過去的十多年裡，越來越多的證據表明，生活在我們每個人腸道中的共生微生物群落影響著我們生理的許多方面。我們已經在許多急性和慢性疾病中都觀察到了腸道菌群的特異性改變，也就是菌群失調，而且不僅僅局限於胃腸道系統。腸道菌群還可以通過調節炎症、合成代謝、胰島素敏感性、營養物質的生物利用度、毒素的釋放和代謝活性調節因子等多種機制對遠端組織和器官產生影響。
腸道菌群與宿主共同進化以滿足互惠互利的生化和生理需求，這在一定程度上影響了宿主的健康。腸道菌群影響著肝臟和腸道的代謝，影響著我們的免疫和行為。骨骼肌也是人體主要的代謝器官之一，那麼腸道菌群是否也可以調節骨骼肌的功能呢？「腸肌軸」真的存在嗎？
腸道菌群影響骨骼肌功能
無菌動物由於缺乏腸道微生物，提供了研究腸道微生物與宿主相互作用的機會。無菌動物的研究發現了很多腸道細菌與骨骼肌之間的關聯：
1、與擁有腸道菌群的正常健康小鼠相比，缺乏腸道菌群的無菌小鼠的骨骼肌肉質量明顯下降且表現出肌肉萎縮的跡象。給無菌小鼠重新定植腸道微生物可以恢復其骨骼肌質量。
2、骨骼肌質量是由肌肉蛋白質合成和蛋白質降解之間的平衡來維持的，無菌小鼠肌肉蛋白質的降解超過了蛋白質的合成，表現為肌肉中胰島素樣生長因子-1的表達降低，這在一定程度上可能是導致無菌小鼠骨骼肌肉質量下降的原因。重新定植腸道微生物可以恢復無菌小鼠胰島素樣生長因子-1的表達。
3、線粒體是細胞內的能量工廠，為它們的各種功能提供能量。無菌小鼠的骨骼肌的能量產生存在問題，它們似乎不太能夠製造和利用線粒體，與線粒體功能相關的一些酶的活性降低。將正常小鼠的腸道微生物移植到無菌小鼠體內，可以提高無菌小鼠線粒體中酶的活性。線粒體中酶活性的增加幫助無菌小鼠的骨骼肌產生更多的能量。
4、對骨骼肌、肝臟和血清的核磁共振光譜分析顯示，與正常小鼠相比，無菌小鼠的能量穩態被破壞，胺基酸代謝途徑受到明顯的干擾。
5、無菌小鼠的血清膽鹼水平也有所下降，這是乙醯膽鹼的前體，而乙醯膽鹼是神經肌肉接頭處的肌肉和神經之間信號交流的關鍵神經遞質。骨骼肌功能是由中樞神經系統通過神經肌肉接頭的神經傳遞來調控的。神經肌肉接頭是運動神經元和骨骼肌纖維之間形成的高度特異性的化學突觸。無菌小鼠中一些對神經肌肉接頭的發育和功能至關重要的基因表達也減少了。重新定植腸道細菌可以提高無菌小鼠這些神經肌肉接頭功能基因的表達。
6、無菌小鼠骨骼肌中肌鈣蛋白編碼基因表達降低，表明肌纖維收縮力可能受損。確實，無菌小鼠的肌肉力量和運動能力明顯降低。重新定植腸道細菌可以增加無菌小鼠的肌肉力量。
7、短鏈脂肪酸是腸道細菌代謝膳食纖維的主要產物。給無菌小鼠補充短鏈脂肪酸可以部分逆轉骨骼肌的損傷，通過防止肌肉萎縮和增強肌肉力量來支持骨骼肌功能。
這充分說明了腸道菌群在調節骨骼肌質量和功能方面發揮了重要作用，說明「腸肌軸」可能真的存在。
腸道菌群影響骨骼肌的可能機制
1、腸道菌群具有良好的調節合成代謝與分解代謝平衡的能力。無菌小鼠即使喂食高脂肪食物也不會發胖。相反，將營養不良的馬拉威兒童的糞便菌群移植到無菌小鼠中會導致小鼠的生長停滯，這表明腸道菌群是促進合成代謝所必需的。此外，給易發生肌肉萎縮的轉基因小鼠補充益生菌，可顯著改善肌肉質量和大小，並預防肌肉質量隨年齡增長而下降。
2、腸道菌群產生的多種代謝產物可被腸道黏膜吸收，影響骨骼肌的生理功能。其中一些被宿主用作營養物質，包括葉酸、核黃素、維生素B12、甜菜鹼和一些胺基酸。這些營養物質對骨骼肌生理有不同的作用，從促進DNA合成和修復，到通過調節胰島素生長因子-1刺激合成代謝和細胞增殖。一個健康的腸道菌群可以產生相應數量的這些物質，並促進胺基酸的生物利用度。相反，菌群失調可能與這些營養物質的產生和胺基酸的吸收減少有關，對肌肉蛋白質的更新產生負面影響。
