肠道微生物组与骨骼发育和代谢（上）

骨骼

骨骼是人体重要的器官，起着支持，运动，代谢，保护和造血等多种功能，与我们的健康和寿命息息相关。

据估计，中国低矮症患病率高达3.77%，90%以上的矮小症患儿都存在自卑、抑郁等不同的心理障碍，因此儿童骨骼的健康生长发育备受家长的关注。

与此同时，随着社会老龄化，骨质疏松症 (OP)、骨关节炎 (OA) 和类风湿性关节炎(RA) 等骨骼疾病是对人类健康的主要威胁之一。这些疾病最给患者带来常见的症状是疼痛、身体机能下降、严重残疾和死亡率增加。

大多数矮小症或骨骼疾病的预防和治疗包括：

• 药物干预（例如，缓解疼痛的非疾病特异性药物或更特定的针对骨骼疾病病理生理学的药物）
• 非药物干预（例如，积极的生活方式；注射生长激素，充足的摄入膳食蛋白质、钙和维生素 D和体重管理等）

治疗方法不断发展，确实缓解了原发性疼痛并改善了骨骼发育，但仍有相当一部分患者获益甚微或没有获益，甚至出现不良反应。

近年来，一些横断面的临床研究以及系统评价和荟萃分析均发现肠道菌群改变与调节骨量、骨力学功能、骨髓生成，骨骼发育、骨代谢、骨质疏松、骨骼炎症、骨折风险以及骨癌的许多因素有关（如肠道代谢物、免疫功能、肠上皮屏障功能、肠-脑-骨骼轴、营养吸收代谢、内分泌以及激素等）。

同时许多研究还表明，针对肠道菌群的干预方式，包括抗生素、益生菌、益生元以及其他的维生素 D、钙、植物雌激素和功能饮食可以改善骨稳态以及代谢问题，在骨骼发育中发挥优化补充作用。这些治疗或干预对于快速生长时期尤为关键，例如青春期，此时骨量获取量很大，以及骨质流失期间，例如老龄。

肠道菌群从出生开始随着年龄发育，成熟，老化而不断变化的，同时还会受到许多因素的影响，比如饮食、抗生素、疾病、感染等，所以要正确的反映肠道菌群和骨骼的健康发育关联或因果关系需要足够大的样本量和纵向数据的积累（这是谷禾一直致力关注和研发的方向之一），从全局开发一个描述能量营养代谢调节、肠道作用及其与人类骨组织关系的模型，可以帮助有效调节骨骼发育和疾病中的骨代谢，同时助力不同人群的骨骼干预和治疗。

01

骨骼及其重要性

骨骼：人或动物体内或体表坚硬组织，具有运动（使身体运动）、保护（保护内部器官）、支持（构成身体骨架）、代谢（内分泌调节，体内激素）、造血（骨髓参与制造红血球和白血球）和贮存（贮存钙和磷等矿物质）功能。

骨是由骨质、骨膜、骨髓构成。

骨质：由骨组织构成，分骨密质和骨松质，骨密质在骨的表面,骨松质在骨的里面。

骨膜：覆盖在骨的表面，主要由纤维结缔组织构成，包括血管、神经、淋巴管对骨有再生和营养作用。

骨髓：在髓腔和骨松质间隙中，分为红骨髓和黄骨髓。黄骨髓没有造血能力，红骨髓有造血能力。

▲ “软硬兼施” ——骨的化学成分（有机质、矿物质）

• 骨有机质的主要成分是骨胶原和一些非胶原蛋白，它们形成密集的网络，对于增加骨骼的“软度”非常重要；
• 骨矿物质主要由钙和磷组成，它们沉积在骨胶原蛋白周围，对骨骼的“硬度”很重要。

它们共同构成一个支架，使骨骼能够承受一定程度的机械压力而不容易断裂。

▲ 破骨细胞与成骨细胞在骨骼重塑中发挥重要作用

骨骼是由成骨细胞的非造血细胞形成的，它们来源于骨髓中的基质细胞。成骨细胞产生胶原蛋白，形成钙和磷沉积的支架，从而形成新骨。

另一方面，破骨细胞的骨细胞行使骨吸收的功能，它们来源于骨髓内的造血干细胞。破骨细胞粘附并分泌氢离子到骨骼表面，从而溶解并释放骨骼中的矿物质沉积。

▲ 骨的生长发育代谢——“骨构建”、“骨重建”

骨组织的生长，发育，代谢和衰老表现为骨量的增加或减少，而在组织学上则以骨构建和骨重建两种方式进行，表现为骨组织细胞的分化，增值，凋亡和转型。

骨构建：是指骨表面的组织间隙单方向运动，引起骨几何形态、大小和骨量的改变。骨构建对改变骨的形状及内外直径十分重要。人体骨构建经历胎儿、儿童、少年阶段，直到骨成熟为止，大约18-20岁。

童年和青春期骨微环境中的细胞活动有利于净骨增加，其中骨量的最大增加发生在青春期。儿童时期的骨骼发育问题对成年期的骨量产生不可挽回的影响，导致身材矮小、骨质疏松、骨折和其他老年问题。

骨重建：骨骼成熟后“骨构建”停止，不再参加成年后骨代谢活动，然而成年后，骨在一生中仍在不断进行更新和改造，这就是骨重建。

骨重建是一种循环：已形成的骨被消除，而新形成的骨又在这一部位生成。这种循环始终贯穿在骨骼新陈代谢。

儿童、青少年骨构建和骨重建同时存在；

成人只进行骨重建。

骨构建时，骨形成大于骨吸收，二者非偶联；

骨重建时，骨形成与骨吸收偶联。骨代谢标志物是反映成骨细胞或破骨细胞功能的标志物。

因此，在骨重建过程中，成骨细胞和破骨细胞之间的持续相互作用对维持骨骼稳态至关重要。当骨骼稳态得不到维持时，就会发生骨质减少或骨质疏松等衰弱性骨骼疾病。这主要是由于破骨细胞活性被过度激活或者成骨细胞活性受到抑制，使得骨骼降解比新骨骼形成要多（关于骨质疏松在后面章节也会详细介绍）。

02

肠道菌群及其重要性

熟悉我们文章的都知道，肠道菌群可以塑造宿主生理过程的许多方面，包括代谢功能、营养吸收、免疫反应和激素分泌等。

肠道细菌产生的分子既有益又有害，会影响肠道内分泌细胞、肠神经系统、肠道通透性和免疫系统。

在稳态时，肠道菌群提供具有上皮和免疫平衡的定植抗性，保护宿主免受细菌、病毒和可能的其他类型病原体的入侵。

一旦这种稳态破坏（可能是由病原体、抗生素治疗和饮食引起的），则可能引起炎症、组织破坏和生态失调，导致疾病发展。

在数百万年的共同进化中，微生物群和宿主免疫系统形成了一种相互依赖的关系，免疫系统的先天性和适应性依赖于微生物伙伴来实现逐步的成熟和稳定，而免疫系统稳定也包括肠道微生物生态系统的稳定。

微生物群组成的变化（通常称为生态失调）与许多疾病状态有关，其中许多是由宿主免疫和炎症反应的改变介导的。骨髓细胞能够感知微生物衍生产物，在宿主防御中发挥重要作用，它们是肿瘤微环境的主要组成部分，因此在宿主/共生体对话中发挥关键作用。

