腸道菌群與中藥相關性研究進展

王瑩 梁倩 陳歡

1.浙江省微生物技術與生物信息學研究重點實驗室 杭州 310012 2.浙江天科高新技術發(fā)展有限公司 3.正大青春寶藥業(yè)有限公司

人體是一個非常復雜的生態(tài)系統(tǒng)，寄宿的微生物細胞數(shù)量有百萬億之多。其中的腸道微生物的量最豐富，按重量接近于肝臟，達到1.5kg[1]。已知的細菌界由53個門組成，但在高度特化的人體腸道環(huán)境中僅發(fā)現(xiàn)5～7個門的細菌，其中厚壁菌門和擬桿菌門占腸道細菌的90%[2]。腸道菌群在人體健康中發(fā)揮著重要的作用。腸道菌群參與人體代謝，如飲食成分中不可消化碳水化合物以及多糖、膽汁酸等物質的代謝[3,5]；合成維生素和氨基酸等人體必需營養(yǎng)物質[4,5]；參與調節(jié)人體免疫系統(tǒng)[6]；參與藥物代謝，使藥物的活性成分和毒性成分發(fā)生變化,如具核梭桿菌（fusobacterium nucleatum）可導致化療藥物耐藥[7]；參與維持腸道穩(wěn)態(tài)，如抑制致病微生物和維持腸道屏障[8]。此外，科學家還發(fā)現(xiàn)一系列疾病，如糖尿病[9]、肥胖[10]、帕金森病[11]、抑郁癥[12]、心腦血管疾病[13-14]等都與腸道微生物密切相關。

中藥用于治療疾病、強身健體已有數(shù)千年歷史。中藥可通過其所包含的各種生物活性物質如萜類、苷類、類黃酮、甾類、多酚、多糖等發(fā)揮抗菌、抗炎、降壓、降血糖和增強免疫力等作用。多數(shù)傳統(tǒng)中藥是通過口服途徑進入人體消化道，這使得其必然與腸道微生物發(fā)生接觸。

通過菌群和中藥提取物體外共孵育實驗以及體內動物或者人體實驗研究，中藥與腸道菌群的相互作用的機制正在逐步被解析。腸道菌群和中藥的相互作用主要體現(xiàn)在兩個層面。

其一，腸道菌群是可干預的，可作為中藥的調節(jié)靶點。腸道微生物的組成動態(tài)地受到宿主的遺傳背景、飲食結構、用藥狀況以及年齡變化等影響。例如，食用果膠等物質可以提升腸道內Lachnospira屬的數(shù)量[15]。通過開展中藥及其成分影響腸道菌群結構的研究，可以發(fā)現(xiàn)中藥新的作用機理。

其二，腸道菌群反作用于中藥，改變其療效。腸道微生物的組成最終會體現(xiàn)到功能上。近年的研究表明，腸道微生物編碼的基因約330萬，數(shù)量上遠遠超過人體的編碼基因[16]，擁有許多人體所不具備的生化代謝通路。腸道微生物通過其獨特的代謝通路或降解利用中藥中的復雜活性物質，或是直接修飾這些外源的分子，從而改變它們的半衰期、生物利用度和活性，影響其功效。

1 中藥對腸道菌群的調節(jié)作用

根據(jù)腸道細菌對人體健康的影響，腸道菌群可分為3類：①有益菌，也稱共生菌，如雙歧桿菌屬和乳桿菌屬的益生菌；②有害菌，也稱致病菌，如金黃色葡萄球菌；③中性菌，也稱條件致病菌[17]。中藥對腸道菌群的調節(jié)，是對已有菌群物種的數(shù)量進行調節(jié)。如果把微生物和腸道環(huán)境比作“種子”與“土壤”的關系，中藥無法讓“土壤”產生原來不存在的微生物，但可以作為“肥料”或者“除草劑”調節(jié)“土壤”的生態(tài)平衡。

