高原低氧條件下的腸道菌群與藥物代謝

劉貴琴，李向陽,2

(1.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧810001；2.三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點實驗室，青海 西寧810016)

機(jī)體的腸道中定植著種類繁多的微生物，這些腸道微生物以相應(yīng)的比例組合，這些菌群彼此制約、彼此依存，在質(zhì)和量上達(dá)到一定的動態(tài)平衡。腸道內(nèi)的微生物輕則影響體重、消化能力和抗菌能力，重則產(chǎn)生對人類健康有重大危害的疾病[1]。腸道菌群與疾病的發(fā)生和發(fā)展息息相關(guān)，因此，腸道菌群中可能存在影響藥物代謝的因素。現(xiàn)階段隨著對腸道菌群研究的日益重視，高原特殊環(huán)境對腸道菌群的研究也逐漸增多。由于高原低氧條件下腸道菌群和平原地區(qū)的腸道菌群有所差異，其對藥物代謝及其作用機(jī)制的影響可能也會有所差別，研究高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝的影響可能對高原地區(qū)不同人群合理用藥和高原疾病防治提供重要的理論支撐。因此，高原低氧條件下對腸道菌群的深入研究在治療人類疾病等方面具有重要的意義。

1 腸道菌群

腸道菌群是機(jī)體腸道中定植的正常微生物，其有助于機(jī)體必需礦物元素的吸收，可產(chǎn)生生命活動所需的多種維生素。腸道菌群種類繁多、數(shù)量較大，在機(jī)體腸道中定植的細(xì)菌較機(jī)體細(xì)菌數(shù)量總數(shù)的10倍還多，其中厚壁菌門和擬桿菌門所占比例較大[2]。

1.1 腸道菌群的分類 腸道菌群按不同依據(jù)有3種分類方法，如表1所示。按腸道菌群對氧氣的依賴性分為需氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌[3]；按其自然屬性可分為厚壁菌門、疣微菌門、變形菌門、擬桿菌門、放線菌門、梭桿菌門、藍(lán)藻菌門、螺旋體門及VadinBE97門，目前發(fā)現(xiàn)人體腸道內(nèi)的菌群均位于以上9種菌門中[4]；按其與宿主的關(guān)系還可分為共生菌、條件致病菌和致病菌[5]，機(jī)體腸道內(nèi)共生菌占大多數(shù)且對機(jī)體有益，而條件致病菌數(shù)量極少且只有在內(nèi)環(huán)境紊亂時才可對機(jī)體造成危害。

表1 腸道菌群的分類

1.2 腸道菌群的功能

1.2.1 生理屏障作用 機(jī)體腸道黏膜的生物屏障由腸道菌群構(gòu)成，是重要的防御屏障之一。Koren等[6]早在1887年就發(fā)現(xiàn)微生物之間存在拮抗作用且對預(yù)防和治療家兔的炭疽病有較好的療效。腸道菌群的生理屏障作用可防止病原體入侵，是保護(hù)腸道的第一道防線，在腸道穩(wěn)態(tài)維持中必不可少。

1.2.2 營養(yǎng)作用 腸道菌群的營養(yǎng)作用可從多個方面體現(xiàn)。一方面，腸道菌群可導(dǎo)致致病菌生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)減少，使外來致病菌的生長繁殖減慢。這種行為加強(qiáng)了機(jī)體對外來致病菌的抵抗作用，并增強(qiáng)了機(jī)體對各種營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用。另一方面，處于穩(wěn)態(tài)的腸道菌群能合成多種機(jī)體生長發(fā)育所必需的維生素，并與營養(yǎng)物質(zhì)的代謝密不可分，同時促進(jìn)微量元素的吸收[7]。

