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[转载]多酚等膳食成分与肠道菌群协同作用可以更好地改善骨质疏松症

已有 624 次阅读 2024-1-11 17:45 |系统分类:科普集锦|文章来源:转载

多酚与肠道菌群改善骨质疏松症.png

随着人口老龄化的不断加重,骨质疏松症(OP)已成为三大慢性疾病之一。骨质疏松症会导致骨折风险增加骨骼变性身体功能受限等。因此,骨质疏松症的防治逐渐成为中老年人健康关注的焦点,减少和治疗骨质疏松症对于减轻医疗负担、缓解社会压力具有重要意义。

数据显示,全球大约每3秒就有一例骨质疏松性骨折发生,大约50%的女性20%的男性50岁后患有原发性骨质疏松性骨折。

骨质疏松症是一种慢性疾病,其特征是骨组织微结构恶化骨量减少。研究表明,体内激素失衡氧化炎症可影响破骨细胞和成骨细胞的动态平衡,主要表现为骨微结构退化骨量减少骨强度下降。骨髓间充质干细胞的成骨分化和骨内血管生成的下降同时发生,导致骨脆性增加骨折易感性增加

我们日常的饮食中多酚类物质含量极其丰富,并且可以在自然界的多种植物中找到。多酚在化学上被鉴定为具有酚类结构特征的化合物。多酚的丰富来源包括水果蔬菜全谷物,以及其他类型的食物和饮料,如茶、巧克力葡萄酒

多酚可以通过影响骨形成骨吸收而在骨重建中发挥作用。多酚作用于破骨细胞成骨细胞骨髓间充质干细胞调节多个重要信号通路,在骨重塑中发挥重要作用。此外,多酚还通过抗炎、促进骨形成等机制抑制骨质疏松症

此外,越来越多的研究表明,骨质疏松症患者及相关动物模型的肠道菌群与健康个体的肠道菌群有些不同骨质流失的严重程度也与肠道菌群的改变有关。这也表明肠道微生物群可能成为预防和治疗骨质疏松症的潜在目标。

通过产生代谢物,肠道微生物影响和调节肠道屏障功能。正常的肠道屏障对于隔离有害物质、促进营养吸收提供免疫保护非常重要。肠道屏障功能受损被认为是导致骨质疏松症的致病因素之一。

肠道微生物紊乱削弱了肠道屏障功能,导致有害物质进入体内,从而促进激活破骨细胞并导致骨吸收因子的产生,影响骨形成和骨吸收,最终导致骨质疏松

多酚等膳食成分还与肠道微生物群存在相互作用。肠道微生物群可以将多酚降解为更容易吸收的代谢物,从而提高其生物利用度。多酚可以塑造肠道微生物群增加其丰度和活性,增强肠道屏障功能。在两者的协同作用下,可能对骨质疏松症的治疗效果最大化

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Wang K,et al.Front Immunol.2023

了解骨质疏松症及其危害

随着人口老龄化的不断加重,骨质疏松症(OP)已成为三大慢性疾病之一。这种全身性骨骼疾病的特点是骨矿物质密度(BMD)低骨组织微结构恶化骨量减少

世界卫生组织将骨质疏松症定义为骨密度T值低于相应年龄和种族的健康年轻人平均密度2.5或更多标准差。

骨质疏松症的特点是破骨细胞功能增加,随后骨吸收增加骨形成相应减少。成骨细胞和破骨细胞失衡骨密度低骨愈合不良的标志。成骨细胞是骨骼生长和维持的重要细胞,它们形成骨组织。

★ 年龄增加和女性绝经是骨质疏松的最常见原因

骨质疏松症最常见的原因是绝经年龄,因为骨重塑过程受到雌激素甲状旁腺激素炎症细胞因子维生素D的调节。

因此,老年女性的患病率(30%)高于老年男性(16%)

研究表明,体内激素失衡和局部氧化炎症也可影响破骨细胞和成骨细胞的动态平衡,主要表现为骨微结构退化、骨量减少、骨强度下降。骨髓间充质干细胞的成骨分化和骨内血管生成的下降同时发生,导致骨脆性增加骨折易感性增加

每年估计有890万起骨折是由于骨质疏松症而造成的。

▼骨质疏松症主要分为原发性和继发性

由于骨骼是一种可塑性物质,它会根据生理体外因素不断进行重塑,因此骨吸收增加以及随之而来的骨质流失,呈现出一种复杂的病理生理学,可能受到年龄激素水平遗传倾向,以及药物(如糖皮质激素)、生活方式饮食的影响。

骨质疏松症分为原发性继发性二大类。

✦ 原发性骨质疏松症

原发性骨质疏松症是指没有明显的诱因或疾病导致的骨质疏松症。它包括与年龄相关的骨质疏松症和绝经后骨质疏松症以及特发性骨质疏松(包括青少年型)。

老年性骨质疏松症:老年性骨质疏松症是一种与年龄相关的骨质疏松症,通常发生在50岁以上的男性和女性。它是由于骨骼的自然老化骨形成减少而引起的。

老年性骨质疏松症患者的全身性骨质减少,尤其是脊椎髋部前臂骨。因此一些老人在不慎摔倒后特别容易出现髋部骨折

绝经后骨质疏松症:绝经后骨质疏松症是绝经后女性最常见的骨质疏松症类型。在绝经后,女性体内雌激素水平下降,导致骨质流失加速

绝经后骨质疏松症主要影响脊椎骨髋部骨,增加骨折的风险。

特发性骨质疏松症:特发性骨质疏松症是指非目前所知的任何原因引起的骨质疏松。它包括特发性青少年骨质疏松特发性成年骨质疏松,它们的病因和发病机制有很大不同。特发性青少年骨质疏松是一种比较罕见的病症,而特发性成年骨质疏松较常见

