腸道菌群對(duì)藥物代謝影響的研究進(jìn)展

陳玉艷，王 榮，張娟紅，鹿 輝，李文斌，王 昌，孫月梅

(1. 寧夏醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，寧夏 銀川 730000; 2. 蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院全軍高原環(huán)境損傷防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

腸道菌群是居住在人體內(nèi)的最主要和最多樣的微生物群落[1]，包括數(shù)百種微生物種類，其計(jì)數(shù)約為體細(xì)胞數(shù)量的10倍。腸道菌群的研究主要集中在糖尿病、肥胖等慢性代謝性疾病，以及克羅恩病(Crohn’s disease, CD)、潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)等炎癥性腸病方面[2]。自20世紀(jì)中葉以來(lái)，腸道微生物群對(duì)藥物代謝的影響受到關(guān)注，隨著腸道微生物群的各種代謝能力被發(fā)現(xiàn)，其在藥物代謝中的作用也逐漸得到了深入研究。腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響與藥物的藥效及毒理作用密切相關(guān)，從而影響臨床上的合理用藥。已有研究表明[3-4]，急進(jìn)高原后，藥物的藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，其變化的原因主要集中在代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體方面。基于急進(jìn)高原環(huán)境腸道菌群的改變及腸道菌群對(duì)藥物代謝的研究，腸道菌群可能是急進(jìn)高原后藥物代謝動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化的又一影響因素。本文通過(guò)綜述腸道菌群的分類、功能及其在藥物代謝中的作用，明確藥物的體內(nèi)轉(zhuǎn)化過(guò)程，一方面利于指導(dǎo)臨床合理用藥、毒理學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、引導(dǎo)個(gè)體化用藥及推動(dòng)藥物發(fā)現(xiàn)和研發(fā)；另一方面，為本課題組今后進(jìn)一步研究高原環(huán)境下腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響提供指導(dǎo)及理論基礎(chǔ)。

1 腸道菌群分類

人體腸道中棲息著遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人體自身細(xì)胞數(shù)量的微生物，這些微生物被統(tǒng)稱為腸道菌群。腸道菌群由大約400～500種不同的細(xì)菌組成，其中30～40種占腸道菌群的99%[5]。人體腸道內(nèi)已鑒定出的細(xì)菌共9個(gè)門[6]，即厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微球菌門(Verrucomicrobia)、藍(lán)細(xì)菌門(Cyanobacteria)、螺旋體門(Spirochaeates)、VadinBE97菌門。腸道內(nèi)98%以上的細(xì)菌屬于優(yōu)勢(shì)菌門，如厚壁菌門和擬桿菌門，而變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微球菌門數(shù)量及種類較為弱勢(shì)[6]。此外，根據(jù)腸道菌群與宿主的不同關(guān)系，腸道菌群可分為以下3類：有益菌、中性菌、有害菌[7]，見Tab 1。

Tab 1 Classification of intestinal flora

正常條件下，腸道菌群相對(duì)穩(wěn)定，但其組成和功能受一系列因素的影響，如飲食、益生菌、藥物及環(huán)境的變化等都是影響其變化的因素[1,8]。有研究報(bào)道，高脂飲食使得小鼠腸道中擬桿菌門的流行率增加，厚壁菌門及放線菌門的流行率降低[9]。此外，急進(jìn)高原后腸道菌群失衡，如雙歧桿菌數(shù)量減少，而大腸埃希菌的數(shù)量增加[10]。腸道菌群的失調(diào)不僅會(huì)使得其結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，同時(shí)也會(huì)影響其功能。

2 腸道菌群的功能

人體腸道微生物組是人體龐大而復(fù)雜的微生物群落，是人體重要的代謝“器官”。腸道微生物在促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、腸道黏膜屏障的保護(hù)、上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育、促進(jìn)腸道淋巴組織(gut-associated lymphatic tissue, GALT)的形成、免疫應(yīng)答、腸道pH的調(diào)節(jié)、生物拮抗、藥物的代謝和毒性等方面起重要作用，且與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[2,5,10]，其中，腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響是本文闡述的重點(diǎn)。肝臟是藥物代謝的主要部位，但是，口服藥物在經(jīng)胃腸道吸收進(jìn)入血液之前，被腸黏液、腸黏膜及腸道微生物所富含的酶代謝[9,11]。因此，腸道菌群在藥物代謝及口服生物利用度等方面起主要作用[11-13]。如Fig 1所示，腸道菌群可以產(chǎn)生一些酶，如硝基還原酶、偶氮還原酶等，這些酶在藥物的生物轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要的作用，影響藥物的毒性、有效性、生物利用度等。