1.1 中藥促進有益菌生長 一些中藥成分可以視為益生元，它們可以選擇性地促進某些有益菌的生長從而利于腸道健康。例如，蜂蜜為中藥的常用組分，其主要成為為果糖和葡萄糖，此外還有相當部分的寡聚糖。體外培養(yǎng)實驗表明，蜂蜜可以促進乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的生長[18]，蜂蜜喂養(yǎng)可顯著提高腸道中的乳桿菌含量[19]，此效果與人乳中的低聚果糖（fructooligosaccharides，F(xiàn)OS）的雙歧因子的功能類似。許多單方藥中含有大量多糖。在對獨參湯的作用機制研究中發(fā)現(xiàn)，人參多糖對一些益生菌有保護作用，能促進腸道的 Lactobacillus spp.和 Bacteroides spp.的生長[20-21]。從麥冬根中提取的一種水溶性β-d-果聚糖（MDG-1）具有強效的抗肥胖和降血糖作用，對MDG-1喂養(yǎng)的肥胖雄性小鼠的腸道微生物研究發(fā)現(xiàn)，它可以降低厚壁菌門/擬桿菌的比例，并促使某些產丁酸細菌的豐度增加，將異常腸道微生物群調整到正常狀態(tài)[22]。在對條滸苔多糖（enteromorpha clathrata polysaccharide，ECP）的研究中發(fā)現(xiàn)它顯著促進了C57BL/6J小鼠腸道中益生菌的生長，并且ECP對雄性和雌性小鼠的微生物作用結果差異化。在雌性中，ECP增加了雙歧桿菌屬和下一代益生菌Akkermansia muciniphila的豐度，而在雄性中，ECP增加了乳桿菌屬豐度[23]。冬蟲夏草中的水溶性多糖組分H1（＞300 kDa）也具有調節(jié)腸道菌群的功能，選擇性地促進益生菌Parabacteroides goldsteinii的生長，提高腸道完整性并降低炎癥[24]。

復方制劑的作用則可能更為復雜，能從更廣的尺度對整個菌群的結構產生調節(jié)。周俊怡[25]等人研究黃連解毒湯對健康大鼠腸道菌群結構的影響發(fā)現(xiàn)，由黃連、黃芩、黃柏和梔子 4 味中藥按 3：2：2：3 的比例配伍而成的黃連解毒湯能夠調節(jié)放線菌門和厚壁菌門的比例。上海交大趙立平[26]研究團隊發(fā)現(xiàn)，葛根芩連湯（Gegen Qinlian Decoction，GQD）可導致腸道菌群的改變和II型糖尿病（type-2 diabetes，T2D）的緩解。服用葛根芩連湯后，共有146種微生物發(fā)生顯著變化，其中，47個菌種顯著增加，包括Faecalibacterium、Gemmiger、Bifidobacterium、Lachnospiracea_incertae_sedis、Escherichia和 Parasutterella菌，這些產丁酸鹽的細菌可以通過減少結腸細胞因子合成和增加抗炎細胞因子的分泌來發(fā)揮抗炎癥作用。

1.2 中藥抑制致病菌生長 除了益生元的作用，一些中藥也表現(xiàn)出了對細菌的選擇性抑制。具有解毒和腫瘤抑制作用的甘草，能選擇性抑制Enterobacter、Enterococcous、Clostridium 和 Bacteroides 的生長，而對有益的Lactobacilli和Bifidobacteria影響不顯著[27]。最近，在對黃連生物堿處理的肥胖小鼠的腸道微生物群研究發(fā)現(xiàn)，與肥胖正相關的微生物種類的豐度減少，如大腸埃希氏菌、Desulfovibrio屬菌等，同時肥胖負相關的微生物物種如Sporobacter termitidis,Alcaligenes faecalis與Akkermansia muciniphila的豐度增加，這表明黃連生物堿可通過恢復腸道微生物群落的平衡來預防肥胖的發(fā)展[28]。

