一项揭示骨关节炎治疗新靶点的原创性研究：通过GLP-1介导的肠-关节轴靶向肠道FXR信号通路
一、 研究团队与发表信息
本研究由袁恒洋、郝聪、焦婷滢、杨子聃、李辉等（†标注为共同第一作者）及多位合作者共同完成，通讯作者为魏杰（Jie Wei*）、谢岑（Cen Xie*）、曾超（Chao Zeng*）和雷光华（Guanghua Lei*）。参与单位包括中南大学湘雅医院骨科、上海药物研究所、南京中医药大学、美国国立卫生研究院（NIH）等多个国内外知名研究机构。该研究成果以题为“Osteoarthritis treatment via the GLP-1–mediated gut-joint axis targets intestinal FXR signaling”的原创研究论文形式，于2025年4月4日发表在顶级学术期刊《Science》（第388卷）上。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于骨关节炎（Osteoarthritis, OA）发病机制与治疗策略探索的交叉学科领域，特别聚焦于肠道微生物组与宿主代谢在局部关节疾病中的作用。骨关节炎是一种以关节软骨退变为主要特征的常见退行性关节病，全球患者超过5.95亿，目前尚无能够改变疾病进程的药物（Disease-modifying drugs）。尽管既往研究提示肠道菌群失调与OA相关，且一些微生物代谢物可能参与其中，但这些发现多为相关性，一个功能性的、可靶向治疗的“肠-关节轴”是否存在及其具体机制尚不明确。
胆汁酸（Bile acids, BAs）是一类重要的微生物代谢物，可作为信号分子通过法尼醇X受体（Farnesoid X receptor, FXR）等受体发挥作用。前期研究表明，抑制肠道L细胞中的FXR可以刺激胰高血糖素样肽-1（Glucagon-like peptide-1, GLP-1）的产生和分泌，而GLP-1受体（GLP-1R）激动剂在OA模型中显示出抗软骨降解作用。这提示GLP-1可能是连接肠道与关节的潜在介质。鉴于FXR等胆汁酸受体是成熟的药物靶点，已有FDA批准的药物，因此，深入理解胆汁酸代谢和信号传导与OA的相关性，可能为OA治疗带来前所未有的转化机遇。
基于此，本研究旨在：1）探究OA患者体内是否存在特征性的胆汁酸代谢改变；2）验证关键改变的胆汁酸（如甘氨熊去氧胆酸，Glycoursodeoxycholic acid, GUDCA）对OA进程的影响及其作用机制；3）寻找参与该过程的肠道关键微生物；4）评估FDA已批准的药物（如熊去氧胆酸，Ursodeoxycholic acid, UDCA）通过该“肠-关节轴”治疗OA的潜力。
三、 详细研究流程
本研究是一项结合大规模人群队列分析、多组学技术、基因工程小鼠模型、细胞实验和临床数据库验证的系统性工作，流程严谨且环环相扣。
流程一：人群队列中胆汁酸代谢谱与OA的关联分析。 * 研究对象与样本量： 研究首先在两个独立队列中进行靶向代谢组学分析。发现队列（Discovery cohort）包含1714名个体（421名OA患者，1293名对照），验证队列（Validation cohort）包含154名个体（77名OA患者，77名年龄、性别匹配的对照）。所有参与者均来自中国的人群研究项目（湘雅OA研究和湘雅阶梯研究），并进行了详细的临床评估（如Kellgren-Lawrence分级、疼痛评分）。 * 实验与方法： 采集参与者血浆样本，使用液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）技术进行靶向胆汁酸代谢组学分析，定量检测多种初级和次级胆汁酸的水平。 * 数据分析流程： 在发现队列中，使用逻辑回归模型分析各种胆汁酸类别（如UDCA类、CDCA类）以及单个胆汁酸与OA患病率之间的关联。同时，分析这些胆汁酸指标与OA严重程度指标（KL分级、关节间隙狭窄、骨赘等）的相关性。随后，在独立的验证队列中使用条件逻辑回归模型验证关键发现。
