腸道菌群在器官移植免疫抑制劑個體化治療中的作用

繆麗燕，張彥（蘇州大學附屬第一醫(yī)院，江蘇 蘇州 215006）

器官移植是迄今治療終末期器官功能衰竭最為理想的手段，移植后應用他克莫司、環(huán)孢素、霉酚酸、雷帕霉素等免疫抑制劑(immunosuppressant，IMS)是預防移植排斥反應的主要策略［1-3］。IMS 治療窗較窄、個體差異大［4］。在探索IMS 個體化治療的過程中，大多數(shù)研究集中在遺傳變異如何調(diào)控其對IMS 的治療反應上?；谘帩舛缺O(jiān)測、 藥物基因監(jiān)測的個體化治療以及臨床癥狀的早期識別有助于大大減少不良事件的發(fā)生［5-6］，然而， 盡管一些證據(jù)明確表明代謝酶(CYP3A4/3A5、UGT1A9)或藥物轉(zhuǎn)運蛋白(ABCB1、ABCC2、SLCO1B1) 等相關(guān)基因多態(tài)性與一些IMS 藥動學或不良反應相關(guān)，在眾多的遺傳標志物中，僅有CYP3A5*3突變在他克莫司的劑量預測方面得到廣泛的 認可［7］。

越來越多的證據(jù)表明，腸道菌群不僅參與了宿主代謝、免疫調(diào)節(jié)等多種生理過程，而且參與調(diào)節(jié)宿主對藥物的治療反應，成為藥物療效和毒性個體差異的潛在關(guān)鍵點之一［8-10］。由于腸道菌群與宿主免疫系統(tǒng)復雜的相互作用，腸道菌群引起藥物個體差異的潛在途徑有很多［11］， 對于IMS，影響途徑可能包括：腸道菌群對IMS或生物轉(zhuǎn)化，調(diào)節(jié)宿主對IMS 的代謝或轉(zhuǎn)運， 腸道菌群的免疫調(diào)控，腸道菌群對IMS 作用的反饋等，所有這些都會影響IMS 治療反應，導致IMS 療效和毒性的個體差異。本文通過闡述腸道菌群與器官移植常用IMS，如他克莫司或環(huán)孢素、 霉酚酸、雷帕霉素等個體化治療中的相關(guān)研究報道，旨在為器官移植IMS 個體化治療及研究提供新的 思路。

1 腸道菌群對IMS 藥動學/藥效學的影響

1.1 直接作用

1.1.1 腸道菌群直接代謝：腸道菌群共編碼的基因比人類基因組多150 倍，其中包括豐富的酶庫，這些酶具有代謝藥物的潛力，從而影響藥物的藥理作用。他克莫司具有較強的脂溶性，難溶于水， 口服吸收快，生物利用度低且存在較大的個體差異（生物利用度5% ～ 67%，平均為25%）。在臨床實踐中很早就發(fā)現(xiàn)持續(xù)性腹瀉［12］或合并使用抗菌藥 物時［13-14］，他克莫司谷濃度會顯著增加?？紤]持續(xù)性腹瀉和合并使用抗菌藥物都可能會不同程度地引起腸道菌群紊亂，由此推測腸道菌群可能是導致他克莫司藥動學差異的一個重要因素。 Lee 等［15］學者首先證實了這一點：在他克莫司劑量需求較高的腎移植患者中F. prausnitzii 的豐度明顯高于劑量較低的患者（11.8%比0.8%），并且 F. prausnitzii 豐度與他克莫司劑量需求呈現(xiàn)正相關(guān)（R ＝0.57）。來自同一研究團隊的學者為闡述相關(guān)機制，檢測了F.prausnitzii 和其他腸道中豐富的細菌是否能夠代謝他克莫司，結(jié)果表明： 他克莫司與F. prausnitzii 孵育可產(chǎn)生兩種化合物(M1/M2，主要為M1)，而與肝微粒體孵育時未觀察到這兩種化合物［16］。利用液相質(zhì)譜核磁共振進行分離、純化和結(jié)構(gòu)解析，表明M1 是他克莫司的C-9 酮還原產(chǎn)物。利用人外周血單核細胞進行的藥理活性測試表明，M1 免疫抑制效力比他克莫司低 15 倍。為了確定其他腸道細菌是否能將他克莫司轉(zhuǎn)化為M1，作者在體外檢測了已知人類腸道中豐度較高的四種菌目（梭菌目、丹毒菌目、擬桿菌目和雙歧桿菌目）［17］中22 種人腸道細菌。結(jié)果表明，梭菌目可廣泛代謝他克莫司為M1，擬桿菌目細菌可少量代謝他克莫司為M1，雙歧桿菌目細菌不能將他克莫司代謝為M1，在健康成人和腎移植受者的糞便中均證實了他克莫司向M1 的轉(zhuǎn)化。以上研究結(jié)果顯示，腸道細菌直接代謝作為他克莫司以前未被確認的消除途徑，是導致他克莫司口服生物利用度降低且個體差異較大的潛在原因。