3 腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響

藥代動(dòng)力學(xué)是研究藥物在生物體內(nèi)吸收、分布、生物轉(zhuǎn)化和排泄過(guò)程的特點(diǎn)和規(guī)律的一門學(xué)科，即藥物分子被機(jī)體吸收后，在機(jī)體作用下發(fā)生的化學(xué)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。藥物代謝的變化會(huì)引起藥效和毒性的改變，前期研究藥物代謝的影響因素主要集中在代謝酶與轉(zhuǎn)運(yùn)體方面[3-4]，20世紀(jì)中葉開始，腸道菌群在藥物代謝方面的作用逐漸被各國(guó)研究者所關(guān)注，并進(jìn)行了大量研究。

3.1對(duì)中藥成分代謝的影響腸道菌群對(duì)中藥成分的生物轉(zhuǎn)化以水解作用為主，氧化還原作用為輔，所涉及的代謝酶主要包括水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉(zhuǎn)移酶[14]。在這些酶的作用下，中藥成分轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的藥理或毒理成分而發(fā)揮作用。近年來(lái)，腸道菌群對(duì)中藥不同類別成分代謝的研究包括黃酮類、皂苷類、生物堿類、蒽醌類、單萜類、甾體類、木脂素類化合物等。

3.1.1黃酮類化合物 李芳等[15]采用離體糞便溫孵法，觀察和比較人、正常大鼠、偽無(wú)菌大鼠腸道菌群對(duì)白花蛇舌草黃酮提取物的代謝作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，白花蛇舌草提取物中各組分及其單體容易被腸道菌群快速(人/正常大鼠)代謝，主要代謝為槲皮素；在偽無(wú)菌大鼠腸菌孵育液中幾乎沒(méi)有代謝；腸道菌群對(duì)提取物中各組分代謝作用弱于相應(yīng)單體。該結(jié)果證實(shí)，腸道菌群在黃酮類成分代謝中發(fā)揮著重要的作用。

3.1.2皂苷類化合物 皂苷類化合物大都可以被腸道菌群水解代謝。高霞等[16]將三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Rg2、人參皂苷Re、人參皂苷Rd及人參皂苷Rb1與離體大鼠腸道菌群在厭氧條件下孵育8、24 h，通過(guò)乙腈沉淀蛋白和乙酸乙酯萃取處理后，采用 LC-Q-TOF-MS/MS 對(duì)代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這6種皂苷在腸道菌群的作用下，分別產(chǎn)生不同數(shù)量的代謝產(chǎn)物，這表明腸道菌群對(duì)這6種皂苷具有明顯的代謝轉(zhuǎn)化作用。

3.1.3生物堿類化合物 雙酯二萜類生物堿(diester diterpenoid alkaloids, DDAs)具有抗炎、鎮(zhèn)痛、強(qiáng)心等作用，如烏頭堿(aconitine, AC)、新烏頭堿(mesaconitine, MA)、海帕烏頭堿(hypaconitine, HA)等。通過(guò)體外糞便懸浮液厭氧溫育實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)DDAs在腸道細(xì)菌的作用下可以發(fā)生羥基化、脫氧、去甲基化、去氧化脫甲基、酯水解(C-8、C-14位)及C-8位與長(zhǎng)短鏈脂肪酸的酯交換等過(guò)程，完成生物轉(zhuǎn)化[17]。

3.1.4蒽醌類化合物 中藥大黃中含有蒽醌苷類化合物，宋瑞等[18]在比較生大黃、酒大黃、熟大黃、炭大黃4種大黃飲片水提液在大鼠腸道菌群中代謝轉(zhuǎn)化情況的研究中發(fā)現(xiàn)，蒽醌類化合物如大黃酚葡萄糖苷、大黃素葡萄糖苷及蘆薈大黃素葡萄糖苷，在腸道菌群的作用下可以被轉(zhuǎn)化，生成相應(yīng)的大黃酚、大黃素及蘆薈大黃素，這些物質(zhì)可以被腸道菌群進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。糖苷鍵水解、醌式結(jié)構(gòu)被還原和(或)乙酰氧基取代等，是腸道菌群作用下蒽醌苷類化合物的主要代謝途徑。

3.1.5單萜類化合物 龍膽苦苷是環(huán)烯醚萜類化合物，為常用中藥龍膽的主要有效成分，有保肝、利膽、抗炎等作用。

Fig 1 Effects of intestinal flora on drug metabolism

楊肖鋒等[19]通過(guò)HPLC法測(cè)定龍膽苦苷腸內(nèi)菌培養(yǎng)液和大 鼠灌服龍膽苦苷后血清中的龍膽苦苷及其代謝產(chǎn)物龍膽堿和龍膽醛的含量，對(duì)比培養(yǎng)液與血清中藥物成分的變化，發(fā)現(xiàn)龍膽苦苷最終被腸道菌群代謝為其活性代謝產(chǎn)物龍膽醛。

