肠道菌群对儿童生长发育的调节作用

人类身高差异是成百上千个基因及其与环境相互作用的累积结果。儿童时期的骨骼生长受长骨末端附近的骨骺生长板的支配，受生长板上局部表达的许多不同基因和许多内分泌信号的调节，而它们又受到营养和其它环境因素的影响。

因此，影响生长板的遗传疾病（比如软骨发育不全）、内分泌系统紊乱（比如生长激素缺乏）、影响营养摄入的医疗条件（比如乳糜泻）和慢性营养不良，都可能导致儿童骨骼生长减少和身材矮小。人类身高还与世界人口的教育水平、经济生产力和预期寿命密切相关。不幸的是，儿童生长迟缓仍然普遍存在于低收入或中等收入国家，并且仍然是一个主要的全球公共卫生挑战。

肠道菌群是生活在肠道内并与宿主互惠共生的微生物群落，包括细菌、真菌和病毒等。肠道菌群影响着人类健康的许多方面，包括营养摄入、代谢、免疫反应和神经行为发育。在过去的十年中，令人兴奋的研究表明，肠道菌群在骨骼生长和身体生长发育的激素和营养调节中也起着重要作用。

儿童骨骼生长的调节

• 生长激素-胰岛素样生长因子1轴（GH/IGF-1轴）与骨骼生长

儿童骨骼生长受到不同内分泌信号之间的复杂相互作用的调控，包括生长激素（GH）、胰岛素样生长因子1（IGF-1）、甲状腺激素、糖皮质激素和性类固醇激素（比如雌激素）。GH/IGF-1轴是迄今为止骨骼生长最重要的内分泌调节因子，它与肠道菌群之间也存在相互作用。

下丘脑产生的生长激素释放激素会刺激脑垂体前叶分泌生长激素。生长激素随后作为内分泌因子在循环中传播，作用于表达生长激素受体的目标组织，比如肝脏、肠道和生长板。虽然生长激素对其目标组织也有直接的生长促进作用，但生长激素的主要功能是激活IGF-1的产生，而IGF-1本身也是一种有力的生长刺激因子。

当生长激素诱导的IGF-1在肝脏产生时，肝脏IGF-1与IGF结合蛋白IGFBP3结合，并作为内分泌因子作用于IGF-1受体，刺激全身许多不同组织的生长。当非肝脏IGF-1在局部产生时，比如在生长板中，IGF-1会作为自分泌或旁分泌因子，刺激软骨细胞的干细胞募集、增殖和肥大性分化，所有这些都是驱动骨延长所必需的。此外，生长激素诱导的局部IGF-1产生也支持小肠上皮干细胞增殖和营养物质吸收。

垂体腺瘤会导致全身生长激素和IGF-1水平升高，从而导致巨人症和肢端肥大症；相反，生长激素缺乏会导致IGF-1水平下降和身材矮小。因此GH/IGF-1轴对身体生长至关重要。

与许多其它内分泌系统类似，循环IGF-1水平和垂体中生长激素的分泌之间存在负反馈循环。 因此，在生长激素不敏感（也称为Laron综合征）的患者中，由于生长激素受体的功能缺失突变，IGF-1的产生减少，导致线性生长不良，但由于缺乏反馈抑制，生长激素的水平升高。

垂体中生长激素的产生也受到能量代谢和食欲相关的一些激素的调节。下丘脑和胃肠道产生的生长抑素，会抑制生长激素的产生。相反，胃分泌的胃饥饿素和脂肪组织产生的瘦素，都会刺激生长激素的分泌。

• GH/IGF-1轴的营养调节

营养在调节骨骼生长的GH/IGF-1轴中起着重要作用。在慢性营养不良期间，肝脏和生长板中的生长激素受体表达都会下调，从而限制循环生长激素诱导肝脏和外周IGF-1产生的能力，导致类似Laron综合征的生长激素不敏感状态。

因此，营养不良儿童的全身IGF-1减少，但生长激素水平升高，除了由于饥饿诱导的胃饥饿素水平升高以外，这主要是由于缺乏IGF-1的负反馈。IGF-1信号传导减少也可以直接限制生长板中软骨细胞的增殖和肥大性分化。此外，营养不良期间IGF-1的减少和必需氨基酸的缺乏也可以抑制mTOR信号靶点，从而负向调节细胞分裂和存活。

