一个多世纪以前，科学家就发现了人类肠道中生活着复杂多样的微生物，它们与我们互惠共生，和谐共存。然而当时，人们并不了解它们对人类健康和疾病的贡献。时间快进到过去的十多年，随着科技的进步，我们越来越了解到肠道菌群在各种疾病中占据了中心地位。
大量研究表明，肠道菌群的组成影响着一系列疾病的发生，包括自身免疫性疾病、糖尿病、肥胖、心血管疾病、神经系统疾病和癌症等。越来越多的证据也表明，将有益细菌重新引入肠道可以在一定程度上帮助减轻疾病的严重性。近年来，肠道菌群对骨骼健康和疾病的影响也正逐渐被揭示。
骨骼是人体一个必不可少的器官，它具有运动（使身体运动）、保护（保护内部器官）、支持（构成身体骨架）、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。
骨骼由骨有机质和骨矿物质组成：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；而骨矿物质主要由钙和磷组成，它们沉积在骨胶原蛋白周围，这为骨骼提供“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。
从儿童期到青春期，骨骼主要经历一个被称为“骨塑建”的过程，即骨骼的一处新骨形成，而另一处旧骨去除，从而改变骨骼的大小和形状。人类的骨塑建能力通常在20-30岁时达到顶峰，之后会发生一个不同的过程，称为“骨重建”，这是指移除旧骨并用新骨替换的过程，这一过程很重要，特别是当发生骨折或者旧骨变得脆弱而需要替换的时候。此外，当机体缺乏或需要钙和磷来满足其它细胞或组织功能时，骨重建也会被激活。
骨骼是由称为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，一种叫做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。
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。
骨质疏松是一种全球性的健康危机，主要发生在老龄化人口中。因此，随着现代医学的发展，人类寿命不断延长，更深入地了解如何保持骨骼健康以及如何预防和治疗骨质减少是至关重要的。现在，越来越明显的是，肠道健康可能对维持骨骼健康有间接影响。
肠道菌群会影响肠道屏障通透性
肠道是人体最大的器官之一，作为消化系统的一部分，它的主要目标是将重要的营养物质吸收到血液中，以维持细胞和身体功能所需的能量，同时需要将那些对人体有害的物质挡在外面。
许多外来病原体和毒素可能随我们所摄入的食物而进入肠道中，如果没有肠道防御屏障，人体的一些关键功能就可能会受到损害。因此，为了保护身体，肠道内存在多种防御屏障：
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首先，肠道最重要的屏障之一是一层紧密排列的肠上皮细胞，它是一种物理屏障，将外界环境与体内器官分隔开来。这些肠上皮细胞通过紧密连接、黏着连接和桥粒连接在一起。这三种连接一起工作，协助离子选择性运输穿过上皮层，也保护上皮层的完整性。
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其次，为了进一步帮助肠上皮细胞的完整性，上皮层中一种叫做杯状细胞的特化细胞会分泌黏蛋白，以增加和维持黏液层，这是一个生化屏障，防止肠道菌群和病原体直接与上皮细胞相互作用。黏液层又分为内黏液层和外黏液层，其中肠道细菌存在于外黏液层，由数以万亿计的细菌组成。当这些细菌保持体内平衡时，它们在肠道功能中发挥重要作用，帮助消化肠道自身无法消化的食物。
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最后，在上皮细胞下面是一群免疫细胞，它们充当第三道防线，阻止肠道细菌进入身体循环，这是免疫屏障。这些肠道免疫细胞，包括巨噬细胞、树突状细胞、T细胞和B细胞，被安置在肠道相关淋巴组织或分散在整个肠道固有层中。
