腸道微生態對藥物代謝的影響

金莎莎 王琪珍 卜鳳嬌 相小強

摘 要 腸道微生態由一個多樣化的微生物群落組成，在維持宿主內環境穩態、保障宿主健康方面起著十分重要的作用。腸道微生態在藥物代謝中也起著至關重要的作用。本文就腸道微生物-宿主共代謝、腸道微生態對藥物代謝的影響及其未來研究所面臨的挑戰等問題作一簡要概述。

關鍵詞 腸道微生態 藥物代謝 微生物-宿主共代謝

中圖分類號：R37； R969.1 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2018）15-0022-03

The impact of gut microbiota on drug metabolism

JIN Shasha， WANG Qizhen， BU Fengjiao， XIANG Xiaoqiang*（School of Pharmacy， Fudan University， Shanghai 201203， China）

ABSTRACT The gut microbiota is a diverse and dense microbial community that plays a very important role in maintaining the homeostasis of the hosts internal environment and protecting the hosts health. Meanwhile， the gut microbiota also plays a crucial role in drug metabolism. In this review， we briefly summarize the microbiota-host cometabolism， and the gut microbial impacts on drug metabolism， and the challenges in the future study and so on.

KEY WORDS gut microbiota； drug metabolism； microbiota-host cometabolism

腸道微生物群落含有1 000多種細菌，細菌細胞總數約是宿主細胞總數的10倍[1-2]。腸道微生物群落可影響宿主的營養、代謝以及免疫功能，對維持宿主健康十分重要，是實現宿主正常生理功能不可或缺的組成之一，被認為是維持宿主健康和參與各種疾病發生的又一“代謝器官”[3]。盡管人體腸道中的優勢細菌只有幾種細菌門如厚壁菌門、擬桿菌和放線菌等，但整個腸道微生物群落的組成是多樣性的[4]，這與遺傳多態性共同導致了相同藥物的療效的個體差異。然而，在過去幾十年中，由于腸道微生物群落的復雜性以及難以在體外培養，廣泛的藥理、藥效學研究主要集中在宿主遺傳背景與藥物療效之間的關聯性上，腸道微生物群落并未受到關注。

近年來，隨著宏基因組學的發展，推動了有關腸道微生物群落對疾病和藥物代謝影響的研究進程。一個新的術語“藥物微生物組學（pharmacomicrobiomics）”被提出來，以描述腸道菌群變化對藥代動力學和藥效學的影響[5]。到目前為止，研究者們已開展了廣泛的研究來探索腸道微生態對藥代動力學的影響，并發現腸道微生態可通過分泌藥物代謝酶、生成代謝產物以及修飾宿主肝臟或腸組織中的藥物代謝酶的基因表達而參與或干擾藥物的代謝。本文就腸道微生物-宿主共代謝、腸道微生態對藥物代謝的影響及其未來研究所面臨的挑戰等問題作一簡要概述。

1 宿主和腸道微生物分泌的藥物代謝酶

共生現象伴隨著人的整個生命過程，其中腸道微生物-宿主的共代謝可影響人體對外源性物質（如藥物、膳食成分）的化學修飾能力。宿主的代謝系統包括Ⅰ相和Ⅱ相代謝。Ⅰ相代謝包括氧化、還原、水解等反應類型，主要由肝臟、腸道等組織中的細胞色素P450（cytochrome P450， CYP450）酶介導，代謝的主要目的是通過增加外源性物質的極性而促使其經腎臟排泄。Ⅱ相代謝即結合反應，如葡萄糖醛酸化和磺化等。外源性物質通過宿主代謝酶的催化與內源性親水性物質結合，從而增加在尿中的排泄量。Ⅱ相代謝的代謝酶有尿苷-5′-二磷酸葡萄糖醛酸轉移酶（uridine-5′-diphosphoglucuronyl transferase， UGT）、磺基轉移酶（sulfotransferase）、N-乙酰基轉移酶（N-acetyltransferase）和谷胱甘肽S-轉移酶（gluctathione S-transferase）等。超過70%的藥物在肝臟中代謝，約25%的藥物以原型經腎臟排泄[6]。約50%被代謝的藥物是由CYP450酶催化的，CYP450酶系統在藥物代謝中起著重要作用。

除了宿主的藥物代謝系統外，腸道微生物也可通過分泌藥物代謝酶或構成微生物-宿主共代謝系統對藥物代謝產生影響。盡管有關腸道微生物群落對藥物代謝影響的研究已進行了幾十年，但到目前為止，僅發現40余種藥物或天然產物的代謝與腸道微生物群落相關[7]。不過，已有證據表明，腸道微生物群落可通過微生物-宿主共代謝系統或改變宿主的藥物代謝酶的基因表達而影響藥物的藥代動力學特征，如生物利用度和半衰期等[8]。此外，個體腸道微生物群落的組成及其功能易受環境因素如飲食、抗生素的使用、宿主的健康狀況等的影響。因此，藥物的療效與個體腸道微生物群落的變化情況密切相關。

