腸道菌群與骨骼肌消耗癥的研究進展

趙俊花 牛 潔 綜述 周 萍 審校

近年來,骨骼肌消耗受到越來越多的關注。許多慢性和炎癥性疾病均可引起骨骼肌能量消耗過多,導致骨骼肌萎縮。其中,肌肉減少癥是一種年齡相關的肌肉質量及力量減少的疾病。隨著疾病的進展,患者最終表現為骨骼肌萎縮[1]。據報道,在歐洲,60～70歲老年人中肌肉減少癥的患病率為5%～13%,80歲及以上老年人患病率可達11%～50%[2]。骨骼肌萎縮不僅嚴重影響患者日常生活,還給社會帶來極大經濟負擔。據統計,2000年美國因肌肉減少癥導致的醫療保健費用約185億美元,占醫療保健總支出的1.5%[3]。目前大量研究表明,腸道菌群可能參與骨骼肌的能量代謝,因此提出“腸-肌”軸概念。隨著我國老齡化問題日漸突出,骨骼肌萎縮的治療問題也急需解決。因此,深入研究腸道菌群與骨骼肌消耗之間的關系,尋找通過干預腸道菌群來預防和治療骨骼肌萎縮的方法,具有重要意義。本文旨在總結腸道菌群與骨骼肌萎縮的相關機制,以期為預防或改善骨骼肌萎縮提供新的思考。

腸道菌群與骨骼肌消耗

腸道菌群人體內存在大量細菌,其中腸道內細菌含量最多。目前研究發現,腸道細菌數量遠超過人體細胞數量。使用高通量的16SrRNA基因測序對腸道菌群進行分析,發現人體腸道菌群可分為不同門類,其中約90%以上屬于厚壁菌門和擬桿菌門[4]。不同門類的腸道菌群參與構成了腸道內的微生態環境,并且參與人體自出生直至死亡的整個生命過程[5]。

骨骼肌消耗骨骼肌是人體最大的器官,具有可塑性且能夠參與各種機體活動。在腫瘤、嚴重創傷或代謝紊亂等惡病質狀態時,機體會出現骨骼肌蛋白質降解增加及合成減少,從而表現為骨骼肌萎縮。B?ckhed等[6]研究發現腸道菌群參與骨骼肌能量代謝,并提出了“腸-肌”軸的概念。在慢性腎臟病(CKD)研究中發現,患者腎小球濾過率降低,尿素在血液中積聚,并彌散到腸道,使腸道pH升高,從而導致腸道菌群紊亂[7]。唐剛等[8]研究表明,與健康人相比,終末期腎病患者190種腸道菌群發生顯著變化,其中益生菌數量顯著減少。腸道菌群紊亂產生的病理性代謝產物可進入血液循環,并通過相關通路影響骨骼肌消耗,導致骨骼肌萎縮。上述研究進一步表明,腸道菌群可以參與骨骼肌消耗,并影響骨骼肌萎縮。

腸道菌群參與骨骼肌消耗的可能機制

短鏈脂肪酸(SCFA)相關通路在結腸內,腸道菌群可將膳食纖維分解為SCFA和氣體,其中SCFA對宿主健康是非常重要。Lahiri等[9]研究發現,給予無菌小鼠SCFA腸內營養,小鼠體內調節肌肉萎縮相關的泛素連接酶Atrogin-1表達降低,骨骼肌質量增加。實驗表明,腸道菌群的代謝產物SCFA在骨骼肌消耗機制中可能發揮著重要作用,進而影響著骨骼肌的萎縮。

SCFA能與游離脂肪酸受體2和3(Ffar2/3)結合,促進葡萄糖的吸收和代謝,誘導胰島素樣生長因子1(IGF-1)的釋放[10]。IGF-1與膜受體(IGF-1R)結合后,可以激活磷脂酰肌醇激酶(PI3K),磷酸化Akt。磷酸化的Akt既可以激活雷帕霉素靶蛋白(mTOR),促進骨骼肌蛋白質合成,又可以磷酸化FoxO使其失去活性,阻斷骨骼肌蛋白質降解。另外,SCFA還通過兩種機制增加肌肉對脂肪酸的分解代謝。第一是通過增加線粒體內腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)的活性,使肉毒堿棕櫚酰轉移酶1(CPT-1)的活性增強,從而導致脂肪酸氧化增加。第二是通過過氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子1A(PGC-1A)進行調節。PGC-1A是許多核受體和轉錄因子的激活因子,它能調節CPT-1的表達,從而增加脂肪酸氧化。在小鼠模型中,已經證實CPT-1和PGC-1A對肌肉質量有著積極作用,能夠抑制肌肉萎縮[11](圖1)。

