張雅婷，孫月梅，張娟紅，霍 妍，李 雪，李文斌，趙安鵬，王 榮

(1.蘭州大學(xué)藥學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九四○醫(yī)院全軍高原醫(yī)學(xué)重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

人體的胃腸道，尤其是結(jié)腸中，富集著數(shù)以億萬計的腸道菌群，這些微生物所編碼的基因組是人體本身基因的50～100倍，有“被遺忘的器官”之稱。全息進化理論深刻揭示了腸道菌群和人體的共生關(guān)系，二者將作為共生體一起適應(yīng)環(huán)境的變化[1]。人體的多種疾病和病理狀態(tài)如腸易激綜合征、代謝性疾病、精神疾病和癌癥等都和腸道菌群有關(guān)，其中肥胖、心腦血管疾病和糖尿病等已證明和腸道微生物有著直接的聯(lián)系。此外，腸道菌群作為人體的一個“隱形器官”，其在藥物代謝方面發(fā)揮的作用受到越來越多的關(guān)注。腸道是藥物吸收的主要場所之一，口服藥物被吸收入血之前，首先會暴露于腸道菌群中，豐富的腸道微生物通過分泌水解酶，裂解酶，氧化還原酶和轉(zhuǎn)移酶等豐富酶系和生物活性分子來影響藥物的吸收和代謝，從而改變藥物的效能和毒性[2]。成年人的腸道微生物群通常是一個動態(tài)平衡的微生態(tài)系統(tǒng)，存在的優(yōu)勢菌門通常為厚壁菌門，擬桿菌門，變形菌門和放線菌門等。但腸道微生物的組成和功能會受到多方面因素的影響，如宿主的遺傳、年齡、性別、飲食、疾病、藥物等，本課題組前期也研究了高原環(huán)境下腸道菌群的變化以及對藥物代謝的影響[3]。盡管對藥物與腸道菌群之間的關(guān)系的研究已成為較受關(guān)注的熱點，但是對其機制還了解不多。因此，研究腸道菌群-藥物相互作用的機制具有重要意義。

1 藥物對腸道菌群的影響

眾所周知，抗生素作為抗菌藥物會對人體攜帶的菌群產(chǎn)生影響及損傷，人們對抗生素如何影響腸道菌群也有了越來越深入的了解。除此之外，有很多非抗生素藥物也會對腸道菌群產(chǎn)生影響，Maier等[4]用40種代表性腸道細(xì)菌菌株對市售的1 000種藥物進行篩選，其中有27%的非抗菌藥物也展現(xiàn)出抗菌活性。Vich等[5]在臨床分析中，從41種藥物中鑒定出19種藥物和糞便宏基因組特征存在關(guān)聯(lián)，除抗生素外，質(zhì)子泵抑制劑、二甲雙胍與菌群組成和微生物通路關(guān)聯(lián)性最強；此外，非甾體抗炎藥，非典型抗精神病藥也和微生物變化有關(guān)。因此，了解藥物對腸道菌群的作用機制是很有必要的。

1.1 抗生素類藥物對腸道菌群的影響腸道菌群大部分是對人體無害的，其種類、數(shù)量以及分布通常處于一種穩(wěn)態(tài)，這種自發(fā)的穩(wěn)態(tài)形成了對病原菌一定的抵御能力，在維持人體健康以及發(fā)揮正常生理功能中發(fā)揮著重要作用?？股仡愃幬飼斐赡c道菌群的失衡，且不同抗生素不同的作用機理使其在作用于人體復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)后，對腸道菌群組成產(chǎn)生的影響不盡相同。

在一項安慰劑對照的實驗中，研究者對12名健康受試者進行了頭孢吡肟對腸道菌群影響的研究，連續(xù)8d用頭孢吡肟治療后，觀察到糞便中的大腸桿菌和雙歧桿菌的數(shù)量減少，而擬桿菌屬和梭狀芽孢桿菌的數(shù)量略有增加[6]。在研究結(jié)束后20～48 d，受試者糞便細(xì)菌數(shù)量回復(fù)正常。厄他培南屬于碳青霉烯類抗生素，在對健康受試者的研究中發(fā)現(xiàn)，厄他培南在糞便中有較高的回收濃度，但是對腸道菌群產(chǎn)生了比較大的影響[7]。厄他培南顯著減少了厭氧菌(乳酸菌、雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌和擬桿菌)的數(shù)量，大腸桿菌的數(shù)量也有所降低，而腸球菌的數(shù)量卻增加了。厄他培南治療7 d后，受試者腸道菌群在d 21～35恢復(fù)正常。Nord等[8]對健康受試者連續(xù)7d使用抗生素(包括頭孢洛林，頭孢吡普，特拉萬星和替加環(huán)素)后，發(fā)現(xiàn)替加環(huán)素對人體腸道菌群數(shù)量的變化產(chǎn)生更廣泛的影響，即腸球菌，雙歧桿菌和大腸桿菌的數(shù)量減少，其他腸桿菌和酵母菌數(shù)量增加，但是頭孢吡普，頭孢洛林和特拉萬星均未在糞便中檢出，且引起腸道菌群變化量較小，即未對人體的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生明顯影響。

