肠道益生菌对骨质疏松症影响及其机制的研究进展

　　摘 要: 益生菌对改善和维持肠道菌群的平衡，促进宿主体机体健康起着重要的作用。近年来，肠道菌群对骨骼健康特别是对骨质疏松症的影响的研究逐渐深入。结果显示，益生菌被证实为对骨质疏松症具有潜在的预防和治疗效果。本文综述了有关益生菌对卵巢切除小鼠因雌激素缺乏而引起的骨质疏松症的影响及其机制。雌激素缺乏引起的骨质疏松症具有肠道菌群的依赖性并被益生菌所预防。

　　关键词: 益生菌; 肠道菌群; 骨质疏松症; 雌激素

　　骨质疏松症是一种以骨丢失和结构破坏为特征的流行性代谢性骨病[1]，容易导致骨折和残疾。其受多种遗传因素和环境因素的影响，例如: 基因、饮食、卫生、抗生素的使用等。随着人口老龄化日趋严重，骨质疏松症的发病率已跃居世界各种常见病的第 7 位，成为全球性公共卫生问题[2]。在骨质疏松症发病人群中，以绝经后妇女居多。绝经后妇女由于雌激素缺乏，增加了其患骨质疏松症的风险。绝经后骨质疏松症( PMO) 不仅发病率高，而且并发症严重，一直是预防和治疗的重点。

　　近年来的研究表明，肠道菌群与机体的骨骼健康密切相关[3]。肠道菌群是定植于人和动物胃肠道内种类和数量繁多的微生物。通常，其与宿主、外界环境形成一个动态平衡，与宿主的生长发育、物质代谢、衰老等有密切关系[4]。肠道菌群被认为是一种虚拟的“内分泌器官”，因为它影响着宿主激素水平，并且因为一些细菌可以产生和分泌荷尔蒙，包括血清素和多巴胺; 激素如性类固醇，血清素等，其可能通过影响激素水平来调节骨骼重塑[5]。特别是，对于绝经后骨质疏松症的治疗，肠道菌群尤其是肠道益生菌被证实为是一种具有潜力的治疗策略[6]。

　　肠道益生菌属于肠道菌群，它可通过抑制肠道内有害菌生长、促进有益菌增殖等来改善或维持肠道菌群的平衡，促进宿主机体健康，其在治疗结肠炎[7]、呼吸道感染[8]、湿疹[9]和急性移植性抗宿主病[10]等方面都有应用。

　　LI 等人[6]指出雌激素缺乏引起的骨质疏松症具有肠道菌群依赖性，并被益生菌所预防。已有的文献表明，其主要机制表现在以下四个方面。

　　1 肠道菌群多样性受到雌激素和益生菌的调节

　　在健康状态和足够的雌激素水平条件下，肠道菌群中有益细菌占优势并阻碍致病菌的生长，从而保持肠道菌群组成的稳定性。在绝经后妇女中，缺乏雌激素会改变肠道菌群的组成和结构，导致微生物多样性下降。如 WANG 等人[11]通过进行 16S 核糖体 RNA 测序以分析原发性骨质疏松症( OP) ( 包括 MPO) 患 者，骨 量 减 少 ( ON) 患 者 和 正 常 对 照 ( NC) 中的肠道微生物多样性发现，OP 组与 NC 组比较，肠道细菌的组分结构和多样性改变，OP 样品中厚壁菌门比例和拟杆菌比例与 NC 组存在显著差异。FUHRMAN 等人[12]在对男性和绝经后女性的临床调查显示粪便中的生物多样性与尿液中雌激素的水平之间存在显着相关性。

　　益生菌用于治疗 PMO 时，可以改善肠道菌群结构并恢复生物多样性[13]。益生菌通过合成细胞外化合物来阻止病原体生长并增加肠道微生物多样性。例如罗伊氏乳杆菌通过产生一种抗生素化合物———罗伊氏菌素增加了小鼠粪便中的微生物多样性。这种抗生素通过诱导蛋白质或小分子上硫醇的修饰来促进细胞中的氧化应激，进而抑制病原菌如拟杆菌的生长，同时增加梭菌物种的存在[14]。除罗伊氏乳杆菌外，尚未证实其他益生菌对于 PMO 具有相似的作用。