初识：肠道菌群与骨骼健康

由于骨稳态受肠道屏障、代谢途径、钙磷等营养吸收、免疫系统和激素环境的影响，因此，肠道微生物群就可以通过这些途径影响骨代谢平衡。

肠道菌群产生的代谢产物——短链脂肪酸，通过直接抑制骨吸收、刺激钙吸收和免疫调节作用来调节骨稳态。

益生菌作为确保骨骼健康的关键成分之一，正在迅速获得认可。大多数研究表明，使用益生菌（如乳酸杆菌属）调节肠道微生物群，可增加骨量，促进骨形成。

03

肠道微生物群和骨骼形成发育

肠道微生物组和骨骼形成

▸ 肠道菌群参与骨骼发育的证据

20年前，几项临床研究指出，肠道中细菌过度增殖与骨矿物质密度（BMD）降低之间存在关联。小肠细菌过度生长综合征患者的 BMD 值低，骨软化，其中一些患者具有高水平的促炎细胞因子TNF-α和IL-1，以及破骨细胞活化增加。

小肠细菌过度生长综合征的另一个特征是由于肠道细菌消耗营养而导致营养缺乏。肠道对钙、磷酸盐和维生素D的吸收不足导致了该综合征的骨骼表现。因此，这些研究不能提供肠道微生物与骨表型之间直接联系的证据。

仅十年后，通过对无菌小鼠的研究，获得了肠道菌群参与骨组织发育的令人信服的证据。

▸ 如果没有肠道菌群会带来什么影响（无菌/SPF小鼠试验）？

基于无菌/SPF小鼠试验，鉴于肠道菌群对新陈代谢的影响，出生时没有肠道菌群会导致许多生理和代谢改变：

• 热量、维生素和营养素的吸收减少；身高和体重增加延迟，许多器官异常小；
• 免疫、血管、内分泌、肠道和神经系统的不成熟。

肠道微生物组和骨骼之间的联系

​doi.org/10.1016/j.jbspin.2018.02.008

骨髓生成与微生物调节

骨髓细胞生成受到转录因子和外在信号的严格调节，以确保在稳态期间维持体内平衡，并提供快速的细胞输出以满足病理条件（如感染、炎症和癌症）增加的需求。后者通常被称为“需求适应”或“紧急”造血。

▸ 骨髓生成失调—>炎症

除了细胞因子、趋化因子和骨髓生成生长因子受体外，小鼠和人类造血干细胞及源祖细胞都表达模式识别受体，例如 TLR，并且可以通过病原体相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，简称PAMP） 的结合直接感知病原体。因此，骨髓生成失调可能代表炎症和应激反应的初始步骤，而不是一种代偿机制 。

注：PAMP，是病原微生物表面存在一些人体宿主所没有的，但可为许多相关微生物所共享，结构恒定且进化保守的分子结构。固有免疫识别的PAMP，往往是病原体赖以生存，因而变化较少的主要部分，如病毒的双链RNA和细菌的脂多糖，对此，病原体很难产生突变而逃脱固有免疫的作用。

▸ 微生物调节—> 早期造血发育相关

先前的一项研究表明，在稳态条件下，MyD88（一种通过 TLR 信号识别 PAMP 的关键衔接分子）缺乏也会导致脾脏中的中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞数量减少，以及骨髓中的髓系隔室减少，主要是由于粒细胞减少。

由共生微生物或可能的内源性配体诱导的 MyD88 依赖性 TLR 信号传导，可影响早期造血发育和终末骨髓分化潜能（下图）。

稳态骨髓生成和中性粒细胞稳态的微生物群调节

​doi.org/10.1189/jlb.3RI0516-222R

造血干细胞及源祖细胞和骨髓祖细胞表达模式识别受体，使它们能够直接感知细菌衍生的产物。共生信号调节骨髓生成，主要是通过影响粒巨噬祖细胞频率和分化潜能。

▸ 肠道微生物群及其代谢物调节骨髓中的中性粒细胞

肠道微生物群至少部分地通过局部诱导 IL-17 产生和增加血浆 G-CSF 水平来促进粒细胞生成。肠道共生微生物群的缺失导致粒巨噬祖细胞的数量和分化潜能减少，从而导致骨髓和外周组织中的中性粒细胞、单核细胞和巨噬细胞数量减少。

细菌代谢物，如短链脂肪酸，通过增加常见树突状细胞前体的数量来调节树突细胞分化。共生微生物还通过 Nod1 受体直接识别微生物衍生的肽聚糖来调节骨髓中的中性粒细胞功能。循环中性粒细胞老化是由微生物群衍生信号通过 TLR/MyD88 信号驱动的，缺乏共生体导致 CXCR4 数量减少hi /L-Selectin循环中的低龄中性粒细胞。

几条证据表明，造血区室直接参与了对感染的反应，并且不同的感染刺激形成了对抗特定病原体所需的适当的骨髓生成反应。因此，相同的细胞可能感知来自远处肠道微生物群的信号是合理的。

LPS（脂多糖）的全身给药可诱导造血干细胞及源祖细胞动员和归巢到脾脏，以及骨髓中造血干细胞的增殖和增强的自我更新能力，这表明共生衍生产物可以到达骨髓和调节骨髓生成。

丰富的肠道微生物群的会导致非炎症条件下骨髓中粒细胞、单核细胞和粒巨噬祖细胞的数量持续增加。然而，在小鼠恢复无菌状态后，这种效应又恢复了，这表明稳态骨髓生成受到当前微生物群暴露水平的动态调节。

在后一项研究中，无菌小鼠与完整菌群或仅与大肠杆菌的关联足以纠正在无菌小鼠中观察到的缺陷，指出革兰氏阴性菌在调节骨髓生成中的作用。

微生物群—骨髓细胞串扰的后果

骨髓生成和粒细胞稳态的微生物群依赖性变化会影响宿主对炎症和感染性损伤的反应。

研究发现中性粒细胞和骨髓细胞前体的骨髓池减少，血液中粒细胞的周转减少；然而，他们没有观察到骨髓生成的稳态动力学差异。这意味着微生物群在定植后不久就控制了骨髓细胞池的初始大小。减少的初始骨髓生成池导致可用于抵抗入侵病原体的细胞数量减少，全身给药后细菌清除延迟就证明了这一点。与此一致，组织驻留和 骨髓衍生的吞噬细胞的稳态数量减少使 GF（无菌）和 Abx 处理的小鼠易受急性全身性单核细胞增生李斯特菌（Lysteria monocytogenes）感染，而它们在继发感染后产生适应性免疫的能力不受影响甚至增强，表明早期先天而非适应性反应的缺陷 。

微生物群组成改变对宿主生理的诸多影响之一是增加患过敏性疾病的风险。

最近的两项研究表明，这至少部分是通过稳态造血功能的改变来介导的。使用屋尘螨提取物诱导的过敏性气道炎症模型表明，短链脂肪酸增强了骨髓中的树突细胞前体造血功能并改变了肺树突状细胞功能，使其诱导 Th2 细胞效应功能的能力受损。短链脂肪酸的保护作用是通过结合 GPR41 而不是 GPR43 介导的，其特点是炎症反应的快速消退。

短链脂肪酸也被证明可以调节人类单核细胞衍生的树突状细胞，它们的作用程度因个体短链脂肪酸而异。

在炎症性关节炎和抑制卵清蛋白(OVA)诱导的气道炎症的小鼠模型中，短链脂肪酸也是防止炎症反应加剧和及时解决炎症所必需的。另一项研究表明，微生物群衍生的信号通过限制骨髓中嗜碱性粒细胞前体的增殖来调节嗜碱性粒细胞造血，从而影响 Th2 细胞依赖性过敏性炎症。

