何彥鋒，徐婷婷，陳 盼，劉凱莉，解靜菲，岳 珂，張朝棟，林露茜，曹芹芹，張喜文，黃淑成

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.信陽農(nóng)林學(xué)院動物科技學(xué)院，河南 信陽 464000）

腸道菌群是指存在于動物腸道中數(shù)量龐大的微生物群體。 腸道菌群中的有益菌群具有調(diào)節(jié)腸道整體微生物代謝、 增強(qiáng)免疫屏障功能和免疫應(yīng)答、加強(qiáng)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收等功能［1］。 崔錦等［2］在對益生菌的研究中也得到證實(shí)，日糧添加丁酸梭菌、凝結(jié)芽孢桿菌、 釀酒酵母發(fā)酵物能夠提升腸道對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力。動物出生以后，腸道菌群就定植于宿主的腸道之中，并在宿主營養(yǎng)代謝、免疫應(yīng)答和內(nèi)分泌過程中起著重要作用。 腸道菌群的平衡同時還受飲食方式、 抗生素的使用等多種因素的影響， 其穩(wěn)態(tài)平衡與機(jī)體的正常生命活動存在密切關(guān)聯(lián)［3］。

骨代謝是指骨吸收與骨形成的動態(tài)平衡過程，在生命的各個階段都會經(jīng)歷骨重塑，這種重塑過程需要破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞兩種細(xì)胞的協(xié)同作用［4］。 成骨細(xì)胞（OB）與破骨細(xì)胞（OC）在維持動物機(jī)體正常骨量中起著至關(guān)重要的作用。OB 負(fù)責(zé)骨基質(zhì)的合成、分泌和礦化，而OC 的主要作用是吸收骨基質(zhì)，兩者的協(xié)同作用受多種因素影響，如干細(xì)胞抗原、激素、生長因子等［5］。

腸道菌群與動物宿主存在著互利共生的關(guān)系，這是兩者長期共同進(jìn)化和相互影響的結(jié)果。這些數(shù)量龐大且具有豐富多樣性的腸道菌群對動物的健康至關(guān)重要，骨骼健康也不例外。腸道菌群能夠通過影響調(diào)控骨代謝的因素， 與骨代謝的調(diào)節(jié)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。近年來的研究表明，腸道菌群能夠通過多種途徑調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的比例和相對活性，從而影響骨的代謝與正常生長發(fā)育，包括通過調(diào)節(jié)腸道內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收、 腸道免疫作用和腸道內(nèi)分泌作用以及腸道代謝產(chǎn)物幾個方面影響骨代謝［6］。

1 腸道菌群通過影響營養(yǎng)物質(zhì)吸收調(diào)節(jié)骨代謝

腸道菌群能夠通過影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收調(diào)節(jié)骨代謝。 在很多營養(yǎng)物質(zhì)中，鈣、磷是人體正常運(yùn)作必需的， 影響著許多細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)生化合成過程， 鈣和磷對維持動物骨骼的生長發(fā)育及代謝起著重要作用［7］。 陳璐璐等［8］的研究表明，腸道菌群與一些炎癥性腸道病的發(fā)展具有一定相關(guān)性，它能夠?qū)е履c道中鈣和VD 的吸收減少， 間接影響骨代謝， 從而增加了骨代謝失衡發(fā)生的風(fēng)險。張安榮等［9］對于丁酸梭菌的研究中發(fā)現(xiàn)，在肉雞的基礎(chǔ)日糧中添加丁酸梭菌可以顯著改善肉雞對鈣、磷的吸收和利用，能有效降低肉雞鈣、磷排泄量，從而在一定程度上利于骨骼的發(fā)育與代謝。

腸道是機(jī)體吸收營養(yǎng)物質(zhì)的重要場所， 而腸黏膜屏障的功能完整性是機(jī)體維持正常腸道營養(yǎng)吸收和免疫功能的基礎(chǔ)， 同時對致病菌的侵襲存在抵抗作用。腸黏膜屏障由機(jī)械屏障、生物膜屏障和免疫屏障組成，主要包括黏液、微生物、上皮細(xì)胞和免疫成分［10］。 機(jī)械屏障由腸上皮細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞分泌的黏液組成［11］。 腸道菌群具有保持腸道結(jié)構(gòu)完整性和正常分泌的功能， 從而穩(wěn)定腸黏膜的機(jī)械屏障［12］。同時，腸道菌群可以通過維持腸道pH 值、增加腸絨毛高度與隱窩深度的比值、抑制腸黏膜細(xì)胞的凋亡、調(diào)控腸上皮細(xì)胞間緊密連接蛋白的表達(dá)等多種途徑維護(hù)生物膜屏障［13］，從而保障營養(yǎng)物質(zhì)鈣磷的正常吸收。 此外，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可以刺激腸上皮細(xì)胞分泌黏液， 并在黏膜與微生物之間形成一層保護(hù)層，起到加強(qiáng)腸黏膜屏障的作用。 腸上皮細(xì)胞中緊密連接相關(guān)蛋白基因表達(dá)的下調(diào)導(dǎo)致腸機(jī)械屏障的破壞和腸壁通透性的增加， 從而加重腸道損傷和炎癥。

