陆逸+胡予

骨质疏松症已成为世界性健康问题，随年龄增长发病率增高，全世界约2亿人患骨质疏松症。该病最大的危害是骨质疏松性骨折，显著增加老年人死亡率以及社会经济负担。骨质疏松可由环境、遗传、营养等因素造成。肠道微生物群是人体肠道内的正常共生菌，有助维持机体的代谢及免疫状态。最近研究发现，肠道微生物群能调节骨量。另外，炎性细胞因子在骨质疏松的发病过程中可能起重要作用。益生元、益生菌的使用能够改善骨质疏松。肠道微生物群调节骨代谢这一新机制，可能成为未来防治骨质疏松症的研究热点。

1 骨质疏松流行病学及病因

1.1 骨质疏松流行病学

骨质疏松症是一种以低骨量、骨微结构破坏、脆性骨折增加为特征的全身性骨骼疾病[1]。随着人口老龄化，骨质疏松症成为困扰中老年人的疾病之一，发病率居各种常见病第7位[2]。据统计，我国60～69岁老年女性的骨质疏松症发病率达50%～70%，老年男性达30%[3]。2013年关于中老年人骨质疏松流行病学荟萃分析指出：中国40岁以上人群骨质疏松症总体患病率为13.2%，其中男性為11.8%，女性为14.2%。随年龄增加，骨质疏松症患病率逐渐增加，女性50岁后，患病率明显增高[4]。骨质疏松病人容易发生骨质疏松性骨折，在西方国家骨质疏松性骨折发生比例很高，在美国和欧洲，每年约有250万人发生骨质疏松性骨折[2]，显著增加老人死亡率，也带来了严重的社会经济负担。

1.2 骨质疏松的病因

骨骼由成骨细胞的成骨作用以及破骨细胞的骨吸收作用不断进行重建而形成[5]，两者不平衡会导致骨质疏松的发生。骨骼代谢调节较复杂，基因、环境以及生活方式都会影响骨代谢。 骨质疏松症可由多种原因引起，包括遗传因素、环境因素、营养因素、活动减退、增龄相关的骨质丢失等[6]。甲状旁腺素、维生素D、性激素、炎性细胞因子都是骨骼代谢的重要调节因子。正常人30～40岁达峰值骨量[7]，随后骨质随年龄增长开始缓慢丢失。高峰骨量主要由基因调节，骨质疏松的风险取决于青年时期的成骨量是否足够，以及随后发生的增龄相关性骨丢失率。遗传因素是骨质疏松症的重要原因之一[7]。此外，骨质疏松性骨折也与遗传因素有关，但随年龄增长遗传因素所占比例下降，环境因素比例增高，如发生跌倒[8]。

2 肠道微生物群与骨质疏松

肠道内约数万亿共生菌与宿主共生。宿主为肠道微生物群提供食物及能量，肠道微生物群帮助宿主消化食物。肠道微生物群与人体相互作用，影响宿主代谢和免疫功能。肠道微生物群作用于肠道上皮细胞，以及肠道通透性增加时直接刺激宿主的固有层细胞，从而可以改变宿主的生理状态[9]。肠道微生物群通过影响机体生理过程，特别是宿主的食物消化吸收与能量平衡对肥胖及其并发症的产生有一定影响，例如胰岛素抵抗、糖尿病、心血管疾病[10]。肠道菌群与机体相互作用比较复杂，至今尚未完全阐明。

研究发现，肠道微生物群能够调节骨代谢。Klara[11]比较了7周雌性无菌小鼠和普通小鼠的近端胫骨骨密度，发现无菌小鼠的骨密度较普通小鼠增加了40%，无菌小鼠体内破骨前体细胞较普通小鼠减少，破骨细胞数量减少、形态变小，骨形成率正常。将正常肠道菌群定植于无菌小鼠肠道后骨密度下降。与无菌小鼠相比，普通小鼠骨髓中CD+4T细胞以及破骨前体细胞增加。这一发现提示肠道微生物群能够影响骨量，可能是通过改变骨髓中免疫状态，进而影响破骨细胞的分化及活性。

