高原低氧條件下的腸道菌群與藥物代謝

劉貴琴，李向陽,2

(1.青海大學生態環境工程學院，青海 西寧810001；2.三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室，青海 西寧810016)

機體的腸道中定植著種類繁多的微生物，這些腸道微生物以相應的比例組合，這些菌群彼此制約、彼此依存，在質和量上達到一定的動態平衡。腸道內的微生物輕則影響體重、消化能力和抗菌能力，重則產生對人類健康有重大危害的疾病[1]。腸道菌群與疾病的發生和發展息息相關，因此，腸道菌群中可能存在影響藥物代謝的因素。現階段隨著對腸道菌群研究的日益重視，高原特殊環境對腸道菌群的研究也逐漸增多。由于高原低氧條件下腸道菌群和平原地區的腸道菌群有所差異，其對藥物代謝及其作用機制的影響可能也會有所差別，研究高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝的影響可能對高原地區不同人群合理用藥和高原疾病防治提供重要的理論支撐。因此，高原低氧條件下對腸道菌群的深入研究在治療人類疾病等方面具有重要的意義。

1 腸道菌群

腸道菌群是機體腸道中定植的正常微生物，其有助于機體必需礦物元素的吸收，可產生生命活動所需的多種維生素。腸道菌群種類繁多、數量較大，在機體腸道中定植的細菌較機體細菌數量總數的10倍還多，其中厚壁菌門和擬桿菌門所占比例較大[2]。

1.1 腸道菌群的分類 腸道菌群按不同依據有3種分類方法，如表1所示。按腸道菌群對氧氣的依賴性分為需氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌[3]；按其自然屬性可分為厚壁菌門、疣微菌門、變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、梭桿菌門、藍藻菌門、螺旋體門及VadinBE97門，目前發現人體腸道內的菌群均位于以上9種菌門中[4]；按其與宿主的關系還可分為共生菌、條件致病菌和致病菌[5]，機體腸道內共生菌占大多數且對機體有益，而條件致病菌數量極少且只有在內環境紊亂時才可對機體造成危害。

表1 腸道菌群的分類

1.2 腸道菌群的功能

1.2.1 生理屏障作用 機體腸道黏膜的生物屏障由腸道菌群構成，是重要的防御屏障之一。Koren等[6]早在1887年就發現微生物之間存在拮抗作用且對預防和治療家兔的炭疽病有較好的療效。腸道菌群的生理屏障作用可防止病原體入侵，是保護腸道的第一道防線，在腸道穩態維持中必不可少。

1.2.2 營養作用 腸道菌群的營養作用可從多個方面體現。一方面，腸道菌群可導致致病菌生長所需的營養物質減少，使外來致病菌的生長繁殖減慢。這種行為加強了機體對外來致病菌的抵抗作用，并增強了機體對各種營養物質的吸收利用。另一方面，處于穩態的腸道菌群能合成多種機體生長發育所必需的維生素，并與營養物質的代謝密不可分，同時促進微量元素的吸收[7]。

1.2.3 免疫作用 腸道是機體最大的免疫器官，也是與外界環境接觸最多的器官之一。處于穩態的腸道菌群在腸黏膜免疫屏障作用的調控中有不同的角色。一方面，腸道菌群作為抗原對腸黏膜存在潛在的危害。另一方面，腸黏膜細胞的某種營養成分可由腸道菌群獲得，從而使菌群的平衡不受破壞。此外，機體免疫器官的發育還可通過腸道菌群促成，使T、B淋巴細胞的數量升高，產生非特異性免疫作用[8]。

1.2.4 抗腫瘤作用 處于穩態的腸道菌群與腫瘤的免疫調節息息相關。腸道菌群在一定程度可抑制腫瘤的產生，其產生的細菌酶可促進致癌前體物質向致癌物轉化，而菌群中含有益生菌乳酸桿菌，其使細菌酶的活性和產生相應降低。癌細胞生長過程中所需的物質會受到腸道益生菌的影響，從而使腫瘤的產生得到抑制[9]。王偉杰等[10]研究發現雙歧桿菌完整肽聚糖具有抑制人結腸癌細胞增殖的能力，導致結腸癌的癌細胞生長受到限制。

1.3 腸道菌群的影響因素

1.3.1 飲食 影響腸道菌群的因素有眾多，其中飲食是最為重要的因素。長期的飲食調節可使機體的腸道菌群發生變化，但短期飲食調節很難使菌群發生變化。Zhernakova等[11]發現多種飲食因子會影響腸道菌群的多樣性。因此，健康的腸道菌群可以通過合理的膳食來得到相應的改善。

