腸道菌群/肝藥酶系對天然皂苷類成分的代謝研究進(jìn)展Δ

曹偉宇，馮　斌，王曉娟（軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心/陜西省口腔生物工程技術(shù)研究中心/第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院藥劑科，西安　710032）

·綜述講座·

腸道菌群/肝藥酶系對天然皂苷類成分的代謝研究進(jìn)展Δ

曹偉宇＊，馮斌，王曉娟#（軍事口腔醫(yī)學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/口腔疾病國家臨床醫(yī)學(xué)研究中心/陜西省口腔生物工程技術(shù)研究中心/第四軍醫(yī)大學(xué)口腔醫(yī)院藥劑科，西安710032）

目的：為從天然皂苷類成分的代謝物中尋找活性化合物提供參考。方法：以“腸道菌群”“肝藥酶系”“皂苷”“代謝”“Intestinal bacteria”“Liver microsomes”“Saponins”“Metabolism”等為

，組合查詢1994年1月－2016年1月在PubMed、Web of Science、中國知網(wǎng)、中國生物醫(yī)學(xué)等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)，對天然皂苷類化合物在腸道菌群/肝藥酶系中的代謝研究情況進(jìn)行綜述。結(jié)果與結(jié)論：共檢索到相關(guān)英文文獻(xiàn)200余篇、中文文獻(xiàn)800余篇，其中有效文獻(xiàn)37篇。皂苷類化合物主要被腸道菌群代謝，吸收進(jìn)入體內(nèi)的代謝物經(jīng)肝臟代謝的較少，大多數(shù)以次生苷或苷元直接發(fā)揮其藥理作用。對皂苷類化合物代謝的研究大多集中在單一的代謝系統(tǒng)，并沒有將腸道菌群/肝藥酶系作為整體對物質(zhì)的代謝進(jìn)行研究。因此，可以基于腸道菌群/肝藥酶系，應(yīng)用液質(zhì)聯(lián)用和液核聯(lián)用等現(xiàn)代分析技術(shù)對代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離、鑒定與富集，從而篩選出天然皂苷類化合物在人體內(nèi)外轉(zhuǎn)化處置后的最終活性代謝產(chǎn)物。

腸道菌群；肝藥酶系；天然皂苷；代謝

胃腸道和肝臟是口服藥物在體內(nèi)代謝的重要場所，腸道內(nèi)寄居的大量微生物及肝臟中的各種酶系對藥物的代謝發(fā)揮著非常重要的作用。大多數(shù)皂苷類化合物具有溶血性，無法通過靜脈給藥，而口服給藥后腸道吸收差、生物利用度低，這已成為皂苷類藥物研發(fā)的瓶頸。近年來，腸道菌群/肝藥酶系對天然皂苷類成分的生物轉(zhuǎn)化研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]報道，皂苷類化合物經(jīng)口服到達(dá)靶器官起作用的活性物質(zhì)，很大一部分是經(jīng)腸道菌群生物轉(zhuǎn)化后的活性代謝產(chǎn)物。因此，從皂苷的代謝產(chǎn)物中尋找活性更強(qiáng)、藥動學(xué)性質(zhì)更好的活性成分是突破上述瓶頸的重要手段之一。筆者以“腸道菌群”“肝藥酶系”“皂苷”“代謝”“Intestinal bacteria”“Liver microsomes”“Saponins”“Metabolism”等為關(guān)鍵詞，組合查詢1994年1月－2016年1月在PubMed、Web of Science、中國知網(wǎng)、中國生物醫(yī)學(xué)等數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)文獻(xiàn)。結(jié)果，共檢索到相關(guān)英文文獻(xiàn)200余篇、中文文獻(xiàn)800余篇，其中有效文獻(xiàn)37篇。現(xiàn)對天然皂苷類化合物在腸道菌群/肝藥酶系中的代謝研究情況進(jìn)行綜述，以期為從天然皂苷類成分的代謝物中尋找活性化合物提供參考。

1　基于腸道菌群/肝藥酶系從皂苷類成分的代謝物中篩選活性物質(zhì)