特发性骨质疏松原因尚未明确,可能的原因是骨量的峰值下降造成骨量与同龄人比相对减少。骨量减少可能在早年就已经开始,并持续至成年。

✦ 继发性骨质疏松症

继发性骨质疏松症是由其他疾病、药物或疗法引起的骨质疏松症。它可以是由以下原因引起的:

激素失衡:某些激素失衡,如甲状腺功能亢进垂体功能减退库欣综合征(皮质醇增多症)等,都可能导致骨质疏松症。

药物:长期使用某些药物,如糖皮质激素抗癫痫药物抗抑郁药物等,也可能导致骨质疏松症。

慢性疾病:一些慢性疾病,如类风湿性关节炎炎症性肠病慢性肾病等,会增加骨质疏松的风险。

营养不良:缺乏足够的钙维生素D和其他营养素,也可能导致骨质疏松症。

其他原因:骨质疏松症还可能与酗酒、吸烟、久坐不动、低体重指数等因素有关。

▼骨质疏松症的危害

骨质疏松症是一种骨骼疾病,其主要特征是骨组织的密度和质量下降,导致骨骼变得脆弱和易碎。但骨质疏松症还可能带来以下其他危害

✦ 骨折风险增加

骨质疏松症使骨骼变得脆弱,易于发生骨折。常见的骨折部位包括腕部、脊椎、髋部和股骨颈。即使是日常活动中的轻微压力或摔倒,也可能导致骨折,严重影响生活质量。

✦ 身体功能受限

骨质疏松症引起的骨折可能导致疼痛、残疾和功能受限。脊椎骨折可能导致身高减少、姿势异常背部疼痛,严重影响日常活动和生活质量

✦ 骨骼变形

骨质疏松症使骨骼弱化,容易发生骨骼变形,如驼背(脊柱前屈)和骨质疏松相关的骨折,这可能导致身体外观的改变和功能障碍

✦ 慢性疼痛

骨质疏松症可能导致慢性骨痛,尤其是脊椎骨折引起的背部疼痛。这种疼痛可能会影响日常活动、睡眠和心理健康。

✦ 增加死亡风险

骨质疏松症相关的骨折,特别是髋部骨折,与较高的死亡风险相关。骨折还可能导致并发症,如感染、血栓形成和肺栓塞等,严重影响患者的生存率

✦ 经济负担

骨质疏松症和相关骨折对个人、家庭和社会都带来了巨大的经济负担。治疗骨质疏松症和骨折的医疗费用、康复费用和长期护理费用都很高。

▼骨质疏松症目前的临床治疗方法

骨质疏松症有多种合适的治疗方法,目前的治疗建议包括锻炼补充钙和维生素D,以及最终的双磷酸盐治疗。

正确的临床管理需要采取分阶段的方法,并仔细考虑具体干预措施的时机

许多女性在绝经后会出现骨质减少,但尚未达到骨质疏松症的诊断标准;这可能是开始更保守治疗的理想时机,以防止骨质减少发展为骨质疏松症,并可能获得更好的长期疗效。

临床治疗可分为四个主要领域,其侵入性各不相同,分别为改变生活方式补充营养药物干预手术治疗

  • 改变生活方式

对于有骨质疏松症风险的患者,一致建议改变生活方式防止骨质流失。充足的钙和维生素D锻炼戒烟预防跌倒咨询避免大量饮酒都是应注意的生活方式,特别是对于有骨质疏松症家族史的人来说。

高纤维饮食有助于预防骨质疏松症

饮食调整运动是两种最有益和保守的治疗方法之一。对啮齿动物的研究表明,高纤维饮食以及由此增加肠道微生物群中短链脂肪酸的产量,特别是丁酸

短链脂肪酸似乎可以防止小鼠绝经后和炎症性骨质流失修复肠道屏障预防骨质疏松症的发展。这些结果适用于人群,其中膳食纤维消耗增加骨矿物质密度之间的关联已被证明。

避免使用促进骨质流失的药物

此外,处于骨质疏松症初始阶段或经历骨质减少的个体应避免使用促进骨质流失的药物,例如糖皮质激素

在糖皮质激素引起骨质流失的情况下,发现饮食中添加山奈酚(一种在水果和蔬菜中发现的黄酮类化合物)可诱导成骨标志物的更高表达,并且在功能上似乎可以改善愈伤组织骨损伤部位形成并减少骨质流失有效对抗糖皮质激素对骨骼健康的不利影响

适度运动可以减少骨质疏松的发生

运动已显示出多种有益的健康效应,包括改善肌肉组织以预防跌倒和改善骨矿物质密度

关于骨骼健康的运动训练,还发表了一篇有价值的文献,他们采用更多的细胞方法来考虑运动有益效果的机制。无论具体的获益机制如何,生活方式改变的证据表明,运动应该成为一线临床建议,以防止患者从骨质减少进展为骨质疏松症

  • 补充营养

营养干预措施比较容易实现,而且相对便宜,应考虑将其作为骨质减少骨质疏松症临床管理的措施。

增加钙与维生素D的摄入

增加钙摄入量补充维生素D已被证明可以降低骨矿物质流失率,且不会损害肠道微生物群。膳食钙摄入不足的患者应在膳食中分次补充钙(通常为500至 1000毫克/天),将总钙摄入量提高到约1200毫克/天

需要注意的是,钙的总摄入量(饮食加补充剂)通常不应超过2000毫克/天,因为钙摄入过高可能会出现不良反应,包括肾结石、心血管疾病、消化不良、铁和甲状腺激素失调以及便秘等