1.2 非抗生素類對腸道菌群的影響

1.2.1降糖降脂類藥物對腸道菌群的影響 腸道菌群失調(diào)是導(dǎo)致高血糖，高血脂癥等與肥胖相關(guān)的代謝性疾病的重要因素。二甲雙胍是被廣泛應(yīng)用于治療二型糖尿病(T2D)的一線藥物，其作用原理仍未被完全了解。根據(jù)目前研究，二甲雙胍可通過不同的機制發(fā)揮其多效性[9]：在分子水平上，二甲雙胍可通過參與肝臟糖異生中的自主調(diào)節(jié)，抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合物，抑制線粒體甘油-3-磷酸脫氫酶，發(fā)揮長期降糖效果；同時影響代謝器官中不同的常駐型免疫細(xì)胞，改善特定組織的胰島素敏感性。在生理水平，二甲雙胍調(diào)節(jié)膽汁酸的腸肝循環(huán)膽汁酸的再循環(huán)，促進分泌腸道胰高血糖素樣肽1，產(chǎn)生降低血糖的作用。腸道菌群是二甲雙胍作用的新靶點，其中涉及到一些新的治療機制。

T2D患者體內(nèi)有著顯著的菌群失調(diào)的現(xiàn)象，二甲雙胍可以改變菌群組成和數(shù)量，影響腸道代謝物的產(chǎn)生從而產(chǎn)生降糖效果。根據(jù)Forslund等[10]的研究，二甲雙胍增加了埃希氏桿菌的數(shù)量，增加產(chǎn)短鏈脂肪酸(SCFA)菌的數(shù)量從而發(fā)揮藥效。Sun等[11]對菌群-膽汁酸-法尼酯X受體(FXR)軸進行了研究，T2D患者經(jīng)二甲雙胍治療后，腸道菌群中脆弱擬桿菌顯著減少，腸道中的甘氨熊去氧膽酸(GUDCA)和?；切苋パ跄懰?TUDCA)水平上升，GUDCA和TUDCA是FXR拮抗劑，可抑制腸道FXR信號，改善血糖穩(wěn)態(tài)。腸道菌群和藥物及人體之間存在復(fù)雜的相互作用，二甲雙胍除了直接作用于人體的降糖途徑，還會通過直接影響腸道菌群來對人體產(chǎn)生間接的降糖效果，以上研究促進了對二甲雙胍以腸道菌群介導(dǎo)的降糖機制的了解。

他汀類藥物是治療心血管疾病的常用藥。在以高血脂小鼠為模型的研究中發(fā)現(xiàn)，阿托伐他汀和瑞舒伐他汀不僅觀察到相似的藥代動力學(xué)，功效和副作用，更引起了腸道菌群的相似變化，即顯著增加了擬桿菌屬、丁酸單胞菌屬和黏蛋白桿菌屬的豐度[12]。擬桿菌(Bacteroidetes)和厚壁菌(Firmicutes)是腸道主要的細(xì)菌門，其比例與肥胖相關(guān)的代謝紊亂有關(guān)，隨著他汀類藥物治療引起的代謝改善，觀察到F / B比降低；擬桿菌和丁酸菌屬是產(chǎn)生丁酸的細(xì)菌，丁酸是主要的SCFAs之一，而SCFAs對宿主能量代謝具有改善作用。

1.2.2口服益生菌類對腸道菌群的影響 根據(jù)世衛(wèi)組織2002年提出的對益生菌的定義，益生菌被定義為：當(dāng)給予足夠的量時可以對宿主帶來健康益處的活的微生物。口服益生菌會影響腸道菌群組成和數(shù)量，從而對肥胖等代謝性疾病、精神疾病、癌癥、口腔疾病等產(chǎn)生一定的防治效果。

