肠道微生物与骨质疏松症的研究进展“骨微生物学”是一种跨学科领域学科，它将肠道微生物学和骨骼生物学串联在一起。然而，评估微生物群组成对骨代谢影响的研究较少，但两者存在潜在复杂且有趣的关系，需要进一步研究以确定微生物组可能调节骨质疏松症(OP)的具体机制。因此，本综述主要分析肠道微生物(GM)与OP之间的联系，讨论GM影响OP的机制。

GM概况

GM由居住在胃肠道的微生物群落组成，包括细菌、真菌、病毒、单细胞真核生物及其遗传成分。人类GM是由1000多种不同的微生物种类形成了一个复杂的相互作用群落。每个人体中拥有数万亿的微生物，数量远远超过天然哺乳动物细胞。而人体GM在出生不久后就已经形成，它通常是由母体产道中存在的微生物菌群定植，并且通过饮食和暴露环境，大约在3岁时就已达到稳定状态。稳定状态下的GM主要参与调节机体维生素、从饮食中提取营养和能量、调节代谢、调节先天性和适应性免疫以及保护免受病原生物的侵害等生物过程。但也有研究表明，GM还可参与调节机体肠道生理、营养生产和吸收、宿主生长、能量平衡、代谢功能、免疫系统功能、大脑行为系统和炎症等过程。

此外，GM在人体免疫系统监测下相互依赖、相互竞争、相互作用进入动态平衡，虽然GM相对稳定，但它可以通过长时间的持续刺激或在肠道菌群中产生大扰动的因素而改变，包括宿主遗传、衰老、饮食、环境、宿主免疫、生理状态和长期口服抗生素等。已发现GM组成的差异与几种复杂的人类疾病的发病机制有关，包括肥胖症、肠易激综合征、糖尿病、结直肠癌、帕金森病、短暂性脑缺血发作和类风湿关节炎等有一定的联系。

OP概况

OP是一种全球性健康危机，主要发生在全球老龄化人口中。OP的发病机制涉及多种因素，包括骨骼生长过程中骨量获得不良、身体活动受限、营养不良、类固醇激素水平和遗传背景的改变等。此外，骨质减少可能继发于其它疾病，如炎症性疾病(炎症性肠病)。OP的特征是骨质流失和骨结构退化，导致正常活动期间骨折风险增加。低骨密度是OP的主要指标，而骨折是OP的主要临床问题。

GM对OP机制的影响

近年来，GM与骨骼之间的跨学科作用越来越受到骨骼生物学领域的关注，GM已成为对骨骼数量、质量和整体骨骼强度产生深远影响的因素之一。两者直接研究相对较少，但有很多间接的证据表明微生物组对骨重塑和骨量有很大影响，例如GM多样性随年龄变化而变化，并且与老年人虚弱的临床指标呈负相关。此外骨矿物质密度(BMD)与肠道细菌过度生长有关，在一项前瞻性队列研究中，DiStefano等发现腰椎和股骨颈部位的骨质流失与肠道细菌过度生长有关，表明肠道菌群过度生长可能是骨质减少/OP的重要危险因素。笔者将GM与OP的联系机制进行了分类：(1)GM对营养吸收和肠黏膜屏障的影响；(2)GM对免疫系统的影响；(3)GM对肠-脑轴的影响；(4)GM排泄副产物的影响。

GM对营养吸收和肠黏膜屏障的影响：GM对营养吸收的主要影响是通过调节肠道内壁的炎症。GM可以刺激肠道内皮细胞的炎症反应，从而导致过度炎症阻碍关键营养素的吸收。在种类繁多的GM中，许多可以影响机体营养吸收的过程，例如肠道中罗伊氏乳杆菌和双歧杆菌的浓度升高可以促进矿物质(钙、镁和磷酸盐)的吸收来增加BMD。研究表明，GM的组成可以影响肠道的pH值，从而影响营养吸收，尤其是对骨质生长重要的钙的吸收。还有研究表明，GM有助于将大分子物质分解成更容易吸收的小分子物质，这也是骨骼健康和人体新陈代谢的重要特征。此外，GM在维生素B和维生素K的合成以及胆汁酸的代谢中发挥着重要作用。维生素B/维生素K可能对骨生物学和骨基质有直接或间接的影响，维生素K通过刺激成骨细胞上的外源性受体可以影响骨重塑和骨矿化过程，并且维生素K是包括骨钙素等蛋白质功能化所必需的，骨钙素是骨基质中最丰富的非胶原蛋白，而骨基质中缺乏与基质结合的骨钙素会使组织更脆、更易骨折。另有研究表明，各种胆汁酸可能在控制钙吸收方面发挥关键作用。例如，已经证明熊去氧胆酸可促进钙吸收，而脱氧胆酸抑制钙吸收。

