作者：大连医科大学附属第一医院骨科     王开众

腰痛（LBP）是一种常见疾病，影响全球7.6%~37.0%的人群。腰痛的高发病率与较低的健康生活质量有关，高昂的医疗费用导致了痛苦的增加和高昂的社会经济成本。椎间盘退变（IDD）是腰痛的主要因素，也是其他脊柱疾病的起点。它的影响因素众多，如职业、基因以及吸烟和酗酒在内的一些不良生活习惯等因素，已然成为了一个严重的公共卫生问题，给社会和医疗体系带来了沉重的负担。其发病机制尚不完全清楚，传统治疗方法效果有限。肠道微生物作为人体健康不可或缺的部分，对于多种疾病的进程都有着潜移默化的影响，肠道菌群是否对IDD的发展进程存在影响，以怎样的途径影响IDD，研究者们对此进行了许多研究。本文对肠道微生物参与IDD的潜在机制以及相关治疗进行了综述。

椎间盘与椎间盘退变

椎间盘（VD）又称椎间纤维软骨盘，IVD是脊柱的重要组成部分，在每个椎骨之间形成减震器，允许脊柱弯曲、屈曲和扭转。正常IVD是一个复杂的结构，包含3个形态不同的区域：髓核（NP）、环纤维（AF）和软骨终板。软骨终板位于每个椎间盘的颅侧和尾侧，包含滋养椎间盘的外周脉管系统。AF作为一种厚而致密的结构，分为外环和内环。外环由有组织的胶原同心薄片组成，主要由具有细长细胞核的成纤维细胞样细胞组成。外部AF含有大量的I型胶原蛋白（ColI）以及Ⅲ、Ⅴ和Ⅵ型胶原蛋白。AF的生物力学作用是为含有NP的椎间盘提供最佳的拉伸强度。NP位于IVD的中心区域，被AF包围。NP中的细胞群随年龄而变化。出生时NP中的细胞主要由脊索细胞组成。然而，随着生长，这些细胞转化为软骨细胞样圆形细胞，类似于AF内环中的细胞。IVD内的主要细胞外机质（ECM）成分是胶原蛋白和蛋白聚糖。在健康的椎间盘中，由于生长因子和分解代谢细胞因子的复杂调节，ECM的合成和分解速率处于平衡状态。功能障碍或损伤期间产生的ECM分解产物可能通过促进髓核细胞［如白介素1（IL-1）、IL-1β,、IL-1、IL-6和肿瘤坏死因子-α（TNF-α］分泌促炎细胞因子而引发局部炎症，从而促进或引发IDD。

IDD是一种与炎症相关的复杂退化性疾病，由细胞因子IL-1β和TNF-α加剧的炎症过程被认为是IDD和LBP的关键介质。IL-1β和TNF-α是最重要的促炎细胞因子，具有强大的促炎活性，可以促进多种促炎介质的分泌。ECM是IVD生物力学性质的结构基础，其降解是IDD的主要病理特征，Wang等研究表明，许多基质金属蛋白酶（MMP）亚群的表达和活性在退化的IVD组织中显著上调，MMP是一组内肽酶，在ECM的降解和重塑中起重要作用。MMP的这种上调导致ECM合成代谢和分解代谢的不平衡，引起ECM的退化和IDD的发展。由此可知，尽管IDD的发病机制尚不完全清楚，但IDD的主要变化表现为活性细胞数量减少、ECM降解、正常椎间盘细胞表型改变以及炎症的发生。

