腸道具有人體最大的細菌群落, 每個人都攜帶多達數百種的腸道細菌。微生物群給予宿主包括維生素的生產, 從飲食中提取營養和能量, 代謝功能, 先天和適應性免疫的調節, 以及對病原微生物的保護。微生物組的改變與人類的一些慢性疾病有關, 包括炎癥性腸病、肥胖癥、代謝性疾病、營養不良、神經系統疾病、癌癥和心血管疾病[1]。
中國國家衛生健康委員會2018年調查顯示, 骨質疏松癥已經成為中國中老年人群的重要健康問題, 中老年女性骨質疏松問題尤為嚴重。50歲以上女性骨質疏松癥患病率為32.1%, 65歲以上女性的骨質疏松癥患病率更是達到51.6%。在不經意間影響著人類的健康, 多見于疼痛、駝背。更嚴重的是, 在日常運動中, 家務過程中, 即使沒有明顯較大的外力作用, 不經意間便可發生骨折, 多發生于胸、腰椎椎體、橈骨遠端及股骨上端, 阻礙人們的日常生活, 降低人民生活幸福感。除此之外, 骨質疏松引發的胸、腰椎壓縮性骨折會降低呼吸功能, 出現呼吸困難等情況。目前針對絕經后骨質疏松的治療藥物主要包括雙膦酸鹽、選擇性雌激素受體調節劑、激素替代劑和降鈣素等, 臨床實驗證實這些藥物均有較好的臨床療效。但部分藥物的潛在并發癥及副作用也隨之突顯[2]。而對于繼發性骨質疏松研究較少, 所以亟需尋找到新的靶點, 開辟一條安全有效的途徑, 治療多種因素引起的骨質疏松癥。
腸道微生態與骨代謝的相關性是近年來研究的熱點, 研究發現, 腸道菌群與骨質疏松癥的發病相關[3], 腸道中的微生物可能通過自身代謝產物、影響宿主代謝、調節腸道屏障功能以及免疫系統、轉化藥物代謝等途徑影響骨質疏松。本文將通過由腸道菌群介導的諸多途徑闡述腸道菌群影響骨質疏松的機制, 并對靶向腸道治療骨質疏松的藥物進行綜述。
1 腸道微生物影響骨質疏松癥機制 1.1 腸道菌群自身代謝產物短鏈脂肪酸(SCFAs)是腸道菌群的代謝產物, 由羧酸和小烴鏈組成。其中, 乙酸、丙酸和丁酸的研究最多, 其化學結構分別為2、3、4個碳。Lucas等[4]通過對小鼠喂SCFA丙酸酯(C3)和丁酸酯(C4), 使體內的SCFAs含量增加, 測得小鼠的骨含量顯著增加, 由此可以表明SCFAs含量對于骨量的保護有一定的作用。而從機制上說, 一方面, 體內實驗發現, 骨吸收標志物血清水平顯著降低, 另一方面, 體外實驗表明, C3和C4顯著抑制了兩個必需的破骨細胞信號轉導成分TRAF6和NFATc1, 這些實驗從不同角度有力的表明與骨吸收的抑制有關, SCFAs對骨形成也有一定的影響。Tyagi等[5]研究發現, 丁酸鹽能夠增加調節性T細胞(Treg)在腸道和骨髓中的數目, 而Treg細胞能夠刺激CD8+ T細胞分泌Wnt配體Wnt10b, 從而通過激活成骨細胞中的Wnt信號刺激骨形成。間充質干細胞(NSCs)具有成骨和成脂的能力, Chen等[6]研究表明, MSCs當被誘導進行成骨分化時, 丁酸鈉能夠刺激成骨分化并上調Runx2和Runx2調節基因的表達, 也能夠通過激活細胞外調節蛋白激酶調節間充質干細胞分化。
除了通過直接干預破骨細胞分化及骨形成等, SCFAs還可以影響礦物質的吸收。試驗結果表明, SCFAs可通過調節礦物質離子與氫離子之間的電解質交換, 直接影響腸道對礦物質的吸收, 促進上皮細胞對礦物質離子的吸收[7]。SCFAs可以降低腸腔內的pH值, 增加鈣在大鼠結腸段的轉運, 促進鈣的吸收。在牛中, 丁酸可以激活中性粒細胞, 誘導鈣離子(Ca2+)內流和絲裂原活化蛋白激酶磷酸化, 丙酸鹽會增加中性粒細胞Ca2+內流[8]。綜上所述, 腸道菌代謝產物短鏈脂肪酸能夠有效的干預骨質疏松癥, 為骨質疏松癥的預防與治療提供新手段。
