【新发现】肠道菌群通过普通类杆菌戊酸相关途径影响骨骼

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作者：竹子

导言：生活在我们胃肠道中的数以万亿计的细菌在人类健康中发挥着复杂且越来越重要的作用，甚至被一些人称为“被遗忘的器官”，这些微生物与我们的生理机能之间的新联系正在被不断发掘出来。科学家们不断地发现居住在我们身体内的微生物与我们的健康之间的新联系。新的研究发现肠道菌群通过相关途径影响骨骼，一起看看肠道微生物是如何影响骨骼的。

近日，预印本网站meRrxiv上发表一篇重要结果，研究人员在中国人群中进行了宏基因组学、靶向代谢组学、全基因组测序的综合分析，发现普通类杆菌与骨矿物质密度（BMD）呈负相关。

骨质疏松症（OP），主要特征是骨密度低（BMD），易患骨质疏松性骨折，在绝经后妇女中最普遍（称为绝经后骨质疏松症（PMOP））。在2000年至2011年间，美国490万绝经后妇女经历过骨质疏松性骨折，住院费用比心肌梗塞、中风和乳腺癌的还高。目前对于PMOP和OP的致病机理尚不清楚，而现下的干预和治疗方案也不尽人意。

人体研究的重点是内在（如表观基因组、转录组、蛋白质组、代谢组）和外部（如环境、医疗、药物、营养、生活方式）危险因素对OP的影响。然而，最近实验动物模型已经确认了肠道菌群（GM）与骨骼之间的强联系。例如，Sjogren等人发现，小鼠的骨量在没有GM的情况下会增加，并在GM定值后恢复正常。有四项研究表明了人体中GM对骨骼健康的潜在重要性，但是这些研究的样本量太小，还没有确认特定的细菌种类和相关的功能机制。

为此，研究人员对517名围绝经期和绝经后妇女的基因组、肠道菌群和靶向代谢组（血清短链脂肪酸（SCFAs））进行了系统的多组分综合分析。研究人员验证了在美国白种人的主要结果，并研究了细菌和SCFAs在细胞体外和小鼠体内调节骨代谢的因果关系。研究人员的第一个确定了给骨密度相关的GM物种，特别是在人体内的GM 衍生功能代谢物，病建立GM 影响OP 风险的特定致病机制。研究结果为GM 和代谢组的改变提供了潜在的预防、干预和治疗的基础。

中国研究队列特征

从中国广州市随机抽取517名围绝经期和绝经后妇女，根据停经年限（YSM），84%为绝经后妇女，16%为围绝经期妇女。平均YSM和促卵泡激素（FSH）水平分别为1.96年和76.24mlU/mL（表1）。根据世卫组织标准，受试者中54.5%的骨密度正常（T评分≥-1）,38.5%的骨质减少（-2.5<T评分<-1）,7%的OP（T评分<-2.5）。

表1 YSM-绝经年；FSH-卵泡刺激素；BMI-体重3指数；BMD-骨密度；L1-L4-腰椎；HTOT-左全髋；FN 4-股骨颈；UD-RU-桡骨远端和尺骨。

GM和BMD的相互关系

研究人员对粪便DNA样本进行了猎枪宏基因组测序，平均得到5~7.35gbp/样本的测序数据。研究人员计算了不同样本量下的单基因（非多余的6个基因）计数。单基因的数量随着7个样本量的增加而增加，与研究样本（图1a）接近一个平台（超过7×106），这表明样本量对于研究是合理有力的。

研究人员通过分类鉴定了10303种。62种为非稀有物种，占整个转基因的61.02%，其余为稀有14种（图1b）。最常见的3种为粪大肠杆菌15种（8.77%），普通类杆菌7.46%，脆弱类杆菌4.16%。26个和27个非稀有物种中，16个物种彼此之间的正相关和负相关分别为18个（图1c）。这表明19个转基因物种之间的相互作用促进了彼此的共存或抑制。

研究人员进行了约束线性回归分析，发现几个单独的物种与骨密度显著相关。在进行功能注释并获得KEGG模块后，研究人员进行部分3-Spearman相关分析，以确定GM功能与骨密度变化之间的关系。功能模块与L1-L4骨密度呈显著负相关，模块与UD-RU骨密度呈显著负相关（γ<0.10，p值<0.010）（表2）。

