腸道菌群與精準(zhǔn)藥物治療

繆麗燕，丁肖梁

0 引 言

人體就像一個(gè)“超級(jí)生物體”，而腸道菌群就是人體的一個(gè)“隱藏的器官”，攜帶著人體的“第二基因”。腸道菌群主要定植在小腸末端和結(jié)腸，其密度分布隨著從腸道遠(yuǎn)端向近端、從腸腔內(nèi)向腸腔外2個(gè)方向遞減，同時(shí)腸道菌群的多樣性也同向遞減。成年人的腸道內(nèi)約有1000個(gè)菌群物種，含有1014個(gè)細(xì)菌，約是自身細(xì)胞數(shù)目的10倍，重量近乎肝的重量。腸道菌群與腸道一起構(gòu)成了人體多道生理屏障，包括生物屏障、化學(xué)屏障、機(jī)械屏障、免疫屏障，使宿主處于健康狀態(tài)。人體的腸道菌群最初來(lái)自于新生兒的口腔攝入和空氣攝入等途徑，逐漸在腸道內(nèi)定植，伴隨著宿主的生長(zhǎng)發(fā)育逐漸穩(wěn)定。腸道菌群與人體的遺傳背景無(wú)關(guān)，受到了多種因素的影響，比如藥物的使用、飲食、地理環(huán)境、疾病、運(yùn)動(dòng)和年齡等因素，然而諸多的影響因素也僅能解釋腸道菌群巨大變異的很小部分［1］。

隨著人類微生物組計(jì)劃和人類腸道宏基因組學(xué)計(jì)劃的啟動(dòng)和深入研究，人體的腸道菌群被證實(shí)了與多種疾病相關(guān)聯(lián)，如炎癥性腸病、肥胖、動(dòng)脈粥樣硬化、2型糖尿病、哮喘等，甚至于腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)的阿爾茨海默癥等重大疾病，涉及到了廣泛的疾病類型［2］。新近的研究表明，腸道菌群與治療藥物之間有著密不可分的聯(lián)系。腸道菌群可以直接降解藥物，也可以通過與宿主之間的相互作用影響藥物的體內(nèi)過程和藥理作用，同時(shí)藥物也可以調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)［3-4］。因此腸道菌群的差異可能是影響藥物治療有效性和安全性的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本文將從腸道菌群與藥物精準(zhǔn)治療方面進(jìn)行闡述。

1 腸道菌群的組成和調(diào)節(jié)基礎(chǔ)

腸道菌群主要由厭氧菌、兼性厭氧菌、需氧菌組成，其中厭氧菌是腸道的優(yōu)勢(shì)菌群，占腸道細(xì)菌的99%，具有營(yíng)養(yǎng)及免疫調(diào)節(jié)作用，為人體所必需。個(gè)體腸道菌群的組成在種水平上具有很大的差異，但在門水平上具有一定的穩(wěn)定性和保守性。重要的細(xì)菌種類主要包括厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、疣微菌門和梭桿菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（＞98%）。上述細(xì)菌按照對(duì)人體的作用又可分為：①與宿主共生的生理性細(xì)菌，如雙歧桿菌、乳酸桿菌；②與宿主共棲的條件致病菌，如腸桿菌、腸球菌；③病原菌，如變形桿菌、金黃色葡萄球菌。