• 生长板衰老和追赶生长

骨骼纵向生长的速度在生命的前1000天是最快的，当我们接近最后的成年身高时逐渐减慢。这种生长减速与生长板功能的逐渐下降有关，也称为生长板衰老。重要的是，生长板衰老的特征是生长板中的软骨干细胞逐渐耗尽，软骨细胞增殖和肥大逐渐减少。

尽管生长板衰老通常与年龄有关，但它似乎不是由年龄本身所驱动的，而是取决于生长潜力被“消耗”了多少。换句话说，生长板中的软骨细胞似乎只有有限的生长潜力，随着骨骼生长的增加，这种潜力会逐渐耗尽，导致生长速度逐渐下降，并伴随衰老相关变化。

事实证明，生长抑制条件，比如营养不良，可以减缓生长板衰老，一旦营养状况改善，骨骼生长不仅可以恢复，而且可以暂时加速，比正常年龄更快，这是一种被称为“追赶生长”（catch-up growth）的临床现象。

肠道菌群和骨骼生长

• 肠道菌群对骨骼生长的影响

2016年，一些研究强调了肠道菌群在骨骼生长中的重要性。比如，与拥有正常菌群的小鼠相比，无菌小鼠的生长发育和骨骼纵向生长都有所下降。无菌小鼠的这种生长缺陷似乎是由肠道菌群的缺乏所引起的，因为无菌小鼠肠道重新定植植物乳杆菌能够在很大程度上弥补它们的生长缺陷。另一项类似的研究发现，无菌小鼠重新定植肠道菌群可以改善骨骼形成和长骨长度。

总之，这两项研究令人信服的表明，肠道菌群的存在对正常的骨骼生长是有益的，也许是必不可少的。

• 肠道菌群对IGF-1的可能影响

肠道菌群支持骨骼生长的分子机制尚不清楚。这可能与GH/IGF-1轴有关，因为无菌小鼠的循环IGF-1和IGFBP3水平下调，这可以通过重新定植微生物而逆转。

一方面，肠道菌群可能特异性地调节宿主GH/IGF-1轴，例如，肝脏IGF -1的产生可能受到肠道微生物释放的某些分子或代谢物的刺激。另一方面，肠道菌群通常有助于宏量营养素的消化，而在无菌小鼠中，这一功能变得不那么有效，导致轻度营养不良状态。在这种情况下，IGF-1和IGFBP3下降而生长激素没有变化，这可能代表生长激素不敏感，这是营养不良引起的诸多激素变化之一。这两个方面并不相互排斥，而可能是相辅相成的。

有研究人员将无菌小鼠的循环IGF-1水平恢复到拥有正常菌群的小鼠相似的水平，然后看看是否足以完全恢复骨骼生长，以测试肠道菌群是否真的通过GH/IGF-1轴来调节骨骼生长。注射重组IGF-1确实能够促进无菌小鼠的骨骼生长，但是在拥有正常菌群的小鼠中没有统计学意义，因此，无菌小鼠的生长缺陷确实是由IGF-1的减少所驱动的。

• 肠道菌群对IGF-1的可能调控机制

如果肠道菌群确实能够特异性调节GH/IGF-1轴，那么微生物刺激IGF-1分泌的分子信号是什么呢？

一种可能是短链脂肪酸，它是肠道细菌发酵膳食纤维过程中产生的主要代谢物。通过使用广谱抗生素或万古霉素清除小鼠的肠道微生物，会导致血清IGF-1水平降低，而这可以通过补充短链脂肪酸得以逆转。

如果短链脂肪酸能够刺激GH/IGF-1轴，那么，哪些信号通路能够实现这一点呢？参与IGF-1产生的短链脂肪酸受体可能是G蛋白偶联受体GPR41和GPR43，其在骨骼中的表达可以通过粪菌移植来诱导。胃饥饿素也可能允许短链脂肪酸诱导的GH/IGF-1轴的调节，因为它可以刺激脑垂体中生长激素的分泌。

肠道菌群刺激IGF-1的信号甚至可能不是代谢物。事实上，最近的一项研究表明，从植物乳杆菌中分离出来的细菌细胞壁足以刺激小鼠的IGF-1和骨骼生长，因此，宿主对细菌或细菌成分的感知可能就能够诱导促进生长的代谢和激素信号。