　　2 肠道上皮屏障功能受到雌激素和益生菌的调节

　　肠道上皮细胞( IECs) 是维持宿主先天和适应性肠道黏膜免疫系统的重要“哨兵”[15]，肠上皮细胞组成的肠道上皮屏障是宿主防御病原菌入侵或者致炎性物质刺激的第 1 道防线，其通过产生大量细胞因子和趋化因子使分散在其周围的免疫细胞发挥免疫作用。肠道上皮细胞通过适应机制来限制细菌的生长，减少与细菌的直接接触以及防止细菌进入黏膜下层组织来预防自身产生过度的炎症反应。破坏这层细胞屏障会导致机体对微生物菌群的免疫耐受能力下降[16]。此外，由杯状细胞产生的粘液层覆盖在上皮细胞的表面，并防止肠道细菌和病原体接近宿主上皮细胞。肠道还分泌有助于维持健康环境的免疫球蛋白，防御素和其他物质[17]。

　　跨细胞途径和细胞旁路途径决定了上皮细胞屏障功能。基本的细胞旁途径结构是紧密连接( tight junction，TJ) ，其完整性和选择通透性对肠上皮屏障功能至关重要。TJs 是一种蛋白质复合物，由 claudin，occludin 和 zonula occludens ( ZO) 蛋白组成，离子和小分子能够被选择通过。TJ 渗透性可以由跨上皮电阻( TER) 表示。较高的 TER 通常表示渗透性较低。生理和病理刺激均可影响 TJ 蛋白的产生和分布，从而调节肠上皮渗透性。TJ 蛋白主要受蛋白激酶 A( PKA) ，蛋白激酶 C( PKC) ，蛋白激酶 G ( PKG) ，丝 氨 酸/苏 氨 酸 ( 丝 氨 酸/苏 氨 酸) 激 酶，Rho，丝裂原活化蛋白激酶 ( MAPK) 等 磷 酸 化 调节[18]。足够的雌激素水平通过肠上皮上的雌激素受体激活 GTP 结合蛋白 Ras 和细胞质中存在的一系列激酶( Raf，MEK1 / 2 和 ERK1 / 2) 使肠上皮屏障 TER 增加并且可以防止病原体侵入。雌激素缺乏削弱了上述雌激素相关通路的作用，导致肠上皮通透性增加[19]。来自肠道病原体的抗原引发整个上皮屏障的炎性级联反应，导致产生促炎细胞因子如肿瘤坏死因子-α( TNF-α) 和干扰素-γ( IFN-γ) 。 TNF-α 和 IFN-γ 继续通过相关通路下调 TJ 蛋白并进一步损害肠上皮屏障。因此，雌激素缺乏促进肠道病原体的侵入并激发免疫反应，最终导致 PMO 中破骨细胞性骨吸收和持续性骨质流失增加。与该结果相一致的是，COLLINS 等人[20]在其实验中发现实施卵巢切除术 1 周后的小鼠就显示出肠通透性增加，雌激素减少; 肠道离体后使用小室分析表明，回肠发生变化，并且发现雌激素缺乏诱导肠道通透性具有区域特异性作用。

　　已有证据表明，益生菌可以增强上皮屏障功能[21]，其可以通过诱导 TJ 相关基因表达的变化来调节 TJ 蛋白的产生和分布，并降低肠上皮渗透性，从而治疗 PMO。体外实验已经证实，植物乳杆菌可以以剂量依赖性方式促进 Caco-2 人结肠腺癌细胞系中 claudin-1，occludin 和 ZO-1 蛋白的产生和重排[21]。益生菌混合物 VSL#3 也促进 occludin，ZO-1 和 claudin-1 蛋白在急性结肠炎小鼠模型中的表达[22]。另外益生菌鼠李糖乳杆菌 GG( LGG) 能够降低肠道通透性，并完全防止雌激素缺乏导致的骨质流失[6]。总之，这些数据突出了肠道上皮屏障和益生菌在由雌激素缺乏引起的骨质流失中的作用。