腸道菌群與宿主之間存在復(fù)雜的調(diào)節(jié)平衡。腸道菌群可以維持正常的生理屏障，還可以幫助宿主吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)從宿主體內(nèi)吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。除了這些為人所熟知的生理功能，腸道菌群被發(fā)現(xiàn)參與了宿主代謝、免疫調(diào)節(jié)等多種生理過程，從而影響了藥物治療的有效性和安全性。因此腸道菌群、宿主與藥物三者之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。藥物口服后經(jīng)胃腸道吸收，在胃腸道的腸道菌群的作用下可能會(huì)被直接代謝，可能轉(zhuǎn)化成活性物質(zhì)或是代謝失活，也有可能會(huì)代謝產(chǎn)生毒性物質(zhì)，同時(shí)藥物也有可能會(huì)調(diào)節(jié)腸道菌群的結(jié)構(gòu)。除了簡(jiǎn)單的腸道菌群和藥物直接相互作用以外，腸道菌群與宿主可以通過底物的代謝交換與共代謝等方式相互作用，調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)從而影響到藥物的代謝和療效。腸道菌群同時(shí)具有調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)的作用，在當(dāng)前熱門的腫瘤免疫治療領(lǐng)域中也被發(fā)現(xiàn)具有重要的免疫治療調(diào)節(jié)作用［5］。

2 腸道菌群對(duì)藥物藥動(dòng)學(xué)和藥效學(xué)的影響

腸道微生物對(duì)藥物藥動(dòng)學(xué)和藥效學(xué)的影響主要體現(xiàn)在微生物對(duì)藥物直接代謝和微生物調(diào)節(jié)宿主代謝從而影響藥物作用。

2.1微生物直接代謝藥物口服后必然經(jīng)歷胃腸道，接觸定植在宿主胃腸道的微生物，會(huì)被微生物直接代謝。如人參中的主要活性成分人參皂苷已被證實(shí)會(huì)被腸道中的擬桿菌屬JY-6、擬桿菌屬、雙歧桿菌屬和梭桿菌屬等細(xì)菌代謝。除了滅活藥物以外，藥物也有機(jī)會(huì)被代謝成有活性的物質(zhì)。如水楊酸偶氮磺胺吡啶在預(yù)防和治療潰瘍性結(jié)腸炎時(shí)，口服給藥后在腸道菌群作用下還原成磺胺吡啶和5-氨基水楊酸，還原產(chǎn)物5-氨基水楊酸是有效的抗炎成分。

早在20世紀(jì)80年代，研究人員就發(fā)現(xiàn)了一種厭氧大腸菌遲緩埃格特菌可以代謝地高辛。幾十年后，科學(xué)家進(jìn)一步證實(shí)了遲緩埃格特菌對(duì)降解地高辛至關(guān)重要，基因組分析具有代謝活性的菌株攜帶強(qiáng)心糖苷還原酶（cgr）相關(guān)基因簇。在帶有遲緩埃格特菌的患者中，采用抗生素治療可以暫時(shí)性地消除非活性代謝物氫化地高辛的生成，并與用抗生素前的基線相比增加了地高辛的血清水平。同時(shí)高蛋白食物富含的精氨酸攝入后可以抑制cgr基因操縱子的表達(dá)，從而可以增加地高辛的血藥濃度。因此治療窗較窄的地高辛在臨床應(yīng)用是需要考慮患者的腸道微生物以及抗生素和食物攝入的影響［6］。

除了胃腸道給藥方式，腸道菌群同樣會(huì)影響靜脈用藥物的肝腸循環(huán)。伊立替康是一種抗腫瘤的靜脈制劑，主要依靠肝代謝生成SN-38發(fā)揮作用，在用于晚期大腸癌患者的治療時(shí)常伴有腹瀉等嚴(yán)重不良反應(yīng)。這種限制劑量的胃腸毒性是由肝內(nèi)產(chǎn)生的無(wú)活性的SN-38g在腸道內(nèi)重新轉(zhuǎn)換成活性產(chǎn)物SN-38造成，參與這個(gè)轉(zhuǎn)換過程主要是依賴腸道微生物所產(chǎn)生的β-葡萄糖醛酸苷酶，能夠選擇性靶向抑制大腸桿菌β-葡糖醛酸糖苷酶的藥物，能夠有效降低伊立替康引起的胃腸道毒性。在患者群體研究中也證實(shí)了注射伊立替康之前分析患者的腸道微生物，可在極大程度上預(yù)測(cè)患者是否會(huì)出現(xiàn)不良反應(yīng)。這些微生物的研究深入闡述了伊立替康的胃腸道毒性發(fā)生的機(jī)制，為伊立替康的合理使用提供了潛在的預(yù)測(cè)以及干預(yù)手段［7］。

