近年来，肠道菌群与骨健康之间的关系引起了广泛关注。研究已经发现，肠道菌群通过代谢产物可以影响宿主的免疫反应和骨代谢。特别是，色氨酸代谢产物如IAA（吲哚-3-乙酸）和IPA（吲哚丙酸）等，已被证实能够通过激活芳香烃受体（AhR）来调节肠道屏障功能，进而影响骨质流失。此外，卵巢切除（OVX）诱导的骨质流失模型常被用来模拟绝经后妇女的骨质疏松症，研究其发病机制及潜在治疗策略。尽管已有研究揭示了肠道菌群与骨质流失之间的联系，但肠道菌群如何通过特定的代谢途径和分子机制影响骨质的详细机制仍不清楚。此外，如何有效调节肠道菌群以改善骨质流失，以及如何将这些发现转化为临床应用，也是当前研究面临的挑战。例如，肠道菌群的复杂性以及个体间的差异性使得找到普适的调节策略变得困难。同时，肠道菌群与宿主免疫系统、内分泌系统等其他系统的交互作用也增加了研究的复杂性。
针对以上问题，2024年7月23日，湖北中医药大学陈刚、中国科学院大学张利民及南方医科大学谢登辉共同通讯在【Advanced Science】 在线发表题为“Microbial Tryptophan Metabolites Ameliorate Ovariectomy-Induced Bone Loss by Repairing Intestinal AhR-Mediated Gut-Bone Signaling Pathway”的研究论文，该研究探讨了肠道微生物色氨酸代谢产物如何通过修复肠道AhR介导的肠骨信号通路来改善卵巢切除诱导的骨质流失。本研究发现卵巢切除小鼠肠道中的AhR信号受损导致骨质流失，通过补充色氨酸代谢产物，可以恢复肠道AhR信号促进肠道产生白细胞介素-10进而通过肠骨轴改善骨质流失。
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• 样本收集：从湖北省中医院选取健康女性血清样本，绝经前（32名）和绝经后（22名）两组。• 16S rRNA基因测序分析：从小鼠盲肠内容物中提取肠道细菌的总DNA，进行16S rRNA基因测序分析。• μCT分析：对小鼠股骨进行高分辨率微CT成像分析。• 体外实验：分离小鼠的原代颅骨成骨细胞和骨髓巨噬细胞，进行体外实验。• 色氨酸代谢产物的定量分析：使用UHPLC-QQQ-MS技术对血清中的色氨酸代谢产物进行定量分析。1.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的减少
通过分析小鼠粪便中细菌组成，首先观察到在骨质疏松症动物模型中，肠道菌群的组成发生了显著变化，特别是与健康对照组相比，产色氨酸的细菌（如乳酸杆菌属（Lactobacillus））的数量显著减少。这表明肠道菌群可能与骨质疏松症的发生发展有关。功能预测分析结果显示，卵巢切除（OVX）显著改变了许多细菌途径，涉及氨基酸、脂质、矿物质吸收和细胞凋亡等，特别值得注意的是，卵巢切除（OVX）小鼠表现出与肠道微生物群、下游代谢物和代谢性疾病高度相关的Trp代谢显著降低。
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接着，通过菌群移植进一步探讨了肠道菌群产生的色氨酸代谢产物在骨质疏松症中的作用。发现在骨质疏松症动物模型的粪便样本中，色氨酸代谢产物（如IAA和IPA）的浓度明显低于健康对照组。这些色氨酸代谢产物是芳香烃受体（AhR）的配体，而AhR在调节骨代谢方面起着重要作用。
2.骨质疏松症动物模型和绝经后个体中微生物色氨酸代谢受损
本部分实验探讨了骨质疏松症动物模型和绝经后个体中受损的微生物色氨酸（Trp）代谢物。研究发现：