关于维生素D的剂量存在争议。众所周知,维生素 D3(胆钙化醇)可促进小肠中钙的吸收;因此,确保足够的水平是必要的。

益生菌与益生元有助于钙代谢和骨骼健康

益生元益生菌已被发现有助于治疗各种慢性炎症性疾病,并且越来越多的证据表明它们还有助于钙代谢骨骼健康

此外,向长期接受糖皮质激素治疗的小鼠添加益生菌、抗生素或粘液补充剂可预防糖皮质激素诱导的骨质疏松症的发生。

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de Sire A,et al.Cells.2022

  • 使用药物

除了生活方式和其他保守的干预措施之外,骨折风险高或经历过脆性骨折的患者最有可能受益于药物辅助治疗

双膦酸盐是一类抗骨吸收药物,自20世纪60年代首次用于治疗骨疾病以来,已被广泛使用。不过,渐进式新一线治疗方法越来越受欢迎,例如狄诺塞麦合成代谢药物,包括甲状旁腺激素相关肽类似物和抗硬化素抗体

具体药物需要根据患者的情况进行评估

值得注意的是,尽管有许多药物可以支持骨骼平衡和重塑,但它们的成功通常取决于患者对药物治疗的依从性。因此,最好根据患者的骨折风险设计治疗策略,并结合骨矿物质密度临床风险因素进行评估。

此外,在开始药物治疗之前,所有患者的血钙和25-羟基维生素D水平应在范围内,如果食物摄入不足,应给予营养干预。骨质疏松症的药物治疗可分为抗吸收剂、合成代谢剂或激素调节剂

重点来了

然而,还有其他方法可以治疗或预防骨质疏松症,这些方法可能更有效且副作用更少。本文接下来讲述的多酚等膳食成分肠道菌群的协同作用可能就属于一种新型疗法。

多酚类物质的抗骨质疏松作用

多酚是存在蔬菜、谷物、水果、咖啡、茶植物性食物中的次生代谢产物,具有潜在促进健康作用。

多酚按结构可分为黄酮类、酚酸类、木脂素类、芪类等。

流行病学研究表明,长期食用植物多酚可以预防心血管疾病、癌症、骨质疏松症、糖尿病神经退行性疾病

▼促进骨形成并抑制骨吸收

研究人员广泛研究了多酚类物质的有益作用,已知多酚可以增强骨形成抑制骨吸收

✦ 淫羊藿苷促进成骨细胞分化、抑制破骨细胞形成

淫羊藿苷(ICA)是8-异戊烯基黄酮苷。研究发现淫羊藿苷可以促进成骨细胞的分化增加骨密度。骨形成主要通过成骨细胞的增殖和分化促进骨基质的合成和矿化,成骨细胞骨形成骨质疏松中发挥重要作用。

淫羊藿苷具有类似雌激素的药理活性,可以刺激成骨细胞的分化和矿化,调节破骨细胞的分化,并增加成骨细胞分化为成熟成骨细胞的数量。

淫羊藿苷抑制破骨细胞的形成,ICA抑制前破骨细胞向破骨细胞的分化。它还抑制参与破骨细胞形成和骨吸收的各种基因的表达

研究表明,淫羊藿苷可以通过抑制NF-κB的激活,阻断MCF 7和MDA-MB-231诱导的破骨细胞形成。

✦ 芒柄花素增加骨量、减少骨吸收

芒柄花素(FO)是从黄芪中提取的主要异黄酮之一。研究表明,它可以刺激成骨细胞的形成,从而增加骨量改善骨的微观结构

芒柄花素还可以抑制破骨细胞的活化。研究表明,芒柄花素可抑制原代骨髓单核巨噬细胞向破骨细胞的增殖和分化,下调破骨细胞骨吸收功能相关蛋白和基因的表达。

✦ 葛根素对骨吸收也有调节作用

葛根原产于中国,历史悠久,是亚洲最常用的中药之一。由于异黄酮含量高,它已被广泛用作绝经后激素疗法的天然替代品。

研究表明,葛根素(PUE)对骨吸收也有调节作用。葛根素能够下调破骨细胞标志基因CTR、CATH-K、NFATc1和c-fos的mRNA水平,表明PUE抑制破骨细胞功能

在体外,葛根素减弱骨吸收不损害破骨细胞活力,并通过抑制骨吸收不改变骨形成来显著防止骨丢失。此外,随着葛根素浓度的增加,葛根素会在体外抑制RANKL诱导的破骨细胞活化、骨吸收能力和F-肌动蛋白环形成。

白藜芦醇和淫羊藿苷控制成骨分化的分子机制

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Wang K,et al.Front Immunol.2023

▼多酚的抗骨质疏松机制

✦ 抗氧化应激

当活性氧的产生和消除不平衡时,就会发生氧化应激。过多的活性氧会导致细胞损伤和凋亡影响细胞功能,引发疾病。

氧化应激可以影响骨髓间充质干细胞的功能,从而影响间充质干细胞的骨生长成骨分化。因此,这可能导致成骨细胞功能受损加速成骨细胞的形成和分化。

多酚化合物含有大量酚羟基,可作为抗氧化剂防止活性氧引起的损伤。将单线态氧还原为活性较低的三线态氧,从而降低氧自由基产生的概率,终止自由基引发的链式反应。

有研究证据表明,摄入富含食源性多酚化合物的天然浆果,如蔓越莓和蓝莓,可以通过清除自由基来对抗氧化应激预防和治疗骨质疏松症

✦ 抗炎作用

多酚类化合物通过负调节炎症途径,特别是对关键的NF-κB转录因子的调节,发挥抗炎作用。雌激素受体能够参与与NF-κB的蛋白质相互作用,导致复合物的形成以及随后NF-κB与特定反应元件的结合。这些特异性反应元件以细胞类型特异性的方式调节NF-κB依赖性基因的转录,在调节炎症过程中至关重要。

例如,可以通过调节转录因子NF-κB并在HMC-1细胞中作为雌激素受体ERK来抑制脂质过氧化对抗氧化应激。诱导型一氧化氮合酶表达受损会减少炎症因子TNF-1、IL-6、IL-8和NO的产生和释放。这一过程会产生抗炎作用,并有助于减轻骨丢失