2.2微生物調(diào)節(jié)宿主代謝腸道菌群可以通過多種方式調(diào)節(jié)宿主的代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)，從而導(dǎo)致代謝和轉(zhuǎn)運(yùn)藥物的能力發(fā)生變化［8］。比如在無(wú)菌小鼠中發(fā)現(xiàn)了多種肝代謝酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)發(fā)生了變化，同時(shí)動(dòng)物經(jīng)抗生素處理后也發(fā)現(xiàn)了多種代謝酶的表達(dá)變化［9］。常用的解熱鎮(zhèn)痛藥——對(duì)乙酰氨基酚，已被證實(shí)其肝毒性與內(nèi)源性微生物的代謝產(chǎn)物p-甲酚有關(guān)。對(duì)乙酰氨基酚在肝中代謝主要是葡萄苷酸化和硫酸鹽化，p-甲酚被假定為通過競(jìng)爭(zhēng)性的硫酸鹽化來(lái)減少對(duì)乙酰氨基酚的代謝，高水平p-甲酚的患者被認(rèn)為在服用對(duì)乙酰氨基酚時(shí)可能會(huì)增加肝毒性的發(fā)生［10］。常用的降脂藥辛伐他汀服用者中的三分之一的患者難以獲得理想的降血脂效果?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)辛伐他汀的降脂效果與基礎(chǔ)的次級(jí)膽汁酸呈現(xiàn)正相關(guān)，包括石膽酸、?；鞘懰岷推咸鞘懰?。其中的明確機(jī)制尚不完全清楚，很可能是因?yàn)槌跫?jí)膽汁酸會(huì)與辛伐他汀競(jìng)爭(zhēng)性腸道轉(zhuǎn)運(yùn)體，從而抑制了辛伐他汀的吸收，降低了血藥濃度［11］。

腸道微生物對(duì)宿主代謝的調(diào)控影響廣泛，具體的詳細(xì)機(jī)制尚不清楚，并且是因藥而異、因菌而異。比如科學(xué)家發(fā)現(xiàn)普拉氏梭菌的豐度與免疫抑制藥物他克莫司的血藥濃度有關(guān)［12］；胺碘酮的血藥濃度被發(fā)現(xiàn)與大腸埃希氏菌有關(guān)［13］。

微生物除了可以調(diào)節(jié)宿主代謝酶或轉(zhuǎn)運(yùn)體的表達(dá)來(lái)改變藥物的藥動(dòng)學(xué)行為，同樣可以通過調(diào)節(jié)宿主代謝來(lái)影響藥理作用。2017年11月上海瑞金醫(yī)院寧光院士團(tuán)隊(duì)在《Nature Communication》雜志上報(bào)道了阿卡波糖與腸道菌群之間的緊密關(guān)系，阿卡波糖治療可以改善糖尿病患者的腸道微生態(tài)和膽汁酸代謝，從而達(dá)到減重、降脂和改善胰島素抵抗等降糖以外的藥理作用。相對(duì)應(yīng)地，糖尿病患者的基礎(chǔ)腸型可以預(yù)測(cè)阿卡波糖的治療效果，患者可分為富含擬桿菌的B腸型和富含普氏菌的P腸型，B腸型的患者對(duì)阿卡波糖治療更為敏感，空腹血糖和胰島素抵抗的改善程度更加明顯。該研究提示了腸型可能是決定藥物療效的重要因素，對(duì)阿卡波糖的個(gè)體化治療具有重要意義［14］。

