骨质疏松症（osteoporosis，OP）是一个严重的全球性公共健康问题，具有较高的发病率和死亡率，全球超过2亿人受到影响，15%和30%的男性和30%和50%的女性将在一生中的某个时间点经历骨质疏松性骨折。骨骼是一个高度机械适应性的系统，机械载荷在维护骨骼健康和对抗骨质疏松症中起着至关重要的作用。尽管运动被广泛推广为主要的非药物预防措施来降低骨质疏松症和骨折的风险，但大量临床证据表明，但诸多动物和临床研究证实骨应力响应能力在个体间存在高度异质性，且这种异质性在骨质疏松群体中（老年或绝经后妇女）表现的更为明显。然而，骨应力响应的高变异性机制仍然是未知的，确定并采取的适当措施以便提高骨的力学响应能力已经成为一个日益重要的科学挑战。
近几十年来，有证据表明，居住在人类胃肠道内的肠道微生物在决定宿主健康方面的起着关键作用。值得注意的是，人类基因组的组成在个体之间有99.9%的相同性，但是肠道微生物的组成和功能具有相当高的个体间的变异性。从疾病的角度来看发病机制，肠道微生物的异质性最近引起了相当大的关注，最近的研究报道了肠道微生物在辐射损伤和糖尿病的易感性和进展中的发挥关键作用。越来越多的证据也揭示了肠道微生物与骨骼稳态之间的联系。
在骨质疏松症患者（衰老、绝经后和糖皮质激素治疗）中，肠道微生物群的组成发生了显著变化。微生物生态失调或肠道中有害微生物的增多也会导致骨量的显著损失。几项研究表明，一些骨骼调节药物和营养物质（甲状旁腺激素和维生素D）的治疗效果取决于肠道微生物的活性。然而，骨骨应力响应能力是否与肠道微生物群有关，以及骨应力响应能力的高度个体间差异是否与肠道微生物的异质性有关，目前还没有得到充分的证实。

2024年5月7日，空军军医大学军事生物医学工程学系景达教授、西京医院骨科罗卓荆教授和解放军联勤保障部队第九八九医院的常祺教授合作在Cell Metabolism杂志发表了题为Gut microbial alterations in arginine metabolism determine bone mechanical adaptation的研究。该研究基于16S测序和代谢组学找到了应力高敏感和应力低敏感组小鼠的差异肠道微生物及差异代谢物，揭示了肠道微生物介导的精氨酸代谢在骨力学响应调控中的作用及机制。这一研究不仅揭示了肠道微生物群及其相关代谢物在调节骨骼对骨负荷运动的异质适应中的重要性，对优化运动介导的骨骼收益和促进骨质疏松症的个性化预防和治疗提供了新思路。