1.2.3 免疫作用 腸道是機(jī)體最大的免疫器官，也是與外界環(huán)境接觸最多的器官之一。處于穩(wěn)態(tài)的腸道菌群在腸黏膜免疫屏障作用的調(diào)控中有不同的角色。一方面，腸道菌群作為抗原對腸黏膜存在潛在的危害。另一方面，腸黏膜細(xì)胞的某種營養(yǎng)成分可由腸道菌群獲得，從而使菌群的平衡不受破壞。此外，機(jī)體免疫器官的發(fā)育還可通過腸道菌群促成，使T、B淋巴細(xì)胞的數(shù)量升高，產(chǎn)生非特異性免疫作用[8]。

1.2.4 抗腫瘤作用 處于穩(wěn)態(tài)的腸道菌群與腫瘤的免疫調(diào)節(jié)息息相關(guān)。腸道菌群在一定程度可抑制腫瘤的產(chǎn)生，其產(chǎn)生的細(xì)菌酶可促進(jìn)致癌前體物質(zhì)向致癌物轉(zhuǎn)化，而菌群中含有益生菌乳酸桿菌，其使細(xì)菌酶的活性和產(chǎn)生相應(yīng)降低。癌細(xì)胞生長過程中所需的物質(zhì)會受到腸道益生菌的影響，從而使腫瘤的產(chǎn)生得到抑制[9]。王偉杰等[10]研究發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌完整肽聚糖具有抑制人結(jié)腸癌細(xì)胞增殖的能力，導(dǎo)致結(jié)腸癌的癌細(xì)胞生長受到限制。

1.3 腸道菌群的影響因素

1.3.1 飲食 影響腸道菌群的因素有眾多，其中飲食是最為重要的因素。長期的飲食調(diào)節(jié)可使機(jī)體的腸道菌群發(fā)生變化，但短期飲食調(diào)節(jié)很難使菌群發(fā)生變化。Zhernakova等[11]發(fā)現(xiàn)多種飲食因子會影響腸道菌群的多樣性。因此，健康的腸道菌群可以通過合理的膳食來得到相應(yīng)的改善。

1.3.2 運動 適度的運動可使腸道微生態(tài)發(fā)生變化。運動可以提高腸道炎性疾病患者的生活水平，但目前對腸道菌群的健康可通過運動來改善的機(jī)制了解較少。Campbell等[12]研究發(fā)現(xiàn)運動對腸道菌群和腸道完整性的有較大的影響，運動可緩解高脂肪飲食患者的腸道炎癥反應(yīng)。

1.3.3 益生菌、益生元 益生菌和益生元可用來調(diào)節(jié)腸道菌群，乳桿菌類、雙歧桿菌類等為最常用的益生菌。而益生元可促進(jìn)乳酸桿菌、雙歧桿菌等益生菌的生長，抑制致病菌的數(shù)量，保護(hù)腸道菌群的平衡。Tap等[13]發(fā)現(xiàn)在體質(zhì)量健康的機(jī)體中添加膳食纖維，可提高腸道菌群的穩(wěn)定性。另外，通過影響益生菌和益生元數(shù)量的變化使腸道菌群發(fā)生變化從而對治療腸道疾病起到一定的推動作用。

1.3.4 藥物 影響腸道菌群最常見的藥物為抗菌藥物。Panda等[14]研究短期服用廣譜抗生素對機(jī)體腸道菌群的影響時發(fā)現(xiàn)在服用喹諾酮類藥物后核心系統(tǒng)微生物群減少。此外，降糖藥與腸道菌群之間的關(guān)系也備受關(guān)注，有研究發(fā)現(xiàn)服用二甲雙胍導(dǎo)致機(jī)體腸內(nèi)大腸桿菌的數(shù)量增多[15]，由此提示腸道菌群的特征可能與藥物療效有關(guān)。

由于腸道菌群體積微小、結(jié)構(gòu)簡單、易繁殖等特點，極易受到各種因素的影響，了解腸道菌群的影響因素對維持腸道菌群與機(jī)體健康有積極作用。總之，研究腸道菌群的影響因素，不僅具有現(xiàn)實臨床意義，還可能是研究疾病防御措施的一個新方向。