由于缺乏共生体而改变的骨髓生成在某些情况下可能是有益的。例如，循环中性粒细胞衰老是由微生物群衍生的信号以细胞内在的、TLR/MyD88 依赖的方式驱动的。在没有共生微生物的情况下，减少循环中过度活化的老化中性粒细胞的数量可改善内毒素驱动的脓毒性休克和镰状细胞病小鼠模型中炎症引起的组织损伤。

也有人提出，从肠道吸收的循环细菌衍生产物量的波动可能影响炎症单核细胞从骨髓的迁移。骨髓间充质干细胞和祖细胞检测到低水平的循环内毒素（即 LPS）导致它们表达 MCP1 并将炎症单核细胞释放到血流中。因此，这提供了另一种机制，通过该机制，共生微生物可以微调系统性先天免疫基调，增强抗菌防御，但并非没有潜在的有害后果，例如恶化非感染性炎症状况。

微生物群似乎对造血产生影响，主要在骨髓中的粒巨噬祖细胞水平和髓外造血部位，影响单核细胞和粒细胞后代，中性粒细胞稳态有明显缺陷。另一方面，淋巴细胞室似乎不受影响。然而宿主-微生物串扰是如何发生的仍不清楚。

大量证据表明，循环微生物群衍生产物或细菌代谢物可能到达骨髓或髓外部位，在那里它们可以被造血干细胞及源祖细胞和的骨髓祖细胞直接感知或者循环的造血干细胞在重新进入骨髓之前可能会在外围遇到细菌或其产物。

肠道微生物群调节中性粒细胞稳态

除粒细胞生成外，新生儿中性粒细胞稳态还取决于肠道共生体的存在。Abx（抗生素处理或清扫） 处理的小鼠的微生物群减少和改变与循环和骨髓中性粒细胞数量减少以及骨髓中的粒巨噬祖细胞降低有关。

微生物群衍生成分，例如通过 TLR4/MyD88 信号传导的 LPS，主要由肠道中的第 3 组先天淋巴细胞诱导 IL-17 产生，并增加 G-CSF 的血浆水平，导致粒细胞增多。新生儿肠道黏膜定植还增强了 B 细胞辅助中性粒细胞向脾边缘区的募集和重编程，在那里它们引发了针对高度保守的微生物 T 细胞非依赖性抗原的类别转换和抗体产生。

肠道微生物群调节骨量

有充分的证据表明，骨量在出生后会增加，并在青春期达到峰值，并且受生活方式因素以及年龄等的影响。

整个生命过程中骨矿物质密度和肠道微生物群多样性的轨迹

​

一生中骨量的轨迹在许多方面与一生中肠道菌群多样性的变化相似，其中最大的变化发生在婴儿期和青春期。

骨量是骨折风险随年龄增长而增加的重要决定因素。随着年龄的增长，肠道微生物群表现出增强的多样性和降低的稳定性，但研究结果与微生物群是否促进骨骼生长或吸收存在矛盾。

根据一项针对小鼠的新研究，肠道微生物群的存在会增加胰岛素样生长因子 1 (IGF1) 的循环水平并支持骨骼生长。通过饮食调整的肠道微生物群可调节 IL-1 β（白细胞介素 1β）的产生，并防止易患自身炎症性骨髓炎的 Pstpip2cmo 小鼠自发发展为骨髓炎。

最近的研究表明，与常规饲养小鼠相比，无菌小鼠缺乏肠道菌群会导致骨量增加。结果发现，与常规饲养小鼠相比，无菌小鼠股骨远端的骨小梁体积/组织体积（BV/TV）增加了 39%，海绵状小梁骨和致密皮质骨均受到影响。此外，无菌小鼠的皮质骨面积也增加。

▸这种骨量增加与什么有关？

无菌小鼠的骨和骨髓培养物中 OCL 数量减少，骨髓 CD4 + T 细胞和 OCL 前体细胞 (CD11b + /Gr1 -）。相比之下，无菌小鼠的骨形成率没有显着改变，这表明无菌小鼠的骨量增加主要是由于破骨细胞生成受抑制导致骨吸收减少所致。

由于无菌小鼠骨中溶骨细胞因子 IL-6 和 TNFα 的 mRNA 水平也降低，因此可以表明破骨细胞生成减少是由免疫介导的机制引起的。

重要的是，在无菌环境中出生的小鼠在 3 周龄时在常规环境中饲养的肠道菌群定植导致骨小梁和皮质骨量以及 CD4 + T 细胞和 OCL 前体细胞的频率正常化。

有人提出，无菌小鼠的骨量增加是由于血液和次级淋巴组织中再循环的 CD4 +细胞减少，导致骨髓中 CD4 + T 细胞的频率降低。骨量增加与骨中炎性细胞因子表达减少和破骨细胞生成减少有关。

不能排除其他机制也可能导致无菌小鼠的高骨量表型。然而，骨量增加不太可能是由钙代谢改变引起的，因为无菌小鼠的血清钙和调节钙稳态的激素是正常的。

据报道，肠源性循环血清素抑制骨形成并减少骨量。事实上，无菌小鼠的血清 5-羟色胺水平降低了，然而，无菌小鼠在常规环境中饲养的小鼠的肠道微生物定植，导致骨量正常化，并没有显着影响血清 5-羟色胺水平，表明高骨量在无菌小鼠中可能不是血清血清素水平改变的直接影响。

到目前为止，肠道微生物影响骨量的最可能机制涉及改变全身和骨髓免疫状态，这反过来又调节破骨细胞生成（下图）。

肠道微生物群调节骨量

最近使用无菌小鼠的研究表明肠道微生物是骨量的调节剂，肠道微生物对骨量的抑制作用主要是通过对免疫系统的影响来介导的，而免疫系统反过来又调节破骨细胞生成。然而不能完全排除其他机制，如改变钙代谢和调节肠道衍生的血清素也有作用。饮食是影响肠道菌群成分的环境因素。

04

肠道微生物群调节骨代谢

骨代谢通过骨形成和骨吸收来平衡。

当骨形成占优势时，以骨形成和合成代谢为特征，反之则以再吸收和分解代谢为特征。

骨矿物质密度 (BMD) 在临床实践中被广泛用作骨质疏松症和骨折风险的间接指标。据了解，宿主代谢途径、免疫系统和激素环境可以影响这种骨代谢平衡，肠道微生物群也可以影响这些途径。

除了生理状况外，炎症性或代谢性骨病，如代谢性骨关节炎、骨质疏松症、自身炎症性骨髓炎，也与肠道微生物改变有关。

小鼠的骨骼生物力学特性受损也是由免疫缺陷或生长过程中长期抗生素干预导致的肠道微生物群改变引起的。

▸ 肠道菌群如何影响骨骼发育/疾病？

与传统饲养的小鼠相比，出生时缺乏肠道微生物的雌性小鼠在小梁骨和皮质骨中的骨矿物质密度值更高。这些高骨矿物质密度值反映了破骨细胞前体和成熟破骨细胞数量的减少，这转化为骨吸收减少，骨骼形成不变。

骨吸收减少的其他因素包括 CD4 + T 细胞频率的降低以及骨髓中 TNF-α 和 IL-6 的表达水平的降低。

来自常规饲养小鼠的肠道菌群定植无菌小鼠可纠正骨矿物质密度和免疫参数值，证实在骨骼生长过程中，肠道菌群控制破骨细胞分化。在参与免疫系统识别细菌的受体中，核苷酸结合寡聚结构域蛋白 NOD1 和 NOD2 结合细菌肽聚糖并激活 NFκB 通路。在NOD1和NOD2敲除小鼠中，肠道微生物的变化对骨矿物质密度或 TNF-α 和RANKL表达没有影响，这表明 NOD1 和 NOD2 在肠道菌群对骨骼的影响中起关键作用。

