中藥與腸道菌群相互作用的研究進(jìn)展

1.廣西醫(yī)科大學(xué)生命科學(xué)研究院，廣西 南寧 530021；2.廣西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院藥物分析教研室,廣西 南寧 530021

作為人體內(nèi)一個復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，人類腸道菌群被視為一個由1013～1014個微生物組成的“超級有機(jī)體”，這些微生物的基因組至少是我們?nèi)梭w基因組的100倍以上[1]。中藥是中華民族的瑰寶，在中華民族五千年生生不息的歷史長河中為本民族的健康繁衍起著保駕護(hù)航的作用。大多數(shù)中藥以口服的形式給藥，在腸道中選擇性地被腸道分泌的酶代謝成為活性成分或者可吸收的成分從而發(fā)揮治療作用。因此腸道菌群與中藥的藥效關(guān)系及藥效物質(zhì)基礎(chǔ)存在著密切的聯(lián)系。近年來，腸道菌群的相關(guān)研究成為熱點(diǎn)，本文系統(tǒng)地歸納總結(jié)了腸道菌群調(diào)節(jié)宿主代謝和宿主—共代謝作用，腸道菌群對不同中藥成分的代謝和腸道菌群對不同疾病腸道菌群的調(diào)節(jié)作用以及腸道菌群和中藥相互作用的研究方法。

1 腸道菌群調(diào)節(jié)宿主代謝

1.1 宿主腸道菌群的多樣性組成 腸道菌群組成復(fù)雜，擬桿菌、螺菌和消化鏈球菌等專性厭氧菌及雙歧桿菌屬、乳酸桿菌屬占了腸道菌群的99%，專性厭氧菌達(dá)97%，腸道菌群結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。不同個體腸道內(nèi)類群的組成各有不同。宿主的基因型是決定腸道菌群多樣性的宿主特異性的重要因素之一，種類繁多的腸道菌群與宿主一同進(jìn)化，在維持宿主生理功能上起到非常重要的作用[2]。

1.2 宿主腸道菌群功能

1.2.1 宿主—共生腸道菌群的共代謝作用 腸道菌群對宿主的代謝影響涉及多種器官，包括腸道、肝臟、肌肉和大腦，共同構(gòu)成一個宿主—微生物代謝軸[3]。腸道細(xì)菌具有大量人體自身缺乏的能代謝植物多糖的基因，能夠?qū)⒋蠓肿又参锒嗵寝D(zhuǎn)化為代謝終產(chǎn)物—短鏈脂肪酸(乙酸、丙酸和丁酸)，為宿主提供能量及細(xì)菌生長和繁殖所需的營養(yǎng)物質(zhì)。

腸道細(xì)菌還能參與宿主的代謝，與宿主發(fā)生共代謝，如膽汁酸代謝。在肝臟內(nèi)，膽固醇通過多級酶促反應(yīng)轉(zhuǎn)化為初級游離型膽汁酸(膽酸、鵝脫氧膽酸)，初級游離膽汁酸在肝臟中結(jié)合?；撬岷透拾彼?，轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合型膽汁酸，并經(jīng)過膽道，排入腸道中，在腸道菌群的去共扼作用下，脫去牛磺酸或甘氨酸，變成次級膽汁酸(脫氧膽酸、石膽酸)，次級膽汁酸又通過門脈系統(tǒng)再回到肝臟中繼續(xù)結(jié)合，此循環(huán)為腸肝循環(huán)[4]。很多外源性復(fù)合物例如食物中的膽堿、綠原酸、芳香族化合物等以及藥物的代謝都是由宿主和腸道菌群通過腸肝循環(huán)這一重要的代謝途徑共同協(xié)作完成的。過去狹義的認(rèn)為宿主代謝僅由自身基因調(diào)節(jié)控制,如今擴(kuò)展為宿主-共生腸道菌群的共代謝(host-symbiotic microbial co-metabolism)，這種共代謝關(guān)系為今后以腸道菌群為藥物靶點(diǎn)，實(shí)行個性化醫(yī)療提供了依據(jù)[3]。