流程二：关键胆汁酸（GUDCA）在OA小鼠模型中的治疗作用及机制初探。 * 研究对象： 使用两种经典的OA小鼠模型：手术诱导的膝关节内侧半月板失稳（Destabilization of the medial meniscus, DMM）模型和自然衰老（18月龄）的自发性OA模型。主要使用C57BL/6J雄性小鼠。 * 实验与方法： 1) 干预： 对造模后的小鼠进行为期8周（DMM模型）或6个月（衰老模型）的GUDCA灌胃治疗。2) 表型评估： 通过膝关节组织切片进行番红O/固绿染色，评估软骨退化程度并使用国际骨关节炎研究学会（OARSI）评分系统量化；通过免疫组化检测软骨合成标志物聚集蛋白聚糖（Aggrecan, ACAN）和分解标志物ADAMTS5的表达；通过微型计算机断层扫描（Micro-CT）评估骨赘形成。3) 机制初探： 检测回肠胆汁酸谱变化；通过cAMP测定和AlphaScreen竞争性结合实验评估GUDCA是否激活TGR5或拮抗FXR；使用离体肠道类器官（Organoid）培养，检测GUDCA处理后FXR下游靶基因FGF15（人同源物为FGF19）的mRNA表达。 * 数据分析： 组间比较采用单因素方差分析（ANOVA）等统计方法。
流程三：确认肠道FXR为GUDCA作用的关键靶点。 * 研究对象： 肠道特异性FXR敲除小鼠（Fxr^(die)）及其对照（Fxr^(fl/fl)）小鼠，以及TGR5全身敲除小鼠（Tgr5^(-/-)）。 * 实验与方法： 1) 药理学验证： 在DMM野生型小鼠中使用肠道限制性FXR激动剂Fexaramine，观察是否加剧OA。2) 遗传学验证： 对Fxr^(die)和Fxr^(fl/fl)小鼠进行DMM手术，并给予GUDCA或对照处理，评估OA表型。在Tgr5^(-/-)小鼠中重复GUDCA治疗实验，以排除TGR5介导的作用。3) 临床样本验证： 在另一组40名OA患者和40名匹配对照中，检测血浆FGF19水平。 * 数据分析： 比较不同基因型和药物处理组间的OA病理评分、基因表达和蛋白水平差异。
流程四：阐明肠道FXR抑制缓解OA的下游效应分子——GLP-1。 * 研究对象： Fxr^(die)小鼠、Fxr^(fl/fl)小鼠、以及新构建的肠道干细胞特异性FXR敲除小鼠（Fxr^(dISC)，利用Lgr5-EGFP-IRES-CreERT2系统）。 * 实验与方法： 1) GLP-1水平检测： 检测小鼠血清GLP-1水平；检测OA患者和对照血浆GLP-1水平，并分析OA患者膝关节滑液与血浆GLP-1的相关性。2) L细胞数量与功能： 通过免疫荧光染色计数肠道类器官和小肠组织切片中的GLP-1阳性L细胞。3) 肠道干细胞（ISC）功能： 在类器官中使用FXR激动剂GW4064处理，评估ISC标志物（Lgr5, Olfm4）表达和类器官出芽情况；在Fxr^(dISC)小鼠中，检测ISC增殖标志物（Olfm4+Ki67+）和ISC标记基因表达。4) GLP-1在关节中的作用验证： a) 拮抗实验： 在GUDCA治疗或Fxr^(die)小鼠的关节腔内注射GLP-1R拮抗剂Exendin 9-39 amide，观察是否抵消其治疗作用。b) 激动实验： 在DMM小鼠关节腔内注射FDA批准的GLP-1R激动剂利拉鲁肽（Liraglutide），观察其直接治疗作用。c) 细胞实验： 用利拉鲁肽处理原代小鼠软骨细胞，检测ACAN和ADAMTS5蛋白表达。5) 临床数据库分析： 利用英国IQVIA医疗研究数据库（IMRD），在3816名同时患有膝OA和糖尿病的患者中，分析使用GLP-1R激动剂与新发膝关节置换风险的关系。 * 数据分析： 采用多种统计方法，包括相关性分析、生存分析的Cox比例风险模型等。