3.1.6木脂素類化合物 木脂素在腸道菌群的作用下，通過(guò)糖苷鍵的水解、脫甲基、脫羥基、不對(duì)稱加氫、環(huán)合等過(guò)程，被轉(zhuǎn)化成具有生物活性的腸內(nèi)脂(enterolactone, ENL)、腸二醇(enterodiol, END)。膳食中攝入的木脂素對(duì)人體健康產(chǎn)生一系列積極作用，如抗氧化、抗增殖、雌激素樣性質(zhì)，以及預(yù)防乳腺癌、前列腺癌、心血管疾病、糖尿病等。亞麻木脂素(secoisolariciresinol diglucoside, SDG)是西方飲食中最常見的木脂素之一。Quartieri等[20]通過(guò)SDG體外糞便孵育實(shí)驗(yàn)及給予志愿者亞麻籽補(bǔ)充劑，觀察SDG糞便孵育液、志愿者糞便及尿液中的SDG代謝物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在所有培養(yǎng)液中，SDG去糖基化生成開環(huán)異松木醇(secoisolariciresinol, SECO)，SECO進(jìn)一步發(fā)生脫羥基、去甲基化，生成END和ENL，這說(shuō)明了腸道菌群在SDG的生物轉(zhuǎn)化中起重要作用。

3.1.7甾類化合物 甾體皂苷是由螺甾烷類化合物衍生的寡糖苷，是一類具有改善心血管活性、抗癌、抗癡呆、抗病原微生物、降血糖等作用的重要中藥活性成分，存在于多種中藥如知母中。張鈺哲[21]通過(guò)體外大鼠腸道菌群藥物溫育及灌胃給予大鼠甾體皂苷樣品實(shí)驗(yàn)，采用LC/MS/MS法檢測(cè)離體腸內(nèi)菌對(duì)甾體皂苷樣品的代謝產(chǎn)物，以及給藥后不同時(shí)間尿樣及糞樣中甾體皂苷樣品的代謝產(chǎn)物。結(jié)果表明，甾體皂苷樣品容易被大鼠消化道菌群代謝，其主要代謝產(chǎn)物為代謝物M1，且隨著代謝時(shí)間的延長(zhǎng)，代謝物M1的量逐漸增多，而甾體皂苷樣品的量則下降迅速。

目前，研究腸道菌群對(duì)中藥成分的代謝主要采用體外糞便處理液與藥物溫孵的方法，該方法簡(jiǎn)單快捷，其缺點(diǎn)在于不能客觀地反映藥物在腸道內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化及藥物在腸道內(nèi)的時(shí)間依賴性代謝，且糞便容易受到外界環(huán)境的污染。此外，由于腸道菌群的復(fù)雜性及少數(shù)細(xì)菌不可培養(yǎng)性，腸道菌群影響中藥成分代謝的機(jī)制、參與其生物轉(zhuǎn)化的細(xì)菌種類及所產(chǎn)生的酶尚不清楚，且高原環(huán)境下腸道菌群在中藥成分代謝中的影響尚未見報(bào)道。

3.2對(duì)化學(xué)藥物代謝的影響腸道菌群對(duì)化學(xué)藥物的代謝一方面以其代謝產(chǎn)物，如丁酸、膽汁酸為介導(dǎo)，這些產(chǎn)物可以作為核受體的配體，間接影響藥物代謝[22]。另一方面，腸黏膜及腸腔中的CYP450酶、Ⅱ相代謝酶及腸微生物酶、細(xì)菌膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等，都會(huì)對(duì)藥物代謝產(chǎn)生影響[8]。治療腸應(yīng)激綜合征的柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine, SSZ)，其分子中含有通過(guò)偶氮鍵連接在一起的5-氨基水楊酸(5-aminosalicylic acid, 5-ASA)和磺胺吡啶(sulfapyridine, SP)，SSZ的效力依賴于腸道菌群所產(chǎn)生的偶氮還原酶，腸道菌群通過(guò)破壞偶氮鍵，將SSZ轉(zhuǎn)化為兩種主要的代謝產(chǎn)物5-ASA和SP，其中5-ASA是治療腸應(yīng)激綜合征的活性成分[11]。Yoo等[23]將人和大鼠的糞便經(jīng)厭氧稀釋液處理后，與洛伐他汀藥物厭氧孵育5 d，從孵育液中分離得到去甲基丁酰基代謝物、羥基化代謝物、活性羥基酸代謝物及羥化的羥基酸代謝物4種代謝產(chǎn)物，該結(jié)果說(shuō)明了腸道菌群參與了洛伐他汀的代謝過(guò)程。此外，從藥物的肝微粒體酶孵育液中分離得到洛伐他汀的羥基化代謝物和羥基酸代謝物，該結(jié)果說(shuō)明藥物的腸道菌群代謝和肝代謝存在重疊，腸道菌群可以被視為與肝相當(dāng)?shù)木哂写x潛能的器官。Kim等[24]在研究抗生素對(duì)阿司匹林藥理作用的影響時(shí)，通過(guò)分析大鼠糞便樣品的焦磷酸測(cè)序和選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氨芐青霉素處理會(huì)導(dǎo)致腸道微生物的數(shù)量和組成變化。這些結(jié)果表明，抗生素可以通過(guò)抑制腸道微生物群的代謝活性來(lái)調(diào)節(jié)阿司匹林的藥代動(dòng)力學(xué)，從而增強(qiáng)阿司匹林的療效。