在炎症性疾病状态下，肠道屏障会受损，肠道通透性增加，这使身体容易受到外来物质或肠道细菌易位进入血液循环的影响，从而加剧炎症，这也就是“肠漏”。
除了细胞间连接的直接调节异常以外，杯状细胞分泌的保护性黏液层的减少也会导致屏障完整性的破坏，允许肠道细菌与肠上皮细胞直接相互作用并穿过上皮层。
肠道菌群的组成也可以影响肠道屏障的完整性和炎症。随着多年来证据的积累，恢复或平衡肠道菌群已经成为一种防止肠道通透性增加和抑制炎症的极具吸引力的方法。重新引入有益细菌已经被证明可以恢复肠道菌群并减少疾病的严重程度。
例如，饮食中胆碱和肉碱的增加会通过肠道菌群代谢产生三甲胺，并在肝脏中转化为氧化三甲胺，导致动脉粥样硬化的风险增加；补充乳酸菌可以降低氧化三甲胺的水平，从而减少动脉粥样硬化的发生。此外，糖尿病会改变厚壁菌门和拟杆菌门两种主要细菌门的丰度，导致疾病加重；补充乳酸菌可以减少炎症反应。
肠道菌群会影响骨质量
越来越多的研究发现，肠道相关炎症性疾病与骨量减少有关，这表明肠道健康与骨骼健康是相互关联的。
骨质疏松患者的肠道菌群多样性要明显高于健康个体，特别是厚壁菌门的丰度。一项比较健康个体、骨质减少个体和骨质疏松患者的肠道菌群的研究发现，骨质流失的严重程度与肠道菌群的多样性密切相关。此外，一项针对低骨密度的老年女性的临床研究发现，补充益生菌恢复肠道菌群可以帮助减少骨质流失。
2012年，瑞典哥德堡大学的研究人员首次发现无菌小鼠的骨量明显增加，破骨细胞数量明显减少，骨髓产生的CD4+ T细胞与破骨细胞前体细胞明显减少，而在3周龄时重建无菌小鼠的肠道菌群，骨量和破骨细胞数目以及骨髓产生CD4+ T细胞与破骨细胞前体细胞都恢复正常。同时，无菌小鼠骨骼中的一些炎症细胞因子的表达也明显减少。所以肠道菌群可能通过改变骨骼中的免疫状态，进而影响破骨细胞的生成，参与调节骨代谢。支持这一观点的是，通过使用抗生素清除肠道菌群，也被证明可以恢复骨量。
尽管如此，现在仍不清楚为什么完全清除肠道菌群会对骨骼健康有益。一个可能的原因是在存在肠道细菌的情况下，细菌代谢产物可能通过肠道缓慢渗漏，然后通过多种途径激活破骨细胞或抑制成骨细胞。此外，在发育过程中，当肠道还没有完全形成，无菌状态可以防止一些潜在的有害细菌进入人体血液，这也可能是一个潜在的机制。
然而，一旦人体肠道发育成熟，肠道菌群显然有益于许多对人类健康至关重要的生物学功能。比如，肠道和肠道菌群之间的共生关系在帮助吸收肠道自身无法吸收的营养物质方面非常重要。肠道菌群也是维生素K2的重要来源，这是骨钙素的功能所必需的，可以通过刺激成骨细胞来影响骨形成。此外，研究表明，使用抗生素清除断奶后的小鼠肠道菌群导致维生素K2水平的降低与小鼠骨钙素和骨强度的降低有关。
由于肠道菌群和骨骼健康之间的关系，重新引入有益细菌最近在骨骼健康领域也引起了广泛的兴趣。临床前的小鼠研究发现，补充某些益生菌可以通过恢复肠道菌群和肠道通透性来促进骨骼健康。
雌激素会抑制参与刺激破骨形成和骨质流失的细胞因子，因此女性绝经后雌激素的缺乏也容易导致骨量流失。给正常小鼠注射抑制性激素产生的促性腺激素释放激素亮丙瑞林，会出现明显骨量丢失，骨密度下降，可以模拟女性绝经后雌激素缺乏导致的骨质流失。但是给无菌小鼠注射亮丙瑞林，骨量丢失和骨密度下降则不明显。因此，肠道菌群可能也在性激素缺乏引起的骨量丢失中起到重要作用。给这些雌激素缺乏的小鼠补充罗伊氏乳杆菌可以防止骨质流失。
此外，其它研究表明，在糖皮质激素诱导的肠道菌群失调或抗生素诱导肠道菌群失调小鼠中，补充罗伊氏乳杆菌可以通过减少肠道菌群失调和肠道屏障功能紊乱来抑制骨质流失。
肠道菌群的改变究竟是如何影响骨骼稳态？