Laura[12]发现，给予抗生素干预的雄性成年小鼠与非干预组小鼠相比，骨密度增加，提示肠道微生物群组成的改变可以引起骨密度的改变。Williams[13]使用卵巢切除小鼠模型，以四环素喂养8周，与正常饮食组相比其股骨骨小梁密度升高，骨形成率增加，骨吸收降低，提示抗生素可能治疗改变肠道微生物群，支持肠道微生物群调节骨代谢的结论。目前推测肠道微生物群可能通过改变宿主免疫状态，调查骨髓破骨细胞的功能，有利于生理性的骨吸收的进行以及骨稳态的维持。肠道菌群可能成为将来治疗骨质疏松症的潜在的靶点。

3 肠道微生物群与免疫系统

人在出生时从环境中获得的肠道微生物群定植于肠道黏膜表面。肠道微生物群与宿主相互作用，有助于维持宿主免疫系统内稳态，既能使宿主产生针对病原菌的有效免疫应答，又能避免对共生菌产生病态炎症反应[14]。

肠道微生物群对正常免疫功能的形成是十分必要的。研究发现，无菌小鼠黏膜免疫系统不成熟，肠黏膜内派氏集合淋巴结发育不成熟，生发中心较少，IgA+浆细胞数量以及固有层CD+4T细胞数量减少[15]。此外，无菌小鼠免疫异常并不局限于肠道黏膜系统，研究者还发现其脾脏和淋巴结相对不成形，生发中心不明显。无菌老鼠体内IgG减少。将肠道共生菌群植入无菌小鼠体内几周后，以上变化都能逆转。另外也发现无菌小鼠骨髓中中性粒细胞和单核细胞降低，并且单核细胞的数量在移植菌群后被逆转[16]。无菌小鼠股骨骨髓细胞内CD+4T细胞较普通小鼠减少，CD+8细胞无差异。无菌小鼠骨髓中炎症因子、IL-6及TNF-α表达下降[11]。以上都说明肠道共生菌参与机体系统免疫的形成以及影响机体的免疫功能。

研究者给小鼠喂含有益生菌的食物后，发现小鼠肠道分泌的TNF-α、IFN-γ以及IL-2的浓度显著增加，同时固有层中CD+4T细胞和CD+8T细胞数量也显著增加[17]。说明肠道微生物群的改变可以引起机体的免疫状态发生改变。

4 骨质疏松与炎症因子

机体免疫炎症反应常常与低骨量有关联，免疫应答过程中产生的炎症因子能显著影响骨量[18]。如肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor， TNF）能够促进破骨细胞生成，导致骨质疏松的发生[19]。目前研究发现，多种炎性疾病如类风湿关节炎、炎性肠病、脂肪泻、系统性红斑狼疮等都与骨的吸收有关[6]。类风湿关节炎病人中骨质疏松患病率比正常个体更高，其体内T细胞活化，产生炎性细胞因子，增强了破骨细胞活性[20]。对类风湿性关节炎病人使用TNF-α阻断剂后骨密度显著增加，骨丢失显著减退[21]。研究发现，对克罗恩病病人行英夫利昔单抗合并双磷酸盐治疗，较单用双磷酸盐治疗骨密度显著提升[22]。

