肠道菌群如何影响药物疗效和毒性？

大光

　　一、前言

　　针对某一特定药物的疗效和毒性，不同人的反应各不相同。有报道显示，多种疾病常用药的药物应答率通常为50%～75%，这表明这些药物对多达一半的患者没有疗效。不仅如此，许多人还因药物不良反应受到伤害（ADRs）。因此对于“个性化医疗”的发展，确定如何评估患者对某一药物可能的反应、增加药物疗效并减少ADRs风险，是至关重要的。
　　据估计，遗传因素占到个人对不同药物响应的差异性的20%～95%。因此，仅遗传因素还不足以解释可见的差异性，一定还有其它因素。
　　近些年来，肠道菌群作为“器官”出现，在健康和疾病中起着重要作用。人类肠道中有数千种不同的细菌种类以及其它微生物，共同组成复杂的生态系统。肠道微生物组有极高的个体间差异，与大量宿主及外源因素相关。
　　研究显示出药物摄入对肠道微生物组的影响。反过来，肠道微生物组也能够促进个体对某一特定药物的反应：
　　肠道中的微生物群落可以通过直接转化药物，或通过改变宿主代谢或免疫反应，改变某一药物的药物效应动力学。
　　了解肠道微生物组在药物反应中所起的作用，可能会促进利用微生物组增强药物疗效的方法的发展。药物微生物组学一词因此被提出，用来形容微生物组的组成和功能性变化对药物效用、体内进程和毒性的影响。

　　二、药物代谢的复杂系统

　　口服药物通过上消化道和小肠进入大肠，在那里，药物将和数千种栖息在大肠中的微生物相遇。复杂的药物-微生物反应主要发生在结肠中。
　　药物可能会改变肠道微生态，改变微生物代谢或影响细菌生长，并因此改变微生物群落的组成和功能。反过来，肠道微生物组也能够直接参与药物的化学转化（图1）。


图1  药物代谢中反应的部位和种类

　　在宿主中，药物代谢主要发生在肝脏中，该反应可以被分为两个阶段：修饰和共轭结合。
　　然而，肠道微生物对药物进行的化学修饰不同于肝脏过程中的化学修饰。肠道微生物主要通过水解和还原反应代谢异生物质，而肝脏中的酶通常进行氧化和共轭反应。
　　细菌酶主要通过还原和水解反应参与药物代谢。药物及其代谢物可以通过门静脉运输由肠道进入肝脏，部分被吸收，另一部分进入体循环。肝脏酶主要进行氧化共轭反应。
　　之后，药物和／或它们的代谢物会被输送回血液中并被运输到目标组织之中，然后由肾脏通过尿液去除，或直接由肝脏通过胆管系统排回到肠腔中。在肠道中，药物或它们的药物代谢物会再次由细菌代谢（如去共轭结合）和（再）吸收。
　　这样的复杂性意味着，药理学研究需要一套考虑与药物相关的肝脏和细菌代谢过程，以及复杂的宿主-微生物-药物相互作用的系统生物学方法。

　　三、药物治疗干扰肠道菌群

　　药物对微生物组成和功能造成的变化会影响药物对宿主的整体效用。
　　抗生素对肠道微生物组的作用已被人熟知，抗生素引起的肠道微生物组紊乱会增加其对感染的敏感性、削弱免疫稳态、影响人体代谢和肥胖调控机制。而且，它也是艰难梭菌 (Clostridium difficile) 感染的主要原因。
　　现在，除了抗生素，许多研究也报道了其它常用药物对肠道微生物组的影响，包括治疗胃食管返流、II型糖尿病、抑郁症、心血管疾病和高脂血症的处方药。尽管现在大部分的研究发现都只显示出相关性，但像用于治疗胃食管返流和胃灼热的质子泵抑制剂（PPIs）以及糖尿病药物二甲双胍，均已经被鉴定为对肠道微生物组有因果性影响（图2A）。


图2  药物-微生物作用
(A) 药物对肠道微生物组的影响：药物能够干扰微生物成分和功能。
(B) 肠道微生物组对药物疗效和毒性的直接作用：微生物转化能够激活或钝化药物，或刺激药物对宿主的毒性。
(C) 肠道微生物组对药物反应的间接作用：肠道微生物组能够通过其与宿主免疫和代谢系统影响药物的生物利用度和药物反应。

　　质子泵抑制剂：
　　PPIs通常被用来治疗“酸”相关性疾病，比如胃食管返流。
　　通过pH值依赖性或pH值非依赖性原理，PPIs可能可以改变人类胃肠道中不同部分的菌群。一些报道口腔微生物在肠道中的比例过高，很有可能是因为PPIs可以降低胃中的酸度，使胃屏障功能降低所致。屏障功能的降低意味着病原菌可能会定植于肠道，而PPI使用者的肠道很有可能就此被艰难梭菌感染，类似的感染情况还包括增多的链球菌属(Streptococcus)和肠球菌属(Enterococcus) ，以及减少的梭菌目(Clostridiales)。
　　另一项研究表明，PPI能够加速内皮衰老，尽管肠道微生物组在这个异常状况中的作用尚不明确。