3、其它微生物代謝物一旦進入循環系統，可能作為內分泌調節因子，對骨骼肌的代謝和功能產生重要影響。這些調節因子主要以短鏈脂肪酸為代表，比如乙酸、丙酸和丁酸。這些物質是由一些特定的微生物群落產生的，包括棲糞桿菌、丁酸單胞菌、琥珀弧菌、假琥珀弧菌，甚至一些非致病性的梭菌。它們具有明顯的促進胰島素敏感性、調節炎症、調節飽腹感和刺激脂肪組織分解代謝的作用，最終促進骨骼肌細胞的合成代謝。在肌細胞中，乙酸和丙酸促進葡萄糖吸收和激活一種叫做過氧化物酶增殖體活化受體δ的受體，導致線粒體生物合成增加。丙酸還能促進脂肪組織的脂質動員，改善肌肉線粒體中的脂肪酸氧化。丁酸可以通過抑制肌肉中的組蛋白去乙醯化酶，顯著改善衰老小鼠骨骼肌橫截面積和整體瘦肉質量。腸道菌群失調通常是選擇性地減少產短鏈脂肪酸的細菌，從而可能降低骨骼肌的促合成代謝或抗分解代謝作用。
4、健康的腸道菌群還可以將食物中的某些物質轉化為具有代謝活性的調節因子，影響肌肉功能。例如，一種特定的腸道微生物能夠將石榴、堅果和覆盆子中所含的鞣花丹寧轉化為一種名為尿石素A的化合物，顯示出改善大鼠肌肉力量的能力。
5、腸道菌群失調與腸道黏膜通透性增加有關，導致細菌毒素甚至細菌細胞滲透到宿主循環系統中。這可能激活炎症反應，促進慢性炎症，而慢性炎症是導致肌肉萎縮的主要機制之一。
腸道菌群可能是克服肌肉減少症的關鍵
肌肉減少症，是指因持續骨骼肌量流失、強度和功能下降而引起的綜合症。骨骼肌是人體運動系統的動力，肌肉的衰老和萎縮是人體衰老的重要標誌，非常容易引起骨折以及關節損傷等問題。在老年人中，肌肉力量和質量隨著年齡的增長而減少，在70歲以上的老人中，肌肉減少症的發病率為15-25%，到85歲以上的老人中發病率最高可達50%。患有肌肉減少症的老年人站立困難、步履緩慢、容易跌倒骨折，還會影響器官功能，可能引發心臟和肺部衰竭甚至死亡。
從生理病理學的角度來看，肌肉減少症是一種多因素的疾病，其影響因素包括不活動、營養不良、吸收不良、與衰老相關的運動神經元丟失，以及與衰老相關的內分泌因素，包括胰島素抵抗、甲狀腺功能異常、生長激素減少和性激素合成減少等等。然而，慢性全身性炎症起著核心作用。慢性全身性炎症足以降低胰島素敏感性、促進肌肉蛋白降解、減少肌肉線粒體的生物發生和功能，損害肌肉毛細血管，最終導致肌肉質量和功能下降。事實上，肌肉減少症患者血清C反應蛋白水平升高。此外，衰老的免疫系統和營養不足可能在刺激慢性炎症的激活中發揮核心作用，從而導致肌肉減少症的發生。
雖然迄今為止還沒有人類研究證實腸道菌群與肌肉功能之間的聯繫，但是所有上述與肌肉減少症有關的病理生理因素都可能受到腸道菌群的影響。對衰老相關肌肉減少症小鼠模型進行的一項研究也表明，肌肉減少症小鼠糞便菌群組成明顯不同，產短鏈脂肪酸的細菌類群顯著減少，胺基酸代謝能力明顯降低。結合前面我們所介紹的腸道菌群影響骨骼肌質量和功能及其可能的機制，一定程度上證實了「腸肌軸」的存在，它可能也影響著肌肉減少症的病理生理學。
現在我們對腸道微生物的了解還只是冰山一角，其中還蘊藏著無窮無盡的寶藏等待著我們去發掘。「腸肌軸」的存在告訴我們腸道菌群可能在骨骼肌的功能、生長和發育中發揮著關鍵作用。骨骼肌質量和力量的損失通常伴隨著年齡的增長而增長，腸道菌群可能是解決骨骼肌質量和力量損失的新方向。腸道微生物及其代謝產物也可能是克服老年人肌肉減少症的關鍵。
圖片均來自網絡