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双歧杆菌调控骨质疏松症作用机制研究进展

2024-06-13 138 上传者：管理员

摘要：肠道菌群作为人体内最重要的微生物群落，可参与调控多种生理病理过程。其中双歧杆菌作为肠道中的主要益生菌之一，在维持人体健康中发挥重要作用，随着对其研究不断深入，发现双歧杆菌与骨代谢平衡密切相关，进而影响骨质疏松症发生发展。笔者检索国内外相关文献对双歧杆菌及其代谢产物通过调控M1/M2巨噬细胞极化、“Breg-Treg-Th17”细胞轴、肠道炎症、维生素D吸收以及骨形态发生蛋白-2、富含半胱氨酸型酸性蛋白等相关基因表达维持骨代谢平衡进行综述，旨在为进一步研究骨质疏松症提供参考和依据。

关键词：
双歧杆菌
肠道菌群
骨代谢
骨质疏松
骨骼疾病
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骨质疏松症(osteoporosis, OP)作为临床上常见的骨骼疾病，以骨量低、骨组织微结构改变为特征[1],并伴有骨折风险增加，是仅次于缺血性心脏病、痴呆和肺癌的第四大最严重的慢性疾病[2]。由于人口结构变化，截至目前全球OP患者已超过2亿人，给世界各地的医疗保健带来巨大社会经济负担[3]。目前应用于临床的抗OP药物疗效尚可，但其副作用不容忽视。随着对肠道菌群研究的不断深入，发现肠道益生菌与骨代谢平衡密切相关[4]。基于此，笔者梳理国内外相关文献，以双歧杆菌为切入点，主要围绕其通过调控M1/M2巨噬细胞极化、“Breg-Treg-Th17”细胞轴、肠道炎症、维生素D吸收以及骨形态发生蛋白-2、富含半胱氨酸型酸性蛋白等相关基因表达等多个途径防治OP展开综述。

1、双歧杆菌概述

双歧杆菌属放线菌门，最初由法国儿科医生Tissier从健康母乳喂养婴儿的粪便中分离出来，并因其末端通常分叉而命名为双歧杆菌[5]。双歧杆菌是被研究最为广泛的多功能益生菌之一[6]。它是一种革兰氏阳性的厌氧细菌，是最早在人类胃肠道中定植并调节整个肠道微生物多样性的益生菌[7]。

2、双歧杆菌调控相关免疫细胞与OP

“免疫-骨质疏松症”是一个新兴研究领域，旨在阐明免疫系统在OP中的作用机制[8]。近年来随着研究不断深入，“肠-免疫-骨”轴的概念被提出，并受到全世界范围内相关学者的广泛关注[9]。各项研究表明，通过使用以双歧杆菌为代表的益生菌改善肠道微生物组成进而介导免疫系统是防治OP的重要途径。

2.1双歧杆菌调控巨噬细胞与OP

巨噬细胞来源于单核细胞谱系，在不同的免疫微环境中形成促炎表型(M1)和抗炎表型(M2),可通过调控二者的动态转换来维持骨代谢平衡[10]。先前研究表明，M1巨噬细胞可被脂多糖(LPS)单独或伴随T-辅助性1(Th1)细胞因子如干扰素-γ(IFN-γ)等极化，通过产生过高水平的活性氧(ROS)和白细胞介素-1β(IL-1β)、IL-6、IL-12、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)等促炎因子刺激破骨细胞前体细胞形成破骨细胞，促进骨吸收[11]。而M2型巨噬细胞可在辅助T细胞-2(Th2)细胞因子的刺激下分泌IL-10和TGF-β等抗炎细胞因子，抑制核因子-κB受体活化因子配体(RANKL)和TNF-α表达，进而抑制破骨细胞形成，并通过刺激间充质干细胞(MSCs)和前体成骨细胞分化为成熟成骨细胞来促进骨形成及骨矿化[12]。此外，M2巨噬细胞还具有较高的血管生成潜能，可间接促进骨形成[13]。因此，调控巨噬细胞M1/M2极化平衡决定了OP的发展方向。

研究表明，信号换能器和转录激活因子1(STAT1)和STAT6分别是M1、M2巨噬细胞的必需蛋白，共同参与免疫系统调节[14]。Zhang等[15]研究发现双歧杆菌可通过降低ROS水平逆转D-gal对巨噬细胞M1极化的诱导作用，同时上调M2巨噬细胞极化标志物IL-10和Arg-1等的表达水平，并随着双歧杆菌处理时间的延长，p-STAT1表达量逐渐降低，p-STAT6表达量逐渐升高。表明双歧杆菌可通过“肠-免疫-骨”轴抑制M1型巨噬细胞极化、促进M2型巨噬细胞极化，进而维持免疫稳态、调节骨代谢平衡，发挥改善OP的潜能。