此外,多酚化合物已被证明通过下调受体激活的NF-κB配体(RANKL)来抑制骨吸收,并通过下调NFATc1和炎症介质来直接抑制成骨细胞的产生,从而降低成骨活性

✦ 激活Wnt/β-Catenin信号通路

Wnt信号通路骨骼发育代谢稳态的维持中发挥着关键作用。Wnt相关蛋白或因子可以与卷曲基因受体(Fzd)结合并启动下游细胞内级联反应,从而调节β-Catenin、过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)和RUNX2等靶基因的转录或表达。然后调节成骨细胞形成、分化和成熟的生理过程。

Runx2是成骨细胞特异的转录因子,与成骨细胞的增殖和分化密切相关。

β-Catenin是通路中的关键因子,是Wnt/β-Catenin信号通路的中心调节因子。β-Catenin可以增强碱性磷酸酶(ALP)的活性,同时促进骨骼生长

在一项研究中,发现淫羊藿苷对大鼠骨髓基质细胞的干预通过刺激β-连环蛋白的激活来增加总β-连环素和核转位。此外,Wnt信号传导成员(β-catenin、Lef1、TCF7、c-jun、c-myc和细胞周期蛋白D)的表达显著上调

雌激素受体(ERα)的激活可增强成骨基因的表达,从而促进BMSCs的增殖和成骨分化白藜芦醇是一种非黄酮类多酚有机化合物,具有雌激素样作用。一些研究人员通过白藜芦醇介导的Wnt/β-catenin途径得出结论。白藜芦醇通过刺激Runx2的表达,下调GSK38的表达水平,阻止β-连环蛋白降解复合物的有效形成,确保β-连环素在细胞质中的稳定积累和向细胞核的移位,从而激活Wnt/B-连环蛋白通路,促进成骨分化,提高骨密度,在预防和治疗骨质疏松症中发挥作用

多酚调节骨形成或骨吸收的多种信号通路

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Li Y,et al.Front Pharmacol.2022

✦ 抑制NF-κB通路

NF-κB信号通路在骨代谢中也具有重要作用,并且还可以与其他信号通路相互作用,影响骨质疏松症的进展。

应用芍药苷干预RAW 264.7细胞系分化的破骨细胞模型,观察芍药苷对破骨细胞信号通路的影响。结果表明,芍药苷减弱了p65 NF-κB的磷酸化水平,即抑制了NF-κB信号通路的激活。NF-κB途径是破骨细胞分化的主要生物学途径之一。已经证实,芍药苷通过抑制p65 NF-κB的激活,降低NF-κB信号通路的活性,降低破骨细胞的活性减少骨吸收,并进一步维持骨稳态

芍药和蛇籽都是中药,都含有多酚类物质。通过抑制NF-κB信号通路抑制破骨细胞的产生,来达到骨质疏松的治疗效果。

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Wang K,et al.Front Immunol.2023

肠道菌群在骨质疏松症中的作用

许多研究还揭示了肠道微生物群骨质疏松症之间的显著联系。肠道微生物群调节骨稳态,并可以通过多种机制影响骨质疏松症

这些包括调节其代谢物影响宿主代谢改变药物代谢以及调节肠道屏障功能的完整性。一些研究还强调了肠道微生物对胶原蛋白特性的改变,这与骨骼脆弱性密切相关

肠道微生物群组成的变化会导致肠道炎症并破坏免疫调节网络的平衡,许多研究表明这与骨质疏松症有关。

▼肠道菌群调节骨质疏松的潜在机制

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Seely KD,et al.Int J Mol Sci.2021

1.增加无机盐的溶解度,以改善其在肠壁的吸收

磷酸盐等无机盐的可用性对于成骨细胞骨矿物质沉积骨稳态至关重要。这种效应可能部分归因于微生物合成植酸酶将矿物质复合植酸代谢为无机磷酸盐和磷酸肌醇衍生物。

2.增强肠道矿物质吸收表面

通过促进肠上皮细胞和结肠细胞的增殖,介导肠道微生物群稳态,并支持肠道矿物质吸收。结肠细胞代谢的增加已被证明可以促进专性厌氧菌的产生,专性厌氧菌可以代谢纤维,从而增加短链脂肪酸,这对于骨稳态以及其他生理功能都至关重要。

3.恢复和维持肠道上皮屏障

肠道微生物群稳态有助于构建肠道上皮屏障,而健康的肠道上皮屏障可以防止因紧密连接受损而导致的通透性过高。通透性过高或“肠漏”会渗出异常高水平的炎症细胞因子,产生全身炎症并导致破骨细胞过度活跃和骨质退化

4.通过微生物群代谢物增加骨密度

肠道微生物群产生的短链脂肪酸通过抑制活化B细胞的核因子kappa轻链增强子的活化来提供抗炎作用,从而减少自身免疫炎症。此外,短链脂肪酸,特别是丙酸和丁酸,通过下调TRAF6和NFATc1来抑制破骨细胞生成和骨吸收,从而有效增加骨密度,而不直接改变成骨细胞。

5.减少氧化应激

氧化应激被证明会导致过度的骨细胞凋亡,从而导致破骨细胞生成的失衡,导致骨重塑、周转和损失增加。特异性益生菌可以通过产生几种抗氧化分子(如谷胱甘肽、叶酸和胞外多糖)来缓解氧化应激。此外,几种肠道微生物群产生的短链脂肪酸还可以通过促进抗氧化分子的产生来帮助缓解氧化应激

6.调节免疫反应

肠道微生物群通过影响与骨细胞密切相关的免疫系统,在维持骨骼健康方面发挥着至关重要的作用。在异常状态下,免疫系统对微生物群刺激的反应会通过T细胞的作用导致循环破骨细胞因子增加。它通过利用宿主完全发育的免疫系统来调节整个身体的反应来实现这一点,从而控制骨转换和密度