然而，肠道微生物对骨骼发育的影响比普通人看来要复杂得多。2016 年报道的一项对无菌幼年雄性 Balb/c 小鼠的研究产生了相互矛盾的结果，与常规饲养的对照组相比，大多数主要生长参数延迟，股骨较短。

两项研究结果之间的差异可能归因于小鼠的遗传背景、性别或年龄的差异。

肠道菌群从正常小鼠中定植无菌小鼠后，骨吸收和骨形成均增加。然而，骨吸收增强是短暂的，4 周后消退。因此，肠道菌群对骨组织具有急性分解代谢作用。

从长远来看，骨形成占主导地位，导致骨骼生长和骨量校正增加，这表明肠道菌群对骨组织具有长期的合成代谢作用 。这种合成代谢作用与胰岛素生长因子(IGF)-1的产生增加相吻合。

在无菌小鼠和给予抗生素的小鼠中，血清和骨髓中的 IGF-1 水平较低。它们在肠道重新定殖或摄入后增加富含短链脂肪酸的饮食是肠道细菌分解多糖时产生的。鉴于 IGF-1 在骨骼发育中的主要作用，控制 IGF-1 的产生是可以解释肠道菌群对骨骼生长的影响的机制之一。

▸ 肠道菌群对骨骼形态学特性的影响取决于年龄/营养

来自不同年龄或营养状况的供体的未成熟肠道微生物群定植的无菌小鼠表现出不同的股骨表型。

通过断奶后暴露于低剂量青霉素或通过在怀孕期间将青霉素引入其母亲，肠道微生物群紊乱的成年后代显示出骨矿物质含量和骨矿物质密度改变。

▸ 性别的影响

雄性和雌性 C57Bl/6J 小鼠在出生时就开始使用低剂量青霉素治疗诱导显着的肠道菌群改变，表现出不同的表型。

与未经治疗的动物相比，雌性而非雄性具有更高的成年 BMD 值。此外，长期来看，雄性小鼠肠道再定殖后的 BMD 增加比雌性小鼠更显着。有趣的是，雄性和雌性小鼠在青春期前的肠道菌群相似，但在成年期有所不同，这些差异有助于增加对某些疾病的易感性，例如雌性I 型糖尿病。肠道菌群中的性别相关差异也已在人类中得到报道。因此，肠道菌群和性激素之间的相互作用会影响菌群的组成和宿主组织（包括骨骼）对肠道菌群的反应。

05

肠道微生物群调节骨稳态

肠道菌群通过影响宿主代谢调节骨稳态

1) 短链脂肪酸 (SCFA)

肠道菌群对膳食纤维或复合碳水化合物的主要发酵产物是短链脂肪酸。短链脂肪酸（乙酸、丙酸和丁酸）肠上皮细胞的主要能量来源，在肠粘膜中具有抗炎作用。短链脂肪酸可以进入血液，参与各种生物合成途径，从而改变破骨细胞和成骨细胞的活性。

▸ 短链脂肪酸维持稳态，增加骨量，刺激骨骼合成代谢，抗炎免疫调节，有助骨营养吸收

研究发现补充短链脂肪酸可以增加肝脏和脂肪胰岛素样生长因子-1 (IGF-1)（一种已知可调节骨骼形成的生长因子），导致血清 IGF-1 水平升高，从而间接调节对骨骼的合成代谢刺激。

短链脂肪酸包括丙酸盐和丁酸盐诱导破骨细胞的代谢重组，并减少破骨细胞基因如 TRAF6 和 NFATc1，从而抑制破骨细胞分化和骨吸收。

短链脂肪酸通过激活 G 蛋白偶联受体 (GPCR) 或通过组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 抑制骨吸收来抑制破骨细胞形成的直接影响，可能会短暂性促进破骨细胞骨吸收。

一项基于三种独立实验方法对去卵巢 (ovx) 雌性小鼠进行测试的研究表明，短链脂肪酸对骨稳态有益，并且可以增加骨量。

此外，短链脂肪酸具有抗炎免疫调节特性，与抑制破骨细胞活性直接相关。用短链脂肪酸（丙酸盐和丁酸盐）治疗小鼠可显着增加骨量并防止绝经后和炎症引起的骨丢失。

与此同时，短链脂肪酸会降低肠腔的 pH 值并改善钙和其他矿物质的吸收，对骨营养吸收有帮助。

肠道菌群衍生的短链脂肪酸对骨稳态的机制显示如下图：

肠道微生物群通过代谢物介导的屏障完整性和免疫系统对骨代谢的影响

​doi: 10.1016/j.bone.2020.115317

短链脂肪酸具有通过 Wnt10 作用影响 Tregs 发育和促进骨代谢的能力。短链脂肪酸的产生可能是微生物群增加血清IGF - 1水平从而导致骨生长和体内平衡的机制。肠道微生物群诱导肠道屏障完整性的增加。肠道微生物成分的改变导致代谢紊乱。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。Th17 细胞对于雌激素缺乏的骨质流失至关重要，它会产生 IL-17 细胞因子。消除IL-17或使用抗IL17 抗体可预防雌激素缺乏导致的骨质流失。

GE：肠道上皮细胞，Treg 细胞：T 调节细胞，Th1：T helper-1，Th17：T helper-17 细胞，IGF-1：胰岛素样生长因子。

2) 胆汁酸

胆汁酸是在肝脏中产生的小的代谢分子。它们被分泌到小肠参与膳食脂质的吸收。新出现的证据表明，肠道微生物组在胆汁酸代谢中起着重要作用。

在肠道中，初级胆汁酸通过厌氧菌生物转化为次级胆汁酸（主要是脱氧胆酸和脱氧胆酸）。在肠肝再循环期间，胆汁酸在全身循环中扩散，并可以到达身体的每个器官，包括骨骼。

越来越多的证据表明，胆汁酸通过成骨细胞和破骨细胞上的各种信号传导调节骨骼稳态。尤其是，在体外，胆汁酸（鹅去氧胆酸）或 FXR 激动剂（Fexaramine）激活 FXR 信号通过上调 Runx2 和增强细胞外信号调节激酶（ERK）和 β-连环蛋白信号显着增强成骨细胞矿化。

注：

• FXR 是一种胆汁酸激活的核激素受体, 目前已在人、大鼠和小鼠等多个物种成功克隆 FXR 基因。
• β-连环蛋白是一种多功能蛋白（protein），通过与细胞骨架（cytoskeleton）的相互作用，协助细胞对细胞外的信号和影响作出反应。
• 胰高糖素样肽-1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）是一种主要由肠道L细胞所产生的激素，属于肠促胰素（incretin）。

在细菌转化次级胆汁酸后，它充当肠细胞膜结合 G 蛋白偶联受体 (TGR5) 的激动剂，并增加胰高血糖素样肽 1 (GLP-1) 的产生，这导致甲状腺细胞通过旁分泌作用分泌降钙素，从而抑制骨吸收。