1.2.2 營養(yǎng)和免疫作用 腸道菌群除了能夠幫助宿主消化吸收食物中宿主自身不能代謝的物質(zhì)，提供營養(yǎng)和能量外，還有促進(jìn)腸道發(fā)育的作用。腸道中的益生菌可激活巨噬細(xì)胞從而提高非特異性及特異性免疫反應(yīng)、自然殺傷細(xì)胞的活力，促進(jìn)免分泌性的 IgA 的表達(dá)，提高宿主的抗病能力[5-6]。小腸上皮中的潘氏細(xì)胞是腸道先天性防御系統(tǒng)的重要影響因子，它能夠產(chǎn)生抗菌素-血管生成素，腸道細(xì)菌與潘氏細(xì)胞之間的相互作用對于腸道先天性免疫系統(tǒng)的建立起了重要作用。

1.2.3 保護(hù)作用 腸道內(nèi)定植的共生菌能夠通過與腸源性病原菌競爭腸上皮的粘附位點(diǎn)而抵制病原菌侵入腸上皮[7]?？股刂委熎骗h(huán)腸道菌群平衡導(dǎo)致機(jī)會致病菌相對比例上升，其產(chǎn)生的毒素能夠增加腸上皮的通透性而導(dǎo)致腸道細(xì)菌移位。一些益生菌如雙歧桿菌能夠產(chǎn)生抑菌物質(zhì)，抑制致病菌的生長，減少內(nèi)毒素血癥的發(fā)生。

1.2.4 分泌神經(jīng)遞質(zhì)的作用 腸道中的枸櫞酸桿菌可通過迷走神經(jīng)通路的激活, 介導(dǎo)刺激內(nèi)臟感覺和焦慮的大腦區(qū)域，同時神經(jīng)系統(tǒng)可以感知腸道的急性變化和識別病原體的存在。腸道菌群可通過下丘腦-垂體-腎上腺軸影響中樞神經(jīng)，某些特殊的腸道菌被發(fā)現(xiàn)可以分泌神經(jīng)遞質(zhì), 如γ-氨基丁酸(GABA)、5-HT, 兒茶酚胺和組胺，通過腸嗜鉻細(xì)胞瘤、迷走神經(jīng)逐步傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)[8]。

2 中藥調(diào)節(jié)腸道菌群的治療作用

腸道菌群的穩(wěn)態(tài)對人體健康至關(guān)重要。腸道菌群的生態(tài)平衡是決定機(jī)體健康的重要因素，正常的菌群結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)機(jī)體健康，而菌群失調(diào)必定會造成疾病的發(fā)生，且發(fā)病部位不僅僅只限于腸道內(nèi),也可引起非腸道疾病的發(fā)生。通過調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂的狀態(tài)，促進(jìn)益生菌的生長，抑制致病菌的繁殖，平衡體內(nèi)的腸道菌群，達(dá)到扶正驅(qū)邪的作用，可能是中藥治療疾病的生物學(xué)作用機(jī)制之一。

2.1 腸道疾病 潰瘍性結(jié)腸炎是一類非特異性腸道免疫功能紊亂的炎癥性疾病，其發(fā)生和菌群結(jié)構(gòu)失調(diào)相關(guān)。八味錫類散[9]能顯著改善葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的小鼠潰瘍性結(jié)腸炎，提高乳酸桿菌水平，修復(fù)結(jié)腸組織損傷。黃芪多糖[10]對潰瘍性結(jié)腸炎大鼠腸道微生態(tài)失調(diào)具有很好的調(diào)整作用,經(jīng)黃芪多糖治療7d后,模型大鼠腸道內(nèi)雙歧桿菌、乳酸桿菌含量明顯上升,腸球菌、腸桿菌含量下降,大鼠腸道菌群比例恢復(fù)正常,大鼠結(jié)腸內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸的含量升高。中藥結(jié)腸寧能改善腸黏膜通透性,誘導(dǎo)臨床潰瘍性結(jié)腸炎緩解,恢復(fù)腸道菌群平衡及促進(jìn)益生菌增殖[11]。中藥復(fù)方人參烏梅湯加味治療后大鼠腸道厚壁菌門類細(xì)菌含量顯著增加(P<0.01),而腸道擬桿菌門類細(xì)菌含量顯著降低(P<0.01)，較之西藥對腸道菌群平衡更具有良性的調(diào)控作用，其可能通過影響腸道菌群結(jié)構(gòu)糾正菌群紊亂，進(jìn)而發(fā)揮生津止瀉效應(yīng)[12]。