2.2双歧杆菌调控“Breg-Treg-Th17”细胞轴与OP

研究发现具有免疫调节潜能的调节性B细胞(Breg)与类风湿性关节炎(RA)、系统性红斑狼疮(SLE)等多种免疫性疾病相关，其主要通过分泌可溶性细胞因子(IL-10)或表达膜结合表面分子(TGF-β)来发挥调节功能[16]。先前研究表明，IL-10是一种抗破骨细胞因子，可通过抑制破骨细胞生成来维持骨骼健康[17]。Sapra等[18]体外研究发现绝经后骨质疏松大鼠模型中IL-10水平降低与静息状态下的Breg有关，Breg被刺激后以剂量依赖的方式通过分泌IL-10抑制RANKL诱导的单核/巨噬细胞向破骨细胞分化和破骨细胞中f-肌动蛋白环(成熟破骨细胞的重要特征表型，主要调控其骨吸收功能)形成，抑制大鼠骨质流失。

辅助性T细胞(Th17)和调节性T细胞(Treg)是近年来研究较多的两个T细胞亚群，最新研究表明二者的相互转化、相互对抗、相互影响不仅可调控免疫系统，同时与骨代谢密切相关[19]。Th17细胞可以诱导TNF-α、IL-1和IL-6等炎症因子释放，进而激活NF-κB信号通路，促进RANKL与RANK结合，上调RANKL/OPG比值，破骨细胞增殖与活化增强，负向调控骨稳态[20]。Treg细胞主要通过直接接触和细胞因子依赖机制抑制破骨细胞形成，CTLA-4(细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4)在Treg细胞中高表达，可与破骨细胞前体结合，并以剂量依赖的方式抑制破骨细胞形成，Treg分泌的IL-10、IL-35可分别抑制T细胞增殖，下调RANKL和M-CSF的水平；还可减少IL-17的产生，共同抑制破骨细胞成熟[21]。因此，调节Th17/Treg平衡与OP发生发展密切相关。

Leena等[22]研究发现双歧杆菌可显著提高CD19+CD1dhiCD5+在Breg脾脏内B淋巴细胞所占的百分比，并提高其抗骨吸收活性，同时通过分泌IL-10、IL-35和TGF-β等细胞因子的方式促进未致敏性T细胞分化为CD4+Foxp3+Tregs,抑制CD4+Rorγt+IL-17+Th17的生成，降低TNF-α,IL-6和IL-17等炎性因子的表达。表明双歧杆菌可通过上调Bregs增殖分化的方式促进Treg抗炎和抑制Th17促炎，进而正向调控Th17/Treg平衡，改善绝经后骨质疏松小鼠破骨细胞所介导的过度骨吸收作用，同时显著增强骨密度、骨强度和改善骨骼微结构。综上，双歧杆菌可通过参与调控“Breg-Treg-Th17”细胞轴的途径抑制雌激素水平下降所致的骨吸收，为进一步治疗和管理绝经后骨质疏松症的骨质流失提供新靶点。

综上，双歧杆菌通过调控免疫系统中M1/M2巨噬细胞极化平衡、“Breg-Treg-Th17”细胞轴动态稳定等多个途径共同构建“肠-免疫-骨”轴，进而为改善骨骼健康发挥效能。

3、双歧杆菌调控肠道炎症与OP

研究发现在肠道炎症环境中，免疫系统和肠道微生物群功能被严重破坏[23],导致Th17产生大量炎性因子，诱导破骨细胞生成过多、骨吸收增强，骨质流失明显[24]。此外，还可引起肠道菌群组成失衡、特定短链脂肪酸分泌方式改变以及肠道pH值变化，进而导致小肠上皮内的钙离子通道以及钙主动吸收入血机制障碍[25],延缓钙离子吸收，加速OP进程。

Lan等[26]研究发现双歧杆菌可通过抑制炎症性肠病大鼠肠道中IL-1β、IL-6、IL-17以及TNF-α等促炎细胞因子的释放，下调RAP5和OCN等骨代谢指标水平，抑制骨吸收，维持骨稳态，调节肠道菌群组成并增加其物种丰富度，同时上调Claudin-1、MUC2、ZO-1和Occludin蛋白水平，改善肠粘膜屏障完整性及通透性，缓解肠道炎症、促进钙离子吸收、抑制破骨细胞介导的骨吸收、加强骨形成、改善骨小梁微结构变化和骨质流失，延缓OP进程。

4、双歧杆菌调控维生素D与OP

研究发现体内维生素D减少可引起钙离子吸收障碍和甲状旁腺激素浓度升高，导致钙离子过多释放到血液循环中，引起骨形成原料不足，骨微结构改变，OP程度加重[27]。维生素D在体内主要以维生素D3(胆钙化醇)的形式存在，在肝脏中由维生素D25-羟化酶羟基化，进而生成25(OH)D3。因此，25(OH)D3的血清浓度通常被准确反映体内维生素D的水平[28]。

Cheng等[29]研究发现老年性骨质疏松症(SOP)与OP相比25(OH)D3血清浓度低，可能与二者肠道菌群组成差异所导致维生素D在肠道中吸收不良有关。Deng等人发现双歧杆菌与乳杆菌均能影响膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收，当补充双歧杆菌和乳杆菌时，SOP患者25(OH)D3的血清浓度升高，但双歧杆菌组经肠道补充维生素D后25(OH)D3的血清浓度明显高于乳杆菌组。表明，双歧杆菌与乳杆菌均能促进维生素D在肠道内的吸收，但双歧杆菌效果更佳。综上，双歧杆菌可通过调控肠道微生物组成的方式提高SOP患者维生素D在肠道内的吸收，进而影响钙离子代谢，为骨形成提供充足原料，改善SOP患者骨形成不足。

