“肠-骨轴”助力骨质疏松治疗

      骨质疏松症是老年人特别是绝经后妇女常见的骨病。改善骨骼健康和预防骨质疏松症仍然需要更理想的干预措施。肠道微生物群(Gut microbiota, GM)是驻留在宿主肠道内的微生物群落(细菌、真菌、病毒等)。宿主的肠道为GM提供了生长的环境，而GM中的成员，如一些肠道细菌，通过调节肠道发育、营养消化、免疫状态和大脑功能等各种生理过程来维持宿主的稳态。诺米代谢为您解读一篇发表在ADVANCED SCIENCE上的相关文章，进一步了解代谢组学、微生物组学在这方面的研究。

文章题目

Extracellular Vesicles from Child Gut Microbiota Enter intoBone to Preserve Bone Mass and Strength

发表期刊

ADVANCED SCIENCE

（IF=15.84）

发表时间：2021.2

作者单位

中南大学湘雅医院骨科

研究背景

    近年来，肠道微生物群(GM)已被证明是骨稳态的调节因子，GM调节骨量的机制仍在研究中。研究发现，将儿童（CGM）定植到双侧卵巢切除小鼠（绝经后骨质疏松动物模型），可有效减轻骨丢失、改善骨微结构、提高骨的力学性能，而移植老年人肠道菌群（EGM）则没有以上效果。通过16S rRNA测序显示，CGM逆转了双侧卵巢切除小鼠有益菌Akkermansia muciniphila (Akk)的减少。直接补充Akk可纠正双侧卵巢切除引起的骨代谢失衡，预防骨质疏松症。机制研究表明，CGM和Akk诱导的骨保护作用需要细胞外囊泡(EVs)的分泌，这些纳米囊泡可以进入并积累到骨组织中，通过增强成骨活性和抑制破骨形成来减弱双侧卵巢切除诱导的骨质疏松表型。总之，该研究阐明了儿童肠道菌群及其富含益生菌Akkermansia muciniphila的骨保护作用，并揭示了一种由肠道菌功能性胞外囊泡介导的新型“肠-骨轴”骨代谢调控模式，为未来应用益生菌或其功能性胞外囊泡防治骨质疏松症及其并发症奠定了前期基础。

研究结果

1. 在双侧卵巢切除小鼠中，定植CGM可以防止骨丢失并改变骨代谢

    研究者构建了C57BL/6绝经后骨质疏松动物模型，然后采集3名儿童和3名老人的肠道菌群分别进行均匀混合后定植，研究其对骨代谢的影响。与没有进行双侧卵巢切除手术的Sham（sham-operated）组小鼠相比，双侧卵巢切除的OVX组小鼠骨量减少，骨微结构受损，骨密度明显降低，骨小梁数量(Tb. N)、骨小梁厚度(Tb. Th)、皮质骨面积分数(Ct. Ar/Tt. Ar)、皮质骨厚度(Ct. Th)、皮质骨面积(Ct. Ar)，明显下降，骨小梁分离度(Tb. Sp)明显增加。而经过口服CGM，参数显示骨量或骨微结构明显逆转(图1. A-G)。为了排除个体差异，研究者还将每一种CGM和EGM对骨骼的影响分开研究，发现CGM能独立抑制OVX小鼠骨量的丢失，能引起骨保护作用（图2. C-E）。    这些结果显示，CGM可以抑制OVX小鼠的骨丢失，促进骨生长，维持骨强度，且随着供体老化而丧失抗骨质疏松作用。图1. 在OVX小鼠中，CGM增加骨量、骨长度和骨强度    研究者还测试了不同来源的CGM和EGM对OVX小鼠成骨和破骨的影响，发现定植肠道菌群的小鼠能促进骨细胞增殖。其中CGM定植小鼠进一步增加成骨细胞的数量（图2. A-B），同时还提高成骨分化（图2. D）。    CGM定植小鼠，血清中骨吸收标记物提高，能恢复OVX小鼠新骨形成和矿化的损害，而EGM定植小鼠没有观察到此类现象。    CGM定植对骨质疏松小鼠的定植通过促进成骨细胞骨形成和抑制破骨细胞骨吸收而逆转骨代谢不平衡，最终提高骨质疏松小鼠的骨量和强度。图2. CGM逆转了OVX小鼠不平衡的骨代谢2. CGM挽救骨质疏松症期间肠道A. muciniphila (Akk)的减少    研究者收集Sham+ Vehicle，OVX+ Vehicle，OVX+ pooled CGM，和OVX+ pooled EGM小鼠粪便，除了由于粪便来源为人而引起小鼠肠道粪便中Actinobacteria和Firmicutes的差异外，Akkermansia在OVX处理后大幅减少，在定植CGM后，OVX小鼠明显恢复（图3. B）。    这表明Akkermansia可能与OVX引起的骨质疏松有关，这种微生物的定植可能是预防骨质疏松的重要机制。图3. CGM可以挽救骨质疏松症期间肠道Akk的损失，补充Akk可以减少OVX小鼠的骨质疏松表型

