作者：浙江中医药大学附属第一医院（浙江省中医院）骨伤研究所基础研究部     李孟颖

人体肠道内寄居着数目庞大的微生物群，肠道菌群及其代谢产物在维持人体生理健康中占据了不可忽视的地位，对维持宿主身体健康具有重要意义。现有研究通过分离、培养和16SrRNA测序或宏基因组测序等技术，发现肠道菌群与高血压、动脉粥样硬化、糖尿病等慢性疾病的诊断、治疗与早期预防有显著的相关性。更有研究发现，肠道菌群数量及不同菌群占比与骨质疏松症有密切联系。骨密度降低伴随着相关优势菌群丰度降低、致病菌群丰度增加等现象。肠道粪便微生物移植研究同样证明，肠道菌群分布的不同会影响骨质疏松症的病程。肠道菌群代谢产物是机体在代谢过程中由肠道菌群代谢产生的活性物质，主要包括短链脂肪酸（SCFAs）、维生素、脂多糖（LPS）等。相关研究发现，肠道菌群代谢产物经肠道屏障吸收进入体内后，作为信号分子影响机体免疫系统、内分泌系统、代谢系统、神经系统等，从而对骨生理过程发挥调控作用。

骨生理过程主要由骨形成和骨吸收两部分组成，二者统称为骨代谢。骨代谢平衡是维持人体骨稳定的前提，骨代谢失衡则会导致骨质疏松症、骨关节炎等疾病，以及骨质增生、局部硬化等症状。近年来，微生物-肠-骨轴概念认为，肠道菌群及其代谢产物会对骨代谢过程产生影响，肠道菌群代谢产物及肠道菌群的变化会影响骨代谢过程骨相关细胞的状态。本文对肠道菌群代谢产物在骨代谢疾病中作用机制的研究进展作一综述。

肠道菌群代谢产物的分类

肠道菌群代谢产物是肠道菌群以食物和肠道上皮细胞分泌物质为底物，在肠道内经过代谢生成的二次代谢产物。健康肠道菌群能为人体提供自身无法合成的营养物质，肠道菌群异常时则导致有害代谢产物生成增加，从而加剧骨代谢失衡。目前与骨代谢相关的肠道菌群代谢产物有SCFAs、5-羟色氨（5-HT）、维生素、LPS、氧化三甲胺（TMAO）、尿石素及胆汁酸，其通过影响骨代谢相关细胞调控骨生理活动。

SCFAs      SCFAs为碳水化合物经肠道菌群糖酵解产生，主要包括乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等。对绝经期及围绝经期女性的宏基因组、靶向代谢组学及全基因组测序的综合研究发现，血清中肠道菌群代谢产物戊酸与骨密度呈正相关，是骨骼健康相关的生物标志物。经丁酸钠治疗的氟中毒小鼠骨小梁结构相对紧密，受破坏程度相对较低。对小鼠补充SCFAs饮食，乙酸、丙酸和丁酸补充组小鼠骨量增加，血清中骨吸收标志物1型胶原C端肽（CTX-1）水平明显降低，说明SCFAs具有调控骨代谢的作用。

5-HT      5-HT又名血清素，是一种广泛存在于动物组织中的神经递质。根据合成部位的不同，5-HT可分为脑源性和肠源性，两者分别占5%和95%。其中，肠源性5-HT主要由肠嗜铬细胞分泌和合成，或通过芽孢杆菌及芽孢乳杆菌增加色氨酸羟化酶含量，间接调节5-HT前体色氨酸水平，从而增加5-HT的生成。乙醇诱导的大鼠酒精性骨质疏松症模型中，5-HT与乙醇协同作用导致大鼠骨密度降低，抑制骨形成，导致骨质疏松症。

维生素       人体所需的绝大部分维生素需要从食物中摄取，而肠道菌群生物代谢合成也是维生素的来源之一。肠道菌群合成的维生素主要包括维生素B和维生素K。B族维生素主要包括B1~12，其中B1、B2、B6、B9、B12等可由乳酸杆菌合成，维持宿主生理活动、调节免疫细胞活性，从而抑制致病菌定植。维生素K主要包括维生素K1和维生素K2，肠道菌群来源的维生素K2可由乳酸菌代谢产生。近年来有研究显示，维生素K的水平与关节结构改善呈正相关，与骨关节炎发病率呈负相关。维生素K2对糖尿病并发骨质疏松症大鼠模型的骨小梁数量、厚度及分离度有一定的改善作用；雄性骨折大鼠经维生素K2处理后，其骨膜骨痂更加致密，说明维生素K2对骨折愈合产生积极的作用。