肥胖是很多代謝類疾病如心血管疾病，糖尿病的源頭，腸道菌群可以改變以能量代謝平衡為中心的多種代謝途徑，從而影響肥胖的發(fā)生發(fā)展。飲食中的膳食纖維經(jīng)結(jié)腸特定厭氧菌代謝后產(chǎn)生的短鏈脂肪酸(SCFAs)， SCFAs及其受體途徑，被認(rèn)為是飲食與腸道微生物-宿主穩(wěn)態(tài)的一個重要環(huán)節(jié)。腸細(xì)胞表面的G蛋白偶聯(lián)受體GPR41和GPR43被SCFAs特異性激活時可以促進腸道分泌酪酪肽(PYY)和胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)，PYY可誘導(dǎo)飽腹感和能量消耗，GLP-1可誘導(dǎo)肥胖個體的胰島素分泌和脂肪減少；脂肪細(xì)胞上受體GPR43與SCFAs結(jié)合后促使細(xì)胞分泌瘦素,使機體增加能耗，減少攝食，進而促使減輕體重[13]。腸道中可分泌產(chǎn)生SCFAs的菌有：擬桿菌類、乳桿菌類、雙歧桿菌類、瘤胃球菌類等?？诜嫔惪梢酝ㄟ^影響腸道菌群組成及代謝影響SCFAs的產(chǎn)生，從而影響此類代謝疾病。Shin等[14]將大鼠隨機分成：平衡飲食組、平衡飲食+益生菌配方(DG)組、高脂飲食(HFD)組、HFD+DG組進行試驗，發(fā)現(xiàn)DG組大鼠SCFAs來源菌的量顯著增加，如擬桿菌門、乳桿菌屬和雙歧桿菌的相對豐度明顯增加，而厚壁菌門的相對豐度顯著降低。因此，給藥8周后，DG有效地降低了HFD誘導(dǎo)的體重增加。這項研究支持了使用益生菌影響腸道菌群從而治療肥胖的觀點，而益生菌對精神疾病，癌癥等方面的作用及其相關(guān)機制還需進一步深入佐證和研究。

2 腸道菌群對藥物的影響

2.1 腸道菌群對中藥成分代謝的影響腸道菌群對中藥成分的代謝主要是通過分泌各種代謝酶來完成的，人體腸道細(xì)菌種類繁多，其分泌的主要酶的類型有糖苷酶，硝基還原酶，偶氮還原酶等。腸道菌群對中藥成分的代謝以水解為主，氧化和還原為輔。經(jīng)過腸道菌群代謝之后，中藥成分結(jié)構(gòu)會發(fā)生脫氫，脫羥基，脫糖基等變化，轉(zhuǎn)化成不同的代謝產(chǎn)物。中藥成分會轉(zhuǎn)化為相應(yīng)新的活性代謝產(chǎn)物，從而發(fā)揮其藥理療效[2]。目前對腸道菌群對不同中藥成分代謝的研究有黃酮類、皂苷類、生物堿類、蒽醌類、單萜類、甾體類、木脂素類化合物等。Tab 1中展示了一些代表性化合物的代謝反應(yīng)，并給出了相關(guān)代謝菌[15-19]。

2.2 腸道菌群對化學(xué)藥物代謝的影響腸道菌群對藥物有多種修飾作用，其中最主要的為還原作用和水解作用，此外還可以產(chǎn)生脫烷基、去甲基、脫羧、乙?；?、去氨基、解偶聯(lián)等，可以給藥物帶來活化、再活化、失活、毒化等影響。例如，洛伐他汀K (MK)是一種天然產(chǎn)生的他汀類藥物，只有以β-羥基酸(MKA)的形式存在時才有降脂效果。根據(jù)Beltrán等[20]的報道，腸道微生物不會將MK激活為MKA，反而可能通過降解活性代謝物MKA而阻礙降脂作用。所以從這一點可以認(rèn)為某些腸道菌群不利于MK發(fā)揮降脂作用。Zhang等[21]將腸道菌群對近30種多種藥物的代謝作用進行了統(tǒng)計，經(jīng)腸道菌群代謝后的化學(xué)成分的生物利用度也會有所變化，其變化趨勢通常與活性變化趨于一致。腸道菌群對化學(xué)藥物及部分天然活性因子產(chǎn)生的影響主要如Tab 2所示。