7.增加抗诱变活性

尽管这种能力已在癌症领域得到广泛探索,但某些产乳酸微生物群可以有效的结合诱变剂,例如热解产物和杂环胺在肠道中降低这些化合物的诱变活性。减少DNA损伤可以减少炎症、保护肠壁、增加矿物质吸收抑制骨质疏松症

8.增加肠壁钙结合蛋白的表达

增加肠壁钙结合蛋白D9k基因的表达可以增加吸收钙的能力,通过抑制甲状旁腺激素的作用,有效抑制骨降解促进骨沉积。此外,增强钙吸收以及抑制甲状旁腺激素活性和胰岛素样生长因子1的产生也可以改变破骨细胞和成骨细胞的发育

9.调节生长因子和激素的分泌

肠道微生物群可以被视为基于大量分泌分子的内分泌器官。具体来说,肠道微生物群通过短链脂肪酸介导的途径促进胰岛素样生长因子1(IGF-1)的产生。已知IGF-1可刺激成骨细胞、破骨细胞和软骨细胞的分化

肠道微生物群也可能通过皮质醇介导的相互作用增强骨降解。肠道微生物群还调节肠道血清素的产生,这是一种与骨细胞相互作用的分子,被认为可以充当骨量调节剂

▼肠-骨轴之间的作用

人类肠道微生物群和宿主相互作用,影响骨量的动态平衡,以及骨骼生长、骨骼老化和病理性骨质流失的过程,这催生了骨微生物学领域的兴起。

骨微生物学的最新研究将骨表型的变化肠道菌群的变化联系起来。平衡、健康的微生物组似乎对于防止骨质流失是必要的,这一假设有证据支持,在小鼠的饮食中补充益生菌逆转骨质疏松症的致病过程。

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Zhang YW, et al.Gut Microbes.2024

✦ 骨质疏松症患者肠道菌群的多样性减少

评估骨质疏松症患者肠道内细菌种群数量和多样性的几项研究检查表明,骨质疏松症成年人的生物多样性似乎有所减少,某些物种如梭菌属(Fusobacterium),戴阿利斯特杆菌属 (Dialister),Faecalibacterium,甲苯单胞菌属(Tolumonas)以及拟杆菌属(Bacteroides)和罗氏菌属(Roseburia)减少。

注:上述这些基本都是肠道核心菌甚至是对人体健康非常重要的益生菌

✦ 肠道菌群影响免疫细胞进而影响骨稳态

事实上,肠道微生物群骨骼愈合和重塑之间的部分关联是由免疫细胞调节的。

免疫细胞成熟和功能所必需的许多细胞信号级联在一定程度上取决于肠道微生物群在整个生命过程中持续的最佳功能和体内平衡。尽管非常复杂,但近期文献中关于整体骨骼健康肠道微生物组之间联系的主要假设以T细胞Th17免疫细胞为中心 。在T细胞依赖性机制中,免疫系统对微生物群刺激的反应会增加循环的破骨细胞因子

此外,虽然其作用尚不完全清楚,但Th17免疫细胞似乎是破骨细胞群的一个组成部分。因此,可以假设肠道微生物群的任何不平衡可能反过来影响骨稳态所需的关键免疫机制。

除了所提出的T细胞介导的相互作用之外,更广泛的免疫系统微生物组的反应导致产生许多循环细胞因子和基于细胞的免疫效应物,这些效应物对骨细胞具有显著影响,这表明考虑肠道微生物群的健康可能会有益于骨愈合障碍

✦ 肠道微生物影响微小RNA进而影响骨骼健康

尽管肠道微生物群对宿主免疫系统的影响有着相对较长的记录历史,但这并不是肠道微生物群影响骨骼健康的唯一潜在机制。类固醇激素、甲状旁腺激素和维生素D代谢物都可能受到微生物群的影响。

此外,细菌衍生的化合物(例如维生素)可能会进入血液并直接影响骨细胞活性。或者,肠道微生物群可能通过对宿主微小RNA (miRNA) 的影响来影响骨质疏松症的发展,宿主微小 RNA 是参与基因表达调节的非编码 RNA 分子。

一些 miRNA 可以影响与骨质疏松症中成骨细胞分化相关的转录物,例如 miRNA-33-5p、miRNA-194和miRNA-433-3p。尽管尚未完全了解,但在支持肠道微生物失调的反馈机制中,微生物群可能会影响宿主 miRNA,进而抑制成骨细胞发育,对质疏松修复构成障碍。

总的来说,肠道微生物群通过破骨细胞生成影响骨愈合和重塑有多种潜在途径。

▼益生菌调节骨质疏松症

益生菌是一类对宿主有益的活性微生物,定植于人体肠道和生殖系统等部位,能够产生精准的健康益处改善微生态平衡,发挥有益作用。随着生命结构的不断改变,越来越多的益生菌被开发和利用,这与维持机体功能的稳定密不可分。

除了食品之外,益生菌的应用范围也越来越广,牙膏、啤酒等都在添加益生菌。益生菌骨质疏松症的调节是一个新兴领域,研究益生菌如何改善骨代谢预防或治疗骨质疏松症已成为研究热点,并已取得一定进展。

✦ 益生菌恢复肠道微生物平衡利于骨骼健康

目前的研究证据表明,补充益生菌恢复肠道微生物群及其代谢产物的平衡对骨骼健康有益

具体来说,被诊断患有炎症性肠病或相关疾病的个体由于肠道微环境的变化和随之而来的菌群失调而经常患有骨质疏松症,并研究了乳双歧杆菌BL-99可以作为有益的益生菌制剂来预防骨质疏松症