2 腸道微生物分泌的藥物代謝酶參與藥物代謝

2.1 偶氮還原酶

偶氮還原酶廣泛存在于人腸道微生物群落中的多個菌門、特別是梭狀芽孢桿菌和真桿菌屬中，其可參與多種藥物的代謝過程，代謝速率取決于藥物的化學結構。人腸道微生物群落可產生至少3種類型的偶氮還原酶。

含有偶氮鍵的前體藥物經口服給藥后，需經腸道微生物群落生物活化，即通過偶氮還原酶還原偶氮鍵后才可轉化為具有生物活性的化合物，進而產生治療作用。例如，臨床上用于治療輕、中度潰瘍性結腸炎和Crohn病的5-氨基水楊酸（5-aminosalicylic acid， 5-ASA）類藥物，包括美沙拉嗪、柳氮磺吡啶、巴柳氮和奧沙拉嗪，其中柳氮磺吡啶、巴柳氮和奧沙拉嗪均是含偶氮鍵的5-ASA的前體藥物。柳氮磺吡啶和巴柳氮分別由5-ASA通過偶氮鍵連接磺胺吡啶和4-氨基苯甲酰基-β-丙氨酸組成，奧沙拉嗪則由偶氮鍵連接兩個5-ASA分子組成。這3種藥物經腸道微生物群落產生的偶氮還原酶作用，均可在腸腔中釋放出5-ASA，從而產生抗炎活性。有關研究發現，腸道微生物群落代謝柳氮磺吡啶的速率約是代謝巴柳氮和奧沙拉嗪的2.5和4.4倍[9]，表明偶氮還原酶的代謝速率取決于藥物的化學結構。

2.2 β-葡萄糖醛酸苷酶

β-葡萄糖醛酸苷酶是由人腸道微生物群落產生的一種通用酶家族，可影響很多藥物、膳食成分和內源性代謝物的生物活性和毒性。最近的研究表明，β-葡萄糖醛酸苷酶對癌癥和炎癥治療藥物的毒性有重要影響。肝臟表達的UGT可將葡萄糖醛酸與多種底物結合起來，包括藥物和激素、膽汁酸等內源性化合物。這種生物轉化可增加藥物的親水性，從而使之能夠通過腎臟排泄，經尿排泄，或通過膽汁分泌到腸道，隨后經糞排泄。其中，通過膽汁排泄就有β-葡萄糖醛酸苷酶代謝的參與。

伊立替康是一種結直腸癌化療藥物，以經靜脈滴注方式使用。伊立替康進入人體后被體內的羧酸酯酶轉化成活性形式SN-38，后者在分泌入腸之前先經肝臟UGT1A1代謝生成SN-38G。失活的SN-38G通過膽汁分泌進入腸道，再被腸道微生物群落產生的β-葡萄糖醛酸苷酶重新轉化為SN-38。SN-38對腸上皮細胞有毒性，會導致患者發生嚴重腹瀉。而通過給予抗生素抑制腸道微生物群落對SN-38G的代謝，可顯著降低伊立替康的腸道毒副反應。此外，研究也發現了一種有效的β-葡萄糖醛酸苷酶抑制劑，后者可通過減少SN-38G的代謝來有效降低伊立替康誘導的腹瀉發生率和保護腸道組織[10]。伊立替康的腸道毒性受腸道微生物群落影響是腸道微生態對藥物代謝影響的一個經典例子。

2.3 強心苷還原酶

地高辛是治療充血性心力衰竭和心房顫動的一種強心苷類藥物，其治療指數很窄，生物利用度的微小變化便可能導致出現毒性反應。地高辛的生物活性也受腸道微生物代謝的影響。腸道微生物可還原地高辛的內酯環，將其代謝為無活性的代謝物二氫地高辛。20世紀80年代即有研究觀察到，厭氧的遲緩埃格特菌（Eggerthella lenta）可以滅活地高辛[11]。最近的研究發現，遲緩埃格特菌含有細胞色素編碼操縱子，也被稱為“強心苷還原酶（cardiac glycoside reductase， CGR）”操縱子，其可由地高辛轉錄激活，這是導致地高辛失活的主要原因。雖然遲緩埃格特菌的定植是地高辛失活的基本條件，但因菌株的差異，只有CGR操縱子陽性的遲緩埃格特菌菌株才具有滅活地高辛的能力[12]。對于攜帶CGR操縱子陽性遲緩埃格特菌的患者，接受抗生素治療期間可能會暫時阻斷無活性代謝物二氫地高辛的生成，從而使血液中地高辛的暴露量增加，而在無抗生素干預時，則存在地高辛療效不佳的問題。了解腸道微生物對地高辛代謝的影響有助于在臨床上更好地發揮地高辛的治療作用。