SCFAs与骨密度显著相关

转基因可能通过SCFAs14影响宿主健康。因此，研究人员通过靶向代谢组学分析血清SCFA 水平。经多元线性回归分析，戊酸与L1-L4骨密度呈正相关。其他SCFA（包括己酸、异戊酸、丁酸、乙酸和异丁酸）的结果不显著。此外，细菌与戊酸显著相关。阿利斯泰伯溃疡杆菌、类卡氏杆菌和类纤维素杆菌与戊酸呈正相关。与L1-L4和2htot骨密度呈负相关的普通类杆菌和肠道菌群也与戊酸呈负相关。由于只有普通类杆菌与L1-L4骨密度和戊酸显著相关，研究人员随后关注这5个物种。

研究人员使用孟德尔随机化（MR）方法评估普通类杆菌对戊酸的潜在因果关系，使用从人类受试者的全基因组测序中获得的相关snp作为工具变量。大多数磁共振方法，包括加权中位数法、最大似然估计法和逆方差加权法，表明普通类杆菌可能导致戊酸的下调。MR-Egger结果（p值=0.517）显示普通类杆菌对戊酸水平没有影响。

美国白种人普通类杆菌/骨密度相关性

为了评估主要发现的稳健性，研究人员测试了在路易斯安那州新奥尔良的59名60岁及以上的绝经后白种女性，检测到普通类杆菌和HTOT-BMD之间的关联，支持普通类杆菌与7个不同种族的BMD之间的关联。

体内外验证

为探讨普通类杆菌对11个腰椎骨代谢的潜在影响，研究人员对8周龄雌性C57BL/6小鼠（n=12.18）进行了绝经后卵巢切除（OVX），并进行了口服灌胃实验。结果表明普通类杆菌通过下调戊酸的产生来影响BMD，戊酸显著抑制破骨细胞分化，促进成骨细胞的分化和矿化。

由于炎症途径在骨代谢中起重要作用，GM可能通过对炎症的影响骨代谢，研究人员测定了关键炎症基因在体外培养的破骨细胞样细胞和成骨细胞中的表达水平。结果发现，戊酸可抑制破骨样细胞和4个成骨细胞的炎症反应，这可能解释了戊酸与骨密度的正相关，因为炎症可导致骨丢失，NF-κB可抑制成骨细胞功能。

结论

1）转基因生物多样性与前臂骨密度呈负相关；

2）细菌与骨密度呈显著相关；

3）普通类杆菌与不同种族的骨密度呈负相关；

4）细菌代谢途径与骨密度呈负相关；

5）血清戊酸水平与L1-L4骨密度呈正相关；

6）B.普通类杆菌与血清戊酸水平呈负相关；

7）B.普通类杆菌可能通过抑制肠道内产生戊酸的细菌的生长而抑制戊酸水平。

体内和体外研究发现：

1）喂饲普通类杆菌的OVX雌性小鼠的骨形成减少，和骨吸收增加；

2）戊酸抑制破骨细胞样细胞的成熟，促进成骨细胞的成熟和成骨细胞的胞外基质矿化；

3）戊酸治疗破骨样细胞和成骨细胞体外抑制NF-κB p65 蛋白产生（促炎症）和增强IL-10mrna表达1（抗炎）。

因此，普通类杆菌似乎通过减少肠道内戊酸的产生来降低骨密度，从而导致炎症和破骨细胞活性增强，以及成骨细胞活性降低。

研究的优点

首先，这是目前最大的直接检测转基因与人类骨密度之间关系的亚基因组学研究。

其次，研究采用严格的纳入和排除标准，以确保受试者在年龄、卵巢功能和生活环境方面相对均一，从而将潜在的混杂因素降至最低。

第三，利用一种创新的多组分方法确定了有助于GM和BMD之间关联的功能性和机制，从而对GM和BMD之间的串扰、相互作用的因果推断产生了全面的理解。

最后，用统计学和实验证据证明了特定细菌和GM衍生代谢产物对BMD变化和调节的影响，以及特定肠道细菌对人血清中GM衍生代谢产物的因果影响。

参考文献：Hong-Wen Deng et al. Gut microbiota impacts bone via B.vulgatus-valeric acid-related pathways. MedRxiv. 16 March, 2020.

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