1.2 宿主－微生物群共代謝腸道微生物群的組成和活動自出生起就與宿主共同發育, 并受到宿主基因組、營養和生活方式之間復雜的相互作用影響。越來越多研究表明, 腸道微生物群通過一系列相互作用的宿主-微生物群代謝、信號傳導和免疫炎性軸, 參與調節多種哺乳動物體內的代謝途徑, 這些軸在生理學上連接腸道、肝臟、大腦和其他器官[9]。
Xing等[10]分析慢性深度缺氧條件下骨髓間充質干細胞與腸道菌群的關系。成骨細胞由骨髓間充質干細胞分化而來, 成骨細胞的成骨作用不能夠平衡破骨細胞介導的骨吸收, 導致骨量降低是骨質疏松的發病機制之一。結果發現, 慢性深度缺氧導致腸道微生物群落多樣性發生改變, 乳酸菌顯著減少, 降解D-半乳糖的酶減少, 使D-半乳糖累積, 而累積的D-半乳糖使血液和骨髓中能夠誘導骨髓間充質干細胞過早衰老的活性氧積累。
要研究腸道菌群和宿主之間的這一復雜的代謝體系, 代謝組學是目前較為有效的研究手段。Xu等[11]采用非靶向代謝組學策略, 發現苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等代謝途徑是糖皮質激素誘導的骨質疏松大鼠代謝功能改變最多的途徑。大多數代謝途徑與糖代謝、分子轉運和脂質有關。龍維富等[12]研究絕經后骨質疏松的血漿代謝組學發現, 與假手術組比較, 去卵巢組大鼠代謝產物乳酸、丙酮和乙醇水平升高, 而膽堿/磷脂酰膽堿、丙氨酸、VLDL/LDL、HDL/LDL、血糖及脂肪酸水平降低。如核糖體, 糖酵解, 氨基酸生物合成, 碳代謝, 和氧化磷酸化, 已被證明調節骨髓間充質干細胞增殖和分化, 影響骨形成。鄭曉皎[13]通過對抗生素干擾實驗, 利用UPLC /QTOFMS和GC /TOFMS色譜質譜聯用技術, 建立了腸道菌群-宿主代謝物組的全譜和靶標分析平臺。其中, 色氨酸代謝途徑、酪氨酸、苯丙氨酸代謝途徑、腦-腸軸、短鏈脂肪酸和糖類物質、中長鏈脂肪酸和膽酸類物質等以及代謝的改善與腸道微生物群的改變密切相關[14]。綜上所述, 骨質疏松癥的治療與宿主代謝有著密不可分的關系, 而腸道菌群又影響著一些宿主代謝, 形成腸道菌-宿主共代謝。但是關于這方面的靶向性來影響骨質疏松的機制研究的還不夠深入, 還需要進一步深入研究, 也為骨質疏松的預防與治療提供了新思路, 具有社會價值。
1.3 腸道屏障與免疫腸道屏障在維持宿主體內平衡中起重要作用。腸上皮由連續的單層腸上皮細胞組成, 其通過緊密連接(TJ)蛋白密封在一起。TJs是由Claudins蛋白、Oc- cludin蛋白和Zo蛋白組成的一種蛋白質復合物, 決定了細胞外溶質的滲透性。腸上皮被一層粘液覆蓋, 由粘蛋白組成, 形成物理屏障。該屏障阻止了微生物與上皮表面的相互作用, 抑制細菌粘附到腸上皮細胞, 限制免疫反應和維持屏障功能。腸道微生物群的生態失調, 使具有降解粘蛋白能力的細菌豐度增加, 影響粘蛋白產生[15]。粘蛋白的減少, 使細菌更多黏附到腸上皮細胞, 使腸上皮細胞上的模式識別受體發出信號, 激活NF-κB通路。上皮細胞NF-κB活化增加促炎細胞因子, 如TNF-α、IL-1和INF-γ等。