肠道微生物的作用

脊椎动物在含有黏膜的器官（如口腔和肠道）中拥有密集的细菌、病毒和真菌微生物群落，即微生物群。在健康个体中，变形杆菌、拟杆菌和古细菌被认为是主要的细菌类群。这些不同的微生物居住在肠道中，通过与其他细菌的相互作用发展出复杂的生态网络，以获得其定植和增殖所需的营养。宿主-微生物和微生物-微生物相互作用，在肠道中建立了微生物组成的平衡状态。肠道微生物群是一个复杂的生态系统，由各种微生物组成，“微生物组”是特定环境中微生物的遗传物质。Berg等提出“肠道微生物组”是指人体消化系统中存在的各种细菌，宿主微生物在其中相互作用。细菌主导着这些微生物群落，特别是在肠道中，与宿主相互作用，被认为是胃肠道消化的重要调节剂。肠道微生物群在宿主的许多生理过程中起着有益的作用。它从食物中提取能量和营养，防止肠道病原体，并支持宿主免疫系统的发育和维持。许多研究表明，肠道微生物紊乱时产生的代谢产物会影响新陈代谢、免疫力和神经行为。同时肠道微生物与人体各个器官之间存在着或多或少的交流，研究者们形象地用“轴”字来形容这一双向的交流过程，提出了例如肠肝轴、肠脑轴、肠骨轴、肠骨髓轴等概念，这些所谓“轴”的存在必然影响着人类多种疾病的发生、发展进程。在Rajasekaran等进行的研究之后，发现椎间盘中的微生物与肠道微生物之间存在着许多同源的菌群，随之“肠-椎间盘轴”概念被提出来，同时也发现，肠道菌群对椎间盘退行性变和腰痛的产生存在着影响。Li等提出肠道菌群可能通过肠上皮屏障进入椎间盘、细菌调节黏膜和全身免疫系统、细菌调节肠道上皮内物质的代谢这3种潜在的途径参与影响IDD的进程。

肠道微生物与IDD

跨肠上皮的细菌易位进入IVD     肠道屏障由单层极化肠上皮细胞建立，将肠腔中的细菌与固有层中的免疫细胞分开。其功能是通过调节水、电解质和营养物质从管腔吸收到循环中，同时限制有害管腔物质和微生物的通过，有助于肠道稳态。肠道菌群的不平衡，当伴有炎症时，会影响宿主的肠道屏障功能，肠道生态失调可以通过诱导黏膜屏障功能障碍导致（致病性）微生物通过上皮屏障易位来失调免疫反应，导致全身炎症，主要通过产生促炎细胞因子和改变B细胞群和T细胞群。这种炎症可能会导致组织破坏，致使许多疾病的发作。由于细菌易位，细菌及其代谢物通过血流或肠系膜淋巴管运输到肠外器官和部位，例如椎间盘等。这些细菌或代谢产物的移位或异常导致血浆中炎症介质浓度升高，而血浆炎症介质浓度升高与IDD的程度和腰痛的严重程度有关。此外，这些细菌及代谢产物到达椎间盘后会刺激局部产生TNF-α和IL-1等炎症因子，而且许多分子生物学研究表明，IL-1β、TNF-α、IL-6、IL-8和IL-20等炎症介质在IDD中的表达增加。这些炎症因子的产生导致IDD的一个有意义的特征是ECM的破坏，ECM的主要成分是II型胶原蛋白（ColII）和聚集蛋白聚糖。ECM的过度破坏，特别是ColII和聚集蛋白聚糖的丢失，在促进IDD的发生和发展中起着至关重要的作用。这些细胞因子通过促进聚集聚糖和胶原降解来破坏IVD的ECM。由这些细胞因子引发的一系列连锁反应导致趋化因子的产生，从而进一步损害ECM。此外，TNF-α和IL-1β还抑制母细胞蛋白结缔组织生长因子（CCN2/CTGF）的表达，CCN2010/CTGF是细胞黏附、增殖、迁移和ECM合成的重要调节因子。在Yao等建立的IDD大鼠模型和粪便微生物菌群移植（FMT）对照组中，利用ELISA、实时定量聚合酶链反应，westernblotting结果显示，IDD组TNF-α、IL-1β、IL-6表达上调，而FMT组逆转了IDD组中炎症因子的水平。而且临床试验发现，椎间盘和肠间有近60种细菌菌株重叠。在Rajasekaran等的研究中，利用质谱法分析IDD中代谢产物的种类和来源，发现其中与肠道菌群相关的9-OxoODE和13-OxoODE出现上调，通过研究发现，细菌的存在可能不仅仅是污染，而是定植，可能在IDD感染介导的炎症中起作用。也进一步说明了肠道菌群透过屏障到达椎间盘，并在IDD中扮演着重要的角色。