1.3.2 運動 適度的運動可使腸道微生態發生變化。運動可以提高腸道炎性疾病患者的生活水平，但目前對腸道菌群的健康可通過運動來改善的機制了解較少。Campbell等[12]研究發現運動對腸道菌群和腸道完整性的有較大的影響，運動可緩解高脂肪飲食患者的腸道炎癥反應。

1.3.3 益生菌、益生元 益生菌和益生元可用來調節腸道菌群，乳桿菌類、雙歧桿菌類等為最常用的益生菌。而益生元可促進乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌的生長，抑制致病菌的數量，保護腸道菌群的平衡。Tap等[13]發現在體質量健康的機體中添加膳食纖維，可提高腸道菌群的穩定性。另外，通過影響益生菌和益生元數量的變化使腸道菌群發生變化從而對治療腸道疾病起到一定的推動作用。

1.3.4 藥物 影響腸道菌群最常見的藥物為抗菌藥物。Panda等[14]研究短期服用廣譜抗生素對機體腸道菌群的影響時發現在服用喹諾酮類藥物后核心系統微生物群減少。此外，降糖藥與腸道菌群之間的關系也備受關注，有研究發現服用二甲雙胍導致機體腸內大腸桿菌的數量增多[15]，由此提示腸道菌群的特征可能與藥物療效有關。

由于腸道菌群體積微小、結構簡單、易繁殖等特點，極易受到各種因素的影響，了解腸道菌群的影響因素對維持腸道菌群與機體健康有積極作用。總之，研究腸道菌群的影響因素，不僅具有現實臨床意義，還可能是研究疾病防御措施的一個新方向。

2 高原環境與腸道菌群

腸道菌群在處于穩態時與機體和外界環境之間維持相對穩定狀態，其可保護機體健康位于相對穩定的狀態。但在高原地區，大部分人不能立即適應環境，出現“高原反應”，一部分人會出現以惡心、嘔吐、食欲缺乏、腹瀉、腹脹為特征的腸道微環境紊亂稱為“高原胃腸應激綜合征”[16]。

2.1 高原地區自然環境 高原地區空氣稀薄，地表溫度高，紫外線會隨海拔增高而加強。高原地區受物理條件變化和垂直地帶性的影響，大氣壓隨著海拔高度的降低而升高，海拔每上升100 m，大氣壓降低12.7 kPa，海拔過高會出現降水量下降[17]。此外，空氣濕度低會導致流感病毒繁殖速度的加快，高原地區除上述特征外，還有多風沙、高風速、晝夜溫差大和氣候多變等特點。

2.2 高原低氧環境對腸道菌群的影響 機體進入高原后會導致消化系統發生一定的改變，胃腸屏障破壞和功能紊亂，導致細菌移位以至腸道菌群失調。研究證明[18]腸道是機體應激反應的中心器官，高原應激可降低消化間期小腸的移行性復合運動發生率，小腸蠕動降低影響細菌向下沖刷的能力，使細菌容易在小腸定植。機體處于高原環境時腸道反應最為敏感，當機體逐漸適應高原應激后，腸道是最后適應這種應激反應的器官。因此，機體在高原缺氧環境下比在平原上更容易出現腸黏膜屏障功能損傷。研究表明[19]低氧、低溫、強輻射等環境因素會導致雙歧桿菌的數量減少，從而引起腸道菌群發生紊亂。高原低氧所致的腸功能障礙會引起腸黏膜上皮發生壞死、脫落，使定植腸道菌群的穩態被打破，其有益菌和致病菌的數量就會發生變化。

2.3 高原低氧條件下腸道菌群失調導致的疾病及其防治 平原條件下腸道菌群失衡會影響膽汁酸代謝、胰島素抵抗、炎癥反應、糖尿病、心血管疾病、高血壓與肥胖等疾病的發生[20]。高原低氧條件下腸道菌群紊亂導致的疾病與平原地區有所相同也有所不同，高原低氧條件下會產生惡心、嘔吐、腹瀉、腸易激綜合征、炎性腸道疾病等其他疾病[21]。目前對進入高原地區出現腹瀉，腹脹和消化不良等特征的腸道菌群失調的個體來說還缺乏特異、有效的防治規范。主要的建議有心理支持和認知行為干預、吸氧與高原氧預處理、合理使用抗生素與益生菌等方法。高原環境對機體的影響是多方面的，研究多集中于心、肺腦等較大臟器，但對腸道的研究較少，因此加強腸道菌群在高原低氧條件下的研究對在高原特殊環境中導致的腸道菌群失調所引起的疾病的治療具有重要的意義。