LPS      LPS又名细菌内毒素，为革兰氏阴性菌细胞壁的主要成分。经典LPS具有三重结构，包括脂质A、核心寡糖、O抗原多糖或O抗原，其中脂质A是其主要的生物活性成分。细菌死亡时，LPS从细胞壁中脱落作用于宿主细胞，进入体循环后，介导宿主免疫细胞释放相关免疫因子，激活宿主免疫系统，进而影响骨代谢。在临床中，LPS通常被认为是延缓骨愈合的因素之一。

其他代谢产物      TMAO由富含胆碱、卵磷脂的食物经肠道厚壁菌门和变形菌门催化生成。卵巢切除大鼠骨质疏松症模型中，TAMO的生成抑制人间充质干细胞分化和矿化。尿石素以食物中鞣花酸和鞣花单宁为底物经由肠道菌群代谢产生。尿石素主要分为A和B两种，相关研究显示，尿石素A（UA）能够改善免疫、发挥抗炎作用；尿石素B（UB）主要具有心血管、肾、神经保护等作用。胆汁酸分为初级胆汁酸和次级胆汁酸，初级胆汁酸包括胆酸、鹅去氧胆酸等，常见次级胆汁酸包括熊去氧胆酸、石胆酸、去氧胆酸等。

肠道菌群通过其代谢产物调控骨代谢机制

常见骨代谢疾病主要包括佝偻病、骨质疏松症及高氟饮食导致的氟骨症等。其发病机制主要为骨相关细胞如间充质细胞、破骨细胞和成骨细胞正常生理功能紊乱，诱发骨代谢失衡，其中骨质疏松症为典型的骨代谢失衡疾病。肠道菌群及其代谢产物则会直接作用于骨代谢平衡相关细胞，调控其生长、分化过程，影响骨质疏松症等疾病进程。主要肠道菌群代谢产物调控骨代谢的作用机制及信号通路机制分别见表1及图1。

SCFAs调控骨代谢的作用机制      在小鼠颅骨炎性骨溶解模型中，细胞层面的研究发现，丙酸和丁酸抑制GasderminD-N末端片段，调节细胞凋亡，抑制破骨细胞分化来缓解骨溶解。在骨形成过程中，丁酸盐可通过增加调节性T细胞（Treg）的数量，刺激CD8+T细胞分泌Wnt配体Wnt10b，促进成骨细胞中Wnt信号传导或与甲状旁腺激素（PTH）共同诱导骨合成，有效增加骨量。在骨吸收过程中，丁酸钠可介导破骨细胞调控骨吸收进程。丁酸钠能够降低机体炎症水平，抑制氧化应激和线粒体活性氧，通过促进沉默信息调节因子1（SIRT1）表达，抑制破骨细胞分化，修复受损的骨代谢，减少骨吸收来抑制骨量异常降低，提高骨强度和骨密度。

5-HT介导骨代谢的作用机制     近年来国内外研究发现，5-HT作为一种传统神经递质也参与了骨形成和骨吸收过程，5-HT水平升高可能破坏骨代谢平衡，从而导致骨质疏松症。已知的5-羟色氨受体（5-HTR）主要包括5-HTR1~7，其中，5-HT1BR、5-HT2BR和5-HT2AR在成骨细胞中存在，5-HT1BR与5-HT结合后会抑制环腺苷酸应答元件结合蛋白（CREB）表达，进而作用于细胞周期蛋白（cyclin）基因，下调CycD1、CycD2和CycE1表达来抑制成骨细胞分化，或阻止CREB与叉头框蛋白O1（FOXO1）结合抑制成骨细胞增殖。这表明，5-HT通过其相应受体可以调节成骨细胞分化来调控骨量。5-HT6R是破骨细胞生成的关键调控受体，研究表明，5-HT6R激活增加了破骨细胞生成过程中的抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）活性，敲除5-HT6R小鼠和破骨细胞谱系均表现出破骨细胞生成和形态受损。综上所述，5-HT通过抑制新骨生成，激活破骨细胞，破坏骨代谢平衡，导致骨吸收增加、骨密度降低，引发骨质疏松症。

维生素介导骨代谢的作用机制     维生素B12的缺乏会减少肝脏中牛磺酸的产生，而牛磺酸与肝脏中胰岛素样生长因子（IGF-1）合成有关，进而降低成骨细胞的功能活性。维生素B9（叶酸）和维生素B12可以降低血液中同型半胱氨酸水平，从而起到缓解骨关节炎的作用。细胞研究认为，维生素K主要通过促进成骨细胞分化、抑制成骨细胞凋亡或抑制破骨细胞生成来调控骨代谢过程。最新研究发现，维生素K是抗铁死亡和预防骨质疏松症的有效化合物，能够抑制软骨细胞中谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）水平下降引起的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/核因子κB（NF-κB）信号通路激活，从而减少细胞外基质降解，以缓解软骨细胞炎症。维生素K2通过抑制凋亡相关蛋白FAS和BCL生成，抑制成骨细胞凋亡，维持成骨细胞数量，以缓解骨质疏松症。