黏膜和全身免疫系统的调节      肠道菌群不仅参与肠道免疫系统的建立，还参与全身免疫系统的建立。Mazmanian等通过研究发现，缺乏肠道微菌群的小鼠，其免疫系统的建立并不完善。Ye等研究发现，在健康条件下，NP中既没有血管也没有神经细胞。这种独特的结构使NP在胎儿发育过程中免于免疫耐受，并且是无法进入体循环的免疫特权器官，类似于其他免疫特权器官，如指甲、眼睛和大脑。Zheng等发现，在IDD中有NP的自身免疫和免疫细胞的参与，其中包括巨噬细胞、T细胞、B细胞和NK细胞等，且由它们释放的多种炎症因子（IL-1、IL-6和TNF-α）浸润并侵入到IVD中，从而诱导一系列的免疫炎症反应。从而造成IDD和IVD性的神经性疼痛。Zwittink等等利用抗生素实验发现干扰肠道微生物的发育对免疫系统和肠道系统的发育都有影响，这也说明肠道微生物不仅参与胃肠道系统的发育，而且在免疫系统的发育建设中有着重要的影响。当肠道微生物受到内外因素作用，导致肠道生态失调时，肠道菌群分泌多种代谢物和细菌素以及其他原体相关分子模式（PAMP），通过模式识别受体和黏附在上皮，激活肠道免疫系统，这会导致大量的免疫细胞涌入并释放大量的促炎症因子（如IL-6和TNFα），随血液到达其他器官组织，例如椎间盘附近，引起椎间盘局部的炎症反应，导致或推进IDD的进程。Rajasekaran等用过分析IDD中蛋白质的变化发现，许多先天免疫反应蛋白，如VIP、S100、中性粒细胞防御蛋白、C反应蛋白在IDD中独特存在，表明IDD中的促炎状态，这种促炎状态进一步加剧了其他炎症级联反应，如血小板脱颗粒过程释放组胺和血清素，它们是炎症和疼痛的潜在介质。此外，当免疫细胞向IVD聚集时，会刺激IVD细胞产生神经源性因子，例如神经营养因子（BDNF）和神经生长因子（NGF）。这会诱导IVD和背根神经节中出现痛觉神经纤维。

肠道上皮细胞营养吸收和代谢产物的调节      肠道屏障（GB）由肠上皮屏障（IEB）和含有黏蛋白及抗菌肽（AMP）的黏液层组成，AMP对维持免疫耐受至关重要，同时可防止暴露于潜在的胃肠道致病菌群，从而保持体内平衡。GB的主要功能是控制营养物质、水和电解质的吸收，同时防止病原体进入并调节肠道微生物群（细菌、病毒、原生动物和真菌）与肠道免疫细胞之间的串扰。因此，GB的完整性对于维持食物抗原和共生微生物群以及自身抗原（包括胰岛等肠外组织）的耐受性和免疫力之间的平衡至关重要。GB的这些关键功能由黏液层和单层上皮细胞共同构成的复杂结构得以维持，该结构通过紧密连接实现其屏障保护作用。

黏液层是共生菌在进入宿主之前遇到的第1道屏障，它覆盖了整个胃肠道。黏液由专门的高脚杯细胞制成，并用致密的糖萼覆盖在肠上皮表面，将肠黏膜与肠腔内容物和共生细菌隔离开来。在小肠中，黏液很薄，由含有细菌种类的单层组成。与小肠黏液相比，大肠较厚，具有内部无菌隔室（没有细菌）和由细菌种类组成的外部隔室。黏液对肠道健康至关重要，其损伤导致肠道组织中的细菌易位，并从那里进入体循环。重要的是，黏液层不仅仅是一个物理屏障，而是由一个复杂的分子系统组成，这些分子具有关键的免疫调节和抗微生物活性，如黏蛋白和AMP。