具有抗糖尿病作用的靈芝，其菌絲體的水提取物（waterextract of Ganoderma lucidum mycelium，WEGL）減輕了高脂肪飲食（high-fat diet，HFD）小鼠的體重、炎癥和胰島素抵抗癥狀，WEGL通過降低產內毒素的變形菌門水平和Firmicutes/Bacteroidetes比值，逆轉了HFD誘導的腸道菌群失調，同時也保持了腸道屏障完整性。將WEGL處理后的小鼠糞便移植到HFD小鼠體內，同樣起到了抗肥胖和微生物調節(jié)作用。進一步實驗表明從WEGL提取物中分離出來的高分子量多糖（＞300 kDa）[29]具有類似的抗肥胖和微生物調控作用，因此靈芝及其高分子量多糖有望作為益生元，預防肥胖人群腸道菌群失調和肥胖相關的代謝紊亂。

1.3 中藥直接調控腸道菌群的代謝 中藥成分還能調節(jié)腸道微生物的代謝狀態(tài)。Sonnenburg等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，B.thetaiotaomicron在體內能夠對接觸到的多糖或者單糖環(huán)境產生響應，而能調節(jié)CPS合成基因的表達來改變其表面莢膜多糖類型，和宿主的免疫系統(tǒng)發(fā)生互作，暗示了多糖等成分的對腸道菌的代謝調節(jié)作用。還有研究顯示，口服小檗堿后，可從兩個方面促進小鼠產生丁酸，一個是改善小鼠腸道細菌組成,增加丁酸鹽產生菌的豐度，另一個是從代謝通路調節(jié)的角度，抑制了細菌三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的產生和降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）水平，從而增加了丁基-輔酶A含量，最終通過上調丁?；D移酶/丁酸激酶和丁酰輔酶A轉移酶而生產丁酸鹽[27]。

2 腸道菌群對中藥的生物轉化作用

中藥發(fā)揮效果的不僅是藥物中的天然成分。當中藥中所含的萜類、苷類、類黃酮、甾類、多酚、多糖等活性物質進入腸道后，腸道菌群和人體采用不同的代謝策略。人體代謝的主要方向是將非極性物質轉化為親水性物質，以更高分子量形式的代謝物排出體外。人體代謝主要的手段包括通過極性基團的添加和連接，依賴的酶為P-450細胞色素酶類、羧酸酯酶、黃素單加氧酶（Flavin-containing monooxygenase,FMOs），以及后續(xù)的葡糖醛酸基、甲基、乙?；⒒酋；?、半胱氨酸殘基等基團的轉移酶。而腸道菌群從自身生存和生長需求的角度出發(fā)，會通過水解和還原反應利用這些活性物質[36]，腸道微生物宏基因組數(shù)據(jù)研究也支持這一觀點。在腸道微生物中，水解酶、裂解酶、氧化還原酶和轉移酶分布廣泛并在編碼的酶類中占據(jù)主要的地位[37]。例如，在菊花提取物和人或大鼠的腸道微生物體外共孵育后，質譜鑒定出的32種轉化的類黃酮的代謝物和原來的提取物中的類黃酮結構比較發(fā)現(xiàn)，水解羥化、乙?；仁沁@些類黃酮化合物的主要轉化途徑[38]。表1總結了一些中藥對腸道菌群調節(jié)的例子。

