鼠李糖乳杆菌GG通过调节肠-骨轴缓解机械卸载诱导的骨丢失

《Frontiers in Nutrition》：Lactobacillus rhamnosus GG mitigates bone loss induced by mechanical unloading via regulation of the gut-bone axis

本研究揭示鼠李糖乳杆菌GG（LGG）通过重塑肠道菌群、恢复短链脂肪酸（SCFA）水平、修复肠道屏障（ZO-1/Occludin）、促进骨微环境中调节性T细胞（Treg）扩增并抑制炎症因子（TNF-α/IL-1β），最终改善机械卸载导致的骨微结构破坏（Micro-CT）和骨代谢失衡（BALP/OPG/CTX/PINP），为宇航员及长期卧床患者骨质疏松防治提供新策略。

　　

引言

机械卸载（如太空微重力环境或长期卧床）引发的骨丢失是临床面临的严峻挑战。随着太空探索需求增长，长期太空驻留不可避免，但宇航员在失重环境下每月会流失1-2%的骨密度（BMD），且这种骨丢失在返回地球后仍可能持续数月。近年来，肠-骨轴理论逐渐兴起，认为肠道菌群可通过多种机制影响宿主骨代谢。短链脂肪酸（SCFA）作为益生菌代谢产物，是该轴的关键介质，不仅能促进有益菌增殖、维持肠道屏障完整性，还能通过扩增调节性T细胞（Treg）调节免疫系统。Treg释放的IL-10和TGF-β可抑制破骨细胞生成，从而维持骨量。此外，肠道菌群失调或通透性增加会导致内毒素（如LPS）进入循环，引发慢性炎症，促进破骨细胞活性，加速骨丢失。鼠李糖乳杆菌GG（LGG）作为研究热点，已被证实可调节免疫系统并在卵巢切除（OVX）小鼠模型中恢复骨稳态，但其在机械卸载条件下的保护作用尚未见报道。本研究通过后肢卸载（HU）小鼠模型，探讨LGG是否通过影响肠道菌群组成、SCFA产生、肠道屏障功能及Treg细胞比例，缓解卸载诱导的骨丢失。

材料与方法

实验选用SPF级雄性C57BL/6小鼠（8周龄），随机分为对照组（Con）、后肢卸载组（HU）和LGG干预组（HU+LGG）。HU模型通过尾部悬吊法建立，模拟机械卸载状态。LGG组每天灌胃LGG悬液（1×10⁹CFU/只），持续4周。实验结束后采集粪便、血清、肠道组织及股骨样本，通过16S rRNA测序分析肠道菌群，LC-MS/MS检测SCFA水平，ELISA和Western blot（WB）测定炎症因子（TNF-α、IL-1β、IL-10）及骨代谢标志物（BALP、OPG、OCN、PINP、CTX），免疫组化和WB检测肠道屏障蛋白（ZO-1、Occludin），流式细胞术分析骨骨髓Treg细胞（CD4⁺CD25⁺Foxp3⁺），Micro-CT及H&E染色评估骨微结构。

结果

LGG重塑肠道菌群组成

16S rRNA测序显示，HU显著降低肠道菌群α多样性（Ace、Chao、Sobs指数），PCoA分析表明HU组与Con组菌群结构明显分离，而LGG干预使菌群结构部分恢复。在门水平，HU组拟杆菌门（Bacteroidota）比例升高，厚壁菌门（Firmicutes）比例下降，F/B比值降低；在属水平，HU增加Muribaculaceae和Bacteroides丰度，减少Dubosiella和Lachnospiraceae等SCFA产生菌，LGG处理可逆转这些变化。

LGG促进SCFA代谢

LC-MS/MS检测发现，HU显著降低血清和肠道中乙酸、丙酸、丁酸等主要SCFA水平，LGG干预后其浓度得以恢复。KEGG富集分析提示SCFA主要参与碳水化合物和能量代谢通路。

LGG恢复肠道屏障完整性

qPCR证实LGG在干预组粪便中定植（10⁴-10⁶CFU/g）。免疫组化和WB显示，HU组结肠ZO-1和Occludin蛋白表达显著降低，血清LPS水平升高，TLR4 mRNA表达上调；LGG治疗后紧密连接蛋白表达恢复，血清LPS及TLR4水平下降。

LGG促进骨骨髓Treg扩增并抑制炎症反应

ELISA和WB结果表明，HU组骨微环境中TNF-α和IL-1β显著升高，IL-10降低，流式细胞术显示Treg细胞比例下降。LGG干预后，促炎因子水平降低，抗炎因子IL-10升高，Treg比例回升。

LGG改善骨微结构和骨代谢

Micro-CT及H&E染色显示，HU组股骨远端骨密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）、骨小梁数量（Tb.N）和厚度（Tb.Th）降低，骨小梁分离度（Tb.Sp）增加，皮质骨参数也发生恶化；LGG治疗改善上述指标。血清骨标志物检测发现，HU降低骨形成标志物（BALP、OCN、PINP）和骨保护素（OPG），升高骨吸收标志物CTX，LGG可逆转这一趋势，恢复骨代谢平衡。

讨论

机械卸载通过破坏肠道菌群稳态，减少SCFA产生菌（如Dubosiella、Lachnospiraceae），降低SCFA水平，进而损害肠道屏障功能，增加LPS入血，激活骨微环境炎症反应（TNF-α/IL-1β升高，IL-10降低），抑制Treg细胞功能，最终导致骨丢失。LGG可能通过调节菌群组成、提升SCFA浓度、修复肠道屏障、促进Treg扩增和抑制炎症，发挥骨保护作用。本研究局限性包括HU模型与人体生理差异、LGG临床安全性未验证、样本量较小等，未来需深入探讨相关分子通路。

结论

LGG可通过调控肠-骨轴缓解机械卸载诱导的骨丢失，其作用机制涉及肠道菌群重构、SCFA水平恢复、肠道屏障功能改善及Treg介导的炎症抑制。该研究为微重力或长期卧床所致骨质疏松的防治提供了新思路。