天然皂苷類化合物一般因其分子質(zhì)量和極性較大，口服后首先在腸道內(nèi)滯留一定時間，與腸道菌群發(fā)生作用。文獻(xiàn)報道，腸道菌群對皂苷類化合物的代謝途徑主要是以水解和還原反應(yīng)為主[3]。因此，皂苷類化合物經(jīng)微生物轉(zhuǎn)化后代謝物的極性降低、脂溶性增加，使其有利于被機(jī)體吸收。Ruan JQ等[4]采用人結(jié)腸腺癌細(xì)胞（Caco-2細(xì)胞）模型對三七皂苷R1腸道菌群代謝物的腸滲透性進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，三七皂苷R1代謝物的脂溶性增加，因而可大大提高其腸通透性。如圖1所示，天然皂苷在腸道菌群的生物轉(zhuǎn)化下可形成代謝物M1、M2和M3，轉(zhuǎn)化后的M1因其分子質(zhì)量降低、脂溶性增加可以順利通過胃腸道吸收進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)發(fā)生藥理作用；M2經(jīng)胃腸道吸收后可能還需體內(nèi)肝藥酶系再次轉(zhuǎn)化，最終形成活性代謝產(chǎn)物M4而發(fā)揮藥理作用；而代謝物M3不被小腸吸收，直接排出體外。同時，天然皂苷還可以直接經(jīng)胃腸道吸收進(jìn)入體內(nèi)，在肝藥酶系的作用下生成活性代謝產(chǎn)物M5發(fā)揮藥效，而不經(jīng)腸道菌群和肝藥酶系作用直接進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)發(fā)揮療效的天然皂苷類化合物很少。因此，天然皂苷類成分經(jīng)口服后，可以通過A途徑在腸道菌群的生物轉(zhuǎn)化下生成活性代謝產(chǎn)物M1；也可以通過B途徑直接吸收進(jìn)入體內(nèi)經(jīng)肝藥酶系作用生成活性代謝產(chǎn)物M5；還可以通過C途徑先經(jīng)腸道菌群生物轉(zhuǎn)化，再吸收進(jìn)入體內(nèi)循環(huán)經(jīng)肝藥酶系形成活性代謝產(chǎn)物M4。這些活性代謝產(chǎn)物是真正作用于疾病靶點(diǎn)的物質(zhì)。

圖1　從腸道菌群/肝藥酶系中篩選天然皂苷類成分活性代謝物的一般途徑

2　腸道菌群對天然皂苷類藥物的代謝研究

2.1天然皂苷類藥物與腸道菌群的相互作用

日本學(xué)者小橋恭一、服部征雄等作為先導(dǎo)者，從20世紀(jì)80年代起對天然皂苷有效成分的腸道菌群代謝途徑做了大量的工作，先后證明人參皂苷、甘草皂苷等多種天然皂苷口服后經(jīng)腸道菌群代謝所得的活性代謝產(chǎn)物吸收入血發(fā)揮治療作用，并提出了天然前藥的概念。國內(nèi)也有人提出中藥吸收代謝后藥物（Post absorption/metabolism drug，PAMD）的概念。天然皂苷的腸道菌群代謝處置的研究已被許多國家學(xué)者所重視，并成為一個受國際關(guān)注的重要發(fā)現(xiàn)。

大量研究表明，人和動物的腸道菌群對皂苷類成分具有非常強(qiáng)大的代謝能力，腸道菌群對皂苷類化合物的代謝途徑主要是以水解和還原反應(yīng)為主。因而天然產(chǎn)物中到達(dá)靶器官起作用的活性物質(zhì)，很大一部分是經(jīng)胃腸道代謝后的產(chǎn)物。許多中藥成分都是借助腸道細(xì)菌的代謝轉(zhuǎn)化為有效成分而達(dá)到治療作用，尤其是具有糖苷鍵的皂苷類化合物。這類化合物通常在腸道內(nèi)難以吸收、生物利用度低、腸內(nèi)滯留時間較長而易受到腸道菌群的作用，其原型物藥理活性較小，經(jīng)腸道菌群代謝后被水解生成次生苷或苷元而發(fā)揮藥理作用。Bae EA等[5]采用離體培養(yǎng)人腸道菌群法對人參皂苷Rg3進(jìn)行代謝研究發(fā)現(xiàn)，其主要代謝產(chǎn)物為人參皂苷Rh2和原人參二醇，且體外試驗(yàn)證明代謝產(chǎn)物具有抑制腫瘤細(xì)胞增殖的作用。Bae EA等[6]接著對人參皂苷Re進(jìn)行人腸道菌群代謝研究發(fā)現(xiàn)，其代謝產(chǎn)物人參皂苷Rh1能很快吸收進(jìn)入體內(nèi)發(fā)揮雌激素樣作用。Kim DH等[7]研究發(fā)現(xiàn)，常春藤皂苷K可被人腸道菌群代謝，動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明其代謝物具有較強(qiáng)的抗炎作用。楊秀偉等[8]采用人腸內(nèi)細(xì)菌和短乳桿菌粗酶分別對七葉樹皂苷-Ⅰa進(jìn)行代謝研究并提出七葉樹皂苷-Ⅰa是“前藥”，其代謝產(chǎn)物去?；呷~樹皂苷-Ⅰa對小鼠肉瘤S-180、肝癌和肺癌細(xì)胞的生長具有抑制作用。