3 腸道菌群對藥物作用的影響機制

3.1 腸道菌群對藥物代謝的直接影響人體和腸道菌群作為密不可分的共生體，通過微生物群落—宿主共代謝形成了對藥物共代謝的能力。宿主藥物代謝體系主要通過Ⅰ相代謝及Ⅱ相代謝來完成。Ⅰ相代謝為暴露基團反應(yīng)，相關(guān)反應(yīng)主要為氧化，還原和水解，相關(guān)酶為P450酶系。Ⅱ相代謝為結(jié)合反應(yīng)，相關(guān)反應(yīng)為葡萄糖醛酸化、磺化、乙?；?，相關(guān)酶為β-葡萄糖醛酸酶、磺基轉(zhuǎn)移酶、尿苷5′-二磷酸葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶/UDP-葡萄糖醛酸基轉(zhuǎn)移酶(UGT)、氮乙酰轉(zhuǎn)移酶和葡萄糖硫酮硫轉(zhuǎn)移酶等。除了宿主分泌的代謝酶之外，腸道微生物分泌的多種代謝酶也在微生物-宿主共代謝中發(fā)揮著重要的作用。

Tab 1 Pathways of representative active components of Chinese medicine metabolized by gut microbiota

Tab 2 Effects of intestinal flora on metabolism of drugs and natural active factors

含有5-氨基水楊酸(5-ASA)骨架類藥物在臨床上常被用于治療輕、中度潰瘍性結(jié)腸炎，巴柳氮、奧沙拉嗪、柳氮磺吡啶等都屬于5-ASA藥物，且這些藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)中都含有偶氮鍵，柳氮磺吡啶經(jīng)偶氮還原酶代謝可產(chǎn)生磺胺吡啶和5-氨基水楊酸，從而產(chǎn)生抗炎活性，如Fig 1所示。偶氮還原酶是人體腸道菌群廣泛存在的一種代謝酶，因此可以對柳氮磺吡啶產(chǎn)生直接的代謝作用[22]。

Fig 1 Metabolism of salazosulfapyridine by gut microbiota

伊立替康(CPT-11)是一種結(jié)直腸癌化療藥物，主要作用是抑制細(xì)胞中的撲拓異構(gòu)酶Ⅰ，通常以靜脈滴注的方式使用，嚴(yán)重腹瀉是60%～80%接受伊立替康治療的患者的劑量限制性副作用。CPT-11進入人體后，首先在肝臟被羧酸酯酶(CEs)轉(zhuǎn)化成具有抗腫瘤活性的SN-38。大部分SN-38會與葡萄糖苷在肝臟葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶(UGT1A1)的作用下結(jié)合為無活性的SN-38G。SN-38G經(jīng)膽汁排泄入腸后，容易在腸道微生物產(chǎn)生的β-葡萄糖醛酸苷酶作用下解偶聯(lián)重新轉(zhuǎn)化為SN-38，SN-38 對腸上皮細(xì)胞有毒害作用，其在胃腸道累積會導(dǎo)致患者發(fā)生嚴(yán)重腹瀉[23]。如Fig 2所示。當(dāng)給予抗生素治療時，通過對腸道菌群的抑制可以減少β-葡萄糖醛酸苷酶的產(chǎn)生，從而減少了SN-38G向SN-38的轉(zhuǎn)化，伊立替康的毒副作用大大減輕。

Fig 2 Metabolism of irinotecan by gut microbiota

3.2 腸道菌群對藥物代謝的間接影響

3.2.1腸道菌群產(chǎn)生途徑中間體影響藥物代謝 撲熱息痛(APAP)是一種廣泛應(yīng)用的解熱鎮(zhèn)痛藥物，但是撲熱息痛過量所導(dǎo)致的肝毒性是導(dǎo)致急性肝衰竭的主要原因[24]。當(dāng)?shù)蛣┝繒r，APAP主要通過硫酸化和葡萄糖醛酸化代謝，而毒性途徑主要通過肝臟分泌的谷胱甘肽(GSH)來消除。當(dāng)肝細(xì)胞中APAP濃度升高，大部分APAP會被細(xì)胞色素P450酶系的CYP2E1酶代謝成N-乙酰基-對苯醌亞胺(NAPQI)[25]，NAPQI具有毒性，可以通過與GSH 結(jié)合而解毒，但當(dāng)GSH不足時，或活性代謝產(chǎn)物的積累會導(dǎo)致肝毒性，進一步造成肝損傷。根據(jù)大量臨床研究，APAP導(dǎo)致的肝毒性呈晝夜節(jié)律性即晨重暮輕[26]。根據(jù)這一現(xiàn)象，Gong等[27]研究并揭示了腸道菌群和APAP過量導(dǎo)致的肝毒性之間的聯(lián)系。首先，當(dāng)給予小鼠抗生素時可緩解APAP導(dǎo)致的肝損傷，這證明了腸道菌群和APAP肝毒性之間的依賴性關(guān)系。對小鼠腸道菌群進行代謝組學(xué)分析后，發(fā)現(xiàn)其代謝產(chǎn)物之一1-苯基-1,2丙二酮(PPD)同樣呈現(xiàn)晝夜節(jié)律性，且PPD和APAP對肝損傷有協(xié)同作用。在進一步研究后，作者證明了其中機制，腸道微生物產(chǎn)生的PPD和APAP存在對GSH的競爭消耗途徑，當(dāng)PPD對肝臟中的GSH消耗過多后，造成APAP活性代謝產(chǎn)物積累，從而導(dǎo)致嚴(yán)重肝損傷。這項研究說明，腸道菌群通過分泌代謝產(chǎn)物可以間接影響藥物肝毒性。