GLP-1还可以刺激成骨细胞的增殖和分化。单羟基化二级石胆酸 (LCA) 是一种由肠道细菌 7-脱羟基产生的衍生胆汁酸，可作为维生素 D 受体 (VDR) 配体并影响骨代谢。LCA 的过度沉积会损害成骨细胞线粒体活性并降低细胞活力。此外，LCA 降低了成骨细胞中维生素 D 的作用，并与骨钙素和 RANKL 基因表达降低有关。

doi: 10.3389/fcimb.2021.579323

3) 血清素

血清素是一种微生物代谢物被证明会影响宿主生理。肠道微生物群可以通过影响外周和中枢血清素合成和调节血清素前体色氨酸代谢来影响骨代谢。有证据表明外周血清素对小鼠的骨形成具有抑制作用。但是，中枢血清素促进小鼠的骨形成。

据报道，肠道菌群在神经系统中对合成激素和神经递质如血清素（5-羟色胺，5-HT）具有重要作用。而血清素信号传导在骨发育和生长的调节中很重要。

2010有研究提出循环中产生的血清素对骨代谢有负面作用。相比之下，当它作为一种神经递质从大脑中产生时，它会促进骨骼发育。

最近的研究报告称，肠道微生物群在调节血液中血清素水平方面发挥作用。链球菌、棒状杆菌和大肠杆菌等细菌已被证明在动物培养条件下产生血清素。

此外，在无菌小鼠中观察到血清素水平降低和骨小梁体积/组织体积增加。另一项研究表明，无菌小鼠的 5-HT 水平确实降低了，并且肠道微生物群的移植可以恢复血清和结肠中的血清素水平。

某些产芽孢微生物可以调节肠道血清素，进而通过 Htr1b/PKA/CREB/cyclins 信号传导调节成骨细胞增殖和骨形成。对肠道菌群衍生的血清素对骨代谢的作用的详细了解描述于下图：

肠道微生物群通过血清素的双相作用对骨稳态的影响

10.1016/j.bone.2020.115317

(A)某些微生物群，例如产芽孢微生物，可调节肠道、血清和粪便中的血清素水平。这种释放的血清素与成骨细胞膜的 htr1b 受体结合，并通过 Htr1b/PKA/CREB/cyclins 信号传导调节其增殖。

(B)另一组细菌种类（乳球菌、粘螺菌、乳杆菌和双歧杆菌）可以正向调节外周/血管瘦素水平，进而通过脑血清素作用调节骨稳态。htr1b：5-羟色胺受体 1B，PKA：蛋白激酶 A，CREB：cAMP 反应元件结合蛋白。

众所周知，脂肪细胞特异性激素瘦素可调节许多生理过程，包括骨骼发育、能量稳态等。

2013 年的一项研究揭示，乳球菌、粘螺菌、乳杆菌和双歧杆菌等微生物群正向调节全身瘦素水平。这种释放的瘦素产生与在脑干神经元中表达的瘦素受体 (ObRb) 结合，从而导致脑血清素水平的释放减少，并可能影响骨稳态。

4) 叶酸

一项基于绝经后妇女的研究表明，血清叶酸低于健康对照组。绝经后妇女的红细胞叶酸含量与骨矿物质密度和骨密度呈正相关。叶酸可以减少氧化应激，防止DNA损伤和细胞凋亡，从而直接调节骨细胞。

当叶酸摄入量低时，叶酸水平降低也与亚甲基四氢叶酸还原酶 (MTHFR) 基因突变有关，这与同型半胱氨酸代谢改变、低骨矿物质密度和骨折发生率增加有关。最高的叶酸水平与最高的同型半胱氨酸水平有关，据报道，这会干扰新形成的胶原蛋白的交联，从而干扰骨强度和骨矿化。

许多肠道微生物（如嗜热链球菌、双歧杆菌和粪肠球菌）可以合成叶酸或参与叶酸代谢，这也可以解释肠道微生物组在骨骼健康中的作用。

5) 多胺

据报道，ovx（卵巢切除术）大鼠中适量的多胺可以保护胫骨的小梁结构。基于三种独立实验方法（多胺缺乏饮食 (PDD)、PDD 加抗生素、PDD 加多胺补充剂）对雄性大鼠进行的一项研究表明，PDD 导致小肠和结肠粘膜显着发育不全。

多胺被血清素氧化酶如多胺氧化酶和精胺氧化酶代谢以产生包括过氧化氢在内的活性氧(ROS)和包括丙烯醛在内的细胞毒性醛。ROS 和醛类都调节破骨细胞在细胞活力、分化和成熟中的功能。天然多胺（如亚精胺和精胺）可以阻止 RANKL 诱导的破骨细胞分化，这与抑制破骨细胞中核因子-κB（NF-κB）的磷酸化和转录活性有关，而不是影响成骨细胞。

一些特定的共生细菌，如大肠杆菌、假单胞菌、拟杆菌属、梭状芽胞杆菌和厌氧球菌可能通过多胺的合成间接参与骨代谢。

6) 钙吸收

肠道菌群可影响骨骼发育所需的钙和维生素 D 等营养物质的吸收。钙是骨骼健康的主要矿物质，维生素 D 可促进其吸收。

钙通过主动跨细胞途径或被动细胞扩散被肠道细胞吸收，具体取决于细胞中钙的含量，并以钙的形式沉积骨骼和牙齿中的羟基磷灰石 (Ca10[PO4]6[OH]2)。

缺乏钙或维生素 D都会导致严重的骨骼异常。临床研究表明，膳食钙摄入量高（47.4 毫摩尔/天，而推荐的 22.5 毫摩尔/天）表明青春期女孩的骨吸收减少。除了这些发现之外，该研究表明，仅低钙饮食就足以增强大鼠模型中骨小梁形成的骨吸收和受损情况。

据报道，肠道微生物群将膳食益生元发酵为短链脂肪酸会导致更高的钙吸收。对青少年的研究发现，食用不同的益生元饮食，例如低聚半乳糖 (GOS) 和可溶性玉米纤维 (SCF)，两者都可以发酵成短链脂肪酸，导致钙吸收增加。这种增加的钙吸收与粪便中测量的副杆菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属、酪球菌属、颤杆菌属和Dialister物种的相对丰度有关。

此外，一项临床试验报告称，绝经后妇女摄入短链脂肪酸对骨钙潴留有积极反应，并观察到骨特异性碱性磷酸酶活性显着增加。

在另一项研究中，实验大鼠模型中的低聚半乳糖喂养导致股骨远端和胫骨近端的钙吸收增加和骨小梁体积骨密度 (vBMD) 增加，从而提高了骨强度。与生长中的大鼠模型中的寡糖相比，益生元菊粉还提高了钙吸收以及皮质和松质骨密度。

此外，在 Caco-2 细胞培养模型中，一种特定的益生菌唾液乳杆菌刺激肠细胞吸收钙，益生菌对骨量功能具有有益作用。

7) 肠道屏障

肠上皮屏障是由不同类型的肠道上皮细胞组成。几种紧密连接蛋白封闭细胞旁通路并在上皮细胞中发挥门和栅栏功能。

在这一层之下，存在一层薄薄的结缔组织，称为固有层，它提供了微生物组和免疫系统之间的健康交流。此外，黏膜层是一种化学屏障，在上皮中提供第一层防御，由一层粘液形成，限制微生物组与上皮细胞之间的直接接触。粘液层的缺失导致肠道炎症和各种代谢免疫疾病的发作。

肠道微生物群组成的改变会导致肠道通透性和肠道屏障破坏。肠黏膜屏障功能障碍可能导致血清脂多糖 (LPS) 水平升高，从而导致代谢性内毒素血症。早期研究表明，LPS 可促进体内股骨的骨质流失和体外破骨细胞的存活。LPS 显着降低了小鼠模型中的骨小梁体积、腰椎骨矿物质密度和椎体数量。

