肠道微生物群介导运动对小鼠骨质疏松保护作用的多组学研究- 大数跨境

Biolinker

2025-02-08

导语

骨质疏松是一种常见于老年人尤其是绝经后女性的骨病，其特征为骨量低和小梁恶化。目前虽有药物可缓解骨质疏松，但仍需更理想的干预措施。体育活动对维持骨量和预防骨病至关重要，然而其保护骨骼系统的详细机制尚不清楚。肠道微生物群作为宿主生理过程的重要调节者，与骨骼稳态和骨代谢紧密相连，不过运动对骨骼的影响是否由肠道微生物群介导，以及肠道内哪些特定调节因素在运动治疗骨质减少中起关键作用，仍有待研究。

2025年1月作者在期刊Theranostics（IF=12.4）上发表文章“Exercise ameliorates osteopenia in mice via intestinal microbial-mediated bile acid metabolism pathway”，该研究通过转录组测序、16S rRNA基因测序和非靶向代谢组学分析，构建抗生素诱导模型和粪便微生物群移植（FMT）模型，深入探讨肠道微生物群在运动介导的骨质保护中的作用及其潜在机制。

一

实验设计

1.构建模型：选用4周龄雌性和17月龄雄性小鼠，在雌性小鼠8周龄时部分行双侧卵巢切除术（OVX）建立骨质疏松模型，术后分假手术对照组（Sham）、OVX不运动对照组（Ctrl）、OVX运动组（Exer）；雄性小鼠也进行运动干预。【运动干预采用8周跑步机训练，速度逐步递增】。另外设置抗生素处理组（ExerAbx）以耗竭肠道微生物群，以及粪便微生物群移植（FMT）组，如从久坐或运动的骨质疏松小鼠向OVX受体小鼠移植微生物群（TranspCtrl、TranspExer）。

2.样本采集：

（1）转录组测序：将小鼠分为从久坐骨质疏松小鼠接受 FMT 的 TranspCtrl 组和从运动骨质疏松小鼠接受 FMT 的 TranspExer 组。对这两组 OVX 小鼠进行 FMT 处理后，采集其骨髓中的间充质干细胞（MSCs）。

（2）16S rRNA基因测序和非靶向代谢组测序：采集假手术对照组（Sham）、卵巢切除不运动对照组（Ctrl）、卵巢切除运动组（Exer）、抗生素处理组和菌群移植组的粪便样本进行测序。

二

主要结果

1.抗生素治疗抑制了运动对卵巢切除（OVX）诱导的骨质流失的保护作用

研究发现，与假手术组（Sham）相比，OVX不运动对照组（Ctrl）小鼠体重增加，骨量显著降低，骨微结构恶化。而8周的跑步机运动训练可有效恢复这些受损的骨量和微结构参数，提升骨小梁和皮质骨的结构，增强骨的生物力学性能，促进成骨细胞活性，抑制破骨细胞形成，调节血清骨钙素（OCN）和I型胶原C端肽（CTX-1）水平。进一步研究发现，用抗生素（Abx）预处理OVX小鼠以耗尽肠道微生物群后，运动对骨的保护作用明显受损，骨结构恶化，生物力学性能下降，成骨细胞活性增强和破骨细胞形成抑制的效果被削弱，血清OCN和CTX-1水平变化也受到影响。这表明肠道微生物群在运动诱导的OVX小鼠骨保护作用中发挥着重要作用。

Figure1.Gut microbiota pre-depletion mitigated the protective effects of exercise against

2.来自运动小鼠的粪便微生物群移植（FMT）可预防骨质流失并促进骨形成

在8周的FMT期间，接受运动小鼠微生物群移植的TranspExer组与接受久坐小鼠微生物群移植的TranspCtrl组相比，虽体重和食物摄入量无明显差异，但骨结构显著改善。同时，TranspExer组小鼠骨小梁表面的 OCN + 成骨细胞增多，TRAP + 破骨细胞减少，血清 OCN 水平上升、CTX - 1 水平下降，骨代谢趋于平衡。此外，钙黄绿素双标显示该组小鼠小梁骨和皮质骨的矿化沉积率显著提高，逆转了骨质疏松受体小鼠新骨形成和矿化的受损情况。从受体小鼠骨髓中提取的 MSCs 检测发现，TranspExer 组的 ALP 活性明显增强，矿化沉积物增多，成骨细胞特异性分化基因表达上调。这些结果表明，运动小鼠的肠道微生物群定植可增强受体小鼠 MSCs 的成骨潜力，促进骨形成，增加骨量。

Figure2.FMT from exercised mice prevented bone loss and enhanced bone formation.

3.来自运动小鼠的粪便微生物群移植（FMT）激活了apelin信号通路

主成分分析（PCA）显示，接受运动小鼠 FMT 的 TranspExer 组和接受久坐小鼠 FMT 的 TranspCtrl 组的 MSCs 具有不同的转录组图谱。与 TranspCtrl 组相比，TranspExer 组的 MSCs 有 546 个基因显著上调，799 个基因下调。对上调的差异表达基因（DEGs）进行富集分析发现，运动匹配的 FMT 激活了包括丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶（MAPK/ERK）、Notch、RAS-proximate-1（Rap1）等多条与成骨分化相关的关键信号通路，还上调了调节脂解和 apelin 信号通路等脂质代谢途径。通过 RT-qPCR 验证，证实了 TranspExer 组 MSCs 中 apelin 信号通路相关基因 Apln、Aplnr、Adcy4 和 Adcy5 的表达上调，血清检测和骨免疫组化染色也表明接受运动匹配 FMT 的受体小鼠全身和骨骼的 apelin 水平升高。同时，TranspExer 组 MSCs 中脂肪生成标记基因 Pparg、Cebpa、Fabp4 和 Lpl 的 mRNA 表达水平显著降低，组织学评估显示该组小鼠胫骨组织中的脂肪细胞数量和大小明显减少，表明脂肪生成受到抑制。此外，使用 apelin 受体阻滞剂 ML221 和表达 apelin shRNA 的腺相关病毒（AAV-Apln）干扰 apelin 信号通路后，运动匹配 FMT 促进骨量增加的作用受到抑制，这进一步证明了 apelin 信号通路在运动诱导的 FMT 促进骨量增加过程中起关键作用。