3.2.2腸道菌群引起宿主藥物代謝酶及相關(guān)轉(zhuǎn)運體的基因改變 微生物定居會引起宿主基因表達的改變。腸道菌群的存在既可以改變參與藥物代謝的關(guān)鍵宿主酶，又可以影響相關(guān)轉(zhuǎn)運體的表達[28-30]。在藥物代謝中，CYP450酶系發(fā)揮著重要作用，同時肝臟臟中的異種代謝主要受核受體(NRs)的調(diào)控，主要是雄甾體受體(CAR)和孕烷X受體(PXR)。Toda等[30]對比了無菌(GF)小鼠和無特定病原體(SPF)小鼠肝臟中CYP450酶基因的表達，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)CYP同工酶在GF小鼠的肝臟中表達水平更高，PXR和組成型CAR在GF小鼠肝臟中也表達更高。Bj?rkholm等[29]以GF小鼠和SPF小鼠為實驗對象來探究肝臟基因譜表達和腸道菌群的關(guān)系，腸道菌群的存在可影響高達112個基因的差異表達，其中編碼CYP450相關(guān)酶系的POR基因具有較大差異；在GF小鼠中也觀察到更高水平的核受體CAR，其潛在機制可能是由于膽紅素、一級膽汁酸和類固醇激素作為CAR的激活劑增了加了其表達。這些差異可以帶來藥物代謝水平上的不同，例如Hooper等[28]分別對GF小鼠和SPF小鼠用戊巴比妥進行麻醉誘導(dǎo)實驗，發(fā)現(xiàn)GF小鼠具有更高的CYP450表達，且GF小鼠從麻醉中恢復(fù)的速度比常規(guī)小鼠快35%。

4 結(jié)論和展望

越來越多的研究證明，腸道菌群和藥物之間存在廣泛的相互作用，且這種相互作用會對藥代及藥效產(chǎn)生重大影響，深入了解這種作用，可以為臨床上的個體化用藥以及藥物聯(lián)用提供更合理的指導(dǎo)。隨著科研技術(shù)的發(fā)展以及研究的進一步深入，在對腸道菌群-藥物之間復(fù)雜的相互作用機制的探索上也已取得很大進展，但是我們也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，當(dāng)下我們?yōu)榱嗣鞔_藥物的特定作用，多采用無菌動物或假無菌動物。無菌動物價格昂貴；假無菌動物經(jīng)抗生素治療后，本身生理狀態(tài)尤其腸道狀態(tài)已受到較大干擾，因此要將抗生素的影響和藥物的影響加以區(qū)分。其次，由動物實驗推及人的結(jié)果難以預(yù)料，如同人體的腸道菌群存在較大的個體化差異一樣，動物與人，包括不同的動物品系的腸道菌群也同樣存在著差異，而當(dāng)藥物試驗從動物轉(zhuǎn)移到人身上時，帶來的效果存疑，甚至可能相反。最后，腸道微生物調(diào)控藥物代謝的機制極其及其復(fù)雜，這不僅僅依賴于技術(shù)創(chuàng)新如16sRNA、宏觀基因測序、代謝組學(xué)分析等，更需要藥理學(xué)、毒理學(xué)、分子生物學(xué)、分析化學(xué)等多種學(xué)科知識的綜合?，F(xiàn)在已有對40余種藥物和天然化合物與腸道菌群關(guān)系的研究，這對成千上萬的藥物來說如同滄海一粟，我們需要更加迫切地確定腸道菌群在人體中的作用，以期生產(chǎn)更好藥效和更低毒性的藥物，推動藥物的合理設(shè)計。