2.1 腸道菌群轉化參與中藥活性成分轉化

2.1.1 促進人體吸收 大多數(shù)植物多糖在宿主胃腸道中難以吸收消化，因為宿主缺乏對其直接消化和利用的相關酶，但這些植物多糖卻能被腸道微生物所代謝[39]。擬桿菌門含有大量的多糖利用系統(tǒng)（Polysaccharide Utilization Loci，PULs），這些系統(tǒng)編碼數(shù)種到數(shù)十種可作用于特定的糖苷鍵或化學取代基團來降解多糖的酶[40]。此外，已經(jīng)證實果膠[41]和淀粉等多種多糖可以被含有淀粉利用系統(tǒng)（starch utilization system，Sus系統(tǒng)）的擬桿菌消化[42]。其它門的細菌也有部分成員參與到多糖的代謝中，比如放線菌門的雙歧桿菌對高直鏈淀粉能夠進行特別有效的降解[43]。中藥中皂苷類成分的口服生物利用度較差，而在轉化后才能較好吸收。例如，人參中的皂苷類成分是其主要的活性成分，具有抗炎、抗腫瘤、降血糖及降血脂等多種藥理作用。Dong-Hyun Kim等[44]的研究發(fā)現(xiàn)人參皂苷在胃液和腸道微生物的共同作用下，能被轉化為疏水型化合物，如原人參二醇型人參皂苷主要被轉化為化合物K和人參皂苷Rh2，和原人參二醇型人參皂苷相比，轉化后的代謝物化合物K表現(xiàn)出更有效的抗腫瘤、抗炎、抗糖尿病，抗過敏和神經(jīng)保護等藥理作用。三七中的三七皂苷和人參皂苷是三七藥效的主要來源，口服生物利用度也很低。Chen等人[45]的研究利用高靈敏度和鑒定率的高效液相色譜-二極管陣列-四極桿飛行時間質譜法（high-performance liquid chromatography coupled with quadrupde time of flight mass spectrometry,HPLC-DAD-Q-TOF-MS/MS）證明微生物來源的酶能將糖基從皂苷中切下來,并最終證明了腸道微生物群在調節(jié)三七總皂苷的生物活性方面可能發(fā)揮重要作用。黃芩苷在體內和體外的藥理作用的報道表明糖苷形式在腸道中很難被吸收，而推斷應被水解成黃芩素才能吸收[46]。腸道微生物對黃芩苷的代謝可能發(fā)揮了重要作用。植物的多酚類，也較難吸收，這些分子經(jīng)過腸道微生物一系列的轉變,包括裂環(huán)、去甲基化和脫羧基作用，通常產生具有更高生物活性的代謝物,并降低相關性疾病風險[47]。如體內和體外的實驗表明，茶葉中的兒茶酚被攝入后經(jīng)腸道微生物代謝產生(-)-5-(3',4',5'-trihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M4)和(-)-5-(3',4'-dihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M6)兩種代謝物[48-49]，且在血漿中濃度較高。

2.1.2 增強藥效 中藥小分子在化學結構、藥理活性評價、作用靶點等方面已開展了很多研究。腸道細菌編碼的酶可以代謝許多中藥湯劑中的苷類物質，如通過糖基化等反應提升活性。通過大鼠腸道細菌和大黃提取物的共孵育研究發(fā)現(xiàn)，大黃提取物中共有14種成分可被生物轉化，這些組分包括蘆薈大黃素-O-葡糖苷、大黃素-O-葡糖苷、大黃酚-O-葡糖

苷和大黃素-甲醚-O-葡糖苷等，并在孵育樣品中檢測到12種主要代謝物，其主要生物轉化途徑是糖苷基團的水解，隨后是醌部分中氫化和/或進一步乙?；痆50]。蘆薈大黃素苷本身沒有致瀉作用，人糞便中的細菌Eubacterium可水解蘆薈大黃素苷的C-C糖苷鍵，將其代謝為aloe-emodin-9-anthrone，提高大腸內水含量而具有顯著的致瀉作用[51]。Cao等人[52]通過分離人糞便樣本中的微生物與中藥九節(jié)龍?zhí)崛〉腁DS-I（Ardipusilloside-I）共孵育，通過超高效液相色譜-三重四極桿質譜聯(lián)用（ultra-high performance liquid chromatographytriple four-stage mass spectrometiy,UHPLC-QQQ-MS）檢測，得到了4種經(jīng)腸道微生物去糖基化產生的代謝產物，且從細胞系的角度驗證發(fā)現(xiàn)其中兩種比原來ADS-I具有更強的抑制腫瘤效果。

表1 中藥及其成分調節(jié)腸道菌群結構的相關研究

腸道微生物的代謝作用也可能是一把雙刃劍，既能活化，也能使藥物失去活性。特定的腸道微生物可通過修飾作用導致有效成分的失活。報道顯示腸道中的微生物Eggerthella lenta中被鑒定出一種編碼細胞色素的操縱子，該操縱子可被紫花洋地黃提取物（地高辛）轉錄激活，這些基因產物可作為地高辛滅活的生物標志物。無菌小鼠實驗表明，蛋白質攝入量的增加可以限制微生物對藥物的滅活作用，并揭示了該操縱子編碼的蛋白質如何通過底物使地高辛失活的機制[53]。