　　二甲双胍：
　　二甲双胍常被用来治疗II型糖尿病，其对调节菌群结构和功能的有利作用也正在显现。
　　Forslund等率先报道了二甲双胍能够增加产短链脂肪酸 (SCFA)细菌的丰度，可能介导了二甲双胍的疗效。二甲双胍使用者的粪便中，SCFA增多，也印证了这一点。
　　二甲双胍也同样被发现可以增加产丁酸和降解黏蛋白的——嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansia muciniphila) 的丰度 。
　　将接受了二甲双胍治疗的人类粪便移植到无菌小鼠体内发现，这些小鼠的葡萄糖耐受程度都得到了改善。

　　四、肠道菌群对药物效用和毒性的直接影响

　　微生物对药物反应的直接影响是肠道菌群改变药物的化学成分，从而影响一种药物的生物利用度，或影响其生物活性及其毒性。迄今为止，已有超过30种药物被鉴定出是肠道细菌的底物。（图2B）

　　１、微生物组对药物活性的作用

　　微生物转化能够激活药物。第一份关于微生物对药物活性作用的报道，可以追溯到上世纪30年代。研究发现，百浪多息通过细菌的偶氮还原酶切断偶氮键、释放磺胺，然后产生抗菌作用。随后，几种带有偶氮键、需要肠道微生物生物活性的前体药物被设计出来。其中包括柳氮磺吡啶，一种治疗溃疡性结肠炎的药物。在肠道中，细菌切断柳氮磺吡啶的偶氮键，有利于抗炎的磺胺吡啶和5-氨基水杨酸的定点释放。
　　肠道微生物组的生物转化也能够钝化药物，比如药物地高辛。地高辛是常用的心血管药物，但是，在大约10%的患者体内，该药物会转化成地高辛还原产物，从而在心脏中丧失效用。
　　肠道菌群对地高辛的钝化现象，最初是在上世纪80年代被报道出来：抗生素治疗使得血清中的地高辛浓度显著升高。2013年研究者发现，Eggerthella lenta菌株含有会在转录阶段被地高辛激活的心脏糖苷还原酶 (cgr) 双基因操纵子。精氨酸被认为是E. lenta生长的主要氮源和碳源，同时精氨酸也能够抑制地高辛钝化。与此一致，cgr操纵子的转录活化被发现依赖于精氨酸浓度。这个发现鼓励病人通过吃高蛋白（高精氨酸）食物，来阻碍地高辛钝化。
　　最近，Kumar等发现cgr操纵子的地高辛结合部分，主要涉及带负电荷的氨基酸和几个不带电荷的疏水残基，以及具有和地高辛相同结合位点、但需要更高结合能量的延胡索酸。这个信息可能会引发对阻碍cgr结合位点的药物的研究。

　　２、微生物对药物毒性的作用

　　当细菌引发的药物变化产生对宿主有害的代谢物时，毒性就出现了。
　　最有名的一个例子涉及细菌酶β-葡萄糖醛酸酶。据称β-葡萄糖醛酸酶参与了让常见的结肠癌化疗药物CPT-11（也被称为伊立替康）产生毒性的过程。
　　在使用CPT-11的患者中，有高达80%的患者会出现腹泻。CPT-11主要在肝脏中代谢，CPT-11受到人体羧酸酯酶的激活，产生细胞毒性代谢物SN-38，然后SN-38抑制对DNA复制起关键作用的核拓扑异构酶1。在清除药物时，肝脏中的UDP-葡萄糖醛酸转移酶 (UGT) 将SN-38葡萄糖醛酸化成其钝化的形式SN-38G。SN-38G通过胆管通道排入肠道中，在那里β-葡萄糖醛酸酶通过将SN-38G转化回SN-38重新激活药物，因此对肠道上皮细胞产生毒性并引发腹泻。
　　通过同样的原理，细菌β-葡萄糖醛酸酶也能够激发非甾体抗炎药物（NSAIDs）的毒性，在高达50%的服用者中导致胃十二指肠的黏膜病变。当葡萄糖醛酸化后的NSAIDs通过肝脏-胆管通道，排入远端小肠肠腔时，细菌β-葡萄糖醛酸酶产生会被肠道细胞吸收的糖苷配基。肠道细胞色素P450s进一步将糖苷配基代谢成可能的二次活化的中间物，引发严重的内质网压力或线粒体压力，从而导致细胞死亡。这个原理解释了NSAIDs对肠道壁的毒性作用。
　　因为β-葡萄糖醛酸酶存在于多种主要的肠道细菌中，很难去设计特定的细菌靶点来减少药物毒性。然而调控细菌酶活性已成为减少药物毒性的有效途径。小鼠实验已经表明，口服β-葡萄糖醛酸酶抑制剂能够有效降低CPT-11的药物毒性。暗示可能存在某种能降低β-葡萄糖醛酸酶主导的药物毒性的药物。