1. 在卵巢切除（OVX）诱导的绝经后骨质疏松症小鼠模型中，观察到显著的骨质流失，表现为骨密度（BMD）和骨体积/组织体积比（BV/TV）的显著降低。2. 通过靶向超高效液相色谱-四极杆质谱（UHPLC-QQQ-MS）的代谢组学分析，发现与对照组相比，患有代谢性疾病的动物模型的粪便样本中，作为AhR配体的色氨酸代谢物（如吲哚衍生物IAA和IPA）的浓度显著降低。3. 通过斯皮尔曼相关性分析，发现吲哚代谢物的水平，尤其是IAA和IPA，与骨质流失的参数（包括BMD、BV/TV、小梁厚度（Tb.Th）和小梁数量（Tb.N））呈显著正相关。4. 队列研究，绝经后骨质流失的个体，其血清中IAA和IPA的浓度也较低，这些是微生物来源的AhR配体。![]()
这些结果表明，OVX诱导的骨质流失与微生物群衍生的色氨酸代谢物显著减少密切相关。
3.补充微生物色氨酸代谢酶以肠道AhR依赖性方式有效改善OVX诱导的骨丢失
本部分内容主要讨论了微生物色氨酸代谢产物补充对卵巢切除（OVX）诱导的骨质流失的改善作用，并且这种改善作用依赖于肠道AhR（芳香烃受体）。
使用典型的OVX诱导的骨质疏松症小鼠模型来探究微生物色氨酸代谢产物是否能够改善骨质流失，以及其作用机制。通过胃管给予小鼠IAA（吲哚乙酸）和IPA（吲哚丙酸），连续10周。结果显示，这种补充显著改善了OVX诱导的野生型（WT）小鼠的骨质流失，具体表现为骨密度（BMD）和骨体积/组织体积比（BV/TV）的显著上调，以及骨小梁厚度（Tb.Th）的增加和骨小梁间隙（Tb.Sp）的减少。
此外，免疫组化染色显示，IAA和IPA的补充显著增加了OVX WT小鼠骨表面的成骨细胞数量。ELISA显示，IAA和IPA的补充进一步提高了血清中Ⅰ型前胶原氨基端原肽（PINP）的水平，PINP是成骨分化的生物标志物。同时，定量测量和抗酒石酸酸性磷酸酶（TRAP）染色表明，IAA的处理显著降低了OVX WT小鼠中Trap阳性细胞（N. Trap+）和I型胶原交联C-末端肽（CTX-I）的水平，这些都是破骨细胞活性和骨吸收的典型生物标志物。
值得注意的是，这些改善效果在肠道AhR基因敲除（VillinCreAhrfl/fl）的OVX小鼠中并没有显著观察到。这表明IAA和IPA对骨质流失的改善作用依赖于肠道AhR的活性。
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总的来说，补充微生物色氨酸代谢产物，特别是IAA和IPA，可以通过肠道AhR依赖的方式有效改善OVX诱导的骨质流失。
4.补充微生物色氨酸代谢酶以肠道AhR依赖的方式恢复OVX诱导的肠屏障完整性
本部分实验通过补充微生物色氨酸（Trp）代谢产物如何以肠道AhR依赖的方式恢复去卵巢（OVX）诱导的肠道屏障完整性。
研究者们发现，肠道AhR与去卵巢诱导的骨质流失密切相关，因此他们进一步研究了补充微生物色氨酸代谢产物对肠道屏障功能的影响。通过对卵巢切除（OVX）小鼠进行肠道AB-PAS染色，他们观察到补充IAA（吲哚-3-乙酸）和IPA（吲哚-3-丙酸）有效地恢复了卵巢切除（OVX）小鼠肠道结构的完整性，这通过增加杯状细胞的数量和粘膜层厚度来定量表现。与之前的研究一致，他们发现OVX小鼠的肠道屏障完整性受损，表现为紧密连接蛋白ZO-1和E-cadherin的蛋白和mRNA水平降低。补充IAA和IPA显著恢复了OVX野生型（WT）小鼠肠道屏障功能相关生物标志物的水平，如上调上皮细胞间的连接蛋白。然而，在肠道AhR基因敲除的OVX小鼠中，补充IAA和IPA并没有显示出肠道修复能力，肠道结构完整性相关参数没有显著变化。![]()
这些发现表明，通过激活肠道AhR，补充IAA和IPA可以有效地恢复OVX小鼠的肠道屏障功能，这可能有助于改善因去卵巢手术导致的骨质流失。
5.AhR激活通过调控Wnt/β-catenin信号通路修复肠屏障功能
肠道屏障功能受损实验：研究者发现，去卵巢切除（OVX）诱导的绝经后骨质疏松症小鼠模型中，肠道屏障功能受损，这主要表现为肠道上皮细胞的增殖减少。