幾種細胞因子可以調節TJ復合物, TJ連接其頂端側的相鄰上皮細胞, TJ蛋白復合物由連接粘附分子、occludins、橋粒、密蛋白和細胞骨架連接蛋白組成, 提供粘合力以確保上皮層的完整性。TNF- α增加肌球蛋白輕鏈激酶的表達, IFN-γ降低ZO-1蛋白合成, 增加TJ蛋白的內化并重新排列肌動蛋白細胞骨架。使得上皮層完整性被破壞, 腸道通透性增加[16]。腸道通透性增加, 導致腸道菌群中的有害菌以及產生的影響骨質疏松的有害代謝物可以進入機體, 進一步引發免疫應答, 并且生成大量以TNF-α為主的促破骨細胞生成因子, TNF-α誘導核因子κB受體活化因子配體和巨噬細胞集落刺激因子的生成, 并下調骨保護素, 最終促進破骨細胞的激活和骨吸收[17]。Xiao等[18]通過體外實驗發現, 無菌組與無特定病原體(SPF)組骨髓間充質干細胞與T細胞共培養, 并檢測它們誘導T細胞凋亡的能力, 發現SPF組顯著誘導更多的T細胞凋亡。綜上所述, 腸道菌群失調、腸道上皮屏障功能減弱和免疫系統反應性增強, 導致腸道致病菌有害代謝物可以通過腸道上皮屏障進入機體, 進一步引發CD4+T細胞介導的免疫應答, 生成大量以TNF-α為主的促破骨細胞生成因子, 最終促進破骨細胞的激活和骨吸收。
1.4 中藥和腸道菌群相互作用中藥具有調節腸道菌群結構, 保護腸黏膜屏障的作用, 而腸道菌群代謝轉化中藥有效成分, 使其更易被機體吸收, 還有增強藥效、降低毒性的作用。傳統中藥吸收利用度不高, 但療效好, 因腸道菌群在其中的轉化作用。腸道菌群對中藥成分的生物轉化以水解作用為主, 氧化還原作用為輔, 在這些水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉移酶等代謝酶的作用下, 中藥成分轉化成相應的藥理或毒理成分而發揮作用[19]。迄今已發現的植物雌激素有400多種, 其中腸道菌群對黃酮類、異黃酮類、木脂素類研究較多。
異黃酮類在腸道菌群的轉化下會代謝成雌馬酚, 而雌馬酚具有更強雌激素樣作用, 對于絕經后骨質疏松的預防有較好的療效。木脂素類化合物如松脂醇二葡萄糖苷以及牛蒡苷等需經腸道菌群轉化為哺乳動物中的木脂素如腸二醇和腸內脂后, 才能呈現出一定的雌激素樣活性, 動物木脂素在結構上與雌二醇等內源性雌激素結構相似。因此, 可與內源性雌激素競爭性與雌激素受體(ER)結合, 抑制或結合ER, 進而產生雙相的雌激素或抗雌激素樣作用, 用于治療骨質疏松[[20-21]。
2 靶向腸道制劑 2.1 益生元治療骨質疏松根據定義, 益生元纖維具有抗吸收性, 并且通過下腸中的結腸微生物群水解和發酵。當以足夠的量摻入飲食中時, 期望的結果是它們將選擇性地刺激對宿主具有有益作用的一些細菌的生長[22]。近年來, 以腸道菌群為靶點治療骨質疏松成為熱點, 多種實驗表明補充益生元對骨質疏松癥有治療作用。益生元在各種食物中發現的化合物中含有, 例如菊苣, 大蒜, 韭菜, 香蕉, 洋蔥和麩皮中。二糖具有兩個糖單元, 例如乳果糖或乳糖醇, 它是最早與腸道微生物群體相關的益生元之一。低聚糖含有3 ~ 10個糖單位。包括短鏈低聚果糖、低聚半乳糖。較長鏈接的益生元> 10單位包括菊粉和抗性淀粉。低聚果糖均增加雌激素缺乏的卵巢切除大鼠的鈣吸收, 還可通過減少雄性衰老小鼠的全身炎癥, 改善腸道微生物群, 減少骨吸收[23]。口服甘露聚糖對大鼠牙周炎引起的牙槽骨丟失具有保護作用, 在保護腸道的同時, 可改變組織學和免疫炎性參數[24]。Tousen等[25]發現, 抗性淀粉通過改變腸道菌群的組成, 從而下調去卵巢小鼠骨髓中核因子kappa-B配體受體激活因子和IL-7受體基因的表達, 從而減輕卵巢切除引起的骨質流失。