　　五、肠道菌群对药物响应的间接作用

　　微生物的间接作用是指，微生物通过自身的代谢产物或多肽产物，对宿主免疫系统或宿主代谢产生影响，从而展现出其对药物生物利用度和响应的作用（图2C）。
　　微生物对药物生物利用度影响的一个代表性例子，是辛伐他汀，一个通常用于治疗高脂血症的处方药。辛伐他汀的血浆浓度和微生物合成的次级胆汁酸成正相关。因为胆汁酸是肠道营养吸收的重要调节剂，这也可能决定宿主对辛伐他汀的吸收，以及可能影响药物的生物利用度。
　　关于微生物对药物响应产生影响的有趣例子，是近期在免疫治疗方面的进展。在肿瘤学中，最具潜力的抗癌疗法是免疫治疗，通过使用包括PD-1/PD-L1抑制剂或抗-CTLA疗法的手段，来减少免疫检查点的阻断。然而，病人对这些疗法的响应通常是迥异的（图3A）。
　　比较112位接受抗-PD1疗法的黑色素瘤患者的肠道微生物组成的研究显示，对免疫疗法有响应的患者具有更高的肠道微生物多样性，和更高的梭菌目（Clostridiales）、Ruminococcaceae科和Faecalibacterium属丰度。这种微生物组结构，可能会通过增多的抗原呈递和完善的效应T细胞功能，来增加系统性的抗肿瘤免疫响应。相反，无响应者有更低的微生物多样性，和更高的拟杆菌目（Bacteroidales）丰度。
　　另一项针对上皮肿瘤患者的独立研究，也显示了个体对PD-1/PD-L1抑制剂的响应是由肠道微生物组成分决定的。在药物应答者中，更多出现的有Akk菌（Akkermansia）、Ruminococcus菌属，Alistipes菌属和真杆菌属（Eubacterium spp.），而较少出现的有青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和Parabacteroides distasonis。
　　这项研究还进一步探索了可能的微生物组调控疗法以增加药物应答，结果发现，在摄入PD-1抑制剂时，单纯避免使用抗生素就能够使患者的正响应比例从25%提高到40%。
　　口服Akk菌等潜在益生菌，能够促使人类和小鼠对PD-1抑制剂的应答。尽管还需进一步研究去揭开其潜在机制，这个有益作用可能是通过肠道微生物组的同化功能来提高宿主免疫。
　　比如，短链脂肪酸是一种主要来源于膳食纤维的细菌代谢物，能够影响辅助T细胞17（Th17）的分化和调节T（Treg）细胞。短链脂肪酸也参与了梭菌属菌株的抗炎性质，对免疫功能和上皮通透性产生有益功效。不仅如此，肠道微生物组还决定了个体应对不同致病体的炎症因子产物。


图3  肠道微生物组和基于PD-1/PD-L1免疫疗法的响应相关
(A) 免疫疗法的免疫检查位点。程序式细胞凋亡蛋白（PD-1）是一个作为免疫检查位点的细胞表面受体。受体在抑制T细胞炎症活性和下调免疫系统中起重要作用。肿瘤细胞能够表达能结合PD-1蛋白并钝化T细胞的PD－1配体（PD-L1）。因此，几种PD-1/PD-L1抑制剂已经被设计出来阻断PD-1和PD-L1的互作以达到抗肿瘤免疫的功效。
(B) 肠道微生物和免疫疗法的个人响应相关，并且它们差异的比例可以由宿主基因组学和环境因素解释。5种细菌种类和更高的响应相关，而拟杆菌目和低响应相关。个体间差异由1来衡量，基因因素和环境因素解释的部分分别用蓝色和绿色表示。对差异解释的估计值来自the TwinsUK study：Goodrich等（2014）Cell, 159: 789-799。

　　六、药理微生物组学中复杂的基因组-饮食互作

　　肠道微生物组和药物之间复杂的双向作用，会受到宿主基因组、外源因素及其相互作用的影响。
　　全基因组关联分析（GWAS）显示，单个个体的肠道微生物组组成会被影响先天性免疫的遗传变异、代谢和加工食物所影响。
　　外源因素如饮食也同样对肠道生态系统有显著的作用：我们吃的即是我们的肠道微生物吃的。
　　比如，相比于高纤维饮食，西式饮食和不良生活习惯（比如高卡路里、高脂肪饮食和久坐不动的生活方式）被广泛报道与较少的微生物生态多样性相关。
　　但是，我们的饮食也含有能与药物作用的生物活性物质。因此，在药物代谢中，基因组、肠道微生物组和外源因素（包括饮食）之间存在三方互作（图4）。
　　复杂的药物-微生物互作会导致微生物成分和功能的变化，并改变会直接或间接影响肝脏中药物代谢的化合物的化学结构。而且，基因组和外源因素，包括饮食，会同时影响宿主中肠道微生物组和药物代谢。