这似乎是由肠上皮细胞中表达的一种先天性免疫受体核苷酸结合寡聚结构域蛋白2 （NOD2）所驱动的，因为细菌细胞壁无法诱导NOD2缺失小鼠的IGF-1并改善其骨骼生长。同样，NOD2激活配体，比如胞壁酸二肽或米伐木肽（人工合成的NOD2激活剂，一种胞壁酸二肽类似物），就足以诱导IGF-1和骨骼生长，因此，NOD2激动剂可能是改善儿童生长迟缓的一类新的治疗药物。

• 炎症细胞因子和其它可能机制

肠道菌群是否可以通过其它分子机制来支持骨骼生长呢？一种潜在的机制可能是通过调节炎症细胞因子对骨骼生长的影响。众所周知，慢性炎症性疾病，比如炎症性肠病、克罗恩病、溃疡性结肠炎和青少年特发性关节炎，会对儿童的骨骼生长产生负面影响。这种生长发育障碍部分是因为这些疾病相关的营养不良以及糖皮质激素治疗的不良副作用。

然而，生长抑制的另一个主要原因来自炎症性疾病中经常升高的细胞因子的局部作用。在系统水平上，促炎细胞因子可以通过抑制IGF-1来抑制骨骼生长。例如，在过表达促炎的IL - 6的小鼠中，身体生长发育明显受到抑制，IGF-1和IGFBP3水平下降，但生长激素水平正常。在局部水平上，促炎的肿瘤坏死因子α、白细胞介素- 1β和IL - 6均能抑制生长板中软骨细胞的增殖和肥大，同时促进细胞凋亡。

肠道菌群也可影响促炎细胞因子的循环水平。血清IL -1β和IL - 6水平与肠道菌群中某些细菌菌株的存在相关。从机制上讲，肠道菌群产生的短链脂肪酸丁酸可以通过GRP41和GRP43抑制内皮细胞和软骨细胞中脂多糖、TNFα和白细胞介素引发的炎症反应，因此，健康的肠道菌群可以通过减少炎症来刺激骨骼生长。

肠道菌群应该成为生长迟缓的治疗靶点

• 肠道菌群的健康成熟

新生儿肠道菌群的建立受到多种因素的影响，包括出生方式、母体菌群、母乳喂养等环境因素。在婴儿早期，肠道菌群的生物多样性很有限。例如，在母乳喂养的婴儿中，他们的肠道菌群大多来源于母乳。在生命的第一年，婴儿肠道菌群会经历巨大的变化，主要是由营养供应和饮食复杂性的增加所决定的。在2-3岁时，逐渐建立起稳定且多样化的肠道菌群。

肠道菌群的这种演替和成熟在人体健康各个方面的正常发育和维持中起着至关重要的作用。在一项对孟加拉国健康婴儿的研究中，确定了24个可区分年龄的细菌分类群，它们在生命最初2年的丰度变化可用于定义正常肠道菌群成熟的过程，这与儿童的实际年龄和健康生长表型显著相关。最近的一项研究表明，肠道菌群中的细菌分类可能不一定能预测未来的生长轨迹，相反，肠道菌群的功能宏基因组特征是线性生长、体重增长和生长速度的更好指标。

• 儿童生长迟缓的恶性循环

肠道菌群持续不成熟与儿童营养不良有关，这在严重急性营养不良儿童中尤为严重。在严重急性营养不良儿童中，营养干预只能部分改善其肠道菌群成熟度，对改善生长发育完全无效。

反过来，将来自营养不良儿童的肠道菌群移植到无菌小鼠和猪体内，足以诱导骨骼生长和生长发育迟缓。由于肠道菌群也可能影响营养摄入，因此，儿童生长迟缓可能存在恶性循环，营养不良引起的肠道菌群失调本身也会导致营养不良和儿童生长迟缓。

这种恶性循环也可能是代际的，因为母体菌群会强烈影响胎儿早期生长、出生体重和婴儿肠道菌群的成熟。此外，一些证据表明，当营养不良对肠道菌群的负面影响跨越几代人时，可能会变得更难纠正。因此，在解决儿童生长迟缓的过程中，应考虑将修复肠道菌群作为预防和解决儿童生长迟缓的一部分。

• 修复肠道菌群的治疗策略

基于肠道菌群的治疗策略在动物模型中显示出极大的潜力。例如，将来自营养不良的儿童的粪便菌群移植到年轻无菌小鼠中，可导致无菌小鼠的生长发育受损。如果让它们与健康小鼠共同居住在一起，健康小鼠的肠道微生物会入侵到这些小鼠体内，阻止它们的生长发育受损。给它们补充两个入侵物种（活泼瘤胃球菌和共生梭菌）也能改善生长和代谢异常。

