Adv Sci：陈刚/张利民/谢登辉合作发现微生物色氨酸代谢物改善骨质疏松的作用机理

微生物色氨酸（Trp）代谢物作为芳烃受体（AhR）配体，已被证明可通过调节微生物群落有效改善代谢疾病。然而，色氨酸代谢物通过肠骨串扰改善骨质流失的潜在机制尚不清楚。

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，该研究中，补充色氨酸代谢物、吲哚乙酸（IAA）和吲哚-3-丙酸（IPA）可通过以AhR依赖的方式修复卵巢切除（OVX）诱发的绝经后骨质疏松症小鼠的肠道屏障完整性，显著改善骨质流失。

从机制上讲，色氨酸代谢物（尤其是IAA）激活肠道AhR，可通过刺激Wnt/β-catenin信号通路有效修复肠道屏障功能。因此，通过补充IAA和IPA增强的M2巨噬细胞会分泌大量IL-10，这些IL-10从肠道固有层扩展到骨髓，从而同时促进成骨细胞生成并抑制体内和体外破骨细胞生成。有趣的是，补充色氨酸代谢物对肠道AhR敲除的OVX小鼠（Villin^CreAhr^fl/fl）的肠道稳态和骨质流失均表现出可忽略不计的改善作用。这些发现表明，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。

骨质疏松症是一种常见的衰老相关代谢性疾病，其特征是骨质流失和结构性破坏，最终导致人类发病率和死亡率的上升。这是一个复杂的骨骼退化过程，可归因于肥胖、衰老和与衰老相关的疾病等许多因素。通常，50岁以上女性的绝经后骨质疏松症主要是由于卵巢功能衰退和雌激素缺乏所致，骨质疏松性骨质流失和骨折的发生率很高。在细胞水平上，成骨细胞形成和破骨细胞吸收之间的微妙平衡维持着骨代谢稳态。

雌激素缺乏会引发成骨细胞和破骨细胞之间的不平衡，同时伴有破骨细胞凋亡受限，导致骨吸收和骨质流失，严重影响患者的生活质量。目前临床治疗骨质疏松的药物以双膦酸盐为主，包括阿仑膦酸盐、利塞膦酸盐、唑来膦酸盐、伊班膦酸盐等，可有效降低非脊柱骨折风险。但口服双膦酸盐可能会增加长期服用双膦酸盐后骨转换过度抑制的风险，因此迫切需要新的骨质疏松干预策略。

越来越多的证据表明，许多代谢性疾病如衰老、肥胖、糖尿病、骨质疏松等都与肠道微生态密切相关，包括肠道上皮、肠道菌群及其代谢产物。肠道上皮构成一层屏障，将黏膜免疫系统与数以万亿计的共生细菌隔开。它主要负责吸收营养物质并阻止有害物质从肠腔进入固有层，从而维持肠道稳态。肠腔和粘膜组织之间的几种上皮细胞与粘附和紧密连接（AJ和TJ）蛋白紧密相连，形成主要屏障并维持肠道屏障的完整性。值得注意的是，位于肠上皮下方的固有层是许多免疫细胞的栖息地，包括淋巴细胞、巨噬细胞和T辅助细胞（Th1和Th17）形成肠道免疫屏障。由于肠道通透性增加导致的肠上皮渗漏导致宿主免疫反应的激活，从而导致炎症和相关慢性疾病。先前的研究表明，雌激素缺乏引起的骨质流失与Th17细胞从固有层扩展到骨髓有关，导致IL-17的产生和骨质疏松症。

骨质疏松症动物模型中的微生物组成改变和色氨酸代谢降低（图源自Advanced Science ）

芳烃受体（AhR）是一种配体依赖性转录因子，已知其在介导宿主的免疫反应和肠道稳态中起着关键作用。目前，许多生理性AhR配体（如饮食成分和微生物代谢物）已被发现通过激活AhR来维持肠道稳态，从而在不同代谢疾病中发挥有益作用。特别值得注意的是，微生物色氨酸（Trp）从饮食中代谢产生吲哚及其衍生物，如吲哚丙烯酸（IA）、吲哚乙酸（IAA）、吲哚-3-醛（IAld）、吲哚-3-丙酸（IPA）和吲哚乳酸（ILA），作为内源性AhR配体，能够增强宿主的免疫力和代谢止血。先前的临床前和临床研究都表明，内源性AhR激动剂的减少会极大地促进高血压、糖尿病和肥胖等代谢综合征的发展。

因此，补充色氨酸代谢物作为AhR内源性配体，通过维持肠道屏障功能，已用于预防某些代谢疾病，如炎症性肠病（IBD）和结肠炎。吲哚及其衍生物吲哚-3醛（I3A）的给药可促进上皮细胞增殖，从而延长寿命。尽管AhR与肠道稳态关系密切，但AhR介导的肠骨信号通路参与代谢疾病的生理过程尚未得到充分探索。

Wnt/β-catenin信号通路对干细胞增殖发育和组织稳态有重要影响。在Wnt信号级联中，负责信号转导至细胞核的β-catenin（也称为Cbnnt1）是E-cadherin的结构成分，是AJ蛋白之一。值得注意的是，Wnt/β-catenin已被证明对肠道干细胞分化和肠道屏障功能至关重要。更有趣的是，越来越多的证据表明Wnt信号和AhR之间存在串扰。据报道，AhR本身是Wnt/β-catenin通路的靶基因，而Wnt/β-catenin通路被认为是肝细胞色素P450表达的关键调节因子。据报道，AhR和β-catenin信号的协同激活可通过上调吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO1）来促进肝细胞癌细胞的增殖和转移。基于AhR和Wnt/β-catenin通路的这些生理功能，假设调节AhR和β-catenin的相互作用可能成为一种通过维持肠道稳态来干预代谢疾病的新型潜在策略。

在这项研究中，临床队列实验表明，绝经后个体的微生物色氨酸代谢物（IAA和IPA）水平明显低于绝经前个体。在OVX诱导的骨质疏松症小鼠模型中也观察到了类似的AhR配体减少。根据这些发现，提出了一个假设，即口服IAA和IPA补充剂可能有效改善骨质流失。鉴于肠骨信号传导对骨骼健康有很大贡献，结合16SrRNA基因测序、靶向HPLC-QQQ-MS代谢组学和一系列生物学检测，研究色氨酸代谢物在体内和体外通过肠骨串扰改善骨质流失的潜在机制。这些发现提供了一种针对肠道和骨骼之间串扰以改善骨质疏松症的新策略。

参考消息：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202404545