2 高原環(huán)境與腸道菌群

腸道菌群在處于穩(wěn)態(tài)時與機(jī)體和外界環(huán)境之間維持相對穩(wěn)定狀態(tài)，其可保護(hù)機(jī)體健康位于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。但在高原地區(qū)，大部分人不能立即適應(yīng)環(huán)境，出現(xiàn)“高原反應(yīng)”，一部分人會出現(xiàn)以惡心、嘔吐、食欲缺乏、腹瀉、腹脹為特征的腸道微環(huán)境紊亂稱為“高原胃腸應(yīng)激綜合征”[16]。

2.1 高原地區(qū)自然環(huán)境 高原地區(qū)空氣稀薄，地表溫度高，紫外線會隨海拔增高而加強(qiáng)。高原地區(qū)受物理條件變化和垂直地帶性的影響，大氣壓隨著海拔高度的降低而升高，海拔每上升100 m，大氣壓降低12.7 kPa，海拔過高會出現(xiàn)降水量下降[17]。此外，空氣濕度低會導(dǎo)致流感病毒繁殖速度的加快，高原地區(qū)除上述特征外，還有多風(fēng)沙、高風(fēng)速、晝夜溫差大和氣候多變等特點。

2.2 高原低氧環(huán)境對腸道菌群的影響 機(jī)體進(jìn)入高原后會導(dǎo)致消化系統(tǒng)發(fā)生一定的改變，胃腸屏障破壞和功能紊亂，導(dǎo)致細(xì)菌移位以至腸道菌群失調(diào)。研究證明[18]腸道是機(jī)體應(yīng)激反應(yīng)的中心器官，高原應(yīng)激可降低消化間期小腸的移行性復(fù)合運動發(fā)生率，小腸蠕動降低影響細(xì)菌向下沖刷的能力，使細(xì)菌容易在小腸定植。機(jī)體處于高原環(huán)境時腸道反應(yīng)最為敏感，當(dāng)機(jī)體逐漸適應(yīng)高原應(yīng)激后，腸道是最后適應(yīng)這種應(yīng)激反應(yīng)的器官。因此，機(jī)體在高原缺氧環(huán)境下比在平原上更容易出現(xiàn)腸黏膜屏障功能損傷。研究表明[19]低氧、低溫、強(qiáng)輻射等環(huán)境因素會導(dǎo)致雙歧桿菌的數(shù)量減少，從而引起腸道菌群發(fā)生紊亂。高原低氧所致的腸功能障礙會引起腸黏膜上皮發(fā)生壞死、脫落，使定植腸道菌群的穩(wěn)態(tài)被打破，其有益菌和致病菌的數(shù)量就會發(fā)生變化。

2.3 高原低氧條件下腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致的疾病及其防治 平原條件下腸道菌群失衡會影響膽汁酸代謝、胰島素抵抗、炎癥反應(yīng)、糖尿病、心血管疾病、高血壓與肥胖等疾病的發(fā)生[20]。高原低氧條件下腸道菌群紊亂導(dǎo)致的疾病與平原地區(qū)有所相同也有所不同，高原低氧條件下會產(chǎn)生惡心、嘔吐、腹瀉、腸易激綜合征、炎性腸道疾病等其他疾病[21]。目前對進(jìn)入高原地區(qū)出現(xiàn)腹瀉，腹脹和消化不良等特征的腸道菌群失調(diào)的個體來說還缺乏特異、有效的防治規(guī)范。主要的建議有心理支持和認(rèn)知行為干預(yù)、吸氧與高原氧預(yù)處理、合理使用抗生素與益生菌等方法。高原環(huán)境對機(jī)體的影響是多方面的，研究多集中于心、肺腦等較大臟器，但對腸道的研究較少，因此加強(qiáng)腸道菌群在高原低氧條件下的研究對在高原特殊環(huán)境中導(dǎo)致的腸道菌群失調(diào)所引起的疾病的治療具有重要的意義。

