā)生發(fā)展相關(guān)，其機制可能是由腸道菌群失調(diào)誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)信號促進骨骼肌萎縮的發(fā)生。

3.2 腸道菌群失調(diào)與骨骼肌合成代謝抵抗

研究發(fā)現(xiàn)，老年人骨骼肌對合成代謝刺激（如蛋白質(zhì)攝入增加）的敏感度顯著降低，產(chǎn)生合成代謝抵抗?fàn)顟B(tài)，常作為骨骼肌衰老的標(biāo)志[18]。這種狀態(tài)會加劇骨骼肌蛋白合成與分解代謝的失衡，促進肌減癥發(fā)生。蛋白質(zhì)的消化和吸收對促進骨骼肌蛋白質(zhì)合成至關(guān)重要[19]。研究表明，機體在攝入含蛋白質(zhì)食物后，腸道菌群衍生的氨基酸如蘇氨酸和賴氨酸被釋放入血液循環(huán)中的游離氨基酸池，進而參與宿主體內(nèi)蛋白質(zhì)合成。同時，這項研究顯示，循環(huán)血中多達(dá)20%的賴氨酸均由腸道菌群合成[20]。研究發(fā)現(xiàn)，人類衰老與參與賴氨酸生物合成的細(xì)菌減少有關(guān)，如普雷沃特氏菌[21]。這提示衰老所導(dǎo)致的腸道菌群改變可能會減少微生物產(chǎn)生氨基酸，從而降低機體蛋白質(zhì)合成能力。此外，機體攝入外源蛋白質(zhì)后，胰島素通過激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS），增加骨骼肌血流量，從而促進合成代謝及骨骼肌的生長[22，23]。然而，肌減癥患者腸道菌群代謝物氧化三甲胺（trimetlylamine oxide，TMAO）水平升高，加之衰老所引起腸道粘膜通透性增加，使得大量TMAO進入循環(huán)[13，24]，而年齡相關(guān)的血漿TMAO水平升高與NO生物利用度降低及血管功能障礙相關(guān)[24]。這提示肌減癥患者腸道菌群TMAO水平的升高可能抑制胰島素介導(dǎo)的合成代謝。綜上，年齡相關(guān)的腸道菌群失調(diào)可能參與肌減癥患者合成代謝抵抗?fàn)顟B(tài)的形成。

3.3 腸道菌群失調(diào)與骨骼肌細(xì)胞線粒體功能

隨著年齡增長，線粒體功能逐漸降低，包括形態(tài)改變、含量減少及電子傳遞鏈復(fù)合物活性降低等[25]。線粒體穩(wěn)態(tài)的破壞常造成活性氧產(chǎn)生過多，合成骨骼肌蛋白質(zhì)所需的ATP減少等，從而加速衰老所引起的肌肉質(zhì)量與力量的喪失。因此，骨骼肌線粒體功能障礙是促進肌減癥發(fā)生發(fā)展的重要因素。將缺乏腸道菌群的無菌（germ free，GF）小鼠與無致病菌小鼠對比，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠骨骼肌萎縮，線粒體功能受損，而將無致病菌小鼠（specific pathogen free，SPF）的腸道菌群移植到無菌小鼠腸道后，肌肉萎縮程度和線粒體功能均有明顯改善[26]。這提示腸道菌群與骨骼肌細(xì)胞線粒體功能相關(guān)。除此之外，衰老會引起某些致病菌增加，如沙門氏菌和大腸桿菌，這些細(xì)菌可通過降解腸道內(nèi)L-半胱氨酸產(chǎn)生硫化氫（hydrogen sulfide，H2S），而高濃度硫化氫可穿透細(xì)胞膜，抑制環(huán)氧合酶活性，減少能量產(chǎn)生，同時抑制線粒體呼吸鏈的電子傳遞，減少ATP產(chǎn)量，從而造成線粒體功能障礙[27，28]。綜上，衰老引起腸道菌群失調(diào)可能通過損害骨骼肌線粒體功能促進肌減癥的發(fā)生。