特别是，缺乏性类固醇会提高血清内毒素水平并降低紧密连接蛋白（如密合蛋白 和 JAM3）的转录水平，这些蛋白已被证明可调节肠道屏障的完整性。

同时，性类固醇缺乏会增加细菌易位并诱导局部和全身免疫反应，导致破骨细胞因子的产生增加并导致与年龄相关的骨质流失。

此外，肠道上皮细胞表达雌激素受体，雌激素受体信号激活 MAPK 信号通路，从而间接影响骨骼健康。

肠道菌群通过影响免疫系统调节骨稳态

最近的研究表明，免疫系统和骨代谢之间存在密切的相互作用，这一术语称为“骨免疫学”，它代表了免疫细胞或免疫相关因素在调节骨骼发育中的作用。此外，肠道微生物是免疫系统功能和成熟所必需的，它也影响宿主健康。

2012首次发现了微生物群与骨骼发育之间的关系。该研究还证实，无菌小鼠的免疫状态改变（促炎细胞因子减少、CD4+ T 细胞减少和骨髓中破骨细胞/前体细胞减少）可能是导致骨量形成高于 CONV-R 小鼠的原因。

其他研究表明，肠道分节丝状菌（Segmented filamentousbacteria）能够增加 IFN-γ 和 IL-17 的产生，它们在体内骨形成中起重要作用，并在卵巢切除术 (OVX) 后挽救小鼠的骨质疏松症。这些研究表明，肠道微生物群通过改变宿主免疫状态来调节骨代谢。

T 淋巴细胞可以通过表达促炎和抗炎细胞因子以及 NF-κB 配体 (RANKL) 和骨保护素 (OPG) 的受体激活剂来调节破骨细胞和成骨细胞的平衡。

破骨细胞分化通过促破骨细胞因子调节，包括 RANKL、IFN-γ、TNF-α、IL-6、IL-1 和 IL-17，而成骨细胞分化通过成骨细胞因子调节，包括 IFN-γ、 OPG、IL-10、IL-6 和 IL-4。

Th17 细胞是 CD4+T 细胞的一个子集，可产生对先天免疫很重要的 IL-17 和 IL-22，这些诱导肠上皮细胞产生抗病原体的抗菌肽。

在无菌小鼠中移植分节丝状菌后，Th17 细胞的数量增加并维持上皮细胞的抗菌作用。CD4 + FOXP3 + Treg 细胞与全身免疫相关并且在肠黏膜中稳定。此外，许多研究表明肠道菌群与 Treg 细胞之间存在密切关系。

动物模型中，涉及骨骼健康的肠道微生物介导的免疫机制

doi.org/10.1016/j.foodres.2021.110331

梭状芽胞杆菌属物种定殖在无菌小鼠中导致结肠 Tregs 的积累增加。此外，CD4+CD25+Foxp3+Treg 细胞能够通过细胞毒性 T 淋巴细胞相关蛋白 4 (CTLA-4) 介导的途径抑制破骨细胞的成熟/分化。

克劳氏芽孢杆菌通过增加 OVX （卵巢摘除）小鼠模型中的 Treg 细胞来促进骨形成。益生菌嗜酸乳杆菌通过调节 Treg-Th17 细胞平衡来抑制 OVX 小鼠的骨质流失。此外，该报告还显示，微生物群确实影响 B 细胞发育，它产生骨保护素（一种破骨细胞抑制剂，用于有效的骨吸收）。

注：Wnt信号通路是一个复杂的蛋白质作用网络，其功能最常见于胚胎发育和癌症，但也参与成年动物的正常生理过程。Wnt信号传导途径是由配体蛋白质Wnt和膜蛋白受体结合激发的一组多下游通道的信号转导途径。

Wnt信号在早期胚胎发育、器官发生和组织形态发生中起重要作用。已知肠道细菌如具核梭杆菌和脆弱拟杆菌可激活 Wnt/β-连环蛋白信号传导。而β-连环蛋白的丢失与骨形成减少有关。鼠李糖乳杆菌 GG (LGG) 治疗通过 Treg 细胞介导的 CD8+T 细胞 Wnt10b 产生调节来调节骨合成代谢。

为了使免疫系统充分发挥作用，人体必须能够区分宿主环境中通常存在的分子和不存在的外来微生物。由于肠道微生物群是从环境中获得的，它们可能会在肠道局部部位或全身全身引发免疫反应。因此，某些物种的存在可能导致许多细胞因子的增加，包括许多与骨代谢相关的细胞因子（如上所述）以及TNF-α。

无菌小鼠的促炎细胞因子 TNF-α 和 IL-6 的表达降低。肿瘤坏死因子-α已知可刺激核因子 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。

然而，骨质流失与 TNF-α 和 IL-6 水平升高还是降低有关还没有一致的结论，需要更多的人体研究来证实肠道微生物群可以通过各种免疫因子影响骨代谢。

肠道菌群通过影响内分泌系统调节骨稳态

由于影响皮质醇、肠道激素和神经递质的合成，肠道微生物群被认为是一个虚拟的“内分泌器官”，并且对骨骼健康有特定的影响。

宿主激素不仅塑造了宿主微生物组的结构和功能，还可以改变宿主激素（如儿茶酚胺、雌激素、睾酮、甲状腺和生长激素）的产生和调节，改变激素的表达谱。缺乏这些激素会导致骨质流失增加并影响骨骼形成。

一方面，肠道菌群通过皮质醇通路的紊乱影响骨骼，因为皮质醇和外源性糖皮质激素不仅可以减少钙的吸收，还可以促进成骨细胞的凋亡并抑制成骨细胞的增殖。同时，过量的糖皮质激素可以减少成骨细胞和破骨细胞的数量，延长破骨细胞的寿命，促进成骨细胞的凋亡。

另一方面，性激素的变化成为人类骨质流失的重要刺激因素。缺乏性激素会导致肠道微生物群减少，从而增加破骨细胞和成骨细胞的活性并导致净骨质流失。

性激素缺乏以 TNF 和 RANKL 依赖的方式导致肠道通透性和破骨细胞骨吸收。

性类固醇缺乏会提高小鼠模型中的肠道通透性和破骨细胞形成细胞因子 TNF、RANKL 和 IL-17 的水平，同时保护无菌小鼠免于骨质流失。用益生菌LGG补充本地微生物群可防止性类固醇引起的骨质流失。

其他研究表明，当雌激素缺乏或卵巢切除小鼠接受嗜酸乳杆菌治疗时，骨吸收标志物水平降低，骨形成得到改善。

此外，益生菌罗伊氏乳杆菌的施用可防止雌激素缺乏 (OVX) 和 1 型糖尿病小鼠模型的骨质流失。

1) 胃肠激素

它们包含调节食物摄入的激素，例如肽 YY 和生长素释放肽，以及肠促胰岛素胃抑制肽 (GIP) 和胰高血糖素样肽 (GLP) 。

这些肽的作用与营养状况变化过程中涉及的脂肪因子（如瘦素和脂联素）相互作用；胰腺激素（胰岛素、胰淀素和胰高血糖素）；以及控制饥饿和饱腹感的复杂脑肽网络，例如神经肽 Y、黑皮质素（proopiomelanocortin，POMC）、黑素细胞刺激素 (αMSH)、刺鼠相关肽、食欲素和神经递质（例如，多巴胺、去甲肾上腺素和血清素) 。