3 腸道菌群與藥物代謝

腸道是藥物吸收、分解和代謝的主要場所之一，腸道內不同的菌群，對藥物代謝產生的影響也有所差異。腸道菌群對藥物代謝的影響在不同個體中存在不同的差異，且受多種因素的影響，如環境、抗生素使用、年齡階段等[22]。現階段關于腸道菌群對藥物代謝產生影響的研究基本都集中于平原地區進行，通過給一定的抗生素干擾對其產生的影響進行探究，但高原特殊環境中對其研究較少。研究表明高原特殊環境會使藥物的藥代動力學參數發生變化[23-25]。通過對機體進入高原特殊環境后腸道菌群穩態被打破的了解以及腸道菌群對藥物代謝影響的相應研究，高原低氧條件下藥代動力學參數變化的另一因素可能是腸道菌群，深入研究高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝的影響有利于高原低氧下臨床合理用藥、毒理學風險評估、引導個體化用藥等方面的指導。

3.1 腸道菌群對藥物代謝的影響 藥物是影響腸道菌群的又一因素，藥物的吸收、療效及毒副作用與腸道菌群的代謝活性存在密不可分的關系。藥物代謝指藥物濃度在生物體內隨時間發生變化的過程，藥物的代謝反應可以分為氧化、還原、水解和結合[26]，其中氧化、還原和水解反應為Ⅰ相代謝，Ⅱ相代謝為結合反應。

肝臟是藥物代謝的主要部位，但有研究發現[27]大部分藥物在通過腸道時就已經被代謝，這類藥物主要有參與肝腸循環和口服的藥物，腸道中的菌群會將口服藥物在經胃腸道吸收進入血液之前即被代謝，參與肝腸循環的藥物當其代謝物隨膽汁分泌到腸道中時也可能被腸道菌群代謝，最終減少了進入體循環的實際藥量，從而使藥物的生物利用度有所降低[28]。甲硝唑的研究顯示[29]腸道菌群參與了甲硝唑的還原代謝，使甲硝唑與腸道菌群的接觸時間增多，進而使腸道菌群對藥物代謝產生的影響起到積極的作用。由此可見腸道菌群為藥物代謝提供了特殊的場所，其對藥物代謝的作用也不容忽視。

現階段腸道菌群對化學藥物代謝的研究主要集中于兩方面，一方面以其代謝產物為介導，另一方面腸腔中的CYP450酶、腸微生物酶、Ⅱ相代謝酶等，都會對藥物代謝產生影響。Kim等[30]發現抗生素可抑制腸道菌群的代謝活性，從而對阿司匹林的藥代動力學進行調節，使阿司匹林的治療效果得到改善。研究發現[31]許多中藥的有效成分發揮作用需要經過腸道微生物的生物轉化，使用腸道菌群對葛根素和異黃酮苷進行代謝的實驗發現生成的代謝產物對機體的效果更加的顯著。現階段由于藥物的多樣性，人腸道菌群代謝的復雜性，以及其他因素的限制，腸道菌群對藥物代謝影響的研究仍處于積累階段。研究腸道菌對藥物代謝的影響對是否可通過用藥調整腸道菌群來進行相關疾病的治療是值得思考的問題。

3.2 高原低氧對藥物代謝的影響 高海拔地區的環境因素使機體正常的機能受到影響，機體進入高原地區會使細胞氧濃度低于正常值，缺氧影響藥物的吸收、分布、代謝和排泄，進而使藥物的藥代動力學特征發生變化。早在二十世紀80年代就已經有關于高原低氧影響藥物代謝的研究。近年來，隨著實驗條件的成熟，陸續在動物和機體上開展了有關高原低氧條件下藥物代謝的相關研究，結果反映出高原特殊環境會使藥物的體內代謝過程發生變化。

目前，已有較多文獻證實高原特殊環境會使機體的藥代動力學參數發生顯著變化。藥物的體內轉化會消耗大量氧氣，機體進入高原耗氧量則會增加。有研究顯示[32]缺氧環境中的肝臟，其膽汁能力受到抑制，藥物的生物轉化率降低，清除率受到影響。Li等[33]研究發現急進平原志愿者和久居高原志愿者體內磺胺甲噁唑發生變化，其主要變化為半衰期延長、清除率降低。Du Souich等[34]研究苯妥英鈉在低氧血癥、高血酸血癥二者結合時產生的影響發現在其他條件下不會產生變化，但低氧血癥組的清除率顯著降低。

