骨质疏松症是一种普遍存在的、与衰老过程密切相关的代谢性疾病。其主要表现为骨量的显著减少以及骨结构的逐渐退化，进而引发较高的发病率和死亡率。在绝经后的女性群体中，由于卵巢功能的逐渐衰退以及雌激素水平的显著降低，骨质流失的风险呈现出显著增加的趋势。微生物代谢过程中产生的的色氨酸及其衍生物，如吲哚乙酸（indole acetic acid，IAA）和吲哚-3-丙酸（indole-3-propionic acid，IPA），被视为内源性的芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）配体。这些物质能够通过激活AhR受体，从而发挥对骨质的保护作用。然而，关于色氨酸代谢物如何通过肠-骨信号通路改善骨质流失的具体机制，目前尚未完全阐明。
2024年7月23日，一项重要的研究成果在Advanced Science期刊上发表。该研究由湖北中医药大学的陈刚、中国科学院大学的张利民以及南方医科大学的谢登辉共同通讯完成，题为“Microbial Tryptophan Metabolites Ameliorate Ovariectomy-Induced Bone Loss by Repairing Intestinal AhR-Mediated Gut-Bone Signaling Pathway”。在该研究中，他们发现通过补充色氨酸代谢物如IAA和IPA，能够以AhR依赖的方式修复卵巢切除（ovariectomy，OVX）所诱发的绝经后骨质疏松症小鼠的肠道屏障完整性，这一发现显著改善了骨质流失的状况，表明微生物色氨酸代谢物可能通过调节AhR介导的肠骨轴，成为治疗骨质疏松症的潜在候选药物。
研究者们首先通过建立OVX诱导的骨质疏松小鼠模型，随后给予这些小鼠IAA和IPA治疗。接着，他们运用了16S rRNA基因测序技术以及基于高效液相色谱-三重四极杆质谱联用（HPLC-QQQ-MS）技术的靶向代谢组学分析方法，并采用了相应的生物学测定手段，证实了色氨酸代谢产物通过体内和体外的肠-骨轴相互作用，进而改善骨量丢失，并对其具体机制进行了深入研究。
骨质疏松症动物模型中微生物群组成的改变和色氨酸代谢减少
作者首先利用高通量测序技术，对对照组小鼠和OVX诱导的绝经后骨质疏松症小鼠的肠道菌群进行了差异分析。在OVX小鼠模型中，他们发现肠道微生物群的组成发生了显著变化，具体来说，OVX小鼠的chao1指数上升，在门水平上，厚壁菌门的丰度出现了上调，而拟杆菌门的丰度则有所下降；在属水平上，双歧杆菌和梭菌的丰度显著增加，而乳杆菌的数量却显著减少。此外，通过kegg富集分析，作者还发现OVX小鼠表现为与肠道微生物相关的色氨酸代谢显著降低。（Fig.1）![]()
Fig.1 OVX小鼠的微生物群组成的改变和Trp代谢降低
骨质疏松症和绝经后动物模型中微生物色氨酸代谢物受损
为了研究微生物色氨酸代谢物与绝经后骨质疏松症的相关性，作者建立OVX诱导的绝经后骨质疏松症动物模型。结果显示，OVX小鼠出现显著的骨流失特征，具体表现为骨矿物质密度（Bone mineral density，BMD）和骨体积/组织体积比（bone volume/tissue volume，BV/TV）显著降低。同时，靶向色氨酸代谢组学结果显示，OVX小鼠粪便中IAA和IPA含量呈现出显著的下降趋势。此外，研究者还在临床上进行了更深入的探索，他们发现与绝经前的女性相比，OVX患者的血清样本中IAA和IPA也呈现出较低的水平。综上所述，这些研究结果表明，OVX诱导的骨流失现象与微生物群衍生的色氨酸代谢物（如IAA和IPA）的显著减少之间存在着高度的相关性。（Fig.2）Fig.2 骨质流失代谢性疾病动物模型和绝经后个体中受损的微生物AhR配体
补充微生物色氨酸代谢产物可有效改善OVX诱导的肠道AhR依赖性骨丢失
接下来，为了验证IAA和IPA对OVX诱导的骨质疏松症的改善效果。作者对OVX诱导的骨质疏松症小鼠进行了色氨酸IAA和IPA饮食治疗，结果显示，补充IAA和IPA后，OVX诱导的骨流失现象得到了显著的改善。此外，作者还注意到肠道AhR与OVX诱导的骨流失之间的密切关系。为了进一步探究其中的机制，作者研究了补充色氨酸代谢物对肠道屏障功能的影响，结果发现，微生物色氨酸代谢产物IAA在改善OVX诱导的骨流失中发挥了重要的作用。它通过有效恢复OVX小鼠肠道屏障的结构完整性，从而实现了对骨流失的显著改善。（Fig.3）Fig.3 补充IAA和IPA可以缓解OVX诱导的WT小鼠骨质疏松症