3 腸道微生物產生的代謝物干擾藥物代謝過程

對甲苯酚是腸道微生物群落的一種代謝物，是胞質磺基轉移酶的競爭性底物，而磺基轉移酶同時也負責對乙酰氨基酚的硫酸結合反應。在人體內，約95%的對乙酰氨基酚因與硫酸或葡萄糖醛酸結合而失活，剩下的經CYP450酶作用轉化為對肝臟有毒性的代謝物N-乙酰對苯醌亞胺，代謝物均經尿排泄。當對乙酰氨基酚與硫酸或葡萄糖醛酸的結合減少、經CYP450酶代謝增多時，常可出現對乙酰氨基酚誘導的肝毒性。

Clayton等[13]應用藥物代謝組學的方法觀察到，尿液中對甲苯酚水平高的個體服用對乙酰氨基酚后，其尿液中對乙酰氨基酚硫酸鹽水平與對乙酰氨基酚葡糖苷酸水平之比較低。此外，Lee等[14]利用接受抗生素治療的大鼠研究了腸道微生物群落對對乙酰氨基酚代謝的影響，結果發現與未接受抗生素治療的大鼠相比，接受抗生素治療大鼠血液中的對乙酰氨基酚-谷胱甘肽結合物水平顯著更高。這兩項研究均表明，腸道微生物群落可影響對乙酰氨基酚的代謝。高水平的對甲苯酚可與對乙酰氨基酚競爭性地結合胞質磺基轉移酶，從而影響對乙酰氨基酚的硫酸結合反應，影響對乙酰氨基酚的代謝，最終造成個體的藥物肝毒性差異。

4 腸道微生物影響宿主肝臟和腸道組織中藥物代謝酶的基因表達

小鼠研究發現，腸道微生物群落可影響宿主藥物代謝酶和轉運體基因的表達[15-16]。腸道微生物群落對宿主基因表達的影響可是局部的（如腸道組織），也可是全身的（如藥物代謝的最重要器官肝臟）[15，17]。在無菌小鼠和無特定病原體小鼠間，肝臟中存在表達差異的基因數超過100個[16]，其中表達差異最大的是編碼CYP450酶的一組基因。戊巴比妥經靜脈注射給藥，由肝臟中的CYP450酶代謝。研究顯示，與無特定病原體小鼠相比，無菌小鼠體內的CYP450酶表達增加，可更有效地代謝戊巴比妥[15]。

一項RNA測序研究也證實，在無菌和定植小鼠間，芳烴受體靶基因Cyp1a2、過氧化物酶體增殖物激活受體-α靶基因Cyp4a14、組成型雄甾烷受體靶基因Cyp2b10和孕烷X受體靶基因Cyp3a11的mRNA表達均存在差異[18]。此外，該研究還發現，無菌小鼠體內一系列核受體的表達增加，而這些核受體的表達可影響藥物代謝酶和轉運體基因的表達。

5 腸道微生態對藥物代謝影響研究所面臨的挑戰

在臨床上，對于相同的藥物治療方案，個體間的反應存在差異是非常普遍的現象，而原因以往認為主要是基因變異所致。然而，越來越多的證據表明，藥物的腸道微生物-宿主共代謝也可對藥物療效產生重要影響。盡管在過去幾十年中，特別是近年來隨著技術創新，我們在揭示腸道微生態與藥物代謝這一錯綜復雜的關系方面取得了令人振奮的進展，但要將腸道微生態知識合理應用于個體化用藥，我們還面臨一些重大挑戰。

首先，明確腸道微生物群落對藥物代謝的具體影響仍然是一個巨大的挑戰。我們經常使用接受抗生素治療的動物模型來研究腸道微生態對藥物代謝及其毒性的影響。然而，無菌動物和悉生動物不僅成本昂貴，而且對動物房設施也有嚴格要求，這大大限制了對它們的應用。其次，闡明腸道微生物群落對藥物代謝的影響主要依賴于新技術。由于基因測序的識別能力非常有限，而宏基因組學測序成本又較高，且仍然有局限性，因此需綜合應用代謝組學和宏基因組學等方法來研究腸道微生物群落對藥物代謝的影響。此外，腸道微生物群落對藥物代謝的影響機制復雜而難以捉摸。目前，有關腸道微生物群落影響藥物代謝僅在40余種藥物或天然產物中得到很好的揭示。我們相信，隨著對腸道微生物群落研究的深入和相關技術的持續改進，未來5 ～ 10年內至少會有數十種由腸道微生物-宿主共代謝的藥物將得到充分證明，由此促進藥物的合理設計，以生產出療效更好和毒性更低的新藥。

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