显然，肠道菌群的改变会影响肠道屏障通透性，而肠道通透性增加可能导致细菌及其代谢产物向骨骼的易位增加，从而增加和延长破骨细胞生成。
此外，为了防止全身感染，骨骼和其它器官中的免疫细胞会表达Toll样受体识别病原体。TLR4是研究最深入的Toll样受体之一，在免疫细胞上高表达，并被脂多糖（LPS）和损伤相关分子模式配体激活。TLR4一旦被激活，就会促进先天免疫反应和炎症细胞因子的产生。炎症因子特别是IL-23的增加可以促进骨髓中致病性Th17细胞的成熟，进而刺激破骨细胞生成，导致骨质流失增加。
TLR4也被证明在间充质干细胞上表达，而间充质干细胞在骨形成中起着关键作用。间充质干细胞上TLR4的激活可以促进成骨细胞的分化。虽然成骨细胞促进骨形成，但有研究表明，在LPS刺激下，成骨细胞可以促进破骨细胞的分化和骨降解。
肠道菌群代谢物，特别是短链脂肪酸，在调节免疫应答中发挥重要作用。有趣的是，短链脂肪酸也与改善骨骼健康有关。
美国埃默里大学的研究人员进行了一系列研究，探索了肠道和骨骼之间的相互作用。
首先，通过补充益生菌促进丁酸的产生或直接补充丁酸，可以通过激活成骨细胞中的Wnt信号通路，从而增加骨形成。
甲状旁腺激素是骨骼发育的重要调节因子，它促进骨形成和骨吸收。通过利用广谱抗生素清除肠道菌群的小鼠和无菌小鼠的研究发现，甲状旁腺激素需要依赖肠道菌群来刺激骨形成和增加骨量。肠道菌群的清除降低了丁酸的产生水平，这是一种负责肠道-骨骼通讯交流的代谢物，而生理水平的重建可以恢复了甲状旁腺激素诱导的合成代谢。
丁酸的活性是由树突状细胞中的GPR43信号通路和T细胞中的不依赖于GPR43的信号通路所介导的。甲状旁腺激素需要丁酸来增加骨髓调节性T细胞的数量，调节性T细胞可以激活Wnt依赖的骨形成。总之，肠道菌群产生的丁酸在触发调节通路中具有重要作用，而这些通路对于骨骼中甲状旁腺激素的促进骨骼形成作用至关重要。
肠道内稳态失调可导致炎症性免疫表型，这包括产白细胞介素-17（IL-17）的TH17细胞的增加，从而导致TH17细胞向骨骼的易位增加。骨髓中TH17细胞和IL-17的增加会通过刺激骨髓中破骨细胞的分化而促进骨分解。
研究人员调查了肠道免疫细胞在甲状旁腺功能亢进背景下的骨重建中的作用。骨质流失是甲状旁腺功能亢进的常见并发症。研究人员使用抗生素清除肠道菌群的小鼠或无菌小鼠发现，甲状旁腺激素只会导致肠道中富含分枝丝状菌的小鼠出现骨质流失。在肠道中存在丰富的分枝丝状菌的小鼠中，甲状旁腺激素会增加肠道TH17细胞的数量，这些细胞流出肠道，进入循环，迁移到骨髓中，导致骨骼退化。
总结
在过去的十多年里，肠道菌群显然已经成为公众关注的焦点，它在许多慢性疾病的预防和治疗中发挥着重要作用，通过补充有益细菌可以降低许多慢性疾病的严重程度，比如自身免疫性疾病、糖尿病、癌症和心血管疾病等等。
最近，肠道与骨骼的相互作用也越来越受到骨生物学领域的关注，肠道菌群也被证明在调节骨量方面起着重要作用。因此，以肠道菌群为靶点可能是骨质减少或骨质疏松患者的潜在替代治疗途径。从目前收集到的知识来看，通过健康饮食和使用益生菌或益生元来恢复肠道菌群的平衡似乎对恢复骨骼健康有益。当然，在将益生菌或益生元直接推荐给容易发生骨质减少的老年群体之前，还有许多问题需要回答，但是保持健康的饮食和生活方式，维持健康的肠道菌群，任何时候都不应该被忽视。
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参考文献：Cooney, O. D., et al. (2020). "Healthy Gut, Healthy Bones: Targeting the Gut Microbiome to Promote Bone Health." Front Endocrinol (Lausanne) 11: 620466.
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