天气热点,骨骼强健!温暖环境可以改变肠道微生物改善骨骼

天气热点,骨骼强健!温暖环境可以改变肠道微生物改善骨骼
2020年10月17日 11:10 新浪科技综合

  文章来源:奇点网

  生活的温度竟然这么重要吗?是的,真的很重要。瑞士日内瓦大学的研究人员通过人的流行病学数据分析和小鼠实验发现,生活在比较温暖的环境中有助于骨骼健康,阻止骨质流失,骨质疏松的发生,而这种好处是由肠道微生物介导的。

  因为温热环境改变了肠道微生物组成,增加了多胺类物质的合成,提高了成骨细胞的活性,同时减少了破骨细胞的活性,从而增强了骨骼强度。研究发表在了《细胞·代谢》上[1]。

  图片来自pexel.com

  骨质疏松是最常见的代谢性骨骼疾病,会大大增加骨折的风险,随着年龄的增加,很多人都会受到骨质疏松的困扰,尤其是绝经后的女性。

  其实早在十几年前,就有研究发现,暴露在温暖环境中能够促进股骨的生长[2],也有体外实验表明,提高培养温度,软骨细胞的增殖率也得到了提高[3]。

  这次,研究人员先对全球范围内髋部骨折发生率的流行病学数据进行了分析,髋部骨折是骨质疏松导致的主要问题之一,而且很容易造成老年人的死亡。分析结果显示,无论是女性还是全部人口,地理纬度和髋部骨折之间存在明显的正相关,而平均温度则与髋部骨折发生率呈负相关。

  纬度(A)、平均温度(B)和女性年龄标准化髋骨骨折发生率的关系

  即使在分析中排除了维生素D和钙摄入量的影响,也不会消除这种关系,但如果对温度这一因素进行校正,则纬度与髋部骨折发生率之间的相关性也大大减弱了。

  在人类中观察到的这种相关性给研究给开了个好头,接下来就是要掏出大家熟悉的小鼠,在它们身上来验证一下因果关系了。

  研究人员让16周大的雌性小鼠在34℃的环境中生活了8周,它们的尾巴长度增加,骨小梁体积和总的胫骨体积的比值,以及胫骨的连接密度也都明显增加,骨小梁有承担负荷、传导和分散应力的作用,是影响骨骼强度的因素之一,由这几个指标的改变可以看出,生活在温暖环境中,小鼠的骨骼强度得到了增强。

  而在雄性小鼠中,8周大的小鼠,在34℃中生活一个月,就可以达到指标的增加。

  指标的改善也反映在了力学实验中,研究人员用雌性小鼠的股骨进行了三点弯曲实验,简单来说就是,把小鼠的股骨放在一个有两个支撑点的机器上,在两个支撑点中点的位置施力下压,直到股骨断裂为止。在34℃环境中生活的小鼠和室温生活的相比,压断股骨需要的极限力要高出一大截。

  极限力与体重的比值

  不过这是针对健康的成年小鼠,它们的骨骼本来就没什么大毛病,为了更好的类比骨质疏松的人类,研究人员切除了16周大的雌性小鼠的卵巢,这是模拟原发性骨质疏松最常用的小鼠模型,再让它们在34℃的环境中生活8周。

  接下来才是见证奇迹的时刻,这些本该骨质疏松的小鼠竟然没什么事,它们的骨小梁体积和总的胫骨体积的比值、骨小梁厚度和连接密度,以及胫骨宽度都没有像室温生活的小鼠一样迅速减少,而是更接近于普通的对照组小鼠。三点弯曲实验也再次验证了指标的改善。

  生活温度的改变是通过谁来改善骨骼健康的呢?研究人员想到了一个经常出现在好多看似和它无关的关系链中的群体——肠道微生物。而且过去几年也有研究发现,肠道微生物和骨代谢之间存在相互作用,因此,这次,他们对比了6个月大的雌性小鼠生活在34℃和室温下,肠道微生物的差异。

  这个方向选得没错,两组小鼠鉴定出的892个分类单位中,有81个存在丰度差异,主成分分析也显示出它们的菌群组成有明显不同。

  34℃生活的小鼠肠道微生物整体丰度降低,但多样性增加。从属的水平上来看,TuricibacterRuminiclostridium_6AkkermansiaRhodospirillalesClostridium_sensus_stricto_1Parabacteroides更多,在Akkermansia这个属中,大名鼎鼎的益生菌Akkermansia muciniphila,也就是Akk菌丰度增加。

  室温(RT)和34℃环境下生活的小鼠的肠道微生物组成对比

  生活在34℃环境中的雄性小鼠和雌性小鼠在肠道微生物的变化方面大体上比较相似,但有一点不一样的是,它们的微生物多样性没有像雌性一样增加。

  将34℃环境中生活的小鼠的粪便菌群移植给卵巢切除的骨质疏松小鼠,成功抑制了骨质流失,改善了小鼠的骨骼健康,减轻了骨质疏松。

  随着肠道微生物组成发生变化,有一百多条代谢通路的活性也发生了变化,变化最大的前10名都是与多胺(包括腐胺、精胺和亚精胺等)代谢有关的,大部分多胺合成相关基因表达增加,分解相关基因表达减少。在34℃生活的小鼠中,拟杆菌和Alitsipes两个属,以及Akk菌是多胺合成的主要贡献者。

  体外培养实验发现,高浓度的精胺和亚精胺能够增加成骨细胞的活性,同时抑制破骨细胞的活性。这两个细胞一个负责骨形成,一个负责骨吸收,就像施工队和拆迁队一样,在健康的骨骼中,它们维持动态平衡,但在骨质疏松患者中,破骨细胞占领高地,“只拆不盖”,让本就不富裕的骨质雪上加霜。

  因此,总的来说,这项研究发现,温暖环境与骨骼健康有关,生活在温暖环境中可以通过改变肠道微生物,增加多胺的合成,达到改善骨质疏松的效果。

  研究人员认为,这项研究的结果对于开发骨质疏松的新疗法是非常有帮助的,不过他们的短期目标放在了筛选相关的有益微生物上,希望以此来为骨质疏松提供新的潜在疗法。

  参考资料:

  [1] https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(20)30425-3

  [2] Serrat M A, King D, Lovejoy C O, et al。 Temperature regulates limb length in homeotherms by directly modulating cartilage growth。[J]。 Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2008, 105(49): 19348-19353。

  [3] Serrat M A。 Environmental Temperature Impact on Bone and Cartilage Growth[J]。 Comprehensive Physiology, 2014, 4(2): 621-655。

  [4] https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200911093027.htm

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