3. 补充Akk可以减少OVX小鼠的骨质疏松表型

    研究者直接定植Akk来观察小鼠表型，发现其能增加OVX小鼠的骨长度，恢复骨强度（图3. L M）,同时还能像定植CGM一样，促进成骨，减少破骨（图3. N-P T-V）。4. EVs的分泌是CGM和Akk抗骨质疏松活性所必需的    研究者为了探究EVs在CGM定植后的抗骨质疏松作用中的作用，通过与中性鞘磷脂抑制剂GW 4869共同作用，GW 4869能抑制EVs的释放，干扰CGM分泌EVs。发现EVs是CGM发挥骨保护作用所必须的（图4.）。然后，研究者将Akk与GW 4869共同作用，发现GW 4869影响了Akk的骨生长促进作用。图4. EVs的分泌是CGM和Akk抗骨质疏松活性所必需的5. 来自CGM、EGM或Akk的EVs被转运到骨组织    研究者从CGM、EGM培养基中分离得到EVs，对其进行表征（图5. A B），然后检查发现这些细菌EVs被运送到宿主组织，高荧光信号检测发现集中在小鼠的胫骨和股骨（图5. C D），同时还在肝、肾、脑、肌肉和胃肠中也检测到，其中肝脏、肌肉和胃肠的荧光强度最高（图6. A B）。同时发现细菌EVs可以在生理条件下，或外源性注射下运输到宿主组织。图5. CGM - ev和Akk - ev可在体外转运至小鼠骨组织，直接促进成骨和抑制破骨细胞的形成6. CGM - EVs和Akk - EVs在体外促进骨形成和抑制破骨细胞形成    研究者还研究了三种不同来源的CGM-EVs与EGM-EVs和Akk–EVs，发现其能在培养3h后进入小鼠原代骨髓间质干细胞和破骨祖细胞细胞核周围，但EGM-EVs组产生矿化结节较少（图5. I J）。通过对三种CGM-EVs和Akk – EVs进行实时荧光定量分析，进一步证实了成骨相关基因的表达。    结果表明，细菌EVs对成骨和破骨得调节性表明，它们具有直接调节骨稳态的潜力。7. CGM - EVs和Akk - EVs可预防OVX -诱导的骨质疏松症    最后，研究者还检查是否可以使用不同供者的CGM-EVs进行治疗。发现1.21010 Akk – EVs剂量每周两次，持续2个月可以保护OVX小鼠免于骨质疏松。同时CGM – EVs治疗后，还能增加小鼠成骨细胞数量和成骨活性。图6. 口服CGM - EVs和Akk - EVs对OVX -诱导的骨质疏松症有保护作用

结论

    作者的研究主要有三个发现，丰富了GM-骨轴调节机制，首先证实了来自儿童的肠道菌群在预防OVX所致骨质疏松方面的有益作用。其次，发现有益菌Akkermansia有利于维持骨量和强度，可能是CGM诱导的抗骨质疏松作用的重要介质。第三，提出了一种新的细菌与骨之间的通讯模式，它是通过细菌与骨细胞之间的长距离传递功能的EVS来实现。研究表明Akkermansia 、CGM能恢复OVX引起的骨损失，产生有益骨的EVs，最终增强OVX小鼠的骨量和强度。

参考文献

Extracellular Vesicles from Child Gut Microbiota Enter intoBone to Preserve Bone Mass and Strength. Adv. Sci. 2021, 2004831.

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