研究发现，雌激素减少导致破骨细胞的增多以及存活时间延长。现在认为原因之一是失去了雌激素的免疫抑制作用，炎性细胞因子生成增多，促进了破骨细胞的生成[23]。有研究发现，在雌激素减少性骨质疏松发病过程中，增多的活化T细胞及其产生的细胞因子RANKL、TNF-α、OPG起重要作用[24]。绝经后骨质疏松妇女体内雌激素水平降低，伴随着T细胞活性的增高以及TNF-α和RANKL增多，循环破骨细胞前体数目增加。小鼠实验发现，活化的T细胞是雌激素缺乏情况下TNF最主要的来源[25]。卵巢切除后骨髓T细胞产生TNF-α的能力增强，从而增强了巨噬细胞集落刺激因子（M-CSF）以及RANKL诱导破骨细胞生成的能力。T细胞缺乏的裸小鼠在卵巢切除术后不会发生骨质疏松，破骨细胞数量未增加。提示在雌激素缺乏情况下，T细胞是调控骨吸收效应的关键因子。雌激素预防骨质疏松的关键机制可能是其抑制了T细胞产生TNF-α，而绝经后女性骨髓中产TNF-α的T细胞增多，刺激破骨细胞生成，易发生骨质疏松。

研究发现，野生型小鼠卵巢切除能快速诱导骨质疏松发生，但在TNF-α缺乏的小鼠中切除卵巢却不会发生骨质疏松[26]。另外，移植了野生型小鼠T细胞的裸小鼠会发生卵巢切除诱导的骨质疏松，但移植了无TNF-α小鼠体内T细胞的裸小鼠不会发生相关反应。再次证明了TNF-α在雌激素减少性骨质疏松发病过程中的关键作用。

以上研究说明，雌激素降低所诱导的骨质疏松的发病关键机制是骨髓T细胞数量增多，TNF-α产生增多，增加破骨细胞生成。体现了T细胞以及T细胞产生的TNF-α在骨代谢中的作用。

5 益生菌、益生元与骨质疏松

益生菌、益生元均能影响肠道微生物群的组成。肠道中的益生菌主要通过调节肠道微生物群的组成来发挥作用[27]，益生菌也可以调节机体免疫系统[28]。目前一些益生菌被用于治疗炎症性肠病[29]。

研究者们用卵巢切除的骨质疏松模型，发现益生菌以及益生元的使用能改善骨质疏松。Claes[30]将一组小鼠进行6周副干酪乳杆菌干预，另一组小鼠进行6周的乳酸杆菌、副干酪乳杆菌、以及植物乳杆菌共同干预，并设安慰剂对照组。发现两组益生菌干预组小鼠骨质丢失和骨吸收较安慰机组显著减少。Britton[31]用罗伊乳杆菌进行干预，能够显著减少卵巢切除小鼠的骨质丢失，益生菌干预组破骨细胞骨吸收标志物的水平降低。推测可能是通过改变肠道微生物群以及影响宿主免疫状态，进而改变骨代谢。益生菌改善骨质疏松目前认为的机制包括益生菌降低肠道炎症反应增加骨密度，以及增加肠道短链脂肪酸的生成从而增加矿物质的溶解度，提高钙吸收，促进骨矿化[32]。

益生元是一種膳食补充剂，组成成分为低聚糖。能够选择性刺激肠道内有益菌的生长，而产生对宿主有益的影响[33]。研究发现，给小鼠补充益生元，能够改变肠道微生物群的组成，双歧杆菌构成比增加，骨量增多[34]。Fabiana[35]将小鼠分成4组，分别喂养雪莲果粉、长双歧杆菌、雪莲果粉联合长双歧杆菌，并设以空白对照，结果显示，长双歧杆菌组、雪莲果粉联合长双歧杆菌组中胫骨矿物质含量以及骨硬度增高。用益生元金线莲萃取物干预卵巢切除大鼠，能够改善骨质疏松[36]，金线莲萃取物的使用增加了肠道黏膜双歧杆菌属的数量，提高了肠道的酸度以及钙吸收。

