譚 鋼，徐 靜，康成為，蒲小兵，康鵬德，董長超

(1.四川大學華西公共衛(wèi)生學院 華西第四醫(yī)院骨科，四川 成都 610041；2.四川大學華西醫(yī)院麻醉手術中心 四川大學華西護理學院，四川 成都 610041；3.四川大學華西醫(yī)院骨科，四川 成都 610041)

骨質疏松是一種常見的骨骼疾病，臨床分為原發(fā)性、繼發(fā)性和特發(fā)性三種。原發(fā)性骨質疏松主要表現為絕經后骨質疏松和老年性骨質疏松；繼發(fā)性骨質疏松是由某些代謝性疾病或者長期服用某些藥物等因素所誘發(fā)[1]。在中國，60歲以上人群骨質疏松總體患病率為36%，其中男23%，女49%[2]。人體和極大多數動物的胃腸道內定植著種類和數量繁多的腸道菌群，在腸道菌群中，有一類對機體代謝極其重要的微生物就是益生菌。益生菌主要具備營養(yǎng)作用、提高防御能力、延緩衰老、抑腫瘤、調節(jié)骨代謝等作用。因此，益生菌對于機體健康具有重要作用，目前國內外較多研究表明益生菌能夠影響骨代謝，從而導致或改善骨質疏松，但是具體作用機制尚未得到完全闡明，現對其與骨質疏松相互關系的相關機制研究進展進行綜述，本次研究經過本院醫(yī)學倫理委員會同意。

1 益生菌與骨質疏松的相互關系

1.1益生菌可能通過影響宿主腸道免疫系統(tǒng)而調節(jié)骨代謝：腸道免疫系統(tǒng)是人體內最大的免疫系統(tǒng)之一，可識別宿主體內的病原體、飲食成分以及共生和有益微生物并對其作出不同反應[3-4]，其中免疫細胞、潘氏細胞和杯狀細胞(特殊上皮細胞)在這一過程中起著極其重要的作用。許多疾病，如炎性反應性腸病(IBD)和腹腔疾病等，可以導致腸道免疫系統(tǒng)失調。這些疾病與細胞因子的表達異常有關，而這些細胞因子也是調節(jié)骨代謝的重要因素[5-6]，因此，許多腸道疾病都可以導致骨質流失[7]。國外學者已經發(fā)現誘導形成結腸炎會導致骨髓內免疫細胞組成和細胞因子表達的變化[8]。在IBD動物模型中，細胞因子[腫瘤壞死因子-α(TNF-α)、白細胞介素-1α(IL-1α)、白細胞介素-1β(IL-1β)、白細胞介素-6(IL-6)]的失調與骨丟失相關[9-13]。同時，與動物模型一致，IBD患者的細胞因子水平升高[10-11]并表現出骨丟失。

腸道菌群是腸道免疫系統(tǒng)的重要調節(jié)因子，腸道菌群失調會增加破骨細胞前體細胞的活性，從而上調破骨細胞的生成。有研究者通過實驗給小鼠口服“壞”細菌會導致腸道炎性反應失調和相應的骨丟失[12]。因此，腸道微生物群的變化會影響免疫反應和骨骼健康。Sjogren等人[14]使用無菌小鼠的研究表明，與傳統(tǒng)小鼠相比，無菌小鼠具有更高的骨量。這與破骨細胞前體數量減少及骨髓中CD4+T細胞頻率降低有關。

益生菌在腸道中大量定殖并且能夠幫助機體進行消化吸收并抵抗病原體的入侵，宿主則為益生菌提供生存環(huán)境[15]。然而，在宿主處于病理狀態(tài)等情況下都將改變腸道益生菌的數量及活性，從而引起一系列疾病發(fā)生[16-18]。既往的研究表明益生菌可以調節(jié)免疫功能[19-20]。由于益生菌是口服的，它們很容易與腸道免疫成分相互作用，從而影響局部和遠處的器官功能。研究表明益生菌中的羅伊菌治療降低了雄性小鼠腸道TNFα的表達，相應地增加了骨密度[21]，但是羅伊桿菌影響骨密度的確切免疫機制仍在積極研究中。然而有趣的是，羅伊桿菌逆轉了卵巢切除引起的骨丟失，這與骨髓CD4+T細胞的相應變化有關，這與抗破骨細胞活性有關，被認為是在L.reuteri條件培養(yǎng)基中，它抑制了單核巨噬細胞向破骨細胞的分化[22]。早期的研究表明，羅伊桿菌分泌的組胺參與抑制人單核細胞產生TNF-α[23]。因此，羅伊桿菌對骨的作用可能涉及對腸道的抗炎作用和對骨細胞的潛在直接作用。這些因素是否影響腸道免疫或體內骨免疫成分仍在積極研究中。