圖1 短鏈脂肪酸(SCFA)相關通路與骨骼肌消耗IGF-1:胰島素樣生長因子;IGF1R:IGF-1膜受體;Ffar2/3:游離脂肪酸受體2和3;mTOR:雷帕霉素靶蛋白;CPT-1:肉毒堿棕櫚酰轉移酶1;PGC-1A:過氧化物酶體增殖物激活受體C輔激活因子1A;PI3K:磷脂酰肌醇激酶;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;FoxO:叉頭型轉錄因子;MuRF-1:肌肉特異性環指蛋白1；Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

腺苷酸激活蛋白激酶相關通路AMPK是調節生物能量代謝的重要分子,已經被證實與腸道菌群有關[6]。Hall等[12]發現,在惡病質小鼠模型中,AMPK的激動劑(AICAR)能夠激活AMPK,抑制γ干擾素(IFN-γ)和腫瘤壞死因子α(TNF-α),從而阻止骨骼肌的消耗。IFN-γ/TNF-α可以破壞肌管內線粒體的氧化呼吸,促進有氧糖酵解。激活的AMPK通過抑制IFN-γ/TNF-α,恢復了肌管的部分代謝功能,抑制了骨骼肌的萎縮。而Lahiri等[9]發現,由于無菌小鼠和正常小鼠體內腸道菌群含量的不同,AMPK被活化的程度也不同?；罨腁MPK可直接調節哺乳動物的叉頭型轉錄因子3(forkhead box class O3,FoxO3),進而激活肌萎縮蛋白Fbox-1(Atrogin-1) 和肌肉特異性環指蛋白1 (MuRF-1)的表達,并通過自噬-溶酶體和泛素-蛋白酶體 (UPS)兩種信號通路導致骨骼肌蛋白質發生降解。

因此,在骨骼肌萎縮過程中,激活的AMPK可能具有雙重作用。在疾病進展的早期,AMPK被外源性激活時,可以通過抑制IFN-γ/TNF-α對骨骼肌發揮保護作用,從而抑制骨骼肌萎縮;但在疾病進展的后期,由于骨骼肌線粒體功能障礙和氧化應激被激活,AMPK可通過FoxO/MuRF1/Atrogin-1信號通路導致骨骼肌蛋白質降解,從而導致骨骼肌萎縮(圖2)。

圖2 腺苷酸激活蛋白激酶(AMPK)相關通路與骨骼肌消耗FoxO:叉頭型轉錄因子;MuRF-1:肌肉特異性環指蛋白1;IFN-γ:γ抑制劑;TNF-α:腫瘤壞死因子α;Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

BA/TGR5/cAMP/D2通路膽汁酸(Bile Acid,BA)是一種腸道菌群的代謝產物,能夠進入肌肉,影響肌肉萎縮過程。Abrigo等[13]從野生型小鼠骨骼肌中提取肌管并分離肌纖維,之后用膽汁酸培養,發現野生型小鼠肌纖維直徑減小,肌管萎縮。這表明膽汁酸也參與骨骼肌消耗,從而導致骨骼肌萎縮。Ockenga等[14]研究發現,膽汁酸可以激活G蛋白膽汁酸偶聯受體5(TGR5),激活的TGR5可以使細胞內cAMP水平升高,并誘導甲狀腺激素Ⅱ型脫碘酶(DeiodinaseⅡ,D2)表達,促進T4向T3的轉化,進而啟動UCP基因的表達,最終導致骨骼肌能量消耗增加。但是,在對非酒精性脂肪肝(NaFLD)患者進行的一項研究中,Kobayashi等[15]發現,NaFLD患者的膽汁酸水平與骨骼肌質量呈正相關，提示膽汁酸可能還通過其他機制抑制骨骼肌萎縮。

