腸道菌群對藥物代謝影響的研究進展

陳玉艷，王 榮，張娟紅，鹿 輝，李文斌，王 昌，孫月梅

(1. 寧夏醫(yī)科大學藥學院，寧夏 銀川 730000; 2. 蘭州軍區(qū)蘭州總醫(yī)院全軍高原環(huán)境損傷防治重點實驗室，甘肅 蘭州 730050)

腸道菌群是居住在人體內的最主要和最多樣的微生物群落[1]，包括數百種微生物種類，其計數約為體細胞數量的10倍。腸道菌群的研究主要集中在糖尿病、肥胖等慢性代謝性疾病，以及克羅恩病(Crohn’s disease, CD)、潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)等炎癥性腸病方面[2]。自20世紀中葉以來，腸道微生物群對藥物代謝的影響受到關注，隨著腸道微生物群的各種代謝能力被發(fā)現(xiàn)，其在藥物代謝中的作用也逐漸得到了深入研究。腸道菌群對藥物代謝的影響與藥物的藥效及毒理作用密切相關，從而影響臨床上的合理用藥。已有研究表明[3-4]，急進高原后，藥物的藥代動力學參數會發(fā)生變化，其變化的原因主要集中在代謝酶和轉運體方面?；诩边M高原環(huán)境腸道菌群的改變及腸道菌群對藥物代謝的研究，腸道菌群可能是急進高原后藥物代謝動力學參數變化的又一影響因素。本文通過綜述腸道菌群的分類、功能及其在藥物代謝中的作用，明確藥物的體內轉化過程，一方面利于指導臨床合理用藥、毒理學風險評估、引導個體化用藥及推動藥物發(fā)現(xiàn)和研發(fā)；另一方面，為本課題組今后進一步研究高原環(huán)境下腸道菌群對藥物代謝的影響提供指導及理論基礎。

1 腸道菌群分類

人體腸道中棲息著遠遠超過人體自身細胞數量的微生物，這些微生物被統(tǒng)稱為腸道菌群。腸道菌群由大約400～500種不同的細菌組成，其中30～40種占腸道菌群的99%[5]。人體腸道內已鑒定出的細菌共9個門[6]，即厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)、疣微球菌門(Verrucomicrobia)、藍細菌門(Cyanobacteria)、螺旋體門(Spirochaeates)、VadinBE97菌門。腸道內98%以上的細菌屬于優(yōu)勢菌門，如厚壁菌門和擬桿菌門，而變形菌門、放線菌門、梭桿菌門和疣微球菌門數量及種類較為弱勢[6]。此外，根據腸道菌群與宿主的不同關系，腸道菌群可分為以下3類：有益菌、中性菌、有害菌[7]，見Tab 1。

Tab 1 Classification of intestinal flora

正常條件下，腸道菌群相對穩(wěn)定，但其組成和功能受一系列因素的影響，如飲食、益生菌、藥物及環(huán)境的變化等都是影響其變化的因素[1,8]。有研究報道，高脂飲食使得小鼠腸道中擬桿菌門的流行率增加，厚壁菌門及放線菌門的流行率降低[9]。此外，急進高原后腸道菌群失衡，如雙歧桿菌數量減少，而大腸埃希菌的數量增加[10]。腸道菌群的失調不僅會使得其結構發(fā)生改變，同時也會影響其功能。

2 腸道菌群的功能

人體腸道微生物組是人體龐大而復雜的微生物群落，是人體重要的代謝“器官”。腸道微生物在促進營養(yǎng)物質吸收、腸道黏膜屏障的保護、上皮細胞的生長發(fā)育、促進腸道淋巴組織(gut-associated lymphatic tissue, GALT)的形成、免疫應答、腸道pH的調節(jié)、生物拮抗、藥物的代謝和毒性等方面起重要作用，且與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關[2,5,10]，其中，腸道菌群對藥物代謝的影響是本文闡述的重點。肝臟是藥物代謝的主要部位，但是，口服藥物在經胃腸道吸收進入血液之前，被腸黏液、腸黏膜及腸道微生物所富含的酶代謝[9,11]。因此，腸道菌群在藥物代謝及口服生物利用度等方面起主要作用[11-13]。如Fig 1所示，腸道菌群可以產生一些酶，如硝基還原酶、偶氮還原酶等，這些酶在藥物的生物轉化中發(fā)揮重要的作用，影響藥物的毒性、有效性、生物利用度等。