3 腸道菌群與藥物代謝

腸道是藥物吸收、分解和代謝的主要場所之一，腸道內(nèi)不同的菌群，對藥物代謝產(chǎn)生的影響也有所差異。腸道菌群對藥物代謝的影響在不同個體中存在不同的差異，且受多種因素的影響，如環(huán)境、抗生素使用、年齡階段等[22]?，F(xiàn)階段關(guān)于腸道菌群對藥物代謝產(chǎn)生影響的研究基本都集中于平原地區(qū)進(jìn)行，通過給一定的抗生素干擾對其產(chǎn)生的影響進(jìn)行探究，但高原特殊環(huán)境中對其研究較少。研究表明高原特殊環(huán)境會使藥物的藥代動力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化[23-25]。通過對機(jī)體進(jìn)入高原特殊環(huán)境后腸道菌群穩(wěn)態(tài)被打破的了解以及腸道菌群對藥物代謝影響的相應(yīng)研究，高原低氧條件下藥代動力學(xué)參數(shù)變化的另一因素可能是腸道菌群，深入研究高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝的影響有利于高原低氧下臨床合理用藥、毒理學(xué)風(fēng)險評估、引導(dǎo)個體化用藥等方面的指導(dǎo)。

3.1 腸道菌群對藥物代謝的影響 藥物是影響腸道菌群的又一因素，藥物的吸收、療效及毒副作用與腸道菌群的代謝活性存在密不可分的關(guān)系。藥物代謝指藥物濃度在生物體內(nèi)隨時間發(fā)生變化的過程，藥物的代謝反應(yīng)可以分為氧化、還原、水解和結(jié)合[26]，其中氧化、還原和水解反應(yīng)為Ⅰ相代謝，Ⅱ相代謝為結(jié)合反應(yīng)。

肝臟是藥物代謝的主要部位，但有研究發(fā)現(xiàn)[27]大部分藥物在通過腸道時就已經(jīng)被代謝，這類藥物主要有參與肝腸循環(huán)和口服的藥物，腸道中的菌群會將口服藥物在經(jīng)胃腸道吸收進(jìn)入血液之前即被代謝，參與肝腸循環(huán)的藥物當(dāng)其代謝物隨膽汁分泌到腸道中時也可能被腸道菌群代謝，最終減少了進(jìn)入體循環(huán)的實際藥量，從而使藥物的生物利用度有所降低[28]。甲硝唑的研究顯示[29]腸道菌群參與了甲硝唑的還原代謝，使甲硝唑與腸道菌群的接觸時間增多，進(jìn)而使腸道菌群對藥物代謝產(chǎn)生的影響起到積極的作用。由此可見腸道菌群為藥物代謝提供了特殊的場所，其對藥物代謝的作用也不容忽視。

現(xiàn)階段腸道菌群對化學(xué)藥物代謝的研究主要集中于兩方面，一方面以其代謝產(chǎn)物為介導(dǎo)，另一方面腸腔中的CYP450酶、腸微生物酶、Ⅱ相代謝酶等，都會對藥物代謝產(chǎn)生影響。Kim等[30]發(fā)現(xiàn)抗生素可抑制腸道菌群的代謝活性，從而對阿司匹林的藥代動力學(xué)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使阿司匹林的治療效果得到改善。研究發(fā)現(xiàn)[31]許多中藥的有效成分發(fā)揮作用需要經(jīng)過腸道微生物的生物轉(zhuǎn)化，使用腸道菌群對葛根素和異黃酮苷進(jìn)行代謝的實驗發(fā)現(xiàn)生成的代謝產(chǎn)物對機(jī)體的效果更加的顯著?，F(xiàn)階段由于藥物的多樣性，人腸道菌群代謝的復(fù)雜性，以及其他因素的限制，腸道菌群對藥物代謝影響的研究仍處于積累階段。研究腸道菌對藥物代謝的影響對是否可通過用藥調(diào)整腸道菌群來進(jìn)行相關(guān)疾病的治療是值得思考的問題。