最近的研究还表明,益生菌治疗可以通过抑制IL-6的分泌和肠道炎症反应来抑制卵巢切除术(OVX)诱导的小鼠破骨细胞的活性,从而增强骨量

例如补充Bacteroides vulgatus ATCC 8482可以缓解骨质疏松小鼠肠道微生物群的失衡,下调脂多糖/TLR-4/p-NF-κB通路,改善腰椎的骨丢失和骨微结构破坏,这表明Bacteroides vulgatus ATCC 8482可能是一种具有改善绝经后骨丢失潜力的益生菌

✦ 同时补充益生菌对改善绝经后女性的骨质疏松比单一常规药物更有效

目前益生菌防治骨质疏松的研究多集中于动物实验,临床试验报道较少。但一项基于人群的试验表明,在治疗绝经后骨质疏松症方面,施用Bifidobacterium animalis subsp. lactis Probio-M8与常规药物/补充剂的组合比单独使用常规药物/补充剂更有效

在一项双盲、安慰剂对照研究中,75至80岁且骨矿物质密度较低的女性被随机分配每天口服10^10菌落形成单位的罗伊氏乳杆菌 ATCC PTA 6475或安慰剂,并且结果表明,补充罗伊氏乳杆菌 ATCC PTA 6475可能是预防骨质疏松症的新方法。

此外,在一项随机对照试验中,补充罗伊氏乳杆菌 ATCC PTA 6475有可能预防骨密度低的老年女性肠道微生物群恶化和炎症状态,这可能对骨代谢产生有益影响

由此可见,越来越多的学者开始从补充益生菌的角度探讨调节肠道菌群及其代谢物的深层机制,益生菌也成为预防和治疗骨质疏松症的潜在候选者。

多酚等膳食成分通过作用于肠道菌群及其代谢产物对骨质疏松症的影响

不同食物中营养素的组成和含量显著影响肠道微生物群的组成和丰度,进而影响骨代谢调节骨质疏松

因为一些微生物直接利用某些营养物质作为生长物质的来源,而大量摄入此类营养物质可能会导致细菌丰度增加并作用于骨代谢。例如,链球菌(Streptococcus), 芽孢杆菌(Bacillus),丙酸杆菌(Propionibacterium), 拟杆菌(Bacteroides)和梭菌属(Clostridium)等微生物可以利用蛋白质作为氮源,较高的膳食蛋白质摄入量也可以增加其丰度和多样性。

此外,人们还认识到,日常饮食摄入引起的生理环境的变化会影响微生物群落的选择。以膳食脂肪摄入为例,富含脂肪的膳食可能会促进胆汁分,以利于脂质的消化,而胆汁酸对细菌的细胞膜有不利影响,这使得胆汁酸对微生物产生强大的选择压力并导致这些肠道微生物群相关代谢物骨质疏松症的代谢调节中发挥负面作用

▼多酚

由于多酚抑制炎症因子并参与各种其他机制的能力,多酚已被确定为治疗骨质疏松症慢性炎症的潜在药物,并且与肠道屏障的功能密切相关。

同时,多酚还可以充当肠道屏障-骨-免疫系统的调节介质和诱导剂。多酚可以通过两种方式影响肠道微生物群,即促进有益细菌的增殖增加其丰度

✦ 多酚可作为益生元增加有益菌的丰度

多酚具有益生元的属性并改变人类肠道微生物群组成富含多酚的食物已被一致证明可以有效改变肠道微生物群

大多数研究一致证明多酚可以引起肠道微生物群组成的有利改变。具体来说,当个体食用富含多酚的饮食时,人体肠道菌群会发生显著变化,乳杆菌、双歧杆菌、阿克曼氏菌肠球菌和拟杆菌数量增加,而梭菌和厚壁菌与拟杆菌的比例显著下降

富含多酚的食物改变肠道微生物组成的证据

例如,富含多酚的红酒被发现可以刺激肠道微生物群中某些细菌的生长,例如拟杆菌罗氏菌属

发酵木瓜汁中发现的某些类型的多酚,例如没食子酸和咖啡酸,可以影响肠道微生物的组成。研究表明,这些多酚可以减少肠球菌产气荚膜梭菌艰难梭菌等有害细菌的数量,同时促进双歧杆菌等有益细菌的生长。

此外,某些多酚还可以促进肠道微生物群中真菌的生长。食用富含原花青素的葡萄籽可以增加肠道中乳酸杆菌、梭菌和瘤胃球菌的数量。

蔬菜与水果类似,富含多酚和益生元纤维。摄入胡萝卜中的膳食多酚可以增加拟杆菌和乳杆菌的数量,并减少产气荚膜梭菌、科氏梭菌、球状拟杆菌和肠杆菌。

利用16S rRNA和宏基因组测序分析研究了白藜芦醇对肠道生物屏障的影响。研究结果表明,白藜芦醇对肠道微生物群的多样性和结构具有积极影响。具体来说,它增加了益生菌的丰度并调节肠道微生物群的功能以对抗免疫抑制。

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Wang K,et al.Front Immunol.2023

✦ 多酚衍生代谢物具有抗炎作用增强肠道健康

除了上述益生菌作用外,多酚衍生的代谢物可以增强肠道健康和表现出抗炎特性。例如,可可多酚的生物活性代谢物可以增强肠道健康,具有抗炎作用,对免疫系统有积极作用,并降低各种疾病的风险。