腸道內(nèi)類桿菌和梭菌屬細(xì)菌增加會增加結(jié)腸癌的發(fā)生率及生長速度，而乳桿菌和雙歧桿菌能阻止癌癥的發(fā)生。代謝組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)人參[13]顯著降低氧化偶氮甲烷/葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的大鼠結(jié)腸癌/結(jié)腸炎的發(fā)生，其主要機(jī)制是減輕了炎性因子水平，恢復(fù)了失調(diào)的菌群結(jié)構(gòu)。

2.2 非腸道疾病

2.2.1 肥胖 早期多種因素導(dǎo)致的腸道菌群的紊亂，腸粘液層發(fā)生變化，腸免疫和腸微結(jié)構(gòu)改變，增加了不良微生物的侵入，打破了宿主和微生物的平衡，宿主維持負(fù)能量平衡，而微生物通過腦-腸軸影響宿主的自主和中樞神經(jīng)系統(tǒng)促進(jìn)和維持這一進(jìn)程，最終導(dǎo)致異位脂肪的積累發(fā)生肥胖[14-16]。大黃酸[17]、發(fā)酵白術(shù)[18]、升降散[19]、靈芝多糖[20]均可以改變腸道微生物結(jié)構(gòu)，減少有害菌，增加雙歧桿菌和乳桿菌，顯著改善高脂誘導(dǎo)的大鼠肥胖，改善血清甘油三脂水平，恢復(fù)高密度脂蛋白水平?？喙贤ㄟ^減少致病菌、增加丁酸產(chǎn)生菌，減少內(nèi)毒素產(chǎn)生，可以降低肥胖大鼠的空腹血糖、血脂水平，減小脂肪細(xì)胞大小[21]。

2.2.2 肝臟疾病 腸道菌群可通過“腸—肝軸”參與非酒精性脂肪肝的發(fā)生發(fā)展，以腸道菌群為靶點(diǎn)的中藥治療取得了較好的效果。沒食子酸可以改善高脂誘導(dǎo)的大鼠非酒精性脂肪肝，部分逆轉(zhuǎn)了高脂飲食引起的脂代謝、糖代謝、氨基酸代謝、膽堿代謝和腸道菌群代謝的紊亂[22]。小檗堿[23]恢復(fù)非酒精性脂肪肝小鼠雙歧桿菌水平，升高擬桿菌/厚壁菌門比例，顯著降低體重、血脂、血糖、胰島素水平，降低胰島素抵抗，下調(diào)炎癥因子表達(dá)。納米山藥多糖[24]有改善急性肝衰竭模型大鼠菌群失調(diào)和細(xì)菌易位作用，增加雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)量，降低腸球菌、腸桿菌、類桿菌數(shù)量，降低大鼠肝臟指數(shù)，從而改善肝衰竭癥狀。SU[25]采用代謝組學(xué)核磁共振技術(shù)發(fā)現(xiàn)巖黃連生物堿對慢性肝損傷有較好的治療作用，可能是通過對脂質(zhì)代謝、三羧酸循環(huán)、糖酵解和腸道菌群的調(diào)節(jié)而起效的。

2.2.3 免疫性疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病 神經(jīng)—內(nèi)分泌—免疫體系相關(guān)疾病與腸道菌群的研究也日益增加。腸道菌群的紊亂會導(dǎo)致免疫系統(tǒng)紊亂，引發(fā)免疫系統(tǒng)疾病。羅蘭等[26]研究發(fā)現(xiàn)用香菇多糖對腸道微生態(tài)失調(diào)小鼠進(jìn)行治療后，小鼠腸道雙歧桿菌、乳酸桿菌數(shù)量顯著增加，而腸桿菌和腸球菌的數(shù)量顯著降低，脾臟指數(shù)明顯增加，對胸腺指數(shù)無影響，顯著增強(qiáng)了淋巴細(xì)胞轉(zhuǎn)化率，表明香菇多糖能調(diào)整小鼠腸道菌群及免疫功能。SU[27]通過核磁共振技術(shù)研究了當(dāng)歸四逆湯干預(yù)類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎模型大鼠后的代謝通路，發(fā)現(xiàn)其對腸道菌群的調(diào)節(jié)是藥物起效的靶點(diǎn)。