藥物的氧化代謝是生物轉化的主要途徑之一，這個途徑需要CYP450酶的參與，現階段高原特殊環境中藥物代謝的研究主要集中在CYP450酶系統。周雪姣等[35]研究表明藥物的代謝參數與CYP450酶和轉運體存在密切的聯系，所以研究高原特殊環境中的藥物代謝不可避免地與酶與轉運體有聯系。CYP1A、CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1、CYP3A4及其他藥物代謝酶為機體肝臟中主要的代謝酶[36]，其中以CYP3A4為機體主要的代謝酶，低氧狀態下CYP酶的變化情況已有較多文獻報道，部分高原低氧條件下藥物代謝酶活性和表達的變化如表2所示。此外，藥物代謝也包括機體對藥物的轉運，其在介導多數藥物通過細胞膜進入機體發揮藥效中的作用不可忽視。現階段腫瘤研究是高原特殊環境與藥物轉運體關系研究較多的部分，因為多數實體瘤都會使機體處于部分低氧的狀態。Rohwer等[37]對不同腫瘤細胞中轉運體變化的研究進行了總結，發現兩種轉運體的蛋白表達受低氧誘導因子的調節，使化療藥物的療效得到改善。當機體處于低氧狀態時，隨著對藥物代謝影響因素的進一步研究，代謝相關型核受體及細胞因子也存在相應的變化，與藥物代謝參數的變化具有存在一定聯系[26]。雖然高原低氧影響藥物代謝的研究在CYP450酶及其相關藥物方面取得一定研究成果，但仍存在很大的研究空間。高原低氧對藥物代謝的研究成為高原醫學與藥物代謝研究的一個新的突破點，可對位于特殊地區人群的用藥提供依據，并為高原條件下研究藥物作用新靶點提供思路。

表2 高原低氧條件下藥物代謝酶活性和表達的變化

注：-：無變化，↑：升高，↓：降低

3.3 高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝可能產生的影響 高原特殊環境會使處于穩態的腸道菌群受到影響，腸道菌群失衡也會打破菌種的種類和數量的平衡，導致藥物的代謝受到影響。腸道菌群影響藥物代謝可能與其影響藥物代謝酶和轉運體有關。Li等[38]研究發現低氧使CYP2C19的活性升高，顯示低氧會對藥物代謝酶產生影響。機體對藥物的轉運過程也屬于藥物代謝的一部分，周雪姣等[39]發現轉運體的特異性底物在高原低氧下的吸收速率常數和滲透系數分別顯著升高，表明腸道吸收增多，初步說明轉運體在高原低氧下活性降低。有研究采用Western Blot法對無菌小鼠與無特殊病原體小鼠CYP450的蛋白表達進行了比較，發現與無菌小鼠相比SPF小鼠肝臟內大多數CYP異構酶、一些轉運體以及涉及石膽酸解毒作用的結合酶表達水平更高[40]。腸道菌群形成的石膽酸激活PXR和CAR，使部分CYP450酶的表達有所提升。由上可推測出腸道菌群對藥物代謝可能主要通過參與核受體對藥物代謝酶和轉運體的調控及其自身產生的某些酶產生一定的作用。

4 展望

腸道菌群在機體中的角色不可替代，其與宿主維持著共生或拮抗的關系，與機體的健康和疾病也密不可分。氧是維持機體生存必不可少的條件，高原地區氧氣含量的減少，直接造成肺泡氣體中的氧分壓降低，導致腸道菌群的動態平衡無法維持，從而產生疾病[41]。腸道菌群對藥物的藥效、毒性有不同程度的影響，表明其在藥物代謝中起著一定的作用。因此，研究腸道菌群在藥物代謝中所起的作用為提高藥物的安全性和有效性等方面可能提供指導作用。

高原低氧條件下藥物的體內代謝動力學特征發生顯著變化，藥物代謝酶和轉運體是影響藥物代謝的主要因素。研究藥物代謝過程中腸道菌群所起的作用，明確藥物的轉化過程，對于指導高原地區患者合理用藥、新型藥物發現和研發等方面都起著推動作用[42]。因此腸道菌群對藥物代謝的影響可能為高原低氧條件下藥物代謝變化機制的研究提供了幫助，從而對高原人群的合理用藥起到指導作用。但在研究過程中由于諸多因素的限制，如高原條件真實性的反應、實驗動物與機體腸道的差異和腸道菌群的復雜性等因素，對開展試驗帶來了一定程度的阻礙，因此能否根據高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝影響的研究，為我們了解高原地區人群體內藥物代謝變化提供依據，這需要深入研究才可得到答案。