摄入多酚可以通过促进短链脂肪酸的产生、增强肠道免疫功能和其他生理过程来改善肠道微生物群的健康效应

✦ 多酚减少有害细菌的水平

据观察,在含有人类粪便细菌的培养基中加入茶多酚,特别是儿茶素,可以减少有害细菌的水平,包括大肠杆菌、产气荚膜梭菌

这一发现表明,在肠道环境中引入茶多酚可能对抗这些特定病原菌的增殖。强调了茶多酚肠道微生物群平衡的积极影响。

还研究了茶多酚对肠道氧化还原状态的影响及其与肠道微生物群的相关性。研究发现螺旋体拟杆菌属被确定为肠道氧化还原状态的生物标志物,并揭示了茶多酚的益处。

因此,多酚肠道微生物群之间的协同作用成为治疗骨质疏松症的关键因素。

▼膳食蛋白质和氨基酸

营养因素也对骨质疏松症有着至关重要的影响,低钙摄入、维生素D缺乏、高磷和钠饮食、过量饮酒以及碳酸饮料的摄入被普遍认为是骨质疏松症的危险因素,而充足的蛋白质摄入有利于骨骼健康

膳食营养素通过作用于肠道微生物群及其代谢物对骨质疏松症产生影响:

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Zhang YW, et al.Gut Microbes.2024

人体的膳食蛋白质摄入可以通过细菌发酵、甲烷化、脱羧反应和硫还原来改变呼吸链中的电子受体,从而对转化为对健康具有不同影响的物质

✦ 改变细菌生长环境,调整肠道菌群的组成

例如,含硫氨基酸如蛋氨酸和半胱氨酸可以在硫还原作用下生成硫化氢,而氨基酸和肽可以在厌氧菌的作用下通过脱羧反应产生胺类。这些代谢产物改变了细菌的生长微环境,并使细菌获得了一定的生长优势,从而改变了肠道菌群的组成和丰度

同时,研究表明,高蛋白饮食者的肠道菌群中Bacteroides, Prevotella, Treponema, FusobacteriumClostridium perfringensBacillus的数量相对于传统饮食者增加,而厚壁菌门的数量减少。这种改变也已被证实与骨质疏松症的逆转一致。

✦ 蛋白质的代谢产物影响骨吸收和骨形成

研究人员揭示,肠道菌群发酵的蛋白质、氨基酸和肽的主要代谢产物是短链脂肪酸,如乙酸、丙酸和丁酸,而短链脂肪酸参与了骨形成和骨吸收的调节。

学者们还发现,肠道厌氧菌能够从甘氨酸、苏氨酸、谷氨酸、赖氨酸、鸟氨酸和天冬氨酸中合成乙酸,从苏氨酸、谷氨酸和赖氨酸中主要合成丙酸

更重要的是,包括乙酸、丙酸和丁酸在内的短链脂肪酸的调节骨质疏松症的发生和发展密切相关。与此同时,梭菌属可以利用支链氨基酸(缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸)合成支链脂肪酸,而支链氨基酸短链脂肪酸也是代谢性疾病如骨质疏松症、肥胖症、2型糖尿病等的潜在调节因素。

▼膳食脂肪

膳食脂肪是身体的有效能量来源。先前的研究已表明,膳食脂肪摄入的质量和数量可能会影响肠道微生物群的组成和丰度

✦ 适量的不饱和脂肪酸可助肠道菌群有益改变

不饱和脂肪酸通过提高拟杆菌门与厚壁菌门的比例来改变肠道微生物群的组成和丰度。Omega-3脂肪酸可导致肠道微生物群的有益改变,包括增加双歧杆菌、乳酸杆菌、链球菌、脱硫弧菌和阿克曼菌。

✦ 高脂饮食会导致骨代谢紊乱和骨质疏松

大量摄入饱和脂肪酸反式脂肪酸增加心血管骨代谢相关疾病的风险,减少拟杆菌、普雷沃氏菌、乳杆菌和双歧杆菌的丰度,从而可能导致全身炎症骨代谢紊乱骨质疏松

研究发现,长期高脂饮食会导致骨量下降微生物群失调肠漏和全身炎症,而低聚果糖低聚半乳糖的施用可以显著增强肠道微生物群的生物多样性和短链脂肪酸浓度,逆转高肠道通透性和炎症细胞因子,最终预防高脂饮食诱导的骨质疏松症

研究结果还表明,高脂饮食引起的骨质流失伴随着骨髓脂肪组织的扩张骨形成的抑制

高脂饮食骨骼结构和健康具有至关重要的影响,肠道菌群失衡、肠道屏障恶化、炎症反应、氧化应激、脂肪因子改变和骨髓脂肪组织堆积被认为是潜在的机制。

研究还发现,运动可以预防高脂饮食对男性骨骼健康的多种负面影响,运动引起的肠道微生物群变化(降低厚壁菌门与拟杆菌门的比例)可能表现出一种新的机制,有助于运动诱导的骨骼健康益处

▼膳食碳水化合物

可消化和不可消化的碳水化合物都可能影响肠道微生物群的组成和丰度,这两者都已被证实可以增加双歧杆菌的数量。各种水果中的可消化碳水化合物(例如葡萄糖、蔗糖和果糖)已被证明会降低拟杆菌和梭菌的丰度。

✦ 高膳食纤维的摄入有助于骨骼健康

难消化的碳水化合物也称为膳食纤维。近年来,随着肠骨轴研究的快速发展,膳食纤维发酵的短链脂肪酸已成为一种重要的介质,重点关注肠道微生物群骨质疏松症之间的联系。

膳食纤维通过调节拟杆菌门与厚壁菌门的比例来改变肠道微生物群,并改变多种功能途径(包括氨基酸脂质相关代谢),从而参与骨代谢的调节。研究人员分析了膳食纤维摄入不足的后果,观察到低纤维饮食显著降低了长达三代的微生物多样性,并且补充膳食纤维后微生物多样性无法恢复

更重要的是,研究人员总结,摄入更多富含纤维的食物(包括粗粮、新鲜水果和蔬菜),再加上充足的运动、适当的饮水和规律的排便,可能有助于维持人体肠道和骨骼的健康,尤其是中老年人,以预防骨质疏松症。因此,食用多种食物中的膳食纤维维持肠道健康防止骨质流失至关重要。