同样，一样类似的研究发现，补充某种植物乳杆菌菌株（或者从植物乳杆菌分离的细菌细胞壁）也可以改善营养不良小鼠的生长发育，这为在临床试验中测试不同的方法提供了强有力的依据。

临床上的一些成功案例包括：

1、益生菌和合生元治疗

此前，在马拉维和乌干达进行的两项大型临床试验显示，益生菌干预后，严重急性营养不良儿童的营养恢复情况令人失望。然而，最近发表的一项名为SYNERGIE（紧急缓解肠道不稳定和肠病的合成元）的单盲随机临床试验中，益生菌显著改善了孟加拉国2-6月龄的严重急性营养不良婴儿的体重增加。

婴儿双歧杆菌通常存在于母乳喂养的健康婴儿的肠道菌群中，但在严重急性营养不良的婴儿中却很少，研究人员单独使用婴儿双歧杆菌或与人乳低聚糖乳糖-N-新四糖联合使用，每天一次，持续一个月，可以改善他们的生长发育，增加体重和上臀围。

2、促进肠道关键细菌生长的食物配方

益生元是食物中可促进肠道有益微生物生长的成分，与益生元一样，一些特殊设计的食物配方可以塑造肠道菌群的组成，具有促进关键肠道微生物生长和提高肠道菌群成熟度的能力。

2019年的一项初步试验中，研究人员给孟加拉国12-18月龄患有严重急性营养不良的儿童接受一种可促进肠道关键细菌生长的食物配方，为期4周，并进行了2周的随访。结果发现，它可以显著改善体重增加，并增加血浆中IGF-1和IGFBP3的水平，显著提高了受试者的生长，骨形成，神经发育和免疫功能水平。

在随后的一项试验中，研究人员进行了通过更长时间的干预，持续3个月，结果发现，患者身高和体重的周变化均有所改善。这种效果似乎是由肠道菌群的改善所调节的，因为患者中参与正常肠道菌群成熟的细菌分类群显著增加。这些细菌类群的富集也与这些患者的体重增加呈正相关。

3、抗生素的双刃剑效应

世界卫生组织建议使用短期疗程的抗生素，比如阿莫西林，用于无并发症的严重急性营养不良的门诊治疗。然而，抗生素也可能不分青红皂白地针对有害菌和有益菌，从而扰乱肠道微生物生态系统。先前的研究表明，即使短期使用抗生素对早产儿的肠道菌群也有潜在的有害和长期影响。 

在一项大型临床试验中，尼日利亚严重急性营养不良儿童接受阿莫西林治疗7天，1个月后患儿的生长发育有所改善，但在1年后基本消失。

然而，在最近发表的关于这一临床试验的二次分析中，研究人员将重点放在抗生素耐药性和肠道菌群上，结果发现尽管阿莫西林会短暂地增加抗生素耐药性基因并降低肠道菌群的多样性，但这些变化在3周内基本消退。令人惊讶的是，初始治疗2年后，阿莫西林治疗儿童的肠道菌群多样性和丰富度相对于安慰剂对照组儿童都有所增加，因此，某些意想不到的长期益处可能超过抗生素耐药性的短期风险。

不过，使用抗生素还是得谨慎，后续正在进行的代谢和人体测量学分析将有助于阐明抗生素治疗是否对骨骼生长有任何长期益处。

总结

儿童生长迟缓和消瘦，或营养不良相关的线性生长和体重增长下降，仍然是全球公共卫生的一项重大挑战。虽然目前的许多治疗和饮食干预措施大大降低了营养不良造成的儿童死亡，但在改善儿童生长迟缓方面仍然存在很大的不足。

儿童骨骼纵向生长受不同的遗传、营养和其它环境因素的支配，这些因素系统性地作用于内分泌系统和生长板。孩子长高就依赖于骨骼纵向生长，而生长板是关键。最近的研究表明，生长板的营养和激素调节之间复杂的相互作用可能涉及肠道菌群，因此，肠道菌群在解决儿童营养不良问题中非常重要，这也可能正是解决儿童营养不良和生长发育迟缓的关键。除了改善营养状况外，通过引入刺激生长发育的细菌菌株或通过促进肠道菌群成熟来缓解肠道菌群失调，应被视为治疗儿童生长发育迟缓的重要部分。

参考资料：

Lui, J. C. (2024). Gut microbiota in regulation of childhood bone growth. Experimental Physiology, 109, 662-671