當(dāng)腸道受到某些物質(zhì)（例如膽汁、溶菌酶或某些信號分子）的刺激時，會導(dǎo)致腸黏液變薄、腸絨毛發(fā)生萎縮， 腸絨毛與隱窩深度比值下降以及黏膜更新緩慢和修復(fù)能力下降， 病原體侵入的可能性就會增加［14］，從而影響腸道對于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用。 雙歧桿菌和乳酸桿菌作為腸道菌群中的主要益生菌群， 具有抑制需氧病原體定植的厭氧特性。馬文鋒等［15］的研究結(jié)果表明，枯草芽孢桿菌對蛋雞腸道形態(tài)結(jié)構(gòu)及腸道微生物組成結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生改善作用。綜上所述，腸道菌群能夠通過改善動物的營養(yǎng)吸收功能， 對骨骼的發(fā)育和代謝產(chǎn)生有利影響。

2 腸道菌群通過影響免疫作用調(diào)節(jié)骨代謝

腸道菌群可以調(diào)節(jié)動物機(jī)體的消化代謝功能和免疫系統(tǒng)平衡， 腸道中特定的菌群可通過對免疫系統(tǒng)的影響，維持宿主的免疫機(jī)能穩(wěn)態(tài)平衡。腸道作為動物機(jī)體內(nèi)最大的免疫器官， 其免疫屏障發(fā)揮著重要的作用。 當(dāng)腸黏膜免疫屏障功能遭到破壞時，通常伴有炎癥反應(yīng)。 此時，腸道則會發(fā)揮免疫作用。同時，腸道內(nèi)的腸道菌群可以通過影響OPG/RANK/RANKL 信號系統(tǒng)、細(xì)胞因子、免疫細(xì)胞及免疫組織器官對免疫作用進(jìn)行調(diào)節(jié)， 間接調(diào)控骨代謝［16］。

2.1 腸道菌群通過影響免疫因子調(diào)節(jié)骨代謝

腸道菌群內(nèi)的某些菌或其代謝物作為抗原，能夠刺激腸道中B 細(xì)胞和T 細(xì)胞的分化和成熟，從而提高腸道體液免疫和細(xì)胞免疫的免疫應(yīng)答效應(yīng)［17］。而免疫過程中產(chǎn)生的大量細(xì)胞因子，如白細(xì)胞介素、腫瘤壞死因子（TNF）等；同時，也可通過調(diào)節(jié)OC 和OB 表面上RANK 和RANKL 的表達(dá)，或調(diào)節(jié)RANK 介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)信號而間接發(fā)揮調(diào)控作用［18］。

腫瘤壞死因子-α（TNF-α）在雌激素缺乏導(dǎo)致的骨丟失中發(fā)揮作用， 能夠通過上調(diào)RANKL 在OB 中的表達(dá)和增強(qiáng)輔助性T 細(xì)胞17（Th17）的誘導(dǎo)刺激調(diào)節(jié)骨吸收［19-20］。 Th17 細(xì)胞屬于CD4+T 細(xì)胞的破骨細(xì)胞群， 它能夠通過分泌IL-17 和低水平的γ-干擾素（IFN-γ）誘導(dǎo)破骨細(xì)胞的生成［21］，從而導(dǎo)致骨質(zhì)發(fā)生破壞。 但喻晶［22］的研究結(jié)果顯示，IFN-γ 能夠降低小鼠破骨細(xì)胞前體的表達(dá)水平， 并且能減輕由膠原誘導(dǎo)的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎動物模型的關(guān)節(jié)病變程度。 IL-17 是由Th17 細(xì)胞分泌的一類細(xì)胞因子， 參與各種關(guān)節(jié)類疾病的病理過程［23］；IL-17 能夠通過增強(qiáng)IL-6 產(chǎn)生介導(dǎo)炎癥反應(yīng)， 還可以誘導(dǎo)樹突狀細(xì)胞或巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞分泌蛋白酶類物質(zhì)導(dǎo)致軟骨發(fā)育被破壞，同時還可以上調(diào)成骨細(xì)胞表達(dá)RANKL， 從而激活破骨細(xì)胞的活性，直接導(dǎo)致骨質(zhì)流失［24］。 由此可見，腸道菌群能夠通過免疫因子參與骨代謝的調(diào)節(jié)過程。