不同種屬之間腸道菌群的組成和穩(wěn)定性有一定差異，對同一天然皂苷類化合物的生物轉(zhuǎn)化方式也存在一定的差異。皂苷中人參皂苷的研究最為廣泛。王毅等[9]發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rg1在大鼠體內(nèi)的代謝途徑為Rg1→Rh1/F1→Ppt，Rh1與F1為同分異構(gòu)體，在人腸道菌中的代謝途徑為Rg1→Rh1→原人參三醇，表明人參皂苷Rg1在人和大鼠腸道菌中的代謝存在差異。隨后，Hasegawa H等[10]證實(shí)人參皂苷Rg1代謝物原人參三醇為主要抗腫瘤成分，通過刺激脾臟自然殺傷（NK）細(xì)胞生成腫瘤細(xì)胞毒素，抑制腫瘤細(xì)胞生長。錢靜等[11]發(fā)現(xiàn)，經(jīng)腸道菌群的作用，人參皂苷Rb1在有氧和厭氧條件下僅檢測到代謝產(chǎn)物人參皂苷Rd、F2、C-K，在大鼠腸道菌群中的代謝途徑為Rb1→Rd→F2→C-K。Wang HY等[12]研究發(fā)現(xiàn)，人參皂苷Rb1經(jīng)腸道菌群代謝時有不同的代謝途徑及代謝產(chǎn)物，如人參皂苷Rg3、Rh2。故推測不同地域、不同種屬之間有差異。

2.2主要研究方法

2.2.1體內(nèi)法①口服與非口服（靜脈、腹腔注射等）藥物比較[13-14]：比較動物給藥前后腸內(nèi)容物、血液、尿中的物質(zhì)及含量，初步篩選腸道菌群的代謝產(chǎn)物。該法僅產(chǎn)生微量的代謝產(chǎn)物，且受內(nèi)源性代謝產(chǎn)物影響，不利于代謝產(chǎn)物的富集。②無菌動物與普通動物的腸道內(nèi)代謝產(chǎn)物比較[15-16]：無菌動物免疫功能低下，其消化道菌群種類數(shù)量與普通動物有區(qū)別，可以考察腸道菌群對藥物的作用。對藥物在腸道內(nèi)容物、糞便、血樣及尿樣中代謝產(chǎn)物進(jìn)行分析，進(jìn)一步明確腸道菌群在天然藥物生物轉(zhuǎn)化過程中的作用。該法對動物和飼養(yǎng)條件要求較高，不利于大批量開展實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)很少用。

2.2.2體外法①離體培養(yǎng)腸道菌群[17-19]：以人或動物的新鮮糞便制備腸道菌液進(jìn)行厭氧培養(yǎng)得到孵育液，然后觀察天然產(chǎn)物與之作用后的代謝產(chǎn)物。該法使用的是人或動物的糞便，方便易得，可以從離體培養(yǎng)的腸道菌群代謝樣品中分離富集。②篩選對藥物起主要代謝作用的菌株[20-21]：研究藥物成分特性，分析與其代謝相關(guān)的酶類，保留該種酶的菌種，對其進(jìn)行研究。該法要通過一定技術(shù)手段篩選出特異菌株，雖然專一性好，但難度大、耗時長，且成本較高。