國內外很多研究組已經表明服用鼠李糖乳桿菌和VSL3益生菌可降低去卵巢小鼠腸道和骨髓中TNF-α、IL-17和核因子κB受體活化因子配體(RANKL)的表達[24]。Ohlsson等人[24]證明，補充益生菌可部分逆轉卵巢切除對骨髓T調節(jié)細胞的抑制作用。與抗炎T細胞的調節(jié)一致，補充益生菌可降低去卵巢小鼠的骨腫瘤壞死因子α和其他促炎細胞因子，并觀察到TGF-β1表達增強(與T-regs增加相關)。Wang等人[25]發(fā)現，益生菌干酪乳桿菌改變了巨噬細胞表型。具體表現在髖關節(jié)植入產生的磨損碎屑激活巨噬細胞，導致促炎狀態(tài)和骨溶解；然而，干酪乳桿菌治療抑制了巨噬細胞的骨溶解和促炎狀態(tài)。其他研究表明，益生菌可以有益地影響骨髓中的造血，進一步表明口服益生菌可以顯著影響骨髓中的免疫細胞，從而影響骨骼健康[26-27]。綜上所述，雖然這些研究表明益生菌可以顯著影響免疫系統(tǒng)和骨骼，但還需要進一步的明確研究來確定具體的機制。

另外也有研究表明無菌小鼠的CD4+T 細胞、TNFα、破骨細胞前體細胞(CD4+/GR1-) 顯著少于常規(guī)條件小鼠。由于結腸內容物含有大量微生物，作為抗原引起機體內T細胞的增多，進而導致TNF-α 增加等一系列免疫反應[28]，由此表明，腸道菌群對于機體免疫系統(tǒng)有重要作用[16]。

1.2益生菌可能通過調節(jié)腸道屏障功能而影響骨代謝：腸上皮能夠為人體提供一個選擇性屏障，防止有害物質和病原體及其產品轉移到血液中。它由幾層組織構成，尤為重要的是由緊密連接蛋白連接在一起的腸上皮細胞(IECs)，提供了關鍵的屏障支持，僅允許選擇性轉運。此外，杯狀細胞產生的黏液層覆蓋在上皮細胞表面，阻止腸道細菌和病原體進入宿主上皮細胞。腸道還分泌免疫球蛋白、防御素和其他有助于維持健康環(huán)境的抗菌物質。

腸上皮屏障的破壞可導致病原體轉移到血流中，引起全身炎性反應，并引發(fā)胃腸道疾病，如炎性反應性腸病(IBD)、腹腔疾病和結腸癌[29-31]。國外很多研究表明，胃腸道屏障失調也會促進骨丟失[32-33]，最終引起骨質疏松。因此，痢疾可以通過增加腸道通透性和血清內毒素水平來促進骨質丟失[34-35]。益生菌治療有利于改善腸道菌群失調，可以通過增強腸屏障功能來調節(jié)骨代謝。國外很多研究表明益生菌可以改善機體腸道屏障功能[36]，從而調節(jié)骨代謝，防止骨質流失和發(fā)生骨質疏松，與腸道屏障功能和骨骼健康之間的聯(lián)系一致。在動物模型研究中，對雌激素缺乏小鼠使用益生菌治療不僅可以防止腸道通透性，還可以防止骨質流失[24]。

1.3益生菌可能通過改變腸道菌群組成調節(jié)骨代謝:人體為約100萬億個微生物提供宿主環(huán)境，除了微生物數量超過人類細胞外，腸道微生物群表達的基因也比人類基因組多100倍。微生物群組成的變化可能對人類健康產生有益或有害的影響。筆者通過自然攝入的益生菌的劑量可以從每天108～1012CFU不等[37]，雖然攝入時的益生菌數量是很多的，同時活性也是很好的，但胃和膽汁的酸性環(huán)境以及腸道內分泌的酶可以使腸道內的活益生菌數量減少50%或更多[38]。攝入的益生菌數量相對于小腸內本身的細菌數量要多得多，而在結腸中，攝入的益生菌遠遠超過現有的常駐細菌。攝入的益生菌在胃腸道內維持數天，但很少能維持到1周以后[39]。因此，益生菌需要連續(xù)攝取才能獲得最佳效果。

腸道菌群的組成與骨生長之間存在明顯的聯(lián)系[40-41]。如國外研究表明生長發(fā)育不良的營養(yǎng)不良兒童的腸道菌群與健康兒童的差異很大，當將此類患兒的腸道菌群轉移到無菌小鼠腸道內時，會導致無菌小鼠生長不良，更有趣的是，補充益生菌后改善了這批無菌小鼠的生長異常狀況[42]。其他研究也報道了益生菌治療恢復了營養(yǎng)不良小鼠的正常生長率且使血清胰島素樣生長因子-1(IGF-1)和胰島素樣生長因子結合蛋白(IGFBP-3)升高至正常水平[43]。另外，益生菌中的雙歧桿菌有益于人類免疫缺陷病毒母親所生嬰兒的生長[44]。這些研究表明，益生菌的使用能夠有利于骨骼生長。