1. AhR的激活：通过给这些小鼠补充色氨酸代谢产物IAA（吲哚乙酸）和IPA（吲哚丙酸），可以激活AhR（芳香烃受体），这是一种细胞内受体，与多种生理和病理过程相关。2. Wnt/β-catenin信号通路的调节：激活AhR后，可以调节Wnt/β-catenin信号通路，这是一条在细胞增殖、分化和组织稳态中起关键作用的信号通路。具体来说，IAA处理可以显著上调与天然免疫和Wnt信号通路相关的基因表达，如Arg1、Il-10和β-catenin（Ctnnb1），并下调CD86的表达。3. 肠道上皮细胞完整性的修复：通过免疫组化和免疫荧光分析，研究者发现补充IAA和IPA可以显著修复OVX小鼠肠道上皮细胞的完整性，并上调肠道中β-catenin的水平。4. 血清LPS和IL-10水平的变化：补充IAA和IPA还可以显著降低OVX小鼠血清中的LPS（脂多糖，一种内毒素）水平，并显著提高血清中IL-10（白细胞介素-10，一种抗炎细胞因子）的水平。5. AhR在肠道中的重要作用：研究还发现，在肠道AhR基因敲除的OVX小鼠中，上述β-catenin、LPS和IL-10水平的变化并未观察到，这表明AhR在肠道中的激活对于这些变化至关重要。6. 体外实验验证：使用LPS处理的Caco-2细胞（一种肠道上皮细胞系）作为体外模型，研究者进一步探索了AhR和Wnt/β-catenin信号通路在肠道上皮细胞中的作用。LPS处理降低了β-catenin的蛋白和mRNA水平，而IAA和IPA的处理显著逆转了这一效应。7. AhR与β-catenin启动子的结合：通过生物信息学分析和实验验证，研究者发现AhR蛋白至少可以在β-catenin启动子的三个结合位点上与之相互作用，从而调节β-catenin的表达。![]()
综上所述，通过激活AhR并调节Wnt/β-catenin信号通路，可以修复肠道屏障功能，这对于维护肠道健康和预防骨质疏松症等代谢性疾病具有重要意义。
6. M2巨噬细胞分泌的IL-10与骨细胞直接相互作用
本部分讨论了IL-10这种细胞因子在调节骨质形成和吸收中的作用。IL-10由M2型巨噬细胞分泌，能够直接作用于成骨细胞和破骨细胞，影响它们的行为。具体来说，IL-10能够促进成骨细胞的分化和形成，同时抑制由RANKL（核因子κB配体）诱导的破骨细胞生成。实验中，IL-10的暴露剂量依赖性地促进了成骨细胞的分化和形成，并且抑制了破骨细胞的分化。这表明IL-10通过上调碱性磷酸酶（ALP）活性和矿化结节的形成，促进了成骨细胞的生成。同时，IL-10处理也显著减少了TRAP（焦磷酸酶）阳性的多核破骨细胞的数量，尽管破骨细胞生成相关基因的mRNA水平没有显著变化。![]()
这些结果表明，通过补充色氨酸代谢产物IAA（吲哚乙酸）和IPA（吲哚丙酸），可以促进从肠道M2型巨噬细胞到骨髓的IL-10的分泌和扩散，从而同时调节成骨细胞和破骨细胞的分化。本研究揭示了肠道菌群代谢色氨酸产生的代谢物能够通过修复肠道AhR介导的肠-骨信号通路，改善卵巢切除诱导的骨质丢失。实验结果表明，肠道菌群代谢物能够促进骨形成并抑制骨吸收，从而对抗骨质疏松症。此外，研究还发现，肠道菌群代谢物能够通过激活AhR信号通路，促进肠道产生IL-10，进而增强肠-骨轴的功能，为治疗骨质疏松症提供了新的策略。
本研究的理论意义在于揭示了肠道菌群与骨质丢失之间的新联系，为理解肠-骨轴的生物学机制提供了新的视角。实践意义方面，本研究为开发新的治疗骨质疏松症的药物提供了潜在的靶点，特别是通过调节肠道菌群来改善骨健康，这可能为骨质疏松症的治疗提供新的策略。此外，研究还强调了肠道健康在维持骨健康中的重要性，提示了通过改善饮食习惯和生活方式来预防和治疗骨质疏松症的可能性。本研究的创新性在于首次发现肠道菌群代谢色氨酸产生的代谢物能够通过AhR信号通路影响骨代谢，为肠-骨轴的研究提供了新的视角。此外，研究还创新性地利用了高通量测序技术结合代谢组学分析，揭示了肠道菌群与骨质丢失之间的具体分子机制，为开发新的治疗骨质疏松症的药物提供了潜在的靶点。Driving innovation for better life！