3　肝藥酶系對天然皂苷類化合物的代謝研究

3.1天然皂苷類化合物與肝藥酶系的相互作用

因肝細(xì)胞內(nèi)存在有微粒體混合功能酶系統(tǒng)，而該系統(tǒng)能促進(jìn)多種藥物發(fā)生轉(zhuǎn)化，故稱肝藥酶系。在肝臟中參與藥物代謝的酶主要為細(xì)胞色素P450（CYP），其含量約占肝內(nèi)CYP酶總量的80%以上，該酶可使藥物發(fā)生氧化、還原、水解等反應(yīng)，引入或脫去功能基團(tuán)（—OH、—NH2、—SH），使原型藥生成極性增高的代謝物[22-23]。藥物作為CYP的底物，可通過誘導(dǎo)CYP加速自身的代謝轉(zhuǎn)化成水溶性高的物質(zhì)后，經(jīng)尿和膽汁排泄，也可能抑制CYP活性，延緩藥物的代謝過程甚至在體內(nèi)發(fā)生蓄積性中毒。新藥研發(fā)的早期階段，常利用肝微粒體模型對候選化合物藥動學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行初篩，以便在研究開發(fā)的早期確定該候選化合物是否有繼續(xù)開發(fā)的價值。

口服天然皂苷類化合物經(jīng)肝臟代謝發(fā)現(xiàn)活性代謝物的研究相對較少，大部分經(jīng)腸道菌群代謝的天然皂苷吸收進(jìn)入體內(nèi)幾乎不被肝臟所代謝。Hasegawa H等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)人參皂苷Rb1經(jīng)腸道菌群水解后的混合物IBM，然后對其抗腫瘤轉(zhuǎn)移能力進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，混合物IBM的抗腫瘤轉(zhuǎn)移的能力強(qiáng)于人參皂苷Rb1，與5-氟尿嘧啶（5-FU）相似，M1是混合物IBM中的一個代謝產(chǎn)物，其在肝臟中又被代謝為EM1，而在抑制腫瘤細(xì)胞的生長中，EM1的抑制率顯著高于M1，由此認(rèn)為EM1可能是人參皂苷Rb1中起藥理作用的物質(zhì)。也就是說，EM1是從腸道菌群/肝藥酶系中發(fā)現(xiàn)的具有潛在開發(fā)價值的抗腫瘤活性物質(zhì)。田莉[26]采用體外大鼠肝微粒體孵育系統(tǒng)研究CYP對甘草酸（GL）、甘草次酸（GA）代謝的影響時發(fā)現(xiàn)，CYP對GL代謝沒有影響，幾乎不被肝臟所代謝。綜上所述，天然皂苷類成分經(jīng)肝臟代謝發(fā)現(xiàn)活性代謝物的研究相對較少，主要是在胃腸道中被腸道菌群轉(zhuǎn)化而降解吸收入血發(fā)揮藥理活性。

3.2主要研究方法

3.2.1體內(nèi)法體內(nèi)實(shí)驗(yàn)是通過動物給藥后收集肝微粒體進(jìn)行檢測分析從而篩選代謝產(chǎn)物。其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)是在動物整體用藥的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，可以直觀、準(zhǔn)確地反映生命機(jī)體在生理狀態(tài)下的藥物代謝狀況，但易受個體機(jī)能狀態(tài)、個體差異、用藥耐受量、合并用藥有無干擾等因素的影響及倫理道德的限制，實(shí)驗(yàn)規(guī)模往往較小、重復(fù)性差。

3.2.2體外法①肝微粒體孵育法[27-28]：肝微粒體孵育法是從動物或人肝臟中提取肝微粒體輔以氧化還原型輔酶，加入藥物在模擬生理溫度及生理環(huán)境條件下進(jìn)行體外孵育試驗(yàn)。肝微粒體孵育技術(shù)目前最常用的是CYP酶體外試驗(yàn)。②肝細(xì)胞孵育法[29]：該法的關(guān)鍵是肝細(xì)胞的制備，其他與肝微粒體孵育法相似，即以制備的肝細(xì)胞輔以氧化還原型輔酶在模擬生理環(huán)境條件下進(jìn)行體外孵育試驗(yàn)。③精密肝切片法[30]：精密肝切片技術(shù)能保存較完整的組織結(jié)構(gòu)及細(xì)胞間聯(lián)系，是介于器官與細(xì)胞水平間較接近生理狀況的一種技術(shù)手段，可在較長的孵育時間內(nèi)保持代謝活性。④重組CYP孵育法[31]：是利用基因工程及細(xì)胞工程將調(diào)控CYP酶表達(dá)的基因整合到載體上，經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)，表達(dá)高水平的CYP酶，然后經(jīng)過分離、純化得到純度較高的單一的CYP同工酶。⑤離體肝灌流法[32]：在大鼠麻醉狀態(tài)下用手術(shù)和插管使其肝臟形成體外循環(huán)，在人工控制劑量和條件下，直接觀察藥物通過肝臟或反復(fù)循環(huán)地通過肝臟后，藥物本身的代謝變化或其對肝臟的影響，上述方法具體優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