2.2 腸道微生物參與中藥毒性成分轉化 中藥毒副作用是在中藥應用中不容忽視的一個重要問題，而腸道微生物的修飾在增強藥效的同時，也可能會增強有毒成分的毒性。近年來不少有關苦杏仁苷中毒的病例報道，動物實驗表明，與正?？诜辔附M比較，靜脈注射組及經(jīng)抗生素處理的灌胃組動物無顯著毒性反應，而且血漿中氰化物的濃度也均低于正常口服灌胃組。而在腸道中發(fā)現(xiàn)的厭氧性擬桿菌門具有高度的β-葡糖苷酶活性，能將苦杏仁苷水解成氫氰酸，在某些條件下，這些氫氰酸水平升高會引起毒性[54]。當然，修飾作用未必都是消極的。例如被認為具有消炎鎮(zhèn)痛作用的烏頭堿，同時對神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)也有毒性作用，Zhao等人[55]通過質譜研究表明，烏頭堿可在腸道微生物的酰基化和酯化作用下轉變成毒性較低的單脂、二脂等。

3 展望

腸道微生物和中藥之間存在的相互作用不容忽視。一方面中藥可以通過調節(jié)腸道微生物來調節(jié)人體健康并治療疾病，從調節(jié)腸道微生物的組成和代謝狀態(tài)的角度去闡述中藥作用機制是研究中藥的有效路徑之一，或者還可借此發(fā)現(xiàn)中藥的新用途，實現(xiàn)老藥新用。另一方面，腸道微生物會對中藥的藥效產生影響，在了解機制的基礎上，中藥成分可以在體外完成活性物質轉化，實現(xiàn)更有效的藥物開發(fā)。正是由于互作關系的存在，在中藥評價和應用的過程中將微生物作為一個重要的考慮因素具有必要性：同樣的中藥在具有不同腸道微生物群落結構的人群中應用，是否能取得一致的效果？對攜帶特定菌群的人群是否存在副作用增大的風險？此外，人群的腸道微生物結構的異質性，也許會促使我們對藥物有效性的評價進行重新審視，反思某些在大規(guī)模人群實驗中沒有取得顯著療效是否由于個體腸道微生物差異造成的。

目前，在何種微生物通過何種機制對特定的活性成分進行轉換的機制上，仍缺乏足夠的認識。一是由于目前許多研究只建立了微生物菌群和中藥或者中藥活性成分之間的相關性聯(lián)系,很少聯(lián)系到具體的物種、基因或酶，并闡明因果關系。因此，需要借助培養(yǎng)組學、代謝組學、基因組學等多組學的相互配合才能完成中藥在人體腸道代謝機制的復雜拼圖。中藥對腸道菌群調節(jié)研究目前還面臨的另一個重要挑戰(zhàn)是要從對物種組成和基因組成的研究轉向整個群落的功能研究，以闡述它們對人體健康的影響。腸道菌群是一個復雜的生態(tài)，中藥對腸道微生物的調節(jié)作用研究目前仍多集中在標志微生物/多樣性的層次，而越來越多的研究表明，物種的組成可能并非一個穩(wěn)定的狀態(tài)，人與人之間腸道微生物組成上具有差異而功能上趨同，健康的腸道往往意味著多樣性的豐富，但是反過來多樣性高卻不能和健康等同，并且生物多樣性也不代表功能的多樣性。和人的健康有著更穩(wěn)定的聯(lián)系的往往是整個腸道微生態(tài)的功能組成和代謝狀態(tài)。因此，一些和代謝、表型相關的指標在中藥藥效評價中越來越體現(xiàn)出價值，如厭氧菌比例的失調預示著腸道微生物平衡的打破和疾病征兆，糖分解向蛋白分解的功能性改變等。

今后，對腸道微生物與中藥及其有效成分互作機制的深入理解,將有助于更好地利用中藥來改善人類的健康，也有利于其真正走向國際市場。