2.2 腸道菌群通過影響免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)骨代謝

腸道內(nèi)存在著許多免疫細(xì)胞，如杯狀細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、肥大細(xì)胞等。腸道菌群的穩(wěn)態(tài)平衡除了影響宿主的生長發(fā)育和機(jī)體代謝， 還在一定程度上影響著腸道免疫細(xì)胞的分化、成熟過程［25］。腸道菌群可以通過與腸道黏膜表面的免疫細(xì)胞相互作用，恢復(fù)腸黏膜免疫屏障，調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞的活性和促炎細(xì)胞因子的分泌和釋放過程， 以抑制炎癥誘導(dǎo)進(jìn)一步對腸黏膜的損害， 從而通過改善機(jī)體的免疫機(jī)能，間接調(diào)節(jié)骨代謝過程［26］。賈淑媛等［27］的研究顯示， 免疫細(xì)胞中的B 淋巴細(xì)胞水平與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎存在相關(guān)性， 并發(fā)現(xiàn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎組中的B 淋巴細(xì)胞數(shù)量顯著增加， 所以抑制B 淋巴細(xì)胞或能改善類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎中的骨破壞作用。同時，研究表明，嗜酸乳桿菌可降低免疫細(xì)胞中IL-6 和TNF-α 的表達(dá)，增加IL-10 的表達(dá)，導(dǎo)致杯狀細(xì)胞和肥大細(xì)胞的產(chǎn)生增加，并改善腸黏膜免疫屏障，促進(jìn)骨骼的生長發(fā)育［28］。所以，腸道菌群具有刺激免疫細(xì)胞增殖分化， 促進(jìn)細(xì)胞因子分泌和釋放的作用。

2.3 腸道菌群通過影響免疫器官調(diào)節(jié)骨代謝

除了免疫因子、免疫細(xì)胞能夠調(diào)節(jié)骨骼發(fā)育，免疫器官的指數(shù)在一定程度上也可以反映機(jī)體骨代謝的能力。 腸道菌群中的益生菌群能夠促進(jìn)機(jī)體免疫器官的發(fā)育， 這一點(diǎn)也在多個研究中被證實(shí)［29-30］。 如張雪等［31］的研究表明，添加不同水平的蠅蛆抗菌肽可以提高黃羽鵪鶉血清球蛋白和免疫球蛋白含量，增加腸道有益菌群的數(shù)量，從而改善腸道菌群結(jié)構(gòu)，促進(jìn)機(jī)體免疫器官的發(fā)育與成熟。吳影等［32］的研究表明，在飼糧中添加適宜的酒糟基復(fù)合益生菌制劑， 能夠顯著提高肉雞的肝臟指數(shù)和脾臟指數(shù)， 說明益生菌在一定程度上能夠促進(jìn)免疫器官的發(fā)育?？梢?，腸道菌群通過提升動物機(jī)體的免疫功能，通過免疫細(xì)胞、免疫因子等作用于骨組織調(diào)節(jié)RANKL/OPG 的比例影響骨骼的生長發(fā)育［33］。 這也證實(shí)了腸道菌群能夠促進(jìn)免疫器官的發(fā)育， 免疫器官的發(fā)育可在一定程度上反映機(jī)體骨代謝的能力。

3 腸道菌群通過影響內(nèi)分泌調(diào)節(jié)骨代謝

腸道菌群中的有害菌和有益菌均能產(chǎn)生某些激素作用于機(jī)體的組織、器官等影響骨重塑。腸道菌群可通過腸—腦軸調(diào)節(jié)激素水平從而影響骨代謝［34］。 大量的研究表明，雌激素、5-羥色胺（5-HT）和胰島素樣生長因子-1（IGF-1）等物質(zhì)對于骨代謝具有調(diào)節(jié)作用［35-37］。