5、双歧杆菌调控相关基因与OP

骨形态发生蛋白-2(BMP-2)是一种影响成骨细胞增殖、分化的重要基因，尤其在早期胚胎的骨骼发育过程中发挥重要作用，还可诱导MSCs定向分化为成骨细胞，促进成骨细胞成熟，调控骨代谢平衡，进而达到防治OP的目的[30]。另一方面，BMP-2还可促进骨再生和修复，促进骨折愈合[31]。

富含半胱氨酸型酸性蛋白(SPARC)在骨代谢过程中可由成骨细胞分泌，同时还是骨中胶原钙化所必需的细胞外骨基质中的一种非胶原蛋白[32]。最近研究发现SPARC可通过参与组织重塑、修复发育和骨矿化等多条途径来调控骨代谢平衡[33]。

Kolsoom等[34]研究发现双歧杆菌可改善OP大鼠肠道的微生物组成，上调BMP-2、SPARC等成骨相关基因表达，提高血清中骨钙素(SOC)和成骨细胞水平来促进骨形成，降低血清Ⅰ型胶原交联C-末端肽(CTX)和破骨细胞水平抑制骨吸收，同时还改变了大鼠股骨的微观结构，并提高骨密度。表明双歧杆菌可通过上调BMP-2、SPARC等成骨相关基因的表达水平并抑制骨吸收发挥抗OP的作用。

6、双歧杆菌代谢物与OP

研究发现双歧杆菌调控OP发生发展与其在肠道中所分泌的代谢产物密不可分。双歧杆菌可通过产生短链脂肪酸[35]、雌马酚、胞外多糖等多种物质影响破骨细胞形成，抑制骨吸收，调控骨稳态[36]。

6.1短链脂肪酸与OP

双歧杆菌在膳食纤维发酵过程中可产生乙酸、果糖和乳酸，可统称为短链脂肪酸[37]。研究表明，短链脂肪酸不仅直接影响TNF-α/NF-κB炎症通路，还可以通过促进Treg的分泌，增加肠道紧密连接蛋白的表达，维持肠道上皮细胞通透性，维护肠道粘膜屏障，改善TNF-α/NF-κB介导的炎症反应，影响破骨细胞形成，抑制骨吸收[38]。此外，有报道称短链脂肪酸还可通过刺激人成骨细胞产生更多的OPG,调控RANKL/RANK/OPG信号通路促进骨形成[39]。

6.2雌马酚与OP

雌马酚是一种具有雌激素活性并可与雌激素受体结合，同时对骨代谢失衡有治疗作用的多酚化合物[40]。研究发现雌马酚以剂量依赖的方式可降低M1巨噬细胞中TNF-α的产生和TNF-αmRNA的表达[41]。此外，雌马酚还可抑制NF-κB通路的激活来显著降低NF-κB P65蛋白的表达[42]。Subedi等[43]人发现，用雌马酚可显著降低促进破骨细胞形成的经典因子IL-6的水平，抑制破骨细胞形成，纠正骨代谢失衡。综上，雌马酚主要通过下调促炎因子表达，抑制破骨细胞活性与增殖，纠正过度骨吸收所致的骨代谢失衡来防治OP。

6.3胞外多糖与OP

胞外多糖是一种由双歧杆菌分泌的长多糖链，松散地与微生物细胞壁相连[44]。研究发现胞外多糖对炎症反应有双向调节作用。大分子量和中性电荷胞外多糖通过阻止促炎因子的释放来发挥其免疫抑制作用，而具有小分子量和负电荷的胞外多糖可以通过促炎性因子IL-10、IL-12和TNF-α等的释放来增强免疫系统[45]。最近的一项研究表明，胞外多糖抗OP主要通过阻止早期破骨细胞前体融合而发挥作用，但对已经形成的破骨细胞活性无明显影响[46]。

综上所述，双歧杆菌及其代谢产物可通过调控M1/M2巨噬细胞极化、“Breg-Treg-Th17”细胞轴、肠道炎症、维生素D吸收以及相关基因表达来双向调控骨代谢、维护骨稳态，改善OP。目前临床上应用的抗OP药物安全性、有效性方面存在问题较多，而益生菌治疗OP价格低廉、摄取便捷、可调节肠道微生态而不良反应较少，具有较大的研究价值，但关于其研究多处于动物实验阶段，临床研究较少，确切作用机制尚未阐明，今后仍需开展更多的高质量研究，以期为进一步临床应用提供新思路、新方法。

基金资助:甘肃省中医药管理局项目(GZKP-2020-19);兰州市人才创新创业项目(2023-2-20);

文章来源:李想,孔令俊,邓叶龙,等.双歧杆菌调控骨质疏松症作用机制研究进展[J].中国骨质疏松杂志,2024,30(06):921-925.