腸道菌群也通過腦-腸軸的這種雙向系統(tǒng)作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而對全身的代謝和行為產(chǎn)生影響，調(diào)節(jié)腸道菌群也可治療中樞系統(tǒng)疾病。消遙散[28]對抑郁大鼠的治療效果顯著，其抗抑郁機(jī)制可能與對能量代謝紊亂，氨基酸代謝的調(diào)節(jié)和腸道菌群的調(diào)整有關(guān)。六味地黃丸[29]能改善阿爾海默茨大鼠認(rèn)知功能障礙，包括空間學(xué)習(xí)和記憶能力，主動回避反應(yīng)，和物體識別記憶能力。

3 腸道菌群對中藥有效成分和中藥復(fù)方的代謝作用

消化道是藥物代謝轉(zhuǎn)化的主要場所，傳統(tǒng)中藥的特色是以多成分的中藥復(fù)方口服給藥，口服吸收的生物利用度不高，但實(shí)際上方劑卻表現(xiàn)出很好的療效，腸道菌群在其中起了很大的作用。腸道菌群對中藥多種成分的生物轉(zhuǎn)化以水解為主，氧化和還原為輔，不同種類的細(xì)菌含不同的藥物代謝酶，這些代謝酶參與不同類型的藥物代謝。中藥有效成分在特定代謝酶的作用下，才能轉(zhuǎn)化成具有藥理或毒理作用的活性成分。中藥含有的大多數(shù)糖苷類成分在腸道內(nèi)吸收差、生物利用度低、滯留時間長，經(jīng)腸道菌群代謝后主要以相應(yīng)的苷元形式被吸收，發(fā)揮藥效。

熊果苷是一種常見的存在于多種食品性植物中的化合物。熊果苷可以在腸道中雙歧桿菌的代謝作用下生成其代謝產(chǎn)物對苯二酚，對肝癌細(xì)胞具有抑制作用，促進(jìn)其凋亡，但原型成分熊果苷并無此活性[30]。代謝組學(xué)顯示小檗堿口服生物利用率低，半衰期短，其在腸道微生物的作用下可以轉(zhuǎn)換成二氫小檗堿，腸道吸收率提高5倍[31]。李夢[32]通過體內(nèi)及體外研究初步證實(shí)了腸道菌群是小檗堿發(fā)揮某些藥理作用的靶點(diǎn)。通過體外條件下對健康大鼠的腸道菌群和小檗堿進(jìn)行共培養(yǎng)，通過測序鑒定出能夠代謝小檗堿的兩株菌，均為變形菌屬的細(xì)菌，再通過UPLC-Q-TOF-MS/MS技術(shù)鑒定出被2個菌株生物轉(zhuǎn)化的小檗紅堿、藥根堿、非洲防己堿、唐松草分定和去亞甲基小檗堿等5種代謝產(chǎn)物。

中藥復(fù)方是中醫(yī)整體觀念、辨證論治的重要體現(xiàn)，中藥經(jīng)合理配伍后，其作用于機(jī)體的藥效與單味藥相比大有不同，且并非是各個單味藥的簡單疊加。中藥復(fù)方在腸道內(nèi)經(jīng)過腸內(nèi)菌群的作用，各味藥的生物轉(zhuǎn)化過程和藥-藥的協(xié)同作用過程同樣會發(fā)生變化。腸道菌群能夠調(diào)節(jié)中草藥多組分的協(xié)同和拮抗作用，是中藥起效的重要靶點(diǎn)。

王曦?zé)畹萚33]利用電噴霧多級串聯(lián)質(zhì)譜法分析了大鼠腸內(nèi)菌群作用下制川烏分別與浙貝母、法半夏和白蘞配伍后共煎液的中烏頭類生物堿的含量變化，結(jié)果表明，浙貝母可增加雙酯型生物堿含量,法半夏可降低雙酯型生物堿含量,而白蘞對雙酯型生物堿含量影響不大;大鼠腸內(nèi)菌群能夠進(jìn)一步降低雙酯型生物堿的毒性并增加毒性較小的脂型生物堿的含量，腸內(nèi)菌的生物轉(zhuǎn)化過程對中藥復(fù)方起到了明顯的減毒增效作用。陶偉偉等[34]研究發(fā)現(xiàn)千金子與甘草合用可在腸黏膜損傷、腸道菌群結(jié)構(gòu)、腸道菌群代謝功能等層面表現(xiàn)出合用增毒的配伍禁忌現(xiàn)象，千金子與甘草合用增加了有害菌屬的含量，同時增強(qiáng)腸道菌群代謝芳香氨基酸的能力，使吲哚、對甲酚等有毒物質(zhì)含量增加，同時增強(qiáng) LPS合成，將進(jìn)一步增加腸道損傷。