3 腸道菌群對藥物代謝的影響

藥代動力學是研究藥物在生物體內吸收、分布、生物轉化和排泄過程的特點和規(guī)律的一門學科，即藥物分子被機體吸收后，在機體作用下發(fā)生的化學結構轉化。藥物代謝的變化會引起藥效和毒性的改變，前期研究藥物代謝的影響因素主要集中在代謝酶與轉運體方面[3-4]，20世紀中葉開始，腸道菌群在藥物代謝方面的作用逐漸被各國研究者所關注，并進行了大量研究。

3.1對中藥成分代謝的影響腸道菌群對中藥成分的生物轉化以水解作用為主，氧化還原作用為輔，所涉及的代謝酶主要包括水解酶、氧化還原酶、裂解酶和轉移酶[14]。在這些酶的作用下，中藥成分轉化成相應的藥理或毒理成分而發(fā)揮作用。近年來，腸道菌群對中藥不同類別成分代謝的研究包括黃酮類、皂苷類、生物堿類、蒽醌類、單萜類、甾體類、木脂素類化合物等。

3.1.1黃酮類化合物 李芳等[15]采用離體糞便溫孵法，觀察和比較人、正常大鼠、偽無菌大鼠腸道菌群對白花蛇舌草黃酮提取物的代謝作用。結果發(fā)現(xiàn)，白花蛇舌草提取物中各組分及其單體容易被腸道菌群快速(人/正常大鼠)代謝，主要代謝為槲皮素；在偽無菌大鼠腸菌孵育液中幾乎沒有代謝；腸道菌群對提取物中各組分代謝作用弱于相應單體。該結果證實，腸道菌群在黃酮類成分代謝中發(fā)揮著重要的作用。

3.1.2皂苷類化合物 皂苷類化合物大都可以被腸道菌群水解代謝。高霞等[16]將三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Rg2、人參皂苷Re、人參皂苷Rd及人參皂苷Rb1與離體大鼠腸道菌群在厭氧條件下孵育8、24 h，通過乙腈沉淀蛋白和乙酸乙酯萃取處理后，采用 LC-Q-TOF-MS/MS 對代謝產物進行定性分析。結果發(fā)現(xiàn)，這6種皂苷在腸道菌群的作用下，分別產生不同數量的代謝產物，這表明腸道菌群對這6種皂苷具有明顯的代謝轉化作用。

3.1.3生物堿類化合物 雙酯二萜類生物堿(diester diterpenoid alkaloids, DDAs)具有抗炎、鎮(zhèn)痛、強心等作用，如烏頭堿(aconitine, AC)、新烏頭堿(mesaconitine, MA)、海帕烏頭堿(hypaconitine, HA)等。通過體外糞便懸浮液厭氧溫育實驗，發(fā)現(xiàn)DDAs在腸道細菌的作用下可以發(fā)生羥基化、脫氧、去甲基化、去氧化脫甲基、酯水解(C-8、C-14位)及C-8位與長短鏈脂肪酸的酯交換等過程，完成生物轉化[17]。

3.1.4蒽醌類化合物 中藥大黃中含有蒽醌苷類化合物，宋瑞等[18]在比較生大黃、酒大黃、熟大黃、炭大黃4種大黃飲片水提液在大鼠腸道菌群中代謝轉化情況的研究中發(fā)現(xiàn)，蒽醌類化合物如大黃酚葡萄糖苷、大黃素葡萄糖苷及蘆薈大黃素葡萄糖苷，在腸道菌群的作用下可以被轉化，生成相應的大黃酚、大黃素及蘆薈大黃素，這些物質可以被腸道菌群進一步轉化為其他物質。糖苷鍵水解、醌式結構被還原和(或)乙酰氧基取代等，是腸道菌群作用下蒽醌苷類化合物的主要代謝途徑。