腸道菌群的變化也與骨密度的變化有關。在炎性反應性腸病中觀察到骨密度與腸道功能平衡狀態(tài)之間存在負相關[45]，即腸道菌群中益生菌的增多可以提高骨密度。國外研究者用益生菌Reuteri乳桿菌治療去卵巢小鼠會引起微生物組成的顯著變化，并防止雌激素缺乏引起的骨丟失[22]，此外，許多文獻表明，攝入益生菌可以改變骨密度。其他許多研究也證明了微生物群在牙周病中的作用。糖尿病改變了口腔微生物群的組成，通過轉移到無菌小鼠身上，顯示出其致病性，并促進牙周病和牙齒脫落，益生菌如鼠李糖乳桿菌GG、雙歧桿菌或Gasseri乳桿菌可以減少牙周病和骨丟失，但是目前尚未完全研究清楚該現象發(fā)生的具體機制[46]。

2 益生菌調節(jié)骨代謝的可能信號通路

前期研究表明腸道菌群調節(jié)骨代謝的可能機制有以下幾種：誘導產生腸源性5-羥色胺；發(fā)育過程中免疫系統(tǒng)的成熟，以及脂多糖(LPS)誘導的全身炎性反應等。

2.1益生菌可能通過影響5-羥色胺水平從而調節(jié)骨代謝：5-羥色胺又名血清素，是一種吲哚衍生物，分子式C10H12N2O，英文名：5-hydroxytryptamine，簡稱5-HT，廣泛存在于哺乳動物組織中，也是一種抑制性神經遞質。5-HT由腸嗜鉻細胞在腸道內合成。色氨酸羥化酶-1(Tph1)負責催化十二指腸合成5-HT[47]。腸道菌群中的非益生菌可誘導腸內分泌細胞產生5-HT，這些能夠刺激5-HT產生的微生物種類還不完全清楚。功能性5-HT受體在骨細胞上有表達，先前的研究表明5-HT對小鼠骨形成有負面影響[48]以及一些研究表明，通過抑制5-HT的產生可防止去卵巢嚙齒動物模型中的骨丟失[49]。當腸道菌群中益生菌的數量顯著高于其他非益生菌后，占優(yōu)勢的益生菌則能夠降低5-HT的合成和再吸收，從而阻止5-HT導致的骨質流失，以預防骨質疏松形成。

2.2益生菌可能通過影響RANK水平調節(jié)骨代謝： 在骨骼中，骨髓基質細胞可以根據微環(huán)境分化為骨吸收作用為主破骨細胞、成骨作用為主的成骨細胞以及其他免疫細胞，包括巨噬細胞或髓樣樹突狀細胞[50]。在巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)刺激下，破骨細胞前體細胞增加RANK的表達，從而使RANK配體(RANKL)結合并啟動信號級聯(lián)反應促進破骨細胞形成[51]。M-CSF和RANKL均由骨髓中的基質細胞表達，能夠對刺激骨吸收的細胞因子和激素作出響應[52]，如TNF-α及其下游調節(jié)因子白細胞介素-1(IL-1)可以通過刺激M-CSF和RANK的表達，從而促進破骨細胞生成[53]。益生菌可以下調TNF-α及其他炎性因子的表達，從而導致M-CSF和RANK的表達下降，這樣破骨細胞的生成就會減少，骨吸收作用就會降低，骨質疏松的進展就會放慢。

2.3益生菌可能通過TLR信號通路調節(jié)骨代謝：腸道菌群及包括脂多糖(LPS)和肽聚糖(PGN)在內的細胞膜成分，可以通過Toll樣受體(TLR)對宿主產生影響，尤其是分別通過TLR-4和TLR-2。LPS與脂多糖結合蛋白(LBP)和分化簇14(CD14)蛋白因子形成復合物，以便通過TLR-4發(fā)出信號，最終引起腸道炎性反應。

破骨細胞前體細胞可同時表達TLR-4和RANKL，其命運取決于RANKL、骨保護素(OPG；RANK的誘餌受體)和LPS。在骨吸收過程中，RANKL較OPG高，導致破骨細胞前體細胞分化為破骨細胞。而脂多糖在破骨細胞生成中則起著雙面功能，當破骨細胞前體細胞只暴露于LPS而不暴露于RANKL的情況下，破骨細胞前體細胞則分化為吞噬細胞。因此，LPS有潛力抑制破骨細胞的產生，防止骨吸收。同樣，如果RANKL在沒有LPS刺激的情況下與RANK結合，破骨前細胞分化為成熟的破骨細胞，開始骨吸收。然而，如果在RANKL刺激下LPS與TLR-4結合，則干細胞生成加速，導致破骨細胞分化和細胞存活的更強烈誘導，最終導致更嚴重的骨破壞。益生菌細胞膜存在大量的脂多糖，且益生菌能夠抑制RANKL的表達，因此雙重作用下破骨細胞前體細胞分化為成熟破骨細胞的數量將會明顯降低，骨吸收作用就會顯著削弱，骨質疏松的進展就會明顯減慢。

3 小結

腸道菌群中存在益生菌和非益生菌，對人體骨代謝起著兩種方向相反、作用截然不同的重要影響。雖然目前的研究尚未完全闡明益生菌調節(jié)骨代謝和改善骨質疏松的具體機制，但是現有大量研究已經表明益生菌能夠改善骨質疏松的情況，其具體機制有待進一步深入的研究，從而減輕因為骨質疏松造成的社會危害性和負擔。