4 中藥與腸道菌群相互作用的研究方法

傳統(tǒng)的糞便和離體消化道內(nèi)容物溫孵法費(fèi)時耗力，而且腸道內(nèi)絕大多數(shù)微生物通過傳統(tǒng)方法也難以培養(yǎng)，對于研究腸道菌群的多樣性有著很大的局限。因此，研究腸道微生態(tài)需要采用一些快速、準(zhǔn)確、高通量的分子生物學(xué)技術(shù)，提高對腸道菌群的鑒定能力。

4.1 基于測序的技術(shù) 16S rRNA基因測序是目前微生物群落多樣性研究中最常用的方法。用16S rRNA基因測序技術(shù)分析口服中藥或中藥復(fù)方前后腸道內(nèi)容物或糞便中腸道菌的變化，以此來了解中藥對機(jī)體的腸道菌群組成造成的影響。宏基因組是指一個微生物群落內(nèi)所有成員的基因組的總和，是一種不需要分離培養(yǎng)微生物而直接發(fā)現(xiàn)和利用其基因的新的技術(shù)策略，能夠更加全面而深入的解析微生物群落的結(jié)構(gòu)和組成，挖掘更多未知的功能基因和功能菌。宏基因組學(xué)方法有明顯的優(yōu)勢，綜合分析了復(fù)雜微生物群落的系統(tǒng)、物理和功能特性，充分了解了微生物的動態(tài)變化，但目前對于微生物群落的實(shí)際活動或生理條件下與宿主的相互作用仍然有待深入研究。

4.2 代謝組學(xué) 基于宿主和菌群之間進(jìn)行著活躍的代謝交換以及“共代謝”過程，通過全基因組測序和宏基因組方法能夠獲得腸道菌群基因組的信息，但并不能闡明腸道菌群如何影響宿主代謝譜，其作用模式如何?；诨蚬δ艿膹?fù)雜性和生物系統(tǒng)的完整性，需要建立從整體層面來連續(xù)動態(tài)研究腸道菌群的方法。代謝組學(xué)采用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)或核磁共振等技術(shù)，對口服中藥或中藥復(fù)方后動物模型的腸道內(nèi)容物、糞便、血、尿和膽汁中的轉(zhuǎn)化代謝產(chǎn)物進(jìn)行定量分析，可以確定中藥在體內(nèi)的轉(zhuǎn)化途徑和腸道菌群對宿主的代謝作用。

5 展望

腸道是人體微生物種類數(shù)目最高的器官，腸道菌群被譽(yù)為“人體的第二基因組”，對人類健康的影響已經(jīng)越來越受到重視，腸道菌群與中藥的關(guān)系已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。從腸道菌群結(jié)構(gòu)改變和調(diào)節(jié)目標(biāo)菌群/株的角度探討中藥對于菌群失衡的轉(zhuǎn)歸作用將會進(jìn)一步闡釋中藥發(fā)揮藥效的生物學(xué)機(jī)制。基于多組學(xué)技術(shù)研究中藥作用機(jī)制的策略，宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)與代謝組學(xué)技術(shù)的結(jié)合有助于發(fā)現(xiàn)腸道菌群與中藥代謝及宿主代謝的密切關(guān)系，發(fā)現(xiàn)腸道菌群與中藥多成分之間相互作用，尋找潛在的共代謝標(biāo)志物，鑒定與中藥代謝相關(guān)的功能菌，從而理解中藥多成分多靶點(diǎn)多層次的作用機(jī)制。中藥及中藥復(fù)方起效的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)不明確是中藥現(xiàn)代化的 “瓶頸”，制約了其發(fā)展和應(yīng)用，多組學(xué)的關(guān)聯(lián)分析將有助于進(jìn)一步闡明中藥發(fā)揮藥效的作用物質(zhì)基礎(chǔ)及作用的分子機(jī)制，開發(fā)以腸道菌群為靶點(diǎn)的個性化中藥并進(jìn)行臨床個性化治療。