LPS介导骨代谢的作用机制     近年研究发现，在骨缺损小鼠模型中，LPS低剂量时抑制骨桥和骨松质形成，减少骨小梁数量，减小骨小梁厚度；LPS高剂量时则诱发骨折，骨小梁参数无法量化。LPS激活成骨细胞中MAPK/细胞外调节蛋白激酶（ERK）1/2信号通路，进而降低磷酸化ERK1/2水平，抑制成骨作用，MAPK/c-Jun氨基末端激酶（JNK）通路则会促进破骨细胞活化，激活成骨细胞中BAX和Caspase-3表达，抑制成骨细胞中B淋巴细胞瘤-2基因（Bcl-2）、碱性磷酸酶（ALP）、骨唾液酸蛋白（BSP）的表达，影响骨生成。LPS致牙周炎小鼠模型中检测到成纤维细胞中的NF-κB信号通路激活，且与半乳糖凝集素3（Gal-3）水平高相关；Gal-3敲除显著降低了LPS诱导的白细胞介素-6（IL-6）和趋化因子配体2（CCL2）的表达。

其他代谢产物介导骨代谢作用机制      目前TMAO与骨相关的研究显示，TMAO可能通过骨代谢相关蛋白来发挥作用。TMAO会剂量依赖性刺激破骨细胞，上调破骨相关基因NFATc1、TRAF6，同时促进c-FOS和NFATc1蛋白的表达，或通过激活活性氧（ROS）依赖性NF-κB信号通路促进小鼠破骨细胞分化，从而导致骨质流失。NF-κB通路对于TMAO诱导骨髓间充质干细胞（BMSC）分化是必要的，在体外研究中，经TMAO处理的BMSC通过NF-κB信号通路显著促进了脂肪生成，从而延缓骨形成，增加ROS、促炎细胞因子白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-6和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）的产生，抑制成骨细胞增殖，导致骨丢失增加。目前尿石素与骨相关研究显示，UA可以通过抑制核因子κB受体活化因子配体（RANKL）诱导的MAPK信号通路中p38蛋白的磷酸化来抑制破骨细胞形成和成熟；UB则通过抑制ERK/NF-κB通路，进而抑制破骨细胞活化来减少骨丢失。胆汁酸在细胞内主要有2种受体：法尼酯X受体（FXR）和G蛋白偶联胆汁酸受体5（TGR5）。研究发现，TGR5的表达能够增加单磷酸腺苷激活的蛋白激酶（AMPK）磷酸化，同时抑制NF-κB和ERK的磷酸化，从而阻止骨质流失。最新研究发现，次级胆汁酸、脱氧胆酸及石胆酸能够作用于骨祖细胞中维生素D受体，上调骨祖细胞中骨髓分化和增殖相关基因。

总结与展望

被称为人类第二基因组的肠道菌群基因数量远超过人类基因数量，这决定了肠道菌群对宿主生理状态有重要影响。肠道菌群及其代谢产物作为骨代谢与微生物之间的重要桥梁，通过人体的免疫、内分泌等系统参与骨代谢过程。肠道菌群代谢产物作为宿主代谢生理活动的信号分子和底物，可通过人体内经典的信号通路如Wnt、NF-κB、MAPK、Toll样受体等信号通路对宿主骨代谢进行调控，从而影响骨代谢疾病。肠道菌群可以作为一个新靶点为骨质疏松症、骨关节炎等骨代谢相关疾病的治疗提供新思路。

现有肠道菌群研究主要采用16SrRNA和宏基因组测序技术。16SrRNA测序技术可对菌群群落、物种组成、多样性等进行分析，宏基因组测序技术在16SrRNA测序技术的基础上，能够在基因水平上实现更高的分辨率，使菌落变化在疾病发生、发展过程中更加可视化。然而，肠道菌群数量和种类庞大，导致菌群代谢产物的溯源存在困难。再者，肠道菌群与代谢产物之间的关系及代谢产物调控人体各个靶器官、靶细胞的作用和机制仍不清楚，需要研究者们进一步对肠道菌群及其代谢产物的分离、分析及其作用于宿主的机制进行研究。掌握肠道菌群代谢产物病理作用机制对通过临床测定患者特定代谢产物含量以辅助判断疾病进程具有一定的意义。此外，具有明确治疗效果的肠道菌群代谢产物可用于开发新型治疗药物，如通过肠道粪便菌移植调控代谢产物相关菌群来间接调控代谢产物，或通过体外人工合成的方式生产药物。肠道菌群代谢产物调控宿主生理机制的研究为疾病治疗及新药开发提供了新思路。

来源：中华骨与关节外科杂志2025年3月第18卷第3期

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