肠道微生物介导的精氨酸代谢在骨力学响应调控中的作用及机制

目的应力对于维持骨健康和对抗骨质疏松至关重要,但诸多动物和临床研究证实骨应力响应能力在个体间存在高度异质性,且这种异质性在骨质疏松群体中表现更为明显,但机制不明确。方法首先,对正常和抗生素清除小鼠胫骨施加生理性轴向压缩载荷,使用骨组织学、影像学等方法比较骨力敏感性差异。其次,对55只小鼠进行跑台训练6周,将小梁骨体积百分比增加>40%和皮质骨厚度增加>30%群体定义为应力高敏感组,小梁骨体积百分比增加<5%和皮质骨厚度增加<5%群体定义为应力低敏感组,使用影像学、组学分析等方法探究个体间骨力学响应差异机制。结果(1)肠道微生物消耗后骨应力响应能力显著降低。(2)应力高敏感和应力低敏感小鼠肠道微生物组成存在显著差异,毛螺菌科是介导骨应力响应能力异质性的核心菌群。(3)毛螺菌科产生的L-瓜氨酸/精氨酸是骨应力响应的关键调节因子。(4)毛螺菌定植及服用L-瓜氨酸/精氨酸可显著增强正常、老年和卵巢切除小鼠骨应力响应能力。(5)机制上,L-精氨酸通过激活骨细胞中一氧化氮-钙正反馈回路增强骨力学敏感性。结论个体间骨应力响应能力的异质性与毛螺菌科介导的精氨酸代谢相关,肠道微生物-代谢物轴可提高应力诱导骨收益。