营养吸收也可能受到宿主饮食的影响，这反过来又会影响GM的组成。碳水化合物和其它营养物质的摄入为肠道细菌的生存提供能量；然而，饮食的组成可能对微生物群落产生重要影响。高热量饮食会降低拟杆菌门/厚壁菌门的比例，这会导致宿主的代谢紊乱。相比之下，低热量饮食会增加肠道中有害物质的浓度，这也可能对宿主健康产生负面影响。尽管充足的蛋白质摄入为骨骼生长提供了必要的元素，但饮食中过量的蛋白质也可能导致肠道中的毒素水平升高，例如硫化氢和甲烷。肠道细菌过度生长也与吸收不良有关，这会影响骨骼过程中必需元素的代谢，例如钙、碳水化合物、维生素B和维生素K，因此吸收不良是骨相关疾病的重要危险因素，然而有学者研究细菌过度生长个体中的血清钙离子和1,25-二羟基维生素D3水平均处于正常水平，这表明OP/骨质减少很可能是由几种不同的机制介导的。饮食摄入会导致GM发生重要改变，从而影响骨骼代谢过程，因此保持均衡饮食和适当的碳水化合物/蛋白质比例至关重要。

GM和肠黏膜屏障之间的关系复杂，共同发育、共同作用以抵触外来病原体，除了常驻GM，食用的食物包含许多外来病原体/毒素。肠道内有多重防御屏障，最重要的屏障之一是单层紧密排列的肠上皮细胞(IEC)，是将外部环境与身体内部“无菌”器官隔开的物理屏障。在炎症性疾病状态下，肠道屏障会受损，肠道通透性增加，机体易受到外来颗粒或GM的影响，从而加剧炎症，即发生“漏肠”。有研究表明GM的多样性也会影响肠道屏障的完整性和炎症，而肠道通透性的任何变化都可能对肠道上皮产生的破骨细胞(OC)的水平及BMD产生影响。另有研究表明GM组成的变化会导致肠道通透性增加，这可能导致代谢紊乱，肠黏膜屏障功能障碍可能导致血清脂多糖(LPS)水平升高，进而增加膜通透性，导致代谢性内毒素血症，而LPS在体外可促进OC的存活。随着近些年研究，恢复或平衡GM已成为预防肠道通透性增加和抑制炎症的有吸引力的治疗途径。

GM对免疫系统的影响：肠道菌群释放的代谢物以及微生物与免疫细胞之间的直接接触会在肠道内皮屏障处刺激免疫系统。肠道菌群和免疫系统之间的作用是相互的，免疫系统调节微生物共生和定位，共生菌群的相互作用又对免疫系统的发育和功能至关重要，例如T细胞和树突状细胞等免疫细胞与肠道内壁的微生物菌群相互作用并迁移到淋巴结以激活促炎或免疫反应，这些细胞还可以将可溶性促炎或介质或细胞因子释放到机体循环中，并通过这种机制调节全身骨重塑。激活的免疫细胞可以迁移到骨组织，通过释放产物直接调节骨重塑，包括有效的OC诱导因子、NF-κB配体(RANKL)受体激活剂或其它骨活性分子。研究发现无菌小鼠的促炎细胞因子TNF-α(tumornecrosisfactor)和IL-6(interleukin-6)的表达降低，而TNF-α可刺激NF-κB配体信号通路的受体激活剂，这可能促进骨丢失，并抑制间充质干细胞分化为成骨细胞，抑制骨形成。同样的研究表明，肠道炎症和卵巢切除术(OVX)，骨髓炎症均会导致骨质流失，由于增加的活化T细胞水平导致骨髓中TNF-α的表达增加，而TNF-α刺激OC生成，从而破坏骨形成和骨吸收的正常平衡。当然肠道稳态失调导致炎症免疫表型发生变化，产生IL-17增加，而IL-17的增加通过刺激OC的分化来促进骨降解。另有研究表明，间充质基质细胞(MSCs)上病原体相关分子模式的Toll样受体4(TLR4)的激活通过Wnt3a和Wnt5a信号转导促进成骨细胞的分化，相反的，当成骨细胞受到脂多糖刺激时，可以促进OC的分化和骨降解。此外，细菌衍生的短链脂肪酸是众所周知的免疫细胞调节剂，短链脂肪酸通过碳水化合物在结肠中的细菌发酵合成的，在结肠中可作为结肠上皮细胞的能量来源，也可促进调节性T细胞的诱导和活性，从而抑制免疫细胞反应。