3.4 腸道菌群失調(diào)與氧化應(yīng)激

研究表明，衰老機體體內(nèi)活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）生成增加，同時，機體清除ROS的抗氧化酶類減少，活性降低，氧化-還原動態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷[29]。ROS的持續(xù)增加可通過積累DNA氧化損傷，抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）表達(dá)[30]，降低蛋白合成代謝。此外，ROS還可通過激活泛素-蛋白酶系統(tǒng)促進蛋白降解[31]，從而參與肌萎縮的發(fā)生發(fā)展。因此，氧化應(yīng)激損傷也被認(rèn)為是肌減癥發(fā)生的重要原因。有趣的是，特定腸道菌群可影響機體ROS水平[32]：腸道乳酸桿菌可促進乳酸分泌活化NADPH氧化酶（NADPH Oxidase，NOX），最終誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生ROS[33]，而肌減癥患者體內(nèi)乳酸桿菌含量增加[16]，這提示高水平的ROS與腸道內(nèi)乳酸桿菌大量繁殖有關(guān)。此外，肌減癥患者腸道中大腸桿菌通過分泌黃嘌呤脫氫酶，促進尿酸生成[34，35]，而高水平的尿酸具有促氧化作用[36]。前文所提到的肌減癥患者循環(huán)血中TMAO水平的增高也與機體氧化應(yīng)激狀態(tài)有關(guān)：給予小鼠腹腔注射TMAO后，發(fā)現(xiàn)促氧化應(yīng)激轉(zhuǎn)錄因子-核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）表達(dá)增多[37]。綜上，腸道菌群失調(diào)可能通過促進氧化應(yīng)激損傷加速肌減癥的發(fā)生發(fā)展。

4 運動與腸道菌群相互作用

多項研究證實，適量運動可增加骨骼肌質(zhì)量，提高肌力，改善骨骼肌功能[38，39]，雖然其機制尚不明確，但已有報道認(rèn)為腸道菌群可能在其中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用[40]。例如，與久坐不動的成年女性相比，在有良好運動習(xí)慣的女性糞便樣本中的有益菌種，包括嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，Akk）、普氏棲糞桿 菌（Faecalibacterium prausnitzii）和羅 氏 菌 屬（Roseburia）的含量明顯增高[41]。此外，經(jīng)腸道菌群宏基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，運動員糞便代謝產(chǎn)物中短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）的含量顯著高于久坐少動者，同時該研究結(jié)果還表明，運動提高了腸道內(nèi)產(chǎn)丁酸菌的含量[42]。以上結(jié)果提示，運動調(diào)節(jié)腸道菌群的組成并可能以此提高骨骼肌的功能。此外，研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群成分與結(jié)構(gòu)的變化能夠影響機體的運動能力。Hsu等通過對GF小鼠、無致病菌小鼠（specific pathogen-free，SPF）以及移植擬桿菌屬的無菌小鼠（bacteroides fragilis，BF）進行游泳耐力測試，探究其運動表現(xiàn)的差異，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與GF、BF小鼠相比，SPF小鼠達(dá)力竭狀態(tài)的時間最長[43]。綜上所述，運動與腸道菌群之間存在相互作用，相互調(diào)節(jié)的潛在關(guān)系。