流程五：寻找调控关键胆汁酸的肠道微生物。 * 研究对象与样本量： 从发现队列中选取了提供合格粪便样本的981名个体（221名OA患者，760名对照）进行宏基因组测序分析。 * 实验与方法： 对粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序（Shotgun metagenomic sequencing）。 * 数据分析流程： 1) 物种差异分析： 使用MaAsLin2等工具分析OA患者与对照之间肠道微生物物种组成的差异。2) 微生物-代谢物关联分析： 使用偏Spearman等级相关检验，分析差异微生物物种与流程一中发现的差异胆汁酸指标之间的关联。3) 功能验证： 在经抗生素清除肠道菌群的小鼠中，定植关键差异菌（Clostridium bolteae），然后进行DMM手术，评估其对回肠胆汁酸谱（特别是UDCA和CDCA比例）、肠道FXR信号、血清GLP-1水平以及OA病理表型的影响。
流程六：验证FDA已批准药物UDCA的治疗潜力。 * 研究对象： DMM模型小鼠、自然衰老OA模型小鼠、以及Fxr^(die)和Fxr^(fl/fl)小鼠。 * 实验与方法： 1) 动物实验： 对上述小鼠模型进行口服UDCA灌胃治疗，系统评估其对OA进程的改善作用，并验证其是否依赖于肠道FXR-GLP-1轴。2) 大型临床队列验证： 再次利用英国IMRD数据库，在5972名原发性胆汁性胆管炎（PBC）患者中，通过倾向评分匹配，比较新使用UDCA的患者与未使用者在发生OA相关膝关节置换风险上的差异。 * 数据分析： 动物实验数据采用常规组间比较统计；临床队列数据采用考虑竞争风险（死亡）的Cox比例风险模型进行分析。
四、 主要研究结果
结果一： 在两个独立的人群队列中均一致发现，OA患者血浆中UDCA类胆汁酸（特别是GUDCA和TUDCA）水平显著低于健康对照，且其降低程度与OA影像学及临床症状的严重程度呈正相关。这提示GUDCA的减少可能与OA的发病机制有关。
结果二： 在DMM和衰老两种OA小鼠模型中，口服补充GUDCA均能显著减轻软骨退化、减少骨赘形成、上调软骨合成标志物ACAN、下调分解标志物ADAMTS5。机制上，GUDCA不激活TGR5，但能作为FXR的竞争性拮抗剂（IC50 = 67.5 μM），抑制肠道FXR信号（表现为FGF15/FGF19表达下降）。使用肠道FXR激动剂Fexaramine会加重OA，而肠道特异性敲除FXR（Fxr^(die)）本身就能缓解OA，且GUDCA的治疗效果在Fxr^(die)小鼠中完全消失。这些结果确证了肠道FXR是GUDCA缓解OA的关键靶点，且其激活是OA的致病因素之一。