　　3 肠道菌群的免疫应答受雌激素和益生菌的调节

　　肠道免疫系统是体内最大的免疫系统之一，它的独特定位不仅是饮食成分，还有肠道菌群和病原体。免疫系统是肠道病原体入侵的最终屏障，也是 PMO 治疗的关键目标。骨骼的重建是通过具有骨形成功能的成骨细胞与具有骨吸收功能的破骨细胞完成的[23]。破骨细胞生成增加的主要驱动因素是免疫因子核因子-κB 受体( RANKL) 和肿瘤坏死因子 ( TNF) 的产生增强。就人体而言，雌激素缺乏与表达 RANKL 和 TNF 的 T 细胞和 B 细胞的扩增相关[24]。有报道显示，绝经会增加这两种免疫因子的水平[25]。事实上，TNF 在小鼠卵巢缺失诱导的骨质流失中的作用已经在多种模型中得到证实，其中 TNF 刺激骨吸收的关键机制被确定为导致 RANKL 活性的增强并诱导 Th17 细胞。Th17 细胞是由产生 IL-17 的能力所定义的破骨细胞形成的 CD4 + 细胞群[26]。Th17 细胞通过分泌 IL-17A，RANKL，TNF， IL-1 和 IL-6 以及低水平的 IFNγ 有效地诱导破骨细胞生成。IL-17A 刺激包括骨细胞在内的所有成骨细胞 释 放 RANKL，并 通 过 上 调 RANKL 来 增 加RANKL 的破骨细胞活性[27]。

　　当用于 PMO 治疗时，益生菌通过调节对肠道微生物的免疫应答来抑制骨吸收[28]。益生菌一般以分泌小分子的方式调节宿主免疫应答，比如说: 短链脂肪 酸 ( SCFAs) 、组 胺 等[29]。SCFA 受 体 含 有 GPR41 和 GPR43，后者主要存在于免疫细胞如嗜中性粒 细 胞 和 单 核 细 胞 中。SCFAs 特 别 是 丁 酸 与 GPR43 相互作用以降低单核细胞趋化蛋白 1( MCP- 1) 和 脂 多 糖( LPS) 诱导的细胞因子如 TNF-α 和 IFN-γ，从而防止破骨细胞生成增加[30]。

　　4 肠道菌群产生对骨代谢具有调节作用的雌激素样代谢物

　　雌激素在促进骨生成中起主要作用。雌激素的作用不仅限于破骨细胞活性和寿命的直接抑制，促进成骨细胞的分化，或减少成熟成骨细胞凋亡以促进成骨作用。它还能抑制骨髓前体细胞的成骨细胞和破骨细胞的形成，从而防止骨重建和调节骨转换[31]。由于卵巢切除术或绝经后不存在雌激素，雌激素缺乏的妇女表现出加速的骨丢失和骨结构受损。激素替代疗法( HRT) ，包括补充雌激素和孕激素，已应用于患有 PMO 的绝经后妇女，并取得了良好的效果。除此之外，肠道微生物群可能充当另一种“内分泌器官”并且通过利用外源性营养素产生更多雌激素物质而发挥雌激素的作用。

　　有研究表明，主要存在于大豆等天然食物中的植物雌激素是具有类似于人体内在雌激素结构和生物活性的外源性营养素。由植物雌激素产生的各种代谢产物，包括雌马酚，尿石素和木酚素等，它们的生物利用度均高于雌激素。又如异黄酮，鞣花丹宁和木脂素，它们的前体生物活性更强[32]。雌马酚在 PMO 的骨代谢中表现出很好的雌激素生物活性或作用。雌马酚主要与雌激素受体( ER) 结合，从而抑制骨吸收，促进骨形成，改善 PMO 患者的骨生物力学和微观结构特性[33]，然而，膳食植物雌激素产生的雌马酚主要取决于肠道微生物组成以及植物雌激素代谢和饮食成分之间潜在的相关性[34]。目前，关键的产雌马酚的肠道细菌尚未确定。大多数研究通过粪便样本的培养或序列分析来靶向潜在的产雌马酚的细菌。两种真杆菌菌株被认为是猪粪中最有可能产生雌马酚的细菌[35]。从健康人粪便中分离出来的另一种肠道细菌 Slackia TM-30 也是一种杆状革兰氏阳性厌氧菌，也证明它与雌马酚的产生密切相关[36]。总的来说，补充植物雌激素对 PMO 的有益作用主要取决于个体代谢，包括合适的肠道菌群和膳食组成。

　　5 展望

　　PMO 中的骨吸收是雌激素水平，肠道菌群和宿主免疫系统之间相互作用的结果。当雌激素水平不足时，肠道菌群中微生物多样性减少，肠道上皮屏障减弱，宿主免疫反应异常，而益生菌的加入能够改变上述情况，纠正 PMO; 同时肠道菌群可能促进雌激素样代谢产物的潜在生成，从而防止骨吸收。因此，肠道菌群是 PMO 发病机制中的关键因素，也将成为治疗 PMO 的新靶点。肠道益生菌的应用可能是当前疗法最有前途的策略。然而，目前关于益生菌治疗 PMO 的研究也只限于动物，要应用于临床，还需要面临更多的挑战。

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