3.1.5單萜類化合物 龍膽苦苷是環(huán)烯醚萜類化合物，為常用中藥龍膽的主要有效成分，有保肝、利膽、抗炎等作用。

Fig 1 Effects of intestinal flora on drug metabolism

楊肖鋒等[19]通過HPLC法測定龍膽苦苷腸內菌培養(yǎng)液和大 鼠灌服龍膽苦苷后血清中的龍膽苦苷及其代謝產物龍膽堿和龍膽醛的含量，對比培養(yǎng)液與血清中藥物成分的變化，發(fā)現(xiàn)龍膽苦苷最終被腸道菌群代謝為其活性代謝產物龍膽醛。

3.1.6木脂素類化合物 木脂素在腸道菌群的作用下，通過糖苷鍵的水解、脫甲基、脫羥基、不對稱加氫、環(huán)合等過程，被轉化成具有生物活性的腸內脂(enterolactone, ENL)、腸二醇(enterodiol, END)。膳食中攝入的木脂素對人體健康產生一系列積極作用，如抗氧化、抗增殖、雌激素樣性質，以及預防乳腺癌、前列腺癌、心血管疾病、糖尿病等。亞麻木脂素(secoisolariciresinol diglucoside, SDG)是西方飲食中最常見的木脂素之一。Quartieri等[20]通過SDG體外糞便孵育實驗及給予志愿者亞麻籽補充劑，觀察SDG糞便孵育液、志愿者糞便及尿液中的SDG代謝物，結果發(fā)現(xiàn)在所有培養(yǎng)液中，SDG去糖基化生成開環(huán)異松木醇(secoisolariciresinol, SECO)，SECO進一步發(fā)生脫羥基、去甲基化，生成END和ENL，這說明了腸道菌群在SDG的生物轉化中起重要作用。

3.1.7甾類化合物 甾體皂苷是由螺甾烷類化合物衍生的寡糖苷，是一類具有改善心血管活性、抗癌、抗癡呆、抗病原微生物、降血糖等作用的重要中藥活性成分，存在于多種中藥如知母中。張鈺哲[21]通過體外大鼠腸道菌群藥物溫育及灌胃給予大鼠甾體皂苷樣品實驗，采用LC/MS/MS法檢測離體腸內菌對甾體皂苷樣品的代謝產物，以及給藥后不同時間尿樣及糞樣中甾體皂苷樣品的代謝產物。結果表明，甾體皂苷樣品容易被大鼠消化道菌群代謝，其主要代謝產物為代謝物M1，且隨著代謝時間的延長，代謝物M1的量逐漸增多，而甾體皂苷樣品的量則下降迅速。

目前，研究腸道菌群對中藥成分的代謝主要采用體外糞便處理液與藥物溫孵的方法，該方法簡單快捷，其缺點在于不能客觀地反映藥物在腸道內的動態(tài)變化及藥物在腸道內的時間依賴性代謝，且糞便容易受到外界環(huán)境的污染。此外，由于腸道菌群的復雜性及少數細菌不可培養(yǎng)性，腸道菌群影響中藥成分代謝的機制、參與其生物轉化的細菌種類及所產生的酶尚不清楚，且高原環(huán)境下腸道菌群在中藥成分代謝中的影響尚未見報道。

3.2對化學藥物代謝的影響腸道菌群對化學藥物的代謝一方面以其代謝產物，如丁酸、膽汁酸為介導，這些產物可以作為核受體的配體，間接影響藥物代謝[22]。另一方面，腸黏膜及腸腔中的CYP450酶、Ⅱ相代謝酶及腸微生物酶、細菌膜轉運蛋白等，都會對藥物代謝產生影響[8]。治療腸應激綜合征的柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine, SSZ)，其分子中含有通過偶氮鍵連接在一起的5-氨基水楊酸(5-aminosalicylic acid, 5-ASA)和磺胺吡啶(sulfapyridine, SP)，SSZ的效力依賴于腸道菌群所產生的偶氮還原酶，腸道菌群通過破壞偶氮鍵，將SSZ轉化為兩種主要的代謝產物5-ASA和SP，其中5-ASA是治療腸應激綜合征的活性成分[11]。Yoo等[23]將人和大鼠的糞便經厭氧稀釋液處理后，與洛伐他汀藥物厭氧孵育5 d，從孵育液中分離得到去甲基丁酰基代謝物、羥基化代謝物、活性羥基酸代謝物及羥化的羥基酸代謝物4種代謝產物，該結果說明了腸道菌群參與了洛伐他汀的代謝過程。此外，從藥物的肝微粒體酶孵育液中分離得到洛伐他汀的羥基化代謝物和羥基酸代謝物，該結果說明藥物的腸道菌群代謝和肝代謝存在重疊，腸道菌群可以被視為與肝相當的具有代謝潛能的器官。Kim等[24]在研究抗生素對阿司匹林藥理作用的影響時，通過分析大鼠糞便樣品的焦磷酸測序和選擇性培養(yǎng)基培養(yǎng)的實驗結果，發(fā)現(xiàn)氨芐青霉素處理會導致腸道微生物的數量和組成變化。這些結果表明，抗生素可以通過抑制腸道微生物群的代謝活性來調節(jié)阿司匹林的藥代動力學，從而增強阿司匹林的療效。