1.1.2 腸道菌群生物活化：霉酚酸（mycophenolic acid，MPA）是嗎替麥考酚酯（mycophenolate mofetil， MMF）在體內(nèi)的活性成分。MPA 代謝的主要途徑是在肝臟中由尿苷二磷酸葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶(uridine diphosphate glucuronosyltransferase，UGT)轉(zhuǎn)化為無活性的酚類葡萄糖醛酸酯(phenolic glucuronide of mycophenolic acid，MPAG)［18］。 部分MPAG 通過有機陰離子轉(zhuǎn)運多肽(organic anion transporting polypeptide，OATP)及多重耐藥相關(guān) 蛋白2 （multidrug resistance-associated p r o t e i n 2，MRP2）轉(zhuǎn)運至腸道，在腸道中被表達β-葡萄糖醛酸酶（β-glucuronidase，GUS）的腸 道菌解離為MPA，MPA 重吸收入血，形成MPA 腸肝 循 環(huán)（enterohepatic circulation，EHR），EHR 可使MPA 血漿藥物濃度-時間曲線下面積(area underconcentration-time curve，AUC)增加10%～ 60%?？诜煌咕幬锟墒筂PA 的AUC0～12h降低 10% ～ 30%［19-20］，MPA 給藥前濃度降低為50%［21］， 這種相互作用被認為是通過減少編碼GUS 的腸道菌群，從而降低GUS 活性、減少EHR 程度實現(xiàn)的。Kodawara 等［22］學者在體外證明了這一觀點，環(huán)丙沙星可抑制GUS 介導的MPAG 早期解離，進而減少MPA 的EHR，降低MPA 濃度。

1.2 間接作用

1.2.1 腸道菌群調(diào)節(jié)宿主代謝或轉(zhuǎn)運：代謝酶(CYP3A4/3A5、UGT1A9) 或藥物轉(zhuǎn)運蛋白(ABCB1、ABCC2、SLCO1B1) 等相關(guān)基因多態(tài)性參與了IMS藥動學過程。如CYP3A4 是肝臟和腸道中表達較多的CYP 酶，并且個體差異很大，肝臟中個體間差異在10 ～ 100 倍，小腸中表達差異在30 倍。除了 基因突變，酶表達受到多種調(diào)控機制的綜合影響，近年來腸道菌群被報道對宿主代謝酶和轉(zhuǎn)運體的調(diào)控起到重要作用［23］。報道顯示無菌小鼠相比于正常小鼠，與藥物代謝和轉(zhuǎn)運相關(guān)的肝臟CYP1A2、CYP4A14 等表達升高，而CYP2B10 和CYP3A11 表達則降低［24］，無菌小鼠在正常環(huán)境下生長2 個月 后CYP3A 和CYP4A 表 達 與 正 常 小 鼠 類 似［25］。 F. prausnitzii 作為一種潛在的益生菌［26］，是腸道中產(chǎn)生丁酸的主要細菌之一，在Caco-2 細胞水平上觀察到4 mmol/L 丁酸鹽可以促進P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp)表達量增加一倍，促進 CYP3A4 表達量增加10 倍［27］。在 不 同株型的肺癌細胞上也觀察到3 mmol/L 丁酸鹽可促進ABCB1 mRNA 量增加6 ～ 40 倍，使P-gp 表達增加顯著［28］。腸道菌群具有潛在調(diào)節(jié)宿主代謝或轉(zhuǎn)運IMS 的能力，但具體調(diào)控機制尚不明確，有待研究。