3.1 腸道菌群通過影響雌激素水平調(diào)節(jié)骨代謝

雌激素在人體內(nèi)廣泛分布， 不僅具有促進(jìn)和維持雌性動物生殖器官發(fā)育和第二性征的作用，還對動物機(jī)體的內(nèi)分泌系統(tǒng)、心血管、代謝系統(tǒng)以及骨骼的生長發(fā)育和成熟存在顯著的影響［38］。 但雌激素的水平并不是一成不變的， 由于婦女絕經(jīng)后，雌激素水平顯著下降，機(jī)體較為明顯的變化就是骨質(zhì)的破壞和流失， 進(jìn)一步演變?yōu)楣琴|(zhì)疏松疾病的產(chǎn)生。阮璐薇等［39］研究中提到，雌激素水平下降，也會引起腸道菌群的失調(diào)，并在一定程度上加重骨代謝的紊亂， 表明腸道菌群的改變與雌激素水平的變化對于骨質(zhì)的改變可能存在著協(xié)同作用。 張力等［40］的研究顯示，人體通過攝入益生菌改變腸道菌群組成，對于維持機(jī)體雌激素的正常水平及其代謝平衡存在顯著的作用。 另外，β-葡萄糖醛酸酶對于雌激素具有調(diào)控作用，而腸道菌群的結(jié)構(gòu)可以影響β-葡萄糖醛酸酶的活性，從而可以通過攝入益生菌調(diào)節(jié)腸道菌群組成，調(diào)節(jié)雌激素代謝平衡［41］。 對于腸道菌群結(jié)構(gòu)的調(diào)整，可避免由于雌激素水平降低導(dǎo)致子宮內(nèi)膜增生、子宮內(nèi)膜移位、乳腺癌等疾病發(fā)生，達(dá)到預(yù)防疾病的目的。

3.2 腸道菌群通過影響5-羥色胺調(diào)節(jié)骨代謝

5-羥色胺（5-HT）又名血清素，是一種廣泛存在于動物組織當(dāng)中的神經(jīng)遞質(zhì)， 具有多種調(diào)控作用，如通過作用于免疫細(xì)胞表面的受體，刺激免疫細(xì)胞發(fā)揮免疫作用及其細(xì)胞因子的分泌； 其與神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)也具有相關(guān)性，包括痛覺、食欲以及情緒的控制［42］。 5-HT 主要由腸嗜鉻細(xì)胞合成、分泌并發(fā)揮作用，它直接作用于OB 促進(jìn)骨的形成，并且抑制骨吸收， 對骨骼的生長發(fā)育產(chǎn)生積極作用。 色氨酸氫化酶Tph1 是腸道5-HT 發(fā)揮信號傳遞作用的限速酶。Zhang 等［43］發(fā)現(xiàn)某些腸道菌群如棒狀桿菌產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物， 可以直接誘導(dǎo)上調(diào)Tph1 在細(xì)胞中的表達(dá)，使動物機(jī)體外周組織中5-HT 水平升高，從而促進(jìn)骨的形成。此外，具有產(chǎn)生丁酸特性的腸道菌種能夠通過丁酸刺激Tph1 表達(dá)上調(diào)，影響外周5-HT 的合成，促進(jìn)骨骼發(fā)育，并減少骨的流失。 并且，5-HT 具有改善腸道形態(tài)的功能， 對于受損的腸道組織具有一定的修復(fù)作用。 這些發(fā)現(xiàn)在郝曉冬等［44］的研究中也得到了證實(shí)，5-HT 及其受體能夠參與調(diào)節(jié)胃腸的形態(tài)功能（包括絨毛長度和隱窩深度）， 以及改善胃腸道的運(yùn)動機(jī)能和分泌作用。 綜上所述，5-HT 能夠發(fā)揮信息傳遞作用，調(diào)節(jié)骨代謝平衡，并對骨質(zhì)有一定的改善作用。

3.3 腸道菌群通過影響IGF-1 調(diào)節(jié)骨代謝

胰島素樣生長因子-1 是一種對動物生長發(fā)育有促進(jìn)作用的內(nèi)分泌激素，對于細(xì)胞的增殖、分化和細(xì)胞周期生命活動起著關(guān)鍵作用［45］。 而IGF-1R 是與IGF-1 結(jié)合的受體， 廣泛表達(dá)于脂肪組織、肝臟和骨骼等器官。腸道菌群能夠通過自身代謝產(chǎn)物（如5-HT、ATP、SCFAs 等）調(diào)節(jié)宿主IGF-1的內(nèi)分泌作用，影響動物機(jī)體骨代謝的平衡。大量研究發(fā)現(xiàn)，IGF-1 在骨形成和骨重建中扮演著重要角色，主要通過內(nèi)分泌方式發(fā)揮調(diào)控作用。研究表明［46］，當(dāng)軟骨細(xì)胞的IGF-1R 基因被敲除后，通過阻止IGF-1R 與IGF-1 結(jié)合，阻斷信息的傳遞，結(jié)果對于動物的骨生長板骨化具有延遲作用，僅有少量的骨骼發(fā)生礦化， 說明IGF-1 在促進(jìn)骨細(xì)胞的分化與成熟， 以及骨代謝方面發(fā)揮著重要作用；當(dāng)骨細(xì)胞膜上的IGF-1R 表達(dá)不足時，會在一定程度上導(dǎo)致骨形成減少， 從而增加了骨質(zhì)疏松的風(fēng)險， 這或許與IGF-1 誘導(dǎo)的成骨細(xì)胞分化不足相關(guān)。 此外，IGF-1 還可通過促進(jìn)甲狀旁腺素的分泌增加鈣沉積，刺激骨骼形成［47］。