益生元和益生菌均通过改变肠道微生物群，提高矿物质生物利用度，改善骨质疏松症状，可以作为未来骨质疏松防治的策略之一。

6 未来与展望

肠道微生物群与多种疾病相关，而近年许多研究发现，肠道微生物群能够调节骨量，是骨质疏松的病因之一。目前认为肠道微生物群调节骨量主要是通过免疫系统介导，产生活化的细胞因子促进破骨细胞分化，骨吸收增加。此外益生菌、益生元的使用能够改变肠道微生物群的构成，调节骨代谢。益生菌近年已被使用于治疗骨质疏松，特别是对于绝经后骨质疏松病人。肠道微生物群影响骨质的机制还有待进一步研究。肠道微生物群可能是骨质疏松症的新的治疗靶点，为未来新的治疗方式提供思路。

参考文献

[1]BONJOUR J P，AMMANN P，RIZZOLI R.Importance of preclinical studies in the development of drugs for treatment of osteoporosis： a review related to the 1998 WHO guidelines[J].Osteoporos Int，1999，9（5）：379-393.

[2]马俊岭，郭海英，阳晓东.骨质疏松症的流行病学概况[J].中国全科医学，2009，12（18）：1744-1746.

[3]邱贵兴.骨质疏松性骨折——被忽视了的健康杀手[J].中华医学杂志，2005，85（11）：730-731.

[4]韩亚军，帖小佳，伊力哈木·托合提.中国中老年人骨质疏松症患病率的Meta分析[J].中国组织工程研究，2014，18（7）：1129-1134.

[5]KEARNS A E，KHOSLA S，KOSTENUIK P J.Receptor activator of nuclear factor κB ligand and osteoprotegerin regulation of bone remodeling in health and disease[J].Endocr Rev，2008，29（2）：155-192.

[6]夏婷，李双庆.炎症相关骨质疏松症的发病机制[J].中国骨质疏松杂志，2015，21（1）：117-120.

[7]文天林，孙天胜，王玲.骨质疏松症的流行病学、病因和分类[J].人民军医，2010，53（9）：662-663.

[8]RALSTON S H，UITTERLINDEN A G.Genetics of osteoporosis[J].Endocr Rev，2010，31（5）：629-662.

[9]RHEE S H，POTHOULAKIS C，MAYER E A.Principles and clinical implications of the brain-gut-enteric microbiota axis[J].Nat Rev Gastroenterol Hepatol，2009，6（5）：306-314.

[10]TREMAROLI V，BCKHED F.Functional interactions between the gut microbiota and host metabolism[J].Nature，2012，489（7415）：242-249.

[11]SJGREN K，ENGDAHL C，HENNING P，et al.The gut microbiota regulates bone mass in mice[J].J Bone Miner Res，2012，27（6）：1357-1367.

[12]COX L M，YAMANISHI S，SOHN J，et al.Altering the intestinal microbiota during a critical developmental window has lasting metabolic consequences[J].Cell，2014，158（4）：705-721.

[13]WILLIAMS S，WAKISAKA A，ZENG Q Q， et al. Minocycline prevents the decrease in bone mineral density and trabecular bone in ovariectomized aged rats[J].Bone，1996，19（6）： 637-644.

[14]JARCHUM I，PAMER E G.Regulation of innate and adaptive immunity by the commensal microbiota[J].Curr Opin Immunol， 2011，23（3）：353-360.

[15]MACPHERSON A J，HARRIS N L.Interactions between commensal intestinal bacteria and the immune system[J].Nat Rev Immunol，2004，4（6）：478-485.

[16]KHOSRAVI A，YEZ A，PRICE J G，et al.Gut microbiota promote hematopoiesis to control bacterial infection[J].Cell Host Microbe，2014，15（3）：374-381.

[17]雷春龍，董国忠.肠道菌群对动物肠黏膜免疫的调控作用[J].动物营养学报，2012，24（3）：416-422.

[18]WALSH M C，KIM N，KADONO Y，et al.Osteoimmunology： interplay between the immune system and bone metabolism[J].Annu Rev Immunol，2006，24：33-63.