Toll樣受體(TLR)通路腸道細菌的肽聚糖、脂多糖(LPS)和鞭毛蛋白可以被骨骼肌細胞的TLR-2、TLR-4、TLR-5和TLR-9識別。有研究表明,CKD患者腸道菌群紊亂可引起LPS增多,并通過LPS/TLR/核因子κB(NF-κB)信號通路影響骨骼肌消耗,從而導致骨骼肌萎縮[8]。在Lewis肺癌小鼠模型實驗中,Zhang等[16]觀察到Lewis肺癌細胞條件培養液(LCM)處理的C2C12肌管能通過TLR4激活p38 MAPK-C/EBPβ信號通路,導致肌管萎縮。故TLR主要是通過兩種機制影響骨骼肌消耗:一是增加NK-κB活性,促進IL-6和TNF-α的表達,進而引發肌管的炎癥反應;二是通過MAPK促進Atrogin-1和MuRF1基因的表達,激活UPS和自噬-溶酶體兩種信號通路,從而導致骨骼肌蛋白質發生降解(圖3)。

圖3 TLR通路與骨骼肌消耗LPS:脂多糖;TLR:Toll樣受體;NF-κB:核因子κB;AMPK:腺苷酸激活蛋白激酶;IFN-γ:γ抑制劑;TNF-α：腫瘤壞死因子α;MuRF-1:肌肉特異性環指蛋白1;UPS:泛素-蛋白酶體；Atrogin:人肌萎縮蛋白Fbox

糖皮質激素(GCs)對骨骼肌的糖代謝、脂代謝以及蛋白質代謝有多種調控途徑[17]。(1)在糖代謝過程中,GCs可促進磷脂酰肌醇-3-激酶調節亞基1(Pik3r1)的表達。Pik3r1能夠與胰島素受體底物1(IGF-1R)競爭性結合,阻斷胰島素信號通路。此外,Pik3r1還能激活磷酸酶及張力蛋白同源基因(PTEN),抑制PI3K活性,從而抑制胰島素信號通路。(2)在脂質代謝過程中,GCs可以使骨骼肌內的神經酰胺和二酰甘油累積,誘發胰島素抵抗,從而抑制骨骼肌的脂代謝。(3)在蛋白質代謝過程中,GCs可通過 FoxO促進MuRF1與Atrogin-1 表達,激活UPS和自噬-溶酶體途徑,導致骨骼肌蛋白質降解;此外,GCs還可通過促進Pik3r1的表達,抑制PI3K/Akt/mTOR通路,從而抑制骨骼肌蛋白質合成。Lahiri等[9]觀察發現,無菌小鼠體內下丘腦-垂體-腎上腺軸(HPA)活性升高,進而GCs水平增高。通過構建體外肌管模型,研究發現糖皮質激素可以使肌管中Atrogin-1的表達增高,導致肌管萎縮。這表明,腸道菌群可以促進宿主體內GCs的釋放,進而導致骨骼肌的萎縮。

調節腸道微生態改善骨骼肌萎縮

益生菌益生菌是一類可以定植在宿主胃腸道并對宿主產生益處的活性微生物。其中,乳酸桿菌和雙歧桿菌應用最為廣泛。An等[18]實驗表明,益生菌可以增強腸道免疫反應及黏膜屏障功能,減少有害物質進入宿主循環系統,從而減少炎癥反應,阻止因炎癥反應導致的骨骼肌萎縮。此外,SUN等[19]發現,益生菌可以使小鼠糞便中SCFA的含量升高。SCFA可促進骨骼肌蛋白質合成,同時抑制骨骼肌蛋白質降解,通過調控能量代謝來改善骨骼肌萎縮。以上實驗表明,益生菌可以有效改善骨骼肌萎縮。這為臨床治療骨骼肌萎縮提供了新的思路。

益生元益生元是一類能夠被人體內的微生物進行選擇性利用,并且促進人體健康的物質。益生元的種類豐富,其中的菊粉和低聚果糖能促進乳酸桿菌、雙歧桿菌等有益菌群的生長,同時抑制有害菌群的生長。Theou等[20]選取50例療養院居民進行隨機對照實驗,讓居民分別服用益生元和安慰劑。13周后,服用益生元組的居民與服用安慰劑組的居民相比,其骨骼肌萎縮情況有明顯改善。這證明益生元可以通過改變腸道菌群的組成,改善腸道微環境,進而影響骨骼肌萎縮。由于益生元安全有效且無副作用,臨床醫生或許可以嘗試將益生元制品應用到預防或治療骨骼肌萎縮中。