大量研究顯示， 腸道菌群可誘導(dǎo)宿主的外周組織產(chǎn)生IGF-1， 從而間接調(diào)控骨骼代謝過程和正常生長發(fā)育。研究顯示［48］，在肉雞飼糧當(dāng)中添加植物乳桿菌后， 肉雞肝臟中的IGF-1 表達(dá)量顯著上調(diào)， 這也進(jìn)一步證實(shí)腸道菌群對于骨代謝的調(diào)節(jié)作用。 上述IGF-1 對多種骨組織代謝的調(diào)節(jié)作用表明， 一定表達(dá)水平的IGF-1 對于機(jī)體骨骼的正常生長發(fā)育和骨代謝平衡具有顯著作用。

4 腸道菌群代謝產(chǎn)物的調(diào)節(jié)作用

腸道菌群的代謝產(chǎn)物也具有調(diào)節(jié)骨代謝的作用，而其代謝物中的短鏈脂肪酸（SCFAs）發(fā)揮著重要的作用。武雅婷等［49］研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的結(jié)構(gòu)組成和糞便代謝物中短鏈脂肪酸含量不同的人群，骨密度存在不同程度的差異，這也說明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物與骨代謝存在關(guān)聯(lián)。 現(xiàn)有的研究表明［50］，SCFAs 可通過多種作用途徑影響骨代謝過程，如通過調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞促進(jìn)OB 分化；直接抑制OC 分化； 以及降低腸道pH 值促進(jìn)鈣的吸收等。 腸道菌群可將食物中的可溶性谷物纖維消化降解為SCFAs，從而降低腸道pH 值，促進(jìn)鈣吸收并抑制骨細(xì)胞形成［51］。 研究證實(shí)［52］，SCFAs 依賴GPR43（乙酸和丙酸受體）誘導(dǎo)外周調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的發(fā)育， 受刺激的骨髓細(xì)胞分化形成的破骨細(xì)胞前體細(xì)胞表達(dá)GPR43 （乙酸和丙酸受體）和GPR109（丁酸和煙堿受體），而后受體受到SCFAs的刺激，調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞發(fā)揮促進(jìn)OB 分化的作用。這為SCFAs 通過激活GPRs 影響OB 與OC 的相對活性提供了部分依據(jù)。

SCFAs 還能通過調(diào)控IGF-1 的水平間接促進(jìn)生長和骨重建。在Yan 等［53］的研究中，利用抗生素處理小鼠， 降低其血清中IGF-1 和盲腸中SCFAs水平后， 再補(bǔ)充SCFAs， 發(fā)現(xiàn)小鼠體內(nèi)的IGF-1含量恢復(fù)正常。這表明SCFAs 能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞的分化，利于骨骼的形成和發(fā)育。 綜上說明，腸道菌群的代謝產(chǎn)物與改善腸道環(huán)境和骨骼的生長發(fā)育存在相關(guān)性，并且與骨代謝的調(diào)節(jié)有著密切關(guān)聯(lián)。

5 小結(jié)

綜上所述，腸道菌群能夠通過影響營養(yǎng)吸收、免疫功能、 內(nèi)分泌及其代謝產(chǎn)物的作用調(diào)節(jié)動物機(jī)體骨代謝。 這些途徑相互關(guān)聯(lián)，聯(lián)系密切，并不是以獨(dú)立的方式存在于機(jī)體之中。 關(guān)于腸道菌群調(diào)節(jié)骨代謝的信號通路尚不明確， 仍需要大量的試驗(yàn)進(jìn)行研究。 隨著對腸道菌群功能逐步深入的研究， 腸道菌群的合理利用會為動物骨骼疾病的預(yù)防提供新的方向， 并在骨骼疾病的治療上達(dá)到更好的效果。