[19]YARILINA A，XU K，CHEN J，et al.TNF activates calcium-nuclear factor of activated T cells （NFAT）c1 signaling pathways in human macrophages[J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（4）：1573-1578.

[20]KONG Y Y，FEIGE U，SAROSI I，et al.Activated T cells regulate bone loss and joint destruction in adjuvant arthritis through osteoprotegerin ligand[J].Nature，1999，402（6759）：304-309.

[21]SERIOLO B，PAOLINO S，SULLI A，et al.Bone metabolism changes during anti-TNF-α therapy in patients with active rheumatoid arthritis[J].Ann N Y Acad Sci，2006，1069：420-427.

[22]PAZIANAS M，RHIM A D，WEINBERG A M，et al.The effect of anti-TNF-α therapy on spinal bone mineral density in patients with Crohn's disease[J].Ann N Y Acad Sci，2006， 1068：543-556.

[23]MARTIN-MILLAN M，ALMEIDA M，AMBROGINI E，et al.The estrogen receptor-α in osteoclasts mediates the protective effects of estrogens on cancellous but not cortical bone[J].Mol Endocrinol，2010，24（2）：323-334.

[24]DAMELIO P，GRIMALDI A，DI BELLA S，et al.Estrogen deficiency increases osteoclastogenesis up-regulating T cells activity： a key mechanism in osteoporosis[J].Bone，2008， 43（1）：92-100.

[25]CENCI S，WEITZMANN M N，ROGGIA C，et al.Estrogen deficiency induces bone loss by enhancing T-cell production of TNF-α[J].J Clin Invest，2000，106（10）：1229-1237.

[26]ROGGIA C，GAO Y，CENCI S，et al.Up-regulation of TNF-producing T cells in the bone marrow： a key mechanism by which estrogen deficiency induces bone loss in vivo[J].Proc Natl Acad Sci USA，2001，98（24）：13960-13965.

[27]BRON P A，VAN BAARLEN P，KLEEREBEZEM M.Emerging molecular insights into the interaction between probiotics and the host intestinal mucosa[J].Nat Rev Microbiol，2011，10（1）：66-78.

[28]YAN F，POLK D B. Probiotics and immune health[J].Curr Opin Gastroenterol，2011，27（6）：496-501.

[29]SANDERS M E，GUARNER F，GUERRANT R，et al.An update on the use and investigation of probiotics in health and disease[J].Gut，2013，62（5）：787-796.

[30]OHLSSON C，ENGDAHL C，FK F，et al.Probiotics protect mice from ovariectomy-induced cortical bone loss[J].PLoS One，2014，9（3）：e92368.

[31]BRITTON R A，IRWIN R，QUACH D，et al.Probiotic L.reuteri treatment prevents bone loss in a menopausal ovariectomized mouse model[J].J Cell Physiol，2014，229（11）：1822-1830.

[32]PARVANEH K，JAMALUDDIN R，KARIMI G，et al.Effect of probiotics supplementation on bone mineral content and bone mass density[J].Sci World J，2014，2014：595962.

[33]GIBSON G R，ROBERFROID M B.Dietary modulation of the human colonic microbiota： introducing the concept of prebiotics[J].J Nutr，1995，125（6）：1401-1412.

[34]WEAVER C M，MARTIN B R，NAKATSU C H，et al.Galactooligosaccharides improve mineral absorption and bone properties in growing rats through gut fermentation[J].J Agric Food Chem，2011，59（12）：6501-6510.

[35]RODRIGUES F C，CASTRO A S，RODRIGUES V C，et al.Yacon flour and Bifidobacterium longum modulate bone health in rats[J].J Med Food，2012，15（7）：664-670.

[36]YANG L C，WU J B，LU T J，et al.The prebiotic effect of Anoectochilus formosanus and its consequences on bone health[J].Br J Nutr，2013，109（10）：1779-1788.

（收稿日期：2017-03-15）