在药理学策略和减肥手术中，胃肠激素已被确定为糖尿病和肥胖症的治疗靶点。

通过直接或间接机制参与骨代谢的肠道肽的相互作用

Lafage Proust MH. Joint Bone Spine. 2017

浅灰色类型的肽增加食欲，而黑色类型的肽增加饱腹感和/或饥饿感或胃排空缓慢。

2) 生长素释放肽

生长激素释放肽（Ghrelin） 主要由胃底的泌酸细胞产生。它与在胃、心脏、肺、胰腺、肠道、肾脏、性腺、脂肪组织、下丘脑和骨骼中表达的生长激素促分泌素受体 (GHSR) 结合。胃空腹时，Ghrelin 会增加食欲，而且它的血清水平会在饭前达到峰值。当胃填满时，肽YY、胆囊收缩素和胰高血糖素样肽-1（GLP-1）被释放出来，抑制生长素释放肽的分泌。

在早期研究中，外源性生长素释放肽通过影响生长激素 (GH) 释放和激活 GH-IGF-1 轴来增加生长和骨量。培养的成骨细胞表达 GHSR1a 和 ghrelin 的转录本，这两种蛋白质都存在于骨表面。

当以不引起体重增加的剂量给予正常或缺乏生长激素的大鼠外源性生长素释放肽时，骨矿物质密度 (BMD) 会增加。在体外，生长素释放肽抑制破骨细胞生成并增强成骨细胞增殖和分化，这些影响的大小在模型之间有所不同。

这些数据支持生长素释放肽对骨骼的直接影响，与生长素无关。在最近一项针对大鼠的研究中，将生长素释放肽注入脑室通过一种独立于食欲和体重增加的效应来增加骨量。

但是对血清 ghrelin 水平与骨量相关性的流行病学研究得出了不一致的结果。在肥胖儿童和健康对照组的比较中，血清酰基-生长素释放肽与健康对照组的全身骨量呈负相关，而血清去酰基-生长素释放肽与肥胖组的全身骨量呈正相关。

在胃切除术后患者或健康对照者中，4 小时静脉注射生长素释放肽没有引起骨转换标志物的显着变化。相比之下，在 60 至 81 岁的健康成年人中，与安慰剂相比，口服 ghrelin 模拟物治疗 1 年导致 BMD 略有增加。因此，生长素释放肽对骨骼产生复杂的影响，这是由于中枢和外周效应，并且可能取决于性别和营养状况。

3) 肽酪氨酸-酪氨酸（肽YY）

肽 YY (PYY) 的前体由回肠末端、结肠和乙状结肠中的 L 细胞产生。酶二肽酶 4 (DPP4) 的切割释放活性循环形式 PYY3-36。PYY 产量在用餐期间增加。PYY 抑制食欲，从而限制膳食的大小和摄入的卡路里量。

在大脑中，PYY 通过与 Y2 受体结合来抑制神经肽 Y 的作用。厌食症患者的血清 PYY 水平升高。在体外，PYY 激活表达 Y1 受体的成骨细胞中的信号通路。

PYY 缺陷小鼠在 14 周龄前表现出与野生型小鼠相似的体重和生长。在一项研究中，与野生型同窝仔鼠相比，PYY -/-小鼠的全身骨矿物质密度较低，骨小梁量显着减少。然而，据报道，由于成骨细胞刺激作用，PYY 缺乏会增加雄性和雌性小鼠的骨量。PYY 过度表达的女性骨骼更小，骨量更低，骨形成减少，骨吸收增加。

4) 胃泌素抑制肽

胃泌素抑制肽（GIP ）由十二指肠和小肠中的 K 细胞响应进食而释放，并刺激胰腺释放胰岛素和胰高血糖素。GIP 受体 (GIPR) 在内分泌胰腺、肠道、大脑、免疫系统、心血管系统、肺、肾脏、甲状腺和脂肪组织中表达。在骨骼中，GIPR 存在于成骨细胞谱系以及破骨细胞中。

在体外，GIP 增强成骨细胞增殖和分化，调节胶原成熟，并抑制破骨细胞活性。

两种可用的 GIPR 敲除小鼠模型具有相反的骨骼和脂肪组织表型。在一个模型中，GIPR -/-与野生型对照相比，小鼠在 1 个月大时骨骼生长和 BMD 发生变化，小梁骨量减少，在 5 个月大时，血清骨钙素水平降低，但似乎可以防止与年龄相关的骨丢失。在另一个模型中，GIPR -/-小鼠体重较轻，骨小梁体积较大，骨形成标志物增加，骨吸收标志物减少。

另一方面，皮质骨的厚度和性能有所下降。与野生型小鼠相比，GIP 过度表达的小鼠骨小梁和血清骨钙素增加，脱氧吡啶啉减少，组织形态学参数没有变化。在大鼠中，外源性 GIP 治疗减少了因卵巢切除术引起的骨质流失。

在人类中，一项针对健康志愿者的研究表明，GIP 输注可降低骨吸收标志物，并且这种作用与血清葡萄糖水平的作用相互作用。

5) 胰高血糖素样肽 (GLP) 1 和 2

肠道中的 L 细胞响应进食迅速产生 GLP-1 和 GLP-2。两种肽都通过胰高血糖素原的切割释放，然后被 DPP4 迅速灭活。

• GLP-1 与 GIP 共享增加胰岛素释放的能力；其他作用是抑制餐后胰高血糖素峰值和减缓胃排空。
• GLP-2 刺激黏膜生长和营养吸收。

成骨细胞谱系的未成熟细胞是否表达 GLP-1 受体存在争议。GLP-1 对健康小鼠的骨骼没有影响。在患有糖尿病的啮齿动物和老年卵巢切除大鼠中，GLP-1或 GLP-1 受体激动剂 exendin-4 ( 39 个氨基酸组成的多肽) 对骨骼有合成代谢作用。缺乏 GLP-1 受体的小鼠表现出皮质和骨小梁骨质减少，破骨细胞再吸收增加。

相反，在人类中，GLP-1 给药既不影响体外破骨细胞生成，也不影响体内血清 CTX 水平。在小鼠中，口服骨钙素可增加肠道释放 GLP-1。与 GLP-1 和 GLP-2 或 DPP4 抑制剂相比，靶向这些肽的口服抗糖尿病药物是半衰期更长的模拟物。

对使用这些抗糖尿病药物治疗的糖尿病患者进行的一项荟萃分析显示，对骨折没有保护作用。破骨细胞表达 GLP-2 的受体，抑制骨吸收。在患有骨质减少的绝经后妇女中，睡前皮下注射 GLP-2 可降低早晨血清 CTX 水平，4 个月后，股骨颈 BMD 增加 1.1%。

主要胃肠激素的一些生理和骨骼效应

​doi.org/10.1016/j.jbspin.2016.12.015

微生物组通过肠-脑轴对骨骼健康的作用

肠-脑轴是指整合肠道和大脑之间的神经、激素和免疫信号的连接网络。通信系统是双向的。来自大脑的信号通过自主神经系统和下丘脑-垂体-肾上腺轴影响与胃肠道稳态相关的过程，例如蠕动和转运、粘蛋白产生、免疫功能和肠道通透性、肠道微生物丰度和基因表达模式。

相反，肠道微生物群通过数百种代谢物被肠道中的特殊细胞感知，包括肠内分泌细胞 (EEC)、肠嗜铬细胞 (ECC) 以及初级或次级传入神经末梢。这些细胞对细菌代谢物的感知导致向大脑发出神经信号，并与基于肠道的免疫细胞相互作用，导致局部和全身免疫激活，或者循环代谢物通过血脑屏障进入中枢神经系统并直接影响神经活动。