2.2 中藥治療骨質疏松依據補充益生元能夠有效治療骨質疏松癥, 將腸道菌群作為藥物治療骨質疏松的新靶點, 對藥物產生藥效做出新闡釋。以納豆芽孢桿菌發酵大豆而得的納豆具有溶血栓、抗腫瘤、抗氧化、抗菌、預防骨質疏松癥以及調節腸功能等許多作用, 通過實驗表明納豆能夠顯著促進健康小鼠及抗生素誘導的腹瀉模型小鼠腸道中厭氧菌群的生長, 抑制好氧菌群的增殖, 有望成為一種益生元類物質應用于食品、藥品等行業中[26]。在慢性炎癥性腸病動物模型中適度提高大豆飲食, 可以降低腸道炎癥分數和結腸基因表達的TNF-α, 有效地減輕腸道炎癥、淋巴結構改變和有益地改變骨代謝。大豆素是一種在大豆中發現的主要異黃酮, 可通過腸道菌群代謝為雌馬酚, 該產物具有比大豆苷元更強的雌激素活性, 對骨骼健康產生有利影響[27]。桑樹和蒲公英水提取物可以降低大腸內厚壁菌門與擬桿菌門的比例, 腸道菌群的變化改變了能量代謝和葡萄糖代謝, 可以治療酒精性脂肪肝引起的骨質流失[28]。Jia等[29]研究小檗堿治療絕經后骨質疏松癥引發的牙周炎, 發現小檗堿通過富集產丁酸屬菌群, 提高腸道丁酸鹽濃度, 治療后腸道屏障完整性得到改善, 腸道通透性降低, 牙槽骨IL-17A+細胞減少, IL-17A相關免疫反應減弱, 明顯降低了去卵巢-牙周炎大鼠的牙槽骨丟失, 改善了骨代謝。Zhao等[30]研究發現, 墨旱蓮能夠改變細菌群落從而顯著改善骨微結構, 并且發現乳酸桿菌和乳球菌的數量與墨旱蓮的劑量呈正相關。
3 展望目前在臨床上用于治療和阻止骨質疏松癥發展的藥物分為兩大類, 第一類為抑制骨吸收藥, 包括鈣劑、維生素D及活性維生素D、降鈣素等; 第二類為促進骨性成藥, 包括氟化物、合成類固醇、甲狀旁腺激素等。讓人感到興奮的是, 近年來有大量研究表明補充益生菌也可以防止骨質疏松, 并且益生菌用藥治療骨質疏松也用于臨床治療, 這是區別于傳統防治骨質疏松的一大突破, 對于靶向腸道制劑提供了一定的理論基礎。本文在此的基礎上, 梳理了腸道菌群影響骨質疏松的可能因素, 為下一步的研究奠定基礎。
腸道菌群的研究是目前的難點和熱點, 中藥對腸道菌群的調節作用逐步被認可, 現在大部分的研究還是停留在單味藥, 而在中醫基礎理論下, 中藥經過炮制配伍能夠更好地發揮藥效, 而對于中藥復方的研究較少, 是不足所在。中藥復方治療骨質疏松的療效得到認可, 但中藥復方化學成分極其復雜, 其對骨質疏松的治療是多途徑和多靶點的, 目前對中藥復方的多靶點還有待在分子水平和基因水平進行深入的研究, 而腸道菌群作為新靶點, 為中藥治療骨質疏松提供了新的闡釋, 也能夠從腸道新靶點探尋更多藥物預防與治療骨質疏松癥。而是否所有靶向腸道制劑的中藥都能夠調節骨質疏松呢?骨質疏松究竟和哪些特殊的菌群或者菌落有密切關系, 目前研究還較少, 不能夠篩選出靶向腸道制劑治療骨質疏松的最佳中藥復方。之后, 我們需要針對如何將中藥復方中的某些最有效成分群與治療骨質疏松最有效腸道菌聯系起來, 制備出療效顯著的新劑型, 明確中藥復方如何通過腸道菌群治療骨質疏松進行深入研究。
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