合生元益生菌和益生元兩者結合形成的一種腸道微生態復合制劑稱為合生元。合生元在腸道內兼具益生菌活性作用和益生元對腸道的保護作用。在對40例危重患者研究中,Seifi等[21]發現,通過腸內營養方式給予合生元治療,患者骨骼肌萎縮癥狀明顯緩解,這表明合生元也能通過改變腸道微生態影響骨骼肌消耗。因為合生元的不良反應少見,患者依從性好,臨床療效可能優于其他藥物。

維生素D 維生素D是一種類固醇激素,除了調節鈣磷代謝,還可調節腸道菌群,保護腸道黏膜。在關于維生素D與嬰兒腎病型膀胱氨酸血癥的研究中,Cheung等[22]發現,患病小鼠補充維生素D后,肌肉萎縮狀況明顯改善。此外,在結直腸癌小鼠實驗中,小鼠補充適量的維生素 D 后,腸道菌群結構發生顯著改變,肌肉萎縮狀況也明顯好轉[23]。以上實驗表明,維生素D可以改善骨骼肌萎縮,或許能成為臨床上治療骨骼肌萎縮的一種新方法。

糞菌移植糞菌移植是一種將健康供者糞便中的功能菌群移植到患者腸道內,通過重建患者腸道菌群結構來治療某些疾病的新興技術。目前,在胃腸道疾病、自身免疫性疾病、神經退行性疾病等多種疾病治療中,糞菌移植已經被成功應用。Chen等[24]給小鼠腹腔注射5-FU,小鼠骨骼肌發生明顯萎縮。之后給小鼠進行糞菌移植,發現小鼠腸道菌群相對豐度明顯增加,骨骼肌萎縮明顯改善,表明糞菌移植可以通過調整腸道菌群結構治療骨骼肌萎縮,為臨床治療骨骼肌萎縮提供了一種新的思路。需注意的是,糞菌移植并非毫無風險,研究人員還需制訂嚴格的流程,對捐贈的糞便進行全面檢驗及篩選,以確保其移植后的安全性及有效性。

植物活性物質番茄紅素是一種常見的類胡蘿卜素,廣泛存在于番茄、西瓜等水果中。Wiese等[25]研究發現,番茄紅素能顯著增加小鼠腸道內雙歧桿菌和乳酸桿菌的相對豐度,改善腸道菌群結構,影響骨骼肌萎縮。在Adams等[26]研究中,番茄紅素被證實是骨骼肌萎縮的天然小分子抑制劑。番茄紅素可以激活PI3K/Akt/mTOR通路中的mTOR,促進骨骼肌蛋白質的合成,從而抑制骨骼肌萎縮。

白藜蘆醇(RSV)是存在于核桃、漿果和葡萄等多種植物中的天然多酚。在CKD小鼠模型中,Sun等[27]發現,RSV可以通過下調MuRF1的表達,減少骨骼肌蛋白質降解,進而減輕骨骼肌萎縮。Korsholm等[28]對患有代謝綜合征的中年男性進行為期4個月的RSV治療后,發現患者腸道菌群結構發生明顯變化,患者骨骼肌萎縮明顯減輕。

白術內酯Ⅲ(ATL-Ⅲ)是白術根莖的主要成分。Wang等[29]實驗表明,ATL-Ⅲ是一種肌肉萎縮的保護性藥物,通過氧化應激介導的PI3K/Akt/mTOR途徑,促進骨骼肌蛋白質合成,改善CKD小鼠的骨骼肌萎縮。

綜上所述,在小鼠實驗中,已知植物活性物質可以有效改善骨骼肌萎縮,但其臨床應用有待進一步研究。

總結與展望

骨骼肌萎縮造成的負擔日益增加。隨著對腸道菌群和骨骼肌消耗研究的深入,兩者相互影響的機制也日漸清晰,包括SCFA相關通路、AMPK相關通路、BA/TGR5/cAMP/D2通路、TLR通路及GCs相關通路等。由此可見能引起骨骼肌消耗的因素多種多樣,通路錯綜復雜,因此腸道菌群對骨骼肌消耗的影響機制仍需繼續探索。另外,由于腸道菌群改善骨骼肌萎縮的研究多是動物實驗,因此還需更多的臨床隨機對照試驗加以證實,為腸道菌群治療骨骼肌萎縮展開更廣闊的前景。