3.3高原環(huán)境下腸道菌群對藥物代謝的影響目前，研究腸道菌群對化學藥物代謝的影響，都是在低海拔地區(qū)下給予抗生素干擾后，對其進行研究探討，但是高原環(huán)境下腸道菌群對藥物代謝的影響尚未見報道。

高原環(huán)境具有低氧、低氣壓、強紫外線、寒冷、干燥等基本特點，其中低氧是影響人類生命活動的主要因素。文仁國等[25]采用核磁共振波譜儀(1H-NMR)檢測同齡紫紺型先天性心臟病嬰幼兒和健康兒童尿液馬尿酸的含量，探討長期缺氧對紫紺先天性心臟病嬰幼兒腸道菌群代謝的影響。結果發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，缺氧組的馬尿酸含量降低，這表明長期缺氧會影響嬰幼兒腸道菌群的代謝。此外，楊文翠[10]報道，急進高原大鼠的腸道菌群會失衡，他們通過比較不同海拔(500 m、3 848 m、4 767 m)腸道菌群的失衡率，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，海拔3 848 m組和海拔4 767 m組腸道菌群失衡率分別為53%和86%，并通過腸道細菌培養(yǎng)實驗發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，高海拔組大鼠腸道中的雙歧桿菌數量減少，而大腸埃希菌的數量增多。如果腸道微生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡被打破，腸道菌群就會失調，對藥物的代謝產生影響，進而影響藥理活性。

課題組前期研究表明，急進高原后多種藥物的代謝及其藥代動力學參數會發(fā)生變化，且有文獻報道，急進高原后腸道菌群會失調[10]，那么高原環(huán)境所導致的腸道菌群紊亂是否為引起藥物代謝變化的關鍵因素，這是一個值得我們深入研究的問題。課題組前期通過16S rRNA方法，測定高原環(huán)境下腸道菌群的變化情況，并探究其對化學藥物硝苯地平代謝的影響，結果表明，高原環(huán)境所引起的腸道菌群失調會引起硝苯地平代謝的改變，為后期研究高原環(huán)境下藥物代謝動力學參數變化提供了新的研究思路，也為指導急進高原人群合理用藥提供了理論依據。

4 總結與展望

腸內菌群與藥物代謝相關性的研究，已成為受國際關注的重要研究課題。口服藥物進入胃腸道，可能與腸道菌群發(fā)生相互作用，對藥物在體內的生物轉化具有非常重要的影響。目前，研究腸道菌群對藥物代謝的影響多在低海拔地區(qū)進行，而高原環(huán)境下腸道菌群對藥物代謝的影響鮮有文獻報道。研究腸道菌群對藥物代謝的影響，有利于了解藥物在體內的整個代謝過程，并利于闡明藥效產生的基礎。因此，研究高原環(huán)境下腸道菌群對藥物代謝的影響是一個亟待解決的問題。腸道菌群作為人體“隱形器官”，影響藥物的藥效、毒性及生物利用度，這表明腸道菌群在藥物代謝方面發(fā)揮著重要作用。通過綜述國內外文獻，課題組發(fā)現(xiàn)腸道微生物對藥物代謝的影響是研究高原低氧環(huán)境下藥物代謝變化機制的一個突破點，這有助于我們更進一步了解體內藥物代謝變化的過程，從而更好地指導急進高原及高原人群的合理用藥。