5 腸道菌群在運動改善肌減癥中的作用

5.1 運動引起的菌群改變對肌減癥的影響

研究發(fā)現(xiàn)，耐力運動訓(xùn)練使老年男性胃腸道中產(chǎn)生內(nèi)毒素的腸道病原體艱難梭狀芽胞桿菌（Clostridium difficile）含量顯著降低[44]。與無運動習(xí)慣的老年人相比，經(jīng)常進行運動訓(xùn)練的老年人表現(xiàn)出更高的肌肉代謝水平，且胃腸道中參與SCFAs生成的細(xì)菌如雙歧桿菌和梭菌屬的豐度升高[45]。與此一致的是，Morita等研究發(fā)現(xiàn)，老年女性經(jīng)12周有氧運動訓(xùn)練后其腸道擬桿菌含量增多且骨骼肌力量和心肺功能均明顯提高，且擬桿菌也是SCFAs的主要來源[40]。因此，推測運動引起腸道菌群改變對機體產(chǎn)生有益影響可能是由SCFAs所介導(dǎo)。膳食纖維在盲腸和大腸中經(jīng)微生物群發(fā)酵生成SCFAs，主要包括乙酸、丙酸和丁酸[46]。乙酸和丙酸主要由擬桿菌門生成，而丁酸是厚壁菌門的主要代謝物。SCFAs具有抗炎作用：丁酸和丙酸能抑制結(jié)腸上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞內(nèi)組蛋白去乙?；福╤istone deacetylase，HDAC）的活性，下調(diào)促炎因子如IL-6及IL-12的表達(dá)，抑制炎癥反應(yīng)[47]。也有研究認(rèn)為，SCFAs通過促進芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AhR）和缺氧誘導(dǎo)因子1α（hypoxia inducible factor-1，HIF1α）的表達(dá)上調(diào)IL-22的產(chǎn)生，而IL-22可抑制胃腸道炎癥反應(yīng)[48]。這提示SCFAs可能通過降低衰老機體的炎癥水平改善肌減癥所造成的骨骼肌萎縮。此外，在地塞米松干預(yù)的體外肌管細(xì)胞模型中加入SCFAs，細(xì)胞蛋白水解相關(guān)基因如Murf-1，Atrogin-1表達(dá)下降，改善了地塞米松誘導(dǎo)的肌萎縮效應(yīng)[26]。細(xì)胞實驗還發(fā)現(xiàn)，丁酸以劑量依賴性的方式抑制人類結(jié)腸腺癌細(xì)胞NF-κB的表達(dá)，從而有效減少ROS對DNA的損傷[49]。因此，運動引起腸道菌群的改變可能通過增加SCFAs含量對骨骼肌質(zhì)量和身體機能產(chǎn)生有益影響。未來研究需重點檢測不同運動方式對老年人腸道菌群和SCFAs產(chǎn)生的影響，為改善肌減癥的發(fā)生與發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。

5.2 運動通過改善腸道屏障功能影響肌減癥

衰老引起的腸道屏障老化及通透性增高使腸道致病菌及其有害代謝產(chǎn)物如LPS、IS等更容易進入循環(huán)血液，如前所述，LPS常引起機體產(chǎn)生慢性炎癥反應(yīng)[13]，而IS可抑制成肌細(xì)胞增殖和肌管形成，同時促進肌肉生長抑制素（myostatin）和Atrogin-1的表達(dá)[50]，導(dǎo)致肌萎縮的發(fā)生，提示良好的腸道屏障功能對于防治肌減癥至關(guān)重要。Holland等發(fā)現(xiàn)，15天跑臺運動干預(yù)可促進大鼠緊密連接蛋白1（zonula occludens 1，ZO-1）的表達(dá)[51]，而ZO-1能維持腸道屏障的完整性[52]。長期運動訓(xùn)練可顯著增加成年女性腸道Akkermansia菌屬的比例[41]，而Akkermansia菌屬可通增厚腸道黏液層，增加抗炎Treg細(xì)胞數(shù)量，促進腸道緊密結(jié)合蛋白的表達(dá)，改善腸道屏障功能[53-55]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)SCFAs也可促進腸道ZO-1的表達(dá)，且在胃腸道細(xì)胞的代謝、生長、分化中發(fā)揮重要作用[56]。盡管如此，運動改善腸道屏障功能的機制尚不完全清楚，尚需進一步驗證運動對腸道屏障功能影響的內(nèi)在機制。

6 小結(jié)與展望

腸道菌群與宿主長期共存，并通過調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、營養(yǎng)代謝等影響機體的生理功能。而宿主也可通過運動干預(yù)調(diào)節(jié)腸道菌群，改善菌群結(jié)構(gòu)，從而對骨骼肌功能產(chǎn)生有益影響。隨著肌減癥診斷標(biāo)準(zhǔn)和腸道菌群檢測方法的不斷完善，檢測過程更加精確和高效，這也將進一步促進運動干預(yù)在腸-肌軸中的可能機制的相關(guān)研究，從而為肌減癥的防治提供新的理論依據(jù)。