3 腸道菌群對(duì)腫瘤免疫治療的影響

2018年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了發(fā)現(xiàn)免疫負(fù)調(diào)控的科學(xué)家，基于免疫檢查點(diǎn)的腫瘤免疫治療已經(jīng)改變了我們對(duì)于腫瘤治療的思維方式。2018年年初《Science》雜志同期出版了腸道菌群在免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療中重要作用的文章，引起了腸道微生物在腫瘤免疫治療中的廣泛關(guān)注。

早在2013年，來(lái)自美國(guó)國(guó)立癌癥研究中心的Goldszmid和Trinchieri教授團(tuán)隊(duì)在《Science》雜志上發(fā)表研究，在動(dòng)物層面上發(fā)現(xiàn)了鉑類藥物的抗腫瘤效果依賴腸道微生物的調(diào)節(jié)作用［15］。同期，法國(guó)Zitvoge教授在《Science》雜志上發(fā)表文章，在動(dòng)物水平中觀察到環(huán)磷酰胺可以驅(qū)動(dòng)腸道菌群中的革蘭氏陽(yáng)性菌進(jìn)入次級(jí)淋巴系統(tǒng)，刺激輔助T細(xì)胞對(duì)腫瘤發(fā)動(dòng)攻擊，從而達(dá)到殺滅腫瘤的治療效果。當(dāng)使用抗生素抑制模型動(dòng)物的革蘭氏陽(yáng)性菌會(huì)使得環(huán)磷酰胺的抗腫瘤效果下降［16］。隨后該團(tuán)隊(duì)在《Immunity》雜志上發(fā)表文章進(jìn)一步確認(rèn)了能夠提高環(huán)磷酰胺治療療效的幕后幫手，海氏腸球菌和腸結(jié)巴斯德氏菌在動(dòng)物模型中可以提高環(huán)磷酰胺療效，在38例肺癌和卵巢癌患者群體中觀察到了這2種菌特異性的記憶型T細(xì)胞免疫應(yīng)答可以讓患者經(jīng)歷更長(zhǎng)的無(wú)進(jìn)展生存期［17］。上述研究顯示出了腸道菌群可以作為輔助腫瘤免疫治療的潛在價(jià)值。

2015年，Zitvoge教授團(tuán)隊(duì)又發(fā)表了關(guān)于抗CTLA-4免疫治療與腸道菌群的關(guān)系，在動(dòng)物層面上研究表明抗CTLA-4治療依賴于腸道擬桿菌屬，植入特定微生物脆弱擬桿菌可以提高抗腫瘤療效［18］。同期芝加哥大學(xué)報(bào)道了雙歧桿菌可以提高荷瘤小鼠對(duì)抗PD-L1免疫治療的響應(yīng)［19］。這2項(xiàng)動(dòng)物水平的研究真正的將腸道菌群引入到了熱門的免疫檢查點(diǎn)抑制劑治療領(lǐng)域。

安德森癌癥中心的Wargo教授在2014年的會(huì)議中得知這些研究結(jié)果，繼而開展臨床隊(duì)列的研究。直到2017年11月，《Science》刊發(fā)了Zitvogel教授、Gajewski教授和Wargo教授的研究成果，并且研究也都從動(dòng)物層面跨入到了腫瘤患者的階段。Wargo教授的研究分析了112例接受抗PD-1治療的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者的口腔和腸道菌群，在治療有響應(yīng)和無(wú)響應(yīng)2組患者中并未發(fā)現(xiàn)口腔菌群多樣性有差異，但是在腸道菌群中發(fā)現(xiàn)，梭菌目/瘤胃菌科/糞桿菌屬富集在治療有響應(yīng)組，擬桿菌目則富集在無(wú)響應(yīng)組，單變量的COX比例風(fēng)險(xiǎn)分析顯示α多樣性、糞桿菌屬和擬桿菌目的豐度可以預(yù)測(cè)免疫治療的效果。將對(duì)免疫治療不同響應(yīng)患者的腸道微生物植入到無(wú)菌小鼠中，觀察到小鼠對(duì)抗PD-L1治療與患者的響應(yīng)一致，推測(cè)與CD8+T細(xì)胞激活有關(guān)［20］。