4　現(xiàn)代分析技術(shù)在天然皂苷類成分代謝物檢測方面的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展，液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）目前已成為體內(nèi)外代謝研究的重要手段，其高靈敏度、微量分析的特點(diǎn)恰巧符合體內(nèi)生物樣品分析檢測的要求[33]。近年來采用串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)（LC-MS/MS）對中藥成分體內(nèi)代謝的研究被廣泛使用，為中藥成分體內(nèi)代謝產(chǎn)物的鑒定提供了捷徑[34]。但縱觀這些研究報道，大部分研究僅停留在測定藥物的體內(nèi)外代謝產(chǎn)物的濃度的藥動學(xué)領(lǐng)域，很少直接對其結(jié)構(gòu)進(jìn)一步確認(rèn)。大部分都是借助體外的大量合成或者富集代謝產(chǎn)物最后通過核磁共振（NMR）進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。隨著NMR技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了高效液相色譜（HPLC）-固相萃?。⊿PE）-NMR聯(lián)用技術(shù)[35]。此聯(lián)用系統(tǒng)可根據(jù)需要對HPLC餾分進(jìn)行在線富集，增加了樣品池中的樣品量，隨樣品濃度的增加，可以直接對代謝樣品中的未知化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定。Cao WY等[36]利用HPLCMS和HPLC-NMR技術(shù)對九節(jié)龍?jiān)碥闸瘢ˋDS-Ⅰ）人腸道菌代謝產(chǎn)物（M1和M2）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)鑒定，為ADS-Ⅰ在人腸道內(nèi)的轉(zhuǎn)化吸收研究提供了科學(xué)依據(jù)。Gampe N等[37]對從豆科植物紅芒柄花根部中提取的異黃酮苷類成分進(jìn)行了系統(tǒng)的分離，并鑒定了34種新化合物，為紅芒柄花植物的進(jìn)一步研發(fā)提供了參考和思路。

表1　不同體外肝代謝方法的優(yōu)缺點(diǎn)

5　結(jié)語

通過文獻(xiàn)回顧，筆者發(fā)現(xiàn)皂苷類成分極易被腸道菌群代謝為新的物質(zhì)，而這些新的物質(zhì)分子質(zhì)量減小、極性降低，往往更容易被機(jī)體吸收從而發(fā)揮藥理活性。然而，通過查閱文獻(xiàn)，筆者還發(fā)現(xiàn)對皂苷類化合物代謝的研究大多集中在單一的代謝系統(tǒng)，并沒有將腸道菌群/肝藥酶系作為整體對物質(zhì)的代謝進(jìn)行研究。因此，可應(yīng)用LC-MS和LC-NMR等現(xiàn)代分析技術(shù)對代謝產(chǎn)物進(jìn)行分離、鑒定與富集，從而篩選出天然皂苷類化合物在人體內(nèi)外轉(zhuǎn)化處置后的最終活性代謝產(chǎn)物。此研究突破了傳統(tǒng)天然皂苷類化合物研發(fā)的瓶頸，為尋找新活性化合物提供了一個新的思路和方法。深入研究腸道菌群/肝藥酶系對皂苷類成分代謝的影響，對于開發(fā)活性更強(qiáng)、藥動學(xué)性質(zhì)更好的新藥具有重要意義。

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（編輯：余慶華）

R93

A

1001-0408（2016）28-3999-04

10.6039/j.issn.1001-0408.2016.28.34

陜西省中醫(yī)藥管理局中醫(yī)藥科研課題（No.13-ZY041）

＊碩士研究生。研究方向：天然產(chǎn)物抗腫瘤研究。電話：029-84773998。E-mail：464970076@qq.com

主任藥師。研究方向：天然產(chǎn)物的新藥研發(fā)。電話：029-84776189。E-mail：wxjyh231@fmmu.edu.cn

（2016-01-03

2016-02-26）