肠道菌群在人工关节无菌性松动发病过程中的作用及其机制研究

Aseptic loosening of artificial joint is one of the major causes of the failure of primary joint replacement. At present, the research in this field is mainly focused on the interaction between the local cells and the wear particles. However, the effects of other systemic factors on the occurrence of the disease received less attenttion, which maybe one of the most important reasons why the prevention and therapy of the disease without breakthrough over the years. In this study, we found that the transplantation of intestinal microflora could affect the occurrence of aseptic loosening. At the same time, the expression level 5-HT, an important medium for the regulation of bone metabolism in intestinal flora, was significantly higher in aseptic loosening patients than the control group. Accordingly, we proposed that intestinal flora may regulate the expression of 5-HT in bone metabolism and involved in the pathogenesis of aseptic loosening. To confirm this hypothesis, we will study the role and mechanism of intestinal flora in the process of disease from the human body/animal/cell/molecular levels; we will identify the differences of intestinal flora and 5-HT expression between the patients and the control group; and we also try to elucidate the effect and molecular mechanism of intestinal microflora on osteolysis and 5-HT secretion. The completion of this project will clarify the new pathogenesis of artificial joint aseptic loosening from the perspective of other systemic factors and proposed novel clinical intervention strategies.

人工关节无菌性松动是导致关节置换术失败的主要原因之一。目前该领域的研究主要集中于关节局部的磨损颗粒与周围细胞间的相互作用，而较少涉及其他系统性因素对疾病发生的影响，这可能是导致该疾病综合防治多年来未有突破性进展的原因之一。本课题组前期基于小鼠模型研究发现：肠道菌群移植影响无菌性松动的发生；5-HT作为肠道菌群调控骨代谢的重要介质，在无菌性松动患者组织标本中的表达水平显著高于对照组。据此我们提出：肠道菌群可能通过5-HT调节骨代谢、参与骨溶解导致无菌性松动发生。为证实该假设，我们将从人体-动物-细胞-分子多个层面系统研究肠道菌群在疾病发生过程中的作用及其机制，鉴别无菌性松动患者与对照人群的肠道菌群和5-HT表达差异；阐明肠道菌群对骨溶解和5-HT分泌的作用及机制；探讨5-HT对成骨细胞功能影响及潜在机制等。本项目的完成，将从其他系统性因素角度提出人工关节无菌性松动新的致病机理和临床干预策略。

背景：人工关节无菌性松动是导致关节置换术中远期失败的最主要原因。本研究从系统性角度出发，探究肠道菌群对无菌性松动的作用及相关发病机制，为无菌性松动的防治提供新的理论依据和治疗靶点。.方法：我们首先在临床上收集全髋关节置换术后发生无菌性松动患者的临床资料与肠道菌群样本，以无松动发生关节置换患者的肠道菌群为对照通过宏基因组测序研究其中差别。以小鼠颅骨溶解模型为基础，我们在此之上用多种抗生素联合使用建立了小鼠肠道菌群清除模型，用以分析肠道菌群对磨损微粒诱导的骨溶解的作用。利用不同抗菌谱抗生素对骨溶解的不同作用来筛选可能对骨溶解有直接影响的特定细菌，并进一步将细菌重新定植到小鼠肠道菌群清除模型中，通过Micro-CT及组织形态学检测该细菌对骨溶解的作用，用RT-PCR测定定植细菌后成骨/破骨细胞标志性基因的变化，最后用ELISA及WB等手段检测目标细菌影响骨溶解的具体机制。.结果：1.临床样本的宏基因组测序结果表明无菌性松动病人与无松动发生的关节置换病人在肠道构成和优势菌株上有差异。.2.在磨损微粒诱导骨溶解小鼠模型中，我们发现肠道菌群清除小鼠的骨体积分数上升，骨溶解现象减弱。通过不同抗生素杀菌效果不同我们推测对骨溶解产生主要促进作用的是厌氧菌，通过16s rRNA测序结果我们筛选出肠致病性大肠杆菌（EPEC）作为目标菌种。.3.在肠道菌群清除小鼠的肠道中重新定植EPEC后其有刺激骨溶解的作用作用；EPEC通过抑制肠道5-HT转运蛋白SERT的表达提高了体循环中5-HT的水平，而在骨溶解发生区域，5-HT通过抑制CREB蛋白磷酸化来降低成骨细胞增殖功能，并导致了骨溶解的程度加重。.4.此外我们发现使用罗氏乳杆菌治疗能通过调节巨噬细胞极化作用来抑制破骨细胞激活，从而明显减轻无菌性松动的症状。.结论：肠道菌群在无菌性松动发病过程中扮演着重要角色。EPEC能通过调节肠道5-HT分泌来刺激磨损微粒所致骨溶解发生，而罗氏乳杆菌则能缓解无菌性松动症状，为该疾病的治疗提供了一个潜在的途径。