1.2.2 腸道菌群的免疫調(diào)控：實體器官移植受者在急性排斥反應的發(fā)生和時間上存在差異。許多動物和人的研究表明腸道菌群與器官移植后排異反應的發(fā)生相關(guān)［29-32］。例如，Kato 等［30］在肝移植患者中發(fā)現(xiàn)，在門水平上，急性排斥反應患者糞便中的厚壁菌門減少，變形桿菌和放線菌增多。McIntosh等［33］在小鼠皮膚移植模型上開展了腸道菌群對移植預后的影響，結(jié)果表明個體腸道定植菌的差異會導致移植物排斥反應動力學的變化。因此，腸道菌群可望用于預測器官移植后的排異反應。另有研究表明［34］，他克莫司的最佳劑量可誘導大鼠肝移植后適宜的免疫抑制，移植物功能正常，腸道菌群穩(wěn)定，致使包括F.prausnitzii 和雙歧桿菌的益生菌增加，擬桿菌、腸桿菌等有害減少。以上研究有望提供一種新的策略，使用腸道菌群來評估IMS 的劑量及其共同對移植免疫的影響。

1.2.3 腸道菌群對IMS 作用的反饋：IMS 不僅通過影響宿主免疫功能而間接影響腸道菌群，同時可直接影響腸道菌群結(jié)構(gòu)和功能，雙重影響可能引起腸道菌群對IMS 作用的反饋。Zhang 等［35］研究表明：他克莫司引起的腸道菌群變化可能影響免疫功能和移植器官的存活率。研究中發(fā)現(xiàn)，小鼠接受大劑量他克莫司治療14 d，糞便中阿洛巴菌屬、擬桿菌屬和乳桿菌屬和結(jié)腸黏膜及循環(huán)中的CD4+CD25hiFoxP3+調(diào)節(jié)性T 細胞明顯改變。無論是他克莫司治療后，還是來自他克莫司治療的供體糞便移植治療后，這些都顯著增加。此外，在皮膚移植模型中，低劑量他克莫司聯(lián)合高劑量他克莫司治療小鼠的糞便移植可提高同種異體皮膚移植存活率。此研究將IMS 與腸道菌群移植結(jié)合起來，展示了一種新的控制同種異體移植排斥反應的 策略。

2 腸道菌群對IMS 臨床安全性的影響

器官移植受者術(shù)后長期服用IMS，諸如胃腸道毒性、血糖升高、感染、肝毒性風險增加，目前的研究表明腸道菌群可能對IMS 臨床安全性產(chǎn)生潛在影響。