基于作为多向交互通信"高速公路"的肠-脑轴，这些信号过程影响多个器官（肠道和非肠道器官，如肝脏、大脑和骨骼）。

近年来，血清素 [5-羟色胺 (5-HT)] 是一种重要且被广泛研究的神经递质，已被证明可通过肠道微生物群调节骨代谢。5-HT 是骨骼健康的关键调节剂，根据其合成位点有两种类型：脑源性血清素 (BDS) 和肠源性血清素 (GDS)。有趣的是，这两种类型的 5-HT 具有不同的功能。肠源性 5-HT 对骨形成有负面影响，而脑源性 5-HT 则相反。

十二指肠的肠嗜铬细胞负责 GDS 合成，其部分受肠道微生物群的调节。成骨细胞和破骨细胞都合成 5-HT，表达血清素受体，并调节 5-HT 的摄取。

在大鼠中，5-HT 水平升高会导致骨质流失。另一项研究表明，肠道微生物群不仅诱导 T 细胞和细胞因子调节骨代谢，而且通过促进 5-HT 生物合成的限速酶、色氨酸羟化酶-1 的减少和血清素的增加来调节肠源性血清素 的水平转运蛋白。

然而，具有正常肠道微生物群的无菌小鼠（GF小鼠）在骨量正常化后仅引起5-HT水平的微小变化。不可忽视的是，肠道微生物组通过肠-脑轴中的 5-HT 调节骨量。因此，微生物、大脑和骨骼（肠-脑-骨轴）之间已建立的联系支持了一种治疗骨骼疾病的新方法的可行性。

06

肠道菌群对骨力学功能的调控

正如我们所讨论的，肠道微生物群对于维持骨量是必不可少的，其变化与骨量和微结构的变化有关。

骨强度定义为骨响应机械需求的能力，最终由骨分布、微结构、成分和数量决定。

骨骼或骨骼在体内的主要功能是抵抗机械力，因此骨骼机械强度的损害受到临床骨病的挑战，也可能导致脆性骨折。

骨矿物质密度 (BMD) 通常可以解释骨强度，也是研究骨和肠道相互作用的首选表型。

2017一项研究表明，肠道菌群的变化不仅会改变骨量，还会损害骨骼的力学性能。

在这项研究中，他们使用两种不同的小鼠模型检查了骨强度，例如 toll 样受体 5 缺陷小鼠 [TLR5KO]）和 WT (C57Bl/6) 小鼠，它们接受了选定的抗生素（氨苄青霉素和新霉素）以杀灭微生物群。

有趣的是，数据表明处理的小鼠的股骨弯曲强度低于未处理的 WT 小鼠。然而，在 WT 和 TLR5KO 小鼠之间观察到全骨弯曲强度存在微小差异。在另一项研究中，证明益生菌菌株瑞士乳杆菌给药可改善骨强度。

07

肠道微生物组-营养吸收-骨骼健康

肠道微生物组可在很大程度上影响营养吸收和热量吸收，从而直接和间接影响骨代谢。发酵成短链脂肪酸的益生元纤维可以降低 pH 环境和矿物质的络合，例如磷酸钙的形成。因此，更多的钙会被吸收以支持骨骼的生长或保留。

慢性营养不良会影响肠道微生物组的结构和多样性，并与青春期骨骼生长受损有关。

据报道，来自健康和营养不良儿童的微生物群被移植到年轻的无菌小鼠中。结果表明，与对照组相比，健康儿童肠道菌群定植的小鼠体重增加。矛盾的是，与来自健康儿童的微生物群定植的小鼠相比，向营养不良供体的微生物群中添加瘤胃球菌和共生梭菌会增加受体小鼠的股骨皮质骨体积和 BMD。

小鼠缺乏营养的饮食会削弱骨骼生长并导致骨骼长度下降。补充乳酸菌可改善小鼠的骨骼生长。

肠道菌群与膳食磷吸收代谢的关系

饮食是调节或支持消化系统和其他器官功能的重要环境因素，同时也在胃肠道中塑造健康的微生物生态系统。

在膳食成分中，磷 (P) 是一种必需营养素，有助于微生物和宿主的新陈代谢，例如骨骼发育、细胞信号传导、能量代谢、膜蛋白合成，还可以提供抵抗肠道病原体的屏障。

新出现的证据表明，磷可以作为多磷酸盐储存在细菌细胞中，并用作能量和代谢过程。磷作为细菌合成纤溶酶的辅酶，这对于肠道中的膳食纤维降解至关重要。

通过饮食供应磷对肠道短链脂肪酸的产生至关重要。此外，他们证明，由于绵羊反刍动物胃肠道中纤维素的发酵减少，磷缺乏会导致短链脂肪酸合成减少。

膳食磷酸钙 (CaPi) 对肠道菌群平衡有积极作用（通过增加回肠和粪便嗜酸乳杆菌的数量），并在大鼠模型中证实可以防止肠炎沙门氏菌感染。

最近的一项调查中，报告称饲喂富含 CaP 的日粮促进了猪胃部细菌生长和乳酸杆菌的增殖。一般来说，乳酸杆菌能产生非常有效的杀菌素和有机酸，它们可以抑制大肠杆菌等潜在病原体的生长。因此，CaP 介导的胃肠道中乳酸杆菌的增加可能对促进肠道微生物的共生和肠道屏障功能至关重要。然而，尚无直接证据表明肠道微生物群与磷代谢在小鼠和人类骨骼发育中的关系。因此，未来的研究有必要研究膳食磷代谢对肠道菌群共生、肠道屏障完整性的作用，以促进骨质疏松症患者更好的骨量形成。

08

肠道菌群对骨骼肌质量和功能的调控

骨骼肌功能由中枢神经功能通过神经肌肉传递调节。它表现出显着的可塑性，可以对运动和营养等多种环境刺激做出反应。

骨骼肌是参与葡萄糖稳态和脂肪酸氧化的重要器官之一。骨骼肌功能障碍与少肌症、肌肉萎缩有关，因此会导致代谢紊乱。

已经确定肠道菌群与糖尿病、癌症、肥胖症和骨质疏松症等几种病理生理状况的发生有关。然而，目前尚不清楚肠道菌群如何影响骨骼肌功能。

2019的一项工作表明，肠道细菌对于宿主的最佳骨骼肌功能是必不可少的。在研究中，他们发现小鼠在施用广谱抗生素后，肌肉耐力受到严重影响。此外，小鼠的肠道菌群耗竭严重影响了葡萄糖代谢。

缺乏肠道菌群的无菌 (GF) 小鼠的骨骼肌与具有菌群支持的无病原体 (PF) 小鼠的骨骼肌进行比较，表明肠道微生物群是骨骼肌质量和功能所必需的。

肠道细菌对于维持骨骼肌质量至关重要。在研究中，他们发现无菌小鼠骨骼肌出现萎缩，IGF-1表达降低，骨骼肌生长和线粒体功能相关基因也出现下降。

与 PF 小鼠相比，无菌小鼠还表现出血清胆碱减少和氨基酸精神改变。将肠道菌群从 PF 小鼠移植到 无菌小鼠中增加了骨骼肌质量并改善了氧化代谢能力。总之，从这些研究中可以推断出的一个含义是，维持健康的肠道微生物群对肌肉的健康很重要。

肠道菌群在骨骼肌质量和功能中的作用：

肠道微生物群影响小鼠的骨骼肌质量和功能

doi: 10.1016/j.bone.2020.115317

未完待续（见下）