3.2 高原低氧對藥物代謝的影響 高海拔地區(qū)的環(huán)境因素使機(jī)體正常的機(jī)能受到影響，機(jī)體進(jìn)入高原地區(qū)會使細(xì)胞氧濃度低于正常值，缺氧影響藥物的吸收、分布、代謝和排泄，進(jìn)而使藥物的藥代動力學(xué)特征發(fā)生變化。早在二十世紀(jì)80年代就已經(jīng)有關(guān)于高原低氧影響藥物代謝的研究。近年來，隨著實驗條件的成熟，陸續(xù)在動物和機(jī)體上開展了有關(guān)高原低氧條件下藥物代謝的相關(guān)研究，結(jié)果反映出高原特殊環(huán)境會使藥物的體內(nèi)代謝過程發(fā)生變化。

目前，已有較多文獻(xiàn)證實高原特殊環(huán)境會使機(jī)體的藥代動力學(xué)參數(shù)發(fā)生顯著變化。藥物的體內(nèi)轉(zhuǎn)化會消耗大量氧氣，機(jī)體進(jìn)入高原耗氧量則會增加。有研究顯示[32]缺氧環(huán)境中的肝臟，其膽汁能力受到抑制，藥物的生物轉(zhuǎn)化率降低，清除率受到影響。Li等[33]研究發(fā)現(xiàn)急進(jìn)平原志愿者和久居高原志愿者體內(nèi)磺胺甲噁唑發(fā)生變化，其主要變化為半衰期延長、清除率降低。Du Souich等[34]研究苯妥英鈉在低氧血癥、高血酸血癥二者結(jié)合時產(chǎn)生的影響發(fā)現(xiàn)在其他條件下不會產(chǎn)生變化，但低氧血癥組的清除率顯著降低。

藥物的氧化代謝是生物轉(zhuǎn)化的主要途徑之一，這個途徑需要CYP450酶的參與，現(xiàn)階段高原特殊環(huán)境中藥物代謝的研究主要集中在CYP450酶系統(tǒng)。周雪姣等[35]研究表明藥物的代謝參數(shù)與CYP450酶和轉(zhuǎn)運體存在密切的聯(lián)系，所以研究高原特殊環(huán)境中的藥物代謝不可避免地與酶與轉(zhuǎn)運體有聯(lián)系。CYP1A、CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1、CYP3A4及其他藥物代謝酶為機(jī)體肝臟中主要的代謝酶[36]，其中以CYP3A4為機(jī)體主要的代謝酶，低氧狀態(tài)下CYP酶的變化情況已有較多文獻(xiàn)報道，部分高原低氧條件下藥物代謝酶活性和表達(dá)的變化如表2所示。此外，藥物代謝也包括機(jī)體對藥物的轉(zhuǎn)運，其在介導(dǎo)多數(shù)藥物通過細(xì)胞膜進(jìn)入機(jī)體發(fā)揮藥效中的作用不可忽視?，F(xiàn)階段腫瘤研究是高原特殊環(huán)境與藥物轉(zhuǎn)運體關(guān)系研究較多的部分，因為多數(shù)實體瘤都會使機(jī)體處于部分低氧的狀態(tài)。Rohwer等[37]對不同腫瘤細(xì)胞中轉(zhuǎn)運體變化的研究進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)運體的蛋白表達(dá)受低氧誘導(dǎo)因子的調(diào)節(jié)，使化療藥物的療效得到改善。當(dāng)機(jī)體處于低氧狀態(tài)時，隨著對藥物代謝影響因素的進(jìn)一步研究，代謝相關(guān)型核受體及細(xì)胞因子也存在相應(yīng)的變化，與藥物代謝參數(shù)的變化具有存在一定聯(lián)系[26]。雖然高原低氧影響藥物代謝的研究在CYP450酶及其相關(guān)藥物方面取得一定研究成果，但仍存在很大的研究空間。高原低氧對藥物代謝的研究成為高原醫(yī)學(xué)與藥物代謝研究的一個新的突破點，可對位于特殊地區(qū)人群的用藥提供依據(jù)，并為高原條件下研究藥物作用新靶點提供思路。