2.1 胃腸道毒性：腹瀉是MMF 最常見的胃腸道副反應。近期發(fā)表的一項動物研究表明［36］，小鼠食用含有MMF 的食物，導致體重快速顯著減輕、 脂肪和肌肉損失，并有明顯的結(jié)腸炎癥，而MMF 在無菌小鼠中不誘導體重減輕或結(jié)腸炎癥，且廣譜抗菌藥物可預防并逆轉(zhuǎn)MMF 誘導的體重減輕和結(jié)腸炎癥。MMF 暴露造成腸道菌群組成改變：整體多樣性降低，變形菌門增加（尤其是埃希氏菌屬/志賀 氏菌屬），提示MMF 相關(guān)的胃腸道毒性依賴于腸道菌群。近期一項研究進一步揭示了腸道菌群介導的腸毒性，服用MMF 使小鼠腸道菌群組成改變，表達GUS 的細菌增多，腸道中GUS 活性上升，導致結(jié)腸中MPA 濃度上升，引起體重減輕和結(jié)腸炎癥［37］。人體數(shù)據(jù)也表明，糞便GUS 活性增加與MMF 暴露引發(fā)的毒性相關(guān)，小鼠中，用萬古霉素清除表達GUS 的腸道菌，可預防和逆轉(zhuǎn)MMF 誘導的體重減輕和結(jié)腸炎癥，同時不會降低血液中MPA 的治療水平。

2.2 血糖升高風險：目前為止，糖尿病與腸道菌群相關(guān)性已很明確，而IMS 引起高血糖的機制尚不完全明確。研究報道［38］，雷帕霉素處理的大鼠細菌多樣性顯著下降，包括羅斯氏菌（Roseburia），顫螺 菌（Oscillospira），柔膜細菌（Mollicutes），羅氏菌（Rothia）， 微 球 菌（Micrococcaceae）， 放 線 菌（Actinomycetales）和葡萄球菌（Staphylococcus） 9 個類群顯著減少。在使用益生菌后，這些變化被逆轉(zhuǎn)到基線水平。在宏基因組水平，類似于糖尿病，代謝平衡向分解代謝轉(zhuǎn)移，參與蔗糖降解的基因增加，相反，對照組大鼠有更多的合成代謝過程和參與淀粉降解的基因。免疫抑制導致更多的分解代謝的腸道菌，這可能會影響實體器官移植后糖尿病的發(fā)展。用益生菌調(diào)節(jié)腸道菌群可能有助于將IMS 致血糖升高的風險降到最低。

2.3 感染風險：器官移植后的患者腸道菌群較移植前均發(fā)生了顯著變化［30-31，39］，隨著新的優(yōu)勢菌群的出現(xiàn)，基礎優(yōu)勢菌群的減少和多樣性的喪失，移植后感染的風險增加。另外，IMS 可降低宿主的免疫功能，增加對病原體的敏感性。但目前尚不清楚IMS 引起的敏感性增加是否與腸道菌群的變化有關(guān)。

2.4 肝損傷風險：腸道菌群已被證明可以調(diào)節(jié)許多肝臟疾病，包括肝損傷。然而，腸道菌群與藥物引起的肝損傷相關(guān)報道較少。Gong 等［40］研究表明腸道菌群介導大劑量乙酰氨基酚（paracetamol，APAP）致小鼠急性肝損傷的晝夜變化，APAP 在小鼠活動期造成的肝損傷顯著高于休息期，廣譜抗菌藥物或口服釀酒酵母菌可減少APAP 在活動期誘導的肝損傷。目前尚無腸道菌群介導IMS 肝損傷的相關(guān)報道，但考慮IMS 本身對腸道菌群結(jié)構(gòu)或功能的影響，以及個體間IMS 肝損傷的發(fā)生差異，腸道菌群有可能參與了IMS 肝損傷發(fā)生發(fā)展過程，具體機制有待研究。

3 結(jié)論與展望

IMS 治療指數(shù)窄，個體差異大，在探索個體化治療的過程中，近20 年的研究集中在遺傳變異如何調(diào)控IMS 治療的反應上。隨著人類微生物組計劃和人類腸道宏基因組學計劃的啟動和深入研究， 宿主、腸道菌群、藥物三者之間錯綜復雜的關(guān)系越來越受到關(guān)注。目前，精準藥療走向微觀化，勢必帶來對于藥物療效和安全性差異機制的全新認知，通過改造腸道菌群以改善藥物療效和毒性［41］。