补充微生物色氨酸代谢产物以肠道AhR依赖的方式恢复OVX诱导的肠道屏障完整性
为了探索IAA是否通过作用AhR来有效恢复OVX小鼠肠道屏障的结构完整性，作者构建了肠AhR敲除的OVX小鼠模型，然后进行代谢物的干预，结果发现当IAA和IPA被用于口服治疗肠AhR敲除的OVX小鼠时，其骨流失的改善作用并不明显。研究者们还进一步检测了补充IAA和IPA后肠道结构完整性相关的参数。结果发现，这些参数在补充IAA和IPA后并没有发生显著的变化。综上所述，这些研究结果反向证明了补充微生物色氨酸代谢产物是以肠道AhR依赖的方式恢复OVX诱导的肠道屏障完整性的。（Fig.4）Fig.4 补充IAA和IPA不能缓解肠AhR敲除的小鼠OVX诱导的骨质疏松症
AhR通过调节Wnt/β-catenin信号通路修复肠屏障功能
为了深入探究AhR调节肠道上皮屏障完整性的分子机制，作者对接受和不接受IAA治疗的对照组和OVX小鼠组肠道组织进行了转录组学测序分析。结果显示，IAA处理诱导了一系列差异表达基因的出现。这些基因主要来源于免疫反应、Wnt信号通路和细胞粘附分子的激活。进一步分析发现，IAA治疗显著上调了OVX小鼠先天免疫和Wnt信号通路中的Arg1、Il-10和β-catenin的mRNA表达水平；与此同时，IAA治疗还下调了CD86的mRNA表达水平。综上所述，这些研究结果表明微生物代谢物IAA和IPA通过激活AhR分子后，可能通过介导免疫反应、Wnt信号通路和细胞粘附分子的激活来修复肠屏障功能。（Fig.5）![]()
Fig.5 AhR通过调节Wnt/𝛽-catenin信号通路修复肠道屏障功能
研究者们再次利用肠AhR敲除的OVX小鼠模型对AhR激活与肠道功能之间的具体机制进行了反向验证。在该模型中，研究者们进行了IAA和IPA的补充治疗，并仔细观察了治疗效果。结果显示，在肠AhR敲除的OVX小鼠中，补充IAA和IPA后并没有观察到结肠中β-catenin、LPS以及血清中IL10水平的变化。以上结果表明，补充IAA激活AhR确实是通过调节Wnt/β-catenin信号通路来修复肠道屏障功能的。（Fig.6）![]()
Fig.6 补充IAA和IPA激活AhR可调节巨噬细胞表型，并与连环蛋白启动子相互作用
最后，研究者们将研究焦点放在了IL-10这一重要的免疫调节因子上，对肠道和骨骼之间的关系进行了深入的探讨。他们研究了在给药情况下，IL-10对成骨细胞与破骨细胞在体外的增殖和分化情况的影响。研究结果显示，IL-10在体外具有显著的生物学效应。进一步的研究还发现，补充IAA和IPA可以促进肠道上皮分泌的IL-10从肠道固有层扩展到骨髓。综上所述，这些研究结果表明，IL-10在肠道和骨骼之间扮演着重要的桥梁角色。通过调节成骨细胞和破骨细胞的增殖和分化，IL-10不仅有助于维持肠道的屏障功能，还能够促进骨骼的生成和修复。而补充IAA和IPA则可以通过促进IL-10的分泌和扩散，进一步发挥其在肠道和骨骼健康中的积极作用。（Fig.7）
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Fig.7 IL-10促进成骨细胞生成并抑制破骨细胞生成
研究发现，色氨酸代谢物如IAA和IPA在绝经后骨质疏松症的治疗中发挥了重要作用。它们通过修复OVX诱导的绝经后骨质疏松症小鼠的肠道屏障完整性，展现出了显著的治疗效果。具体来说，这些色氨酸代谢物能够增强肠道上皮分泌的IL-10，并促使这种免疫调节因子从肠固有层扩展到骨髓。这一过程不仅加强了肠道的免疫防御功能，还通过促进成骨细胞的生成和抑制破骨细胞的生成，在体内和体外同时发挥了积极的骨骼保护作用。最终，这些色氨酸代谢物的治疗显著改善了骨质流失的情况，为绝经后骨质疏松症的治疗提供了新的思路和方向。尽管本研究在探索色氨酸代谢物如IAA和IPA对绝经后骨质疏松症的治疗作用方面取得了显著的成果，但仍存在一些局限性：首先，本研究未检测雌激素等性激素水平；绝经期的女性出现骨质疏松更多是与雌激素的水平相关，因此，在未来的研究中，可以考虑将性激素水平作为重要的检测指标。其次，本研究在定位菌群代谢色氨酸的能力时，仅关注了乳杆菌属，而其他菌群在色氨酸代谢和骨丢失中也可能发挥作用。若能将以上局限进行更加全面和深入的研究，或将有助于进一步揭示色氨酸代谢物在绝经后骨质疏松症治疗中的潜力。
DOI: 10.1002/advs.202404545编辑：吴小云 排版：吴佩仪 审核：张正凤