Gajewski團(tuán)隊(duì)收集了42例轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者進(jìn)行抗PD-1治療前的糞便，療效評(píng)價(jià)顯示26例患者經(jīng)治療無(wú)響應(yīng)，16例患者治療有響應(yīng)［21］。采用16S rRNA測(cè)序和宏基因組測(cè)序分析2組患者的基礎(chǔ)腸道菌群的差異，顯示長(zhǎng)雙歧桿菌、產(chǎn)氣柯林斯菌和屎腸球菌在治療響應(yīng)患者中豐度更高。給無(wú)菌荷瘤小鼠植入不同療效患者的腸道菌群，響應(yīng)患者的腸道菌群可以顯著增強(qiáng)小鼠的T細(xì)胞應(yīng)答以及對(duì)抗PD-1治療的響應(yīng)［21］。

Zitvoge團(tuán)隊(duì)對(duì)249例患有非小細(xì)胞肺癌、腎癌和膀胱癌的患者進(jìn)行了分析，其中69例使用了抗生素的患者接受免疫治療的療效變得很差（中位OS，11.5個(gè)月vs 20.6個(gè)月），宏基因組分析顯示患者糞便阿克曼菌的豐度與治療響應(yīng)相關(guān)。同樣將患者的糞菌移植給無(wú)菌荷瘤小鼠，結(jié)果和其他團(tuán)隊(duì)的結(jié)果一致，令人驚奇的是無(wú)響應(yīng)的動(dòng)物口服給予阿克曼菌可以重塑免疫治療的療效［22］。

免疫系統(tǒng)是機(jī)體執(zhí)行免疫應(yīng)答及免疫功能，防御病原體入侵機(jī)體最有效的系統(tǒng)。腸道微生物可以對(duì)免疫系統(tǒng)，包括全身性的固有免疫、特異性免疫產(chǎn)生影響。隨著腫瘤免疫治療的發(fā)展，科學(xué)家也開始著眼于被認(rèn)為可以調(diào)節(jié)宿主免疫功能的腸道菌群，期待可以通過操縱宿主的腸道菌群來(lái)增加抗腫瘤治療的療效。目前的研究也取得了可喜的結(jié)果。然而需要注意的是，這些研究還停留在動(dòng)物水平和觀察性隊(duì)列研究，證據(jù)級(jí)別較低，距離轉(zhuǎn)化應(yīng)用仍有距離。《Science》雜志所發(fā)表的一系列文章中，即使是使用相同的藥物，針對(duì)相同類型的腫瘤，不同研究中使患者獲益的微生物種類也各不相同?；颊叩娘嬍?、樣本收集以及數(shù)據(jù)分析方法都可能會(huì)影響到研究結(jié)果。目前對(duì)于是否一種或一類腸道微生物可以提高腫瘤治療的效果，以及腸道微生物是如何調(diào)控免疫細(xì)胞和免疫治療的具體機(jī)制尚不清楚。目前科學(xué)家正在研究是否能夠?qū)⑦@些研究結(jié)果進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化，糞便移植，微生物藥品等領(lǐng)域都進(jìn)入到了臨床開發(fā)階段［23］。

4 結(jié) 語(yǔ)

傳統(tǒng)的藥物治療往往只關(guān)注人體和藥物兩者之間的關(guān)系，但是越來(lái)越多的研究顯示腸道菌群在其中起到了重要的作用，讓我們?cè)趥鹘y(tǒng)思維中不得不慎重的對(duì)待腸道微生物的地位。微生物組研究有望成為精準(zhǔn)治療關(guān)注點(diǎn)之一，也有望帶來(lái)對(duì)于藥物療效和安全性差異機(jī)制的全新認(rèn)知，腸道菌群的深入研究和轉(zhuǎn)化是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)藥物治療不可或缺的元素。