所以当肠道免疫系统受损或肠道平衡失调时，肠道上皮细胞构成的屏障会受损，进而导致肠道细菌及其代谢产物易位。这些代谢产物包括短链脂肪酸（SCFAs）、D-乳酸及促炎细胞因子等，通过免疫细胞介导的运输途径渗入血液循环，进而IVD发生远处炎症反应。在此过程中，由T细胞、B细胞、肥大细胞与巨噬细胞等组成的免疫细胞网络所维持的免疫稳态具有关键调控作用，其通过细胞间信号传导与炎症因子的协同调控，影响IDD的病理进程。最近巨噬细胞在IDD过程中的作用引起了相当大的关注，因为它们能够保持心脏、骨骼肌、皮肤和脊髓的稳态。在IDD中，由于环破裂或端板微骨折破坏了免疫平衡，因此会发生巨噬细胞浸润和极化的浸润，使细胞增殖，增加炎症介质的释放来调节IDD。同时TNF、IL-1、IL-6等炎症因子放大炎症反应，导致细胞炎症和凋亡。有研究表明，炎症小体形成后，细胞以焦亡的形式死亡。Zheng等通过AF穿刺建立小鼠模型，证明焦亡与IDD有关。复合碳水化合物发酵产生的SCFAs已成为肠道微生物群产生的关键调节代谢物，SCFAs通过激活G蛋白偶联受体（GP⁃CR）或抑制组蛋白去乙酰化酶对骨吸收或破骨细胞形成有直接作用，这也同样证明了肠道微生物对IDD的影响。此外，Fusco等研究发现，椎间盘内钙沉积的出现和细胞外钙敏感受体（CaSR）的表达与退变椎间盘内的GPCR密切相关，意味着肠源性的SCFAs扩散到IVD可导致钙化和IDD。

IDD的治疗

现有的治疗IDD的方法主要包括药物治疗和手术治疗，主要以解除病因、缓解症状为主。随着社会的不断进步，人们生活和工作方式的改变，IDD患者不断增多，急需探索新的干预手段，随着科学技术的进步，各种方法层出不穷，例如脐带间充质干细胞治疗、细胞外囊泡治疗等。其中，近年来大量研究揭示了肠道微生物组对人类健康和疾病的深远影响，干预肠道微生物群可能成为许多疾病治疗的新的潜力方向。由于了解到肠道微生物群对人体生理的影响，人们开发出了各种治疗方法，如粪便微生物群移植、噬菌体疗法、益生元和益生菌等，通过这些方法干预肠道菌群，进而研究其新的治疗手段。Cheng等用兔子构建IDD模型和健康对照模型，对比两组之间的粪便样本，利用高通量16SrDNA测序、液相色谱-质谱的代谢组学分析等方法，发现幽门螺杆菌和弧菌等多种差异细菌属，可能在IDD过程中发挥重要作用，IDD模型相比与对照组肠道菌群发生了改变。这些结果为FMT、益生菌等调控肠道菌群的方法在治疗IDD的临床应用提供了方向和理论依据。

总结和展望

从Rajasekaran等研究发现IVD中存在细菌，到现阶段的研究发现肠道菌群及其代谢产物可能参与到IDD的进程中，两者之间存在相互影响，拓展了对肠道微生物和IDD层面的视野，对人类微生物组在IDD病理生理变化中的作用有了更深入的了解。IDD的产生和发展与外伤、营养代谢、工作生活环境等众多因素有关，并不是单一因素造成的，现阶段的研究主要停留在临床前研究，而且样本过于单一，样本量过少，具有局限性，两者关系是否有其他因素的共同作用，或者在人体内是否存在差异性及其具体机制均需要更多、更大样本量的进一步研究。肠道微生物及其代谢产物和IDD关系的发现为治疗IDD提供了新的干预方向，肠道微生物可能成为新的治疗靶点，饮食、益生元、益生菌和粪便微生物群移植等干预肠道微生物的方法都将成为新的改善IDD症状、延缓其进程的治疗手段。未来通过进一步研究，将为肠道微生物成为IDD新的治疗靶点奠定基础。

来源：中国矫形外科杂志2025年5月第33卷第10期