表2 高原低氧條件下藥物代謝酶活性和表達(dá)的變化

注：-：無變化，↑：升高，↓：降低

3.3 高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝可能產(chǎn)生的影響 高原特殊環(huán)境會使處于穩(wěn)態(tài)的腸道菌群受到影響，腸道菌群失衡也會打破菌種的種類和數(shù)量的平衡，導(dǎo)致藥物的代謝受到影響。腸道菌群影響藥物代謝可能與其影響藥物代謝酶和轉(zhuǎn)運體有關(guān)。Li等[38]研究發(fā)現(xiàn)低氧使CYP2C19的活性升高，顯示低氧會對藥物代謝酶產(chǎn)生影響。機(jī)體對藥物的轉(zhuǎn)運過程也屬于藥物代謝的一部分，周雪姣等[39]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)運體的特異性底物在高原低氧下的吸收速率常數(shù)和滲透系數(shù)分別顯著升高，表明腸道吸收增多，初步說明轉(zhuǎn)運體在高原低氧下活性降低。有研究采用Western Blot法對無菌小鼠與無特殊病原體小鼠CYP450的蛋白表達(dá)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)與無菌小鼠相比SPF小鼠肝臟內(nèi)大多數(shù)CYP異構(gòu)酶、一些轉(zhuǎn)運體以及涉及石膽酸解毒作用的結(jié)合酶表達(dá)水平更高[40]。腸道菌群形成的石膽酸激活PXR和CAR，使部分CYP450酶的表達(dá)有所提升。由上可推測出腸道菌群對藥物代謝可能主要通過參與核受體對藥物代謝酶和轉(zhuǎn)運體的調(diào)控及其自身產(chǎn)生的某些酶產(chǎn)生一定的作用。

4 展望

腸道菌群在機(jī)體中的角色不可替代，其與宿主維持著共生或拮抗的關(guān)系，與機(jī)體的健康和疾病也密不可分。氧是維持機(jī)體生存必不可少的條件，高原地區(qū)氧氣含量的減少，直接造成肺泡氣體中的氧分壓降低，導(dǎo)致腸道菌群的動態(tài)平衡無法維持，從而產(chǎn)生疾病[41]。腸道菌群對藥物的藥效、毒性有不同程度的影響，表明其在藥物代謝中起著一定的作用。因此，研究腸道菌群在藥物代謝中所起的作用為提高藥物的安全性和有效性等方面可能提供指導(dǎo)作用。

高原低氧條件下藥物的體內(nèi)代謝動力學(xué)特征發(fā)生顯著變化，藥物代謝酶和轉(zhuǎn)運體是影響藥物代謝的主要因素。研究藥物代謝過程中腸道菌群所起的作用，明確藥物的轉(zhuǎn)化過程，對于指導(dǎo)高原地區(qū)患者合理用藥、新型藥物發(fā)現(xiàn)和研發(fā)等方面都起著推動作用[42]。因此腸道菌群對藥物代謝的影響可能為高原低氧條件下藥物代謝變化機(jī)制的研究提供了幫助，從而對高原人群的合理用藥起到指導(dǎo)作用。但在研究過程中由于諸多因素的限制，如高原條件真實性的反應(yīng)、實驗動物與機(jī)體腸道的差異和腸道菌群的復(fù)雜性等因素，對開展試驗帶來了一定程度的阻礙，因此能否根據(jù)高原低氧條件下腸道菌群對藥物代謝影響的研究，為我們了解高原地區(qū)人群體內(nèi)藥物代謝變化提供依據(jù)，這需要深入研究才可得到答案。