有助于改善骨质疏松的饮食建议

肠道菌群调节宿主健康中发挥着至关重要的作用,不同个体肠道菌群的组成存在显著差异,并受到饮食、环境等多种因素的影响,其中饮食是不可忽视的重要因素。

★ 饮食模式和膳食成分都会影响健康

不同的饮食模式对肠道微生物群的结构、代谢和功能有不同的影响,并参与各种生理活动,如食物消化、营养代谢吸收、能量供应、免疫调节胃肠道稳态的维持,与骨质疏松症的发生发展密切相关。

此外,饮食不仅会影响肠道微生物群的结构和组成,还会影响其基因和功能。即使是同一属的细菌,在不同饮食模式的影响下,其功能和核心基因也存在显著差异

纯素食和地中海饮食可以增强肠道微生物群的多样性促进有益细菌的生长,如双歧杆菌、乳酸杆菌和普雷沃氏菌,而西方饮食可以减少肠道微生物群多样性,增加厚壁菌门与拟杆菌门的比例。

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不同饮食对骨骼健康的影响

通过阅读相关文献,谷禾在这里为大家整理了不同饮食模式肠道微生物群代谢物骨骼健康的影响,如下图:

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Zhang YW, et al.Gut Microbes.2024

多元化的饮食更利于骨骼健康

不同的膳食成分可能以时间依赖性的方式塑造肠道细菌群落,并且不同的膳食成分对肠道微生物群的影响显著不同

因此,合理的膳食结构正确的膳食习惯和方法适当的营养配比是保证人体健康的基础,而不合理的膳食结构则是高血压、糖尿病、骨质疏松等多种慢性病的罪魁祸首。在此基础上,还必须根据肠道菌群及其代谢产物骨质疏松症的调节影响提出合理的饮食建议。

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Zhang YW, et al.Gut Microbes.2024

合理的饮食模式融合了地中海饮食抗炎饮食等健康饮食模式的特点,主要包括食物多样化、高纤维摄入、低糖摄入、低脂肪摄入、高谷物摄入

合理的膳食结构主要以食物多样化为原则,建议多食用蔬菜、水果、豆类及其制品、鱼类、海鲜,同时少吃红肉和饱和脂肪酸,保证充足的摄入以植物性食物为主,适量动物性食物为主,从而获得种类齐全、数量充足、比例适当的膳食营养素,满足中老年人群维持骨骼健康预防骨质疏松的生理需要。

合理的饮食模式也为塑造肠道稳态有益菌繁殖、消除有害菌维持肠道菌群多样性奠定了坚实的基础。

结语

骨质疏松症作为一种中老年人常见的慢性疾病,在日常生活中如何更好地预防和改善非常重要。

除了常规的日常护理外,肠道微生物群饮食也起着至关重要的作用。肠道微生物群可以将多酚等膳食成分分解为更容易吸收的有益代谢物,如短链脂肪酸,而多酚可以增加肠道中有益菌丰度和活性,增强肠道屏障,从而促进骨健康

两者协同作用下,更大程度地发挥各自的功能和作用,可能作为预防和治疗骨质疏松症的新方法。

主要参考文献:

Zhang YW, Song PR, Wang SC, Liu H, Shi ZM, Su JC. Diets intervene osteoporosis via gut-bone axis. Gut Microbes. 2024 Jan-Dec;16(1):2295432.

Wang K, Hu S. The synergistic effects of polyphenols and intestinal microbiota on osteoporosis. Front Immunol. 2023 Oct 23;14:1285621.

Seely KD, Kotelko CA, Douglas H, Bealer B, Brooks AE. The Human Gut Microbiota: A Key Mediator of Osteoporosis and Osteogenesis. Int J Mol Sci. 2021 Aug 31;22(17):9452.

Zhou RX, Zhang YW, Cao MM, Liu CH, Rui YF, Li YJ. Linking the relation between gut microbiota and glucocorticoid-induced osteoporosis. J Bone Miner Metab. 2023 Mar;41(2):145-162.

Cheung KCP, Jiao M, Xingxuan C, Wei J. Extracellular vesicles derived from host and gut microbiota as promising nanocarriers for targeted therapy in osteoporosis and osteoarthritis. Front Pharmacol. 2023 Jan 6;13:1051134.

de Sire A, de Sire R, Curci C, Castiglione F, Wahli W. Role of Dietary Supplements and Probiotics in Modulating Microbiota and Bone Health: The Gut-Bone Axis. Cells. 2022 Feb 21;11(4):743.

Martiniakova M, Babikova M, Mondockova V, Blahova J, Kovacova V, Omelka R. The Role of Macronutrients, Micronutrients and Flavonoid Polyphenols in the Prevention and Treatment of Osteoporosis. Nutrients. 2022 Jan 25;14(3):523.

Inchingolo AD, Inchingolo AM, Malcangi G, Avantario P, Azzollini D, Buongiorno S, Viapiano F, Campanelli M, Ciocia AM, De Leonardis N, de Ruvo E, Ferrara I, Garofoli G, Montenegro V, Netti A, Palmieri G, Mancini A, Patano A, Piras F, Marinelli G, Di Pede C, Laudadio C, Rapone B, Hazballa D, Corriero A, Fatone MC, Palermo A, Lorusso F, Scarano A, Bordea IR, Di Venere D, Inchingolo F, Dipalma G. Effects of Resveratrol, Curcumin and Quercetin Supplementation on Bone Metabolism-A Systematic Review. Nutrients. 2022 Aug 26;14(17):3519.

Li Y, Li L, Li X, Luo B, Ye Q, Wang H, Yang L, Zhu X, Han L, Zhang R, Tian H, Wang P. A mechanistic review of chinese medicine polyphenols on bone formation and resorption. Front Pharmacol. 2022 Oct 12;13:1017538. 

本文转自:谷禾健康



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