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天氣熱點,骨骼強健!溫暖環境可以改變腸道微生物改善骨骼


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  文章來源:奇點網

  生活的溫度竟然這麼重要嗎?是的,真的很重要。瑞士日內瓦大學的研究人員通過人的流行病學數據分析和小鼠實驗發現,生活在比較溫暖的環境中有助於骨骼健康,阻止骨質流失,骨質疏松的發生,而這種好處是由腸道微生物介導的。

  因為溫熱環境改變了腸道微生物組成,增加了多胺類物質的合成,提高了成骨細胞的活性,同時減少了破骨細胞的活性,從而增強了骨骼強度。研究發表在了《細胞·代謝》上<1>。

  圖片來自pexel.com

  骨質疏松是最常見的代謝性骨骼疾病,會大大增加骨折的風險,隨著年齡的增加,很多人都會受到骨質疏松的困擾,尤其是絕經後的女性。

  其實早在十幾年前,就有研究發現,暴露在溫暖環境中能夠促進股骨的生長<2>,也有體外實驗表明,提高培養溫度,軟骨細胞的增殖率也得到了提高<3>。

  這次,研究人員先對全球範圍內髖部骨折發生率的流行病學數據進行了分析,髖部骨折是骨質疏松導致的主要問題之一,而且很容易造成老年人的死亡。分析結果顯示,無論是女性還是全部人口,地理緯度和髖部骨折之間存在明顯的正相關,而平均溫度則與髖部骨折發生率呈負相關。

  緯度(A)、平均溫度(B)和女性年齡標准化髖骨骨折發生率的關系

  即使在分析中排除了維生素D和鈣攝入量的影響,也不會消除這種關系,但如果對溫度這一因素進行校正,則緯度與髖部骨折發生率之間的相關性也大大減弱了。

  在人類中觀察到的這種相關性給研究給開了個好頭,接下來就是要掏出大家熟悉的小鼠,在它們身上來驗證一下因果關系了。

  研究人員讓16周大的雌性小鼠在34℃的環境中生活了8周,它們的尾巴長度增加,骨小梁體積和總的脛骨體積的比值,以及脛骨的連接密度也都明顯增加,骨小梁有承擔負荷、傳導和分散應力的作用,是影響骨骼強度的因素之一,由這幾個指標的改變可以看出,生活在溫暖環境中,小鼠的骨骼強度得到了增強。

  而在雄性小鼠中,8周大的小鼠,在34℃中生活一個月,就可以達到指標的增加。

  指標的改善也反映在了力學實驗中,研究人員用雌性小鼠的股骨進行了三點彎曲實驗,簡單來說就是,把小鼠的股骨放在一個有兩個支撐點的機器上,在兩個支撐點中點的位置施力下壓,直到股骨斷裂為止。在34℃環境中生活的小鼠和室溫生活的相比,壓斷股骨需要的極限力要高出一大截。

  極限力與體重的比值

  不過這是針對健康的成年小鼠,它們的骨骼本來就沒什麼大毛病,為了更好的類比骨質疏松的人類,研究人員切除了16周大的雌性小鼠的卵巢,這是模擬原發性骨質疏松最常用的小鼠模型,再讓它們在34℃的環境中生活8周。

  接下來才是見證奇跡的時刻,這些本該骨質疏松的小鼠竟然沒什麼事,它們的骨小梁體積和總的脛骨體積的比值、骨小梁厚度和連接密度,以及脛骨寬度都沒有像室溫生活的小鼠一樣迅速減少,而是更接近於普通的對照組小鼠。三點彎曲實驗也再次驗證了指標的改善。

  生活溫度的改變是通過誰來改善骨骼健康的呢?研究人員想到了一個經常出現在好多看似和它無關的關系鏈中的群體——腸道微生物。而且過去幾年也有研究發現,腸道微生物和骨代謝之間存在相互作用,因此,這次,他們對比了6個月大的雌性小鼠生活在34℃和室溫下,腸道微生物的差異。

  這個方向選得沒錯,兩組小鼠鑒定出的892個分類單位中,有81個存在豐度差異,主成分分析也顯示出它們的菌群組成有明顯不同。

  34℃生活的小鼠腸道微生物整體豐度降低,但多樣性增加。從屬的水平上來看,Turicibacter、Ruminiclostridium_6、Akkermansia、Rhodospirillales、Clostridium_sensus_stricto_1和 Parabacteroides更多,在Akkermansia這個屬中,大名鼎鼎的益生菌Akkermansia muciniphila,也就是Akk菌豐度增加。

  室溫(RT)和34℃環境下生活的小鼠的腸道微生物組成對比

  生活在34℃環境中的雄性小鼠和雌性小鼠在腸道微生物的變化方面大體上比較相似,但有一點不一樣的是,它們的微生物多樣性沒有像雌性一樣增加。

  將34℃環境中生活的小鼠的糞便菌群移植給卵巢切除的骨質疏松小鼠,成功抑制了骨質流失,改善了小鼠的骨骼健康,減輕了骨質疏松。

  隨著腸道微生物組成發生變化,有一百多條代謝通路的活性也發生了變化,變化最大的前10名都是與多胺(包括腐胺、精胺和亞精胺等)代謝有關的,大部分多胺合成相關基因表達增加,分解相關基因表達減少。在34℃生活的小鼠中,擬杆菌和Alitsipes兩個屬,以及Akk菌是多胺合成的主要貢獻者。

  體外培養實驗發現,高濃度的精胺和亞精胺能夠增加成骨細胞的活性,同時抑制破骨細胞的活性。這兩個細胞一個負責骨形成,一個負責骨吸收,就像施工隊和拆遷隊一樣,在健康的骨骼中,它們維持動態平衡,但在骨質疏松患者中,破骨細胞占領高地,「只拆不蓋」,讓本就不富裕的骨質雪上加霜。

  因此,總的來說,這項研究發現,溫暖環境與骨骼健康有關,生活在溫暖環境中可以通過改變腸道微生物,增加多胺的合成,達到改善骨質疏松的效果。

  研究人員認為,這項研究的結果對於開發骨質疏松的新療法是非常有幫助的,不過他們的短期目標放在了篩選相關的有益微生物上,希望以此來為骨質疏松提供新的潛在療法。

  參考資料:

  <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。
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
Comprehensive Physiology, 2014, 4(2): 621-655。

  <4> https://www.sciencedaily.com/releases/2020/09/200911093027.htm


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