3.3高原環(huán)境下腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響目前，研究腸道菌群對(duì)化學(xué)藥物代謝的影響，都是在低海拔地區(qū)下給予抗生素干擾后，對(duì)其進(jìn)行研究探討，但是高原環(huán)境下腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響尚未見報(bào)道。

高原環(huán)境具有低氧、低氣壓、強(qiáng)紫外線、寒冷、干燥等基本特點(diǎn)，其中低氧是影響人類生命活動(dòng)的主要因素。文仁國(guó)等[25]采用核磁共振波譜儀(1H-NMR)檢測(cè)同齡紫紺型先天性心臟病嬰幼兒和健康兒童尿液馬尿酸的含量，探討長(zhǎng)期缺氧對(duì)紫紺先天性心臟病嬰幼兒腸道菌群代謝的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，缺氧組的馬尿酸含量降低，這表明長(zhǎng)期缺氧會(huì)影響嬰幼兒腸道菌群的代謝。此外，楊文翠[10]報(bào)道，急進(jìn)高原大鼠的腸道菌群會(huì)失衡，他們通過(guò)比較不同海拔(500 m、3 848 m、4 767 m)腸道菌群的失衡率，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，海拔3 848 m組和海拔4 767 m組腸道菌群失衡率分別為53%和86%，并通過(guò)腸道細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，高海拔組大鼠腸道中的雙歧桿菌數(shù)量減少，而大腸埃希菌的數(shù)量增多。如果腸道微生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡被打破，腸道菌群就會(huì)失調(diào)，對(duì)藥物的代謝產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響藥理活性。

課題組前期研究表明，急進(jìn)高原后多種藥物的代謝及其藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，且有文獻(xiàn)報(bào)道，急進(jìn)高原后腸道菌群會(huì)失調(diào)[10]，那么高原環(huán)境所導(dǎo)致的腸道菌群紊亂是否為引起藥物代謝變化的關(guān)鍵因素，這是一個(gè)值得我們深入研究的問(wèn)題。課題組前期通過(guò)16S rRNA方法，測(cè)定高原環(huán)境下腸道菌群的變化情況，并探究其對(duì)化學(xué)藥物硝苯地平代謝的影響，結(jié)果表明，高原環(huán)境所引起的腸道菌群失調(diào)會(huì)引起硝苯地平代謝的改變，為后期研究高原環(huán)境下藥物代謝動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化提供了新的研究思路，也為指導(dǎo)急進(jìn)高原人群合理用藥提供了理論依據(jù)。

4 總結(jié)與展望

腸內(nèi)菌群與藥物代謝相關(guān)性的研究，已成為受國(guó)際關(guān)注的重要研究課題。口服藥物進(jìn)入胃腸道，可能與腸道菌群發(fā)生相互作用，對(duì)藥物在體內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化具有非常重要的影響。目前，研究腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響多在低海拔地區(qū)進(jìn)行，而高原環(huán)境下腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。研究腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響，有利于了解藥物在體內(nèi)的整個(gè)代謝過(guò)程，并利于闡明藥效產(chǎn)生的基礎(chǔ)。因此，研究高原環(huán)境下腸道菌群對(duì)藥物代謝的影響是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。腸道菌群作為人體“隱形器官”，影響藥物的藥效、毒性及生物利用度，這表明腸道菌群在藥物代謝方面發(fā)揮著重要作用。通過(guò)綜述國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，課題組發(fā)現(xiàn)腸道微生物對(duì)藥物代謝的影響是研究高原低氧環(huán)境下藥物代謝變化機(jī)制的一個(gè)突破點(diǎn)，這有助于我們更進(jìn)一步了解體內(nèi)藥物代謝變化的過(guò)程，從而更好地指導(dǎo)急進(jìn)高原及高原人群的合理用藥。