GM还可以通过将微生物相关分子模式(MAMP)引入体循环来影响远处器官。MAMP是指如脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白和由细菌分泌的或在细胞死亡后保留的无细胞的DNA物质，可以转运穿过肠道内皮屏障并进入体循环。一旦分布到骨骼等远程器官，MAMP可以激活先天性或适应性免疫反应，从而产生局部炎症。有研究表明在骨骼中MAMP通过刺激骨细胞上的先天免疫受体：包括TLR2、TLR4和TLR5对骨骼重塑产生直接影响。除了MAMP的易位外，活细菌也可以通过细菌易位的过程穿过肠道内皮屏障，骨科植入物感染表明细菌可能通过循环系统传播到骨骼，但尚不清楚易位的细菌是否能够迁移到远处器官。GM为宿主免疫系统提供定期刺激。GM与宿主树突状细胞和其它免疫细胞不断接触触发先天性和适应性免疫反应，从而导致促炎和抗炎细胞因子的释放，并刺激其它常驻免疫细胞群。在肠道内层受到刺激的免疫细胞群可能会迁移到骨骼中，从而影响骨骼重塑，例如在肠道内壁激活的调节性T细胞可以迁移到骨髓，并对骨内膜和小梁包膜中的骨重塑产生影响。此外改变GM与宿主之间相互作用的药物也有可能影响骨质流失和OP。

GM对肠-脑轴的影响：近年来，人们发现肠道菌群可能通过调节激素和神经递质如血清素(5-HT)的合成对神经系统产生重要影响。5-HT信号转导系统被认为是调节骨骼发育和维持的重要因素。Bliziotes等报道成骨细胞和骨细胞都含有5-HT受体，并且5-HT水平升高与小鼠骨量减少有关。在小鼠中，增强的交感神经张力在瘦素的调节下促进成骨细胞的增殖，抑制小鼠OC的增殖和分化，脂肪细胞释放瘦素会降低脑干核中产生5-HT的神经元的合成和兴奋性，从而抑制中枢5-HT对骨量的积极作用。另一项研究发现，用合成的分子抑制剂降低5-HT水平能够防止小鼠卵巢切除引起的骨质流失。此外，Sjögren等表明无菌小鼠降低了5-HT水平并增加了骨小梁体积/组织体积。因此，肠道菌群可能通过肠-脑轴5-HT调节骨量，可利用GM临床诊断和治疗OP，为OP的治疗提供新思路。

GM排泄副产物的影响：GM排泄副产物不仅有助于营养物质的消化和吸收，而且在调节BMD方面也有自己的潜在功能。例如，GM产生的一些短链脂肪酸(如丁酸盐)通过影响Runx和骨保护素信号通路在骨形成和骨矿化中发挥重要作用。此外，丁酸盐通过抑制核因子κB配体信号通路的受体激活剂来减少OC生成。有研究表明GM可能会影响肠道衍生的雌激素，例如类黄酮和己烯雌酚。雌激素水平的降低是导致绝经后OP风险的主要因素，因此，GM可能通过改变非卵巢雌激素水平来影响骨骼健康的调节。

其它研究发现，短链脂肪酸也可能通过显著影响与骨代谢相关的宿主内分泌因子的功能来间接影响BMD，例如肽YY和胰高血糖素样肽1。肽YY是内分泌L细胞分泌的一种胃肠激素，已被证明与绝经前妇女的全身和髋部BMD呈负相关。胰高血糖素样肽1是一种由内分泌L细胞分泌的氨基酸激素，已显示通过改变成骨细胞和从骨间充质干细胞分化的脂肪细胞之间的平衡来调节骨代谢。

小结与展望

人类GM在调节重要的生物过程和许多复杂疾病的机制中发挥着关键作用，与骨骼之间的跨学科作用越来越受到骨骼生物学领域的关注，笔者详述了肠道菌群对人类OP风险潜在影响及机制。当然，GM与骨骼之间研究还有很大挑战，首先还需比较健康个体与有和没有骨折的OP受试者的GM组成，这些研究可能揭示是否存在导致骨质流失和骨折易感性的微生物群改变，以及微生物群测序是否可用作OP的新生物标志物；此外在过去几年研究中，GM与骨骼健康之间有许多联系，但大多数关键数据已在实验动物中获得，还需要在患者体内进行确认。特别是仍有待进行前瞻性临床试验，以确定益生元和益生菌在预防与年龄和更年期相关的骨质流失以及增加成长中儿童和成人骨量方面的功效。