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为了研究负荷介导的骨量增加是否在会受肠道微生物影响，研究者使用抗生素（antibiotics，Abx）处理小鼠，以消耗肠道内的微生物群，在经过两周的抗生素治疗后，给予小鼠右胫骨机械应力刺激，通过微型计算机断层扫描和 H&E 染色结果显示，对照组小鼠的胫骨皮质和松质骨质量以及厚度在受到机械应力后显著增加，而经抗生素处理的小鼠未观察到显著变化。结果表明，微生物群耗尽的小鼠骨骼对机械应力的相应受到抑制。
为了进一步明确其关键作用的微生物群，研究者对小鼠进行了为期6周的跑步机运动实验，通过比较跑步机训练前后的胫骨松质/皮质骨质量变化，定义了应力高响应者（HRs）和应力低响应者（LRs）。通过 16S rDNA 测序分析，发现两组在肠道微生物群落上存在显著差异，其中毛螺菌科（Lachnospiraceae）在 HRs 中相对丰度更高。结果表明，Lachnospiraceae可能是骨骼适应性异质性的主要贡献。
那么 LRs 和 HRs 小鼠的粪便微生物群移植 （FMT） 是否会影响骨机械反应性呢？研究者通过给经过抗生素处理的受体小鼠进行 FMT，结果显示 HRs 组的受体小鼠在骨骼微生物中 Lachnospiraceae 的相对丰度更高，皮质/松质骨质量、整体骨骼机械强度、成骨细胞介导的骨形成显著增强。进一步的，研究者通过胃管给予 Lachnospiraceae，并进行机械应力刺激，结果提示接受 Lachnospiraceae 的小鼠在机械应力刺激后胫骨皮质和松质骨结构以及整体骨骼机械性能有显著改善，同时还促进了成骨细胞介导的骨形成，减少了破骨细胞介导的骨吸收。结果进一步表明Lachnospiraceae在调控个体间骨应力响应中发挥重要作用。
研究者通过对HRs和LRs小鼠肠道内容物进行代谢组学分析，结果显示，HRs 小鼠血清中的L-瓜氨酸和L-精氨酸浓度显著更高，其中L-瓜氨酸能转化成L-精氨酸，并增强机械应力刺激介导的骨增益。此外，通过相关性分析，发现 Lachnospiraceae 的相对丰度与L-瓜氨酸的产生显著正相关。由于老年小鼠和去卵巢小鼠通常骨机械适应性降低，这加剧了骨质疏松症的风险。为此，研究者进一步探究了L-精氨酸对老年和去卵巢小鼠骨骼机械适应性的改善作用，结果提示L-精氨酸的使用显著提高了这些小鼠在跑步机运动后皮质和松质骨质量、骨骼机械强度、骨形成率，并减少了破骨细胞介导的骨吸收。结果表明肠道微生物产生的L-瓜氨酸及其转化产物L-精氨酸是骨机械反应的关键调节剂。
研究者进一步探索了L-精氨酸增强骨机械反应性的机制，当施加流体剪切应力（FSS）于 MLO-Y4 骨样细胞时，研究者发现 L-精氨酸能够增强FSS 诱导的细胞内NO和cGMP的浓度，并激活cADPR/RyR介导的Ca2+释放，从而增强骨细胞内的钙振荡，这一过程调节了成骨细胞和破骨细胞活性，促进了骨骼形成并抑制了骨吸收。此外，L-精氨酸对骨细胞特异性基因表达的调控作用被 NO 合成阻断剂 L-NAME 所抑制，证实了 NO 在这一过程中的重要性。结果表明，L-精氨酸通过触发骨细胞中的 NO-Ca2+正反馈来增强骨机械适应性。

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这项研究中揭示了肠道微生物是骨机械反应性的主要调节剂，而且还确定了 Lachnospiraceae 在骨骼适应骨负荷运动的异质性过程中发挥的重要贡献。此外，肠道微生物产生的L-瓜氨酸及其转化产物 L-精氨酸可以增强正常，衰老和去卵巢小鼠的骨机械反应性，是骨骼机械适应性的关键调节因子。L-精氨酸通过激活骨细胞一氧化氮(NO)-钙(Ca2+)正反馈环路来增强骨骼的机械适应性。这项研究确定了一种有前景的抗骨质疏松策略，可通过微生物群-代谢轴来有效应对机械应力的刺激，从而增强骨机械适应性，为优化运动骨收益和骨质疏松个性化防治提供新策略，是骨生物力学领域的一项突破性研究。然而，本文也存在一些局限性。首先当前研究缺乏Lachnospiraceae 、L-瓜氨酸和L-精氨酸对骨力学反应性影响的临床结果，尤其是在骨质疏松患者中。此外，L-瓜氨酸和L-精氨酸改善骨力学反应的最佳剂量和持续时间还有待于未来大规模动物和临床研究的进一步研究。

王丹博士、蔡婧教授、裴启霖博士和颜泽栋讲师该研究论文共同第一作者，景达教授、罗卓荆教授和常祺教授为共同通讯作者。


来源：BioArt

原文链接：https://www.cell.com/cell-metabolism/abstract/S1550-4131(24)00124-4