结果三： 肠道FXR抑制如何影响远处的关节？研究发现，Fxr^(die)小鼠和GUDCA治疗小鼠的血清GLP-1水平显著升高。深入机制表明，FXR激活（通过激动剂GW4064）会损害肠道干细胞（ISC）的干性，减少ISC增殖，从而导致由其分化而来的GLP-1阳性L细胞数量减少。相反，特异性敲除ISC中的FXR（Fxr^(dISC)）可增强ISC增殖，增加L细胞数量和GLP-1分泌。临床样本也显示OA患者血浆GLP-1水平降低。关节腔内注射GLP-1R拮抗剂可完全阻断GUDCA或肠道FXR敲除带来的治疗益处，而关节腔内注射GLP-1R激动剂利拉鲁肽则能直接缓解软骨降解。体外实验证实利拉鲁肽可促进软骨细胞合成代谢、抑制分解代谢。临床数据库分析进一步支持，在膝OA合并糖尿病患者中，使用GLP-1R激动剂与较低的膝关节置换风险相关。这些证据链完整地揭示了 “肠道FXR抑制 → ISC增殖增强 → L细胞数量增加 → GLP-1分泌增多 → 通过血液循环作用于关节GLP-1R → 保护软骨” 这一完整的肠-关节信号轴。
结果四： 宏基因组学分析发现，OA患者肠道中Clostridium bolteae的相对丰度显著降低。该菌与GUDCA、UDCA类胆汁酸水平呈最强的正相关。功能实验证实，在小鼠中定植C. bolteae可提高肠道UDCA（GUDCA的前体）水平，抑制肠道FXR信号，升高血清GLP-1，并减轻OA病理。系统发育分析提示C. bolteae与已知的UDCA产生菌Ruminococcus gnavus功能相似。这找到了驱动该肠-关节轴的上游微生物调控因子。
结果五： UDCA是FDA已批准的用于治疗原发性胆汁性胆管炎的FXR拮抗剂。研究发现，口服UDCA在两种OA小鼠模型中均能有效缓解疾病，其作用依赖于肠道FXR（在Fxr^(die)小鼠中无效）。最重要的是，基于英国大型医疗数据库的回顾性队列研究显示，在原发性胆汁性胆管炎患者中，新使用UDCA的患者发生OA相关膝关节置换的风险比未使用者降低了约54%。这一临床数据强有力地提示了UDCA用于OA治疗的潜在转化价值。
五、 研究结论与意义
本研究首次系统性地阐明并证实了一个功能性的、可靶向治疗的“肠-关节轴”在骨关节炎中的作用。具体通路为：肠道微生物（如C. bolteae）失调 → UDCA/GUDCA产生减少 → 肠道FXR信号过度激活 → 抑制肠道干细胞增殖 → L细胞数量及GLP-1分泌减少 → 关节局部GLP-1信号不足 → 软骨降解加剧、OA进展。
其科学价值在于：1) 机制突破： 超越了以往肠道菌群与OA的简单相关性研究，从微生物、代谢物、细胞、受体到系统信号传导，完整解析了一条从肠道到关节的分子通路。2) 靶点创新： 首次将肠道FXR确立为OA治疗的一个全新且可行的药物靶点。3) 细胞机制新发现： 揭示了FXR通过调控ISC增殖来影响L细胞数量的新机制，丰富了我们对肠道内分泌细胞稳态调控的理解。
其应用价值在于：1) 药物重定位（Drug Repurposing）： 明确指出了已上市药物UDCA和GLP-1受体激动剂（如利拉鲁肽、司美格鲁肽）作为OA疾病修饰疗法的巨大潜力，可极大缩短药物研发周期和成本。2) 诊断生物标志物： 血浆GUDCA、FGF19、GLP-1水平以及粪便C. bolteae丰度，可能成为OA辅助诊断或疾病活动度监测的潜在生物标志物。3) 治疗新策略： 提出了通过调控肠道菌群（如益生菌干预）、靶向肠道FXR信号或增强GLP-1轴来治疗OA的综合性新策略。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究还通过分析OA患者滑液，发现其中GLP-1水平与血浆水平高度相关，而关节组织本身不表达GLP-1，进一步佐证了肠道是循环GLP-1的主要来源。此外，对肠道FXR在ISC中作用机制的探讨（通过影响Wnt信号和增殖，而非直接调控L细胞分化），为胃肠道生物学提供了新的见解。研究团队也谨慎地指出了未来需要开展随机对照临床试验来最终确认UDCA等药物在OA患者中的疗效和安全性。