图4  药物代谢中宿主-微生物-饮食互作

　　１、宿主基因组对肠道微生物组和药物代谢的影响

　　一旦药物进入体内，它就会与靶点（如转运体、受体和酶）作用，可能经过代谢，最后被从系统中清除。每个过程都可能涉及临床上重要的遗传变异。
　　在上面提到的CPT-11的毒性不仅和肠道微生物组相关，也和UGT1A1基因的遗传变异相关。大约10%的西方人口带有UGT1A1的遗传变异，这些人因此有较差的药物代谢水平，并存在严重毒性的高风险。
　　基于基因CYP2C9和VKORC1基因型的个性化用药，能够降低高达30%的、常用抗凝血剂华法林导致的住院治疗风险。
　　宿主基因对肠道生态的影响可能也对涉及药物毒性和疗效的微生物有影响。比如，如果我们关注在免疫疗法中与调控PD-1/PD-L1抑制剂响应相关的类群，我们发现有很大一部分比例是可以传承的，比如，双歧杆菌（h2=0.32），Ruminococcaceae（h2=0.20），Faecalibacterium（h2=0.18），Akk菌（h2=0.12）。

　　２、饮食对肠道微生物组和药物代谢的影响

　　饮食成分是能够影响人体中不同生理过程和肠道微生物成分的外在因素。许多涉及药物代谢的微生物酶也能够代谢饮食成分。当摄入的某一特定食物影响某种药物的吸收，调控药物代谢酶的活性，并因此导致药物代谢动力学发生变化时，药物-饮食互作出现了。
　　饮食中的蛋白和脂肪对药物代谢的影响最初是在20世纪70年代被发现。随着药物基因组学的进步，人们在分子水平上有了更多的发现。
　　比如，我们发现一些药物代谢酶对饮食作用非常敏感，包括几个细胞色素P450家族的成员（CYP3A4, CYP1A2和CYP2E1）和位于肠道上皮的P-糖蛋白（P-gp）转运子。饮食因素能够改变这些酶／转运子在肠道中的表达水平和它们的底物特异性，因此通过这些酶来影响药物代谢。
　　饮食是塑造肠道微生物组最重要的外来因素之一。理解饮食对微生物组调控的药物代谢的作用，能够鉴定出饮食的协同变量，由此使之在微生物组分析中被修正，也能表明在药物治疗过程中个性化的饮食建议对促进药物疗效的可能性。一个已经在使用的例子是使用地高辛治疗时，建议摄入高蛋白饮食，利用E. lenta阻碍地高辛的钝化作用。
　　Akk菌不仅会提高患者对PD-1/PD-L1抑制剂的应答率，也对代谢健康产生有益作用。Akk菌的高丰度和低BMI、II型糖尿病的低风险和健康的脂质图谱相关。Akk菌是一类栖息在黏膜层并大量定植在富营养环境中的黏蛋白降解细菌。Akk菌在个体间的差异主要和环境因素相关。有报道称，饮食中的多酚能够促进小鼠中Akk菌的生长，低聚果糖的使用能够增加遗传性肥胖小鼠高达100倍的Akk菌丰度。
　　不仅如此，二甲双胍被发现能够增加人体肠道中产SCFA的细菌，提高了二甲双胍的疗效。但是，SCFAs产物也需要膳食纤维。的确，一份近期关于饮食干预的研究显示，二甲双胍使用者的体重减轻和膳食纤维的高摄入量正相关，而非总的碳水化合物摄入量。
　　因此，特定的饮食成分或益生元能够促进肠道微生物组的变化，并调控药物反应。但是，我们也应该记住，这个作用是双向的，因为药物也可能会干扰肠道微生物组。另外，肠道微生物组也可能会决定个体对饮食干预的反应。

　　七、药物基因组学和药物微生物组学的系统展望

　　在了解了复杂的饮食-药物-宿主-微生物的互作之后，我们面临的挑战是预测个体对特定药物的响应。这一点对于成功使用和临床应用个性化医疗至关重要。
　　迄今为止，两个成功的应用是来自以色列的个性化营养研究。在这两个研究中，一项应用机器学习算法，结合血糖指数、饮食习惯、人体测量学、身体活动和肠道微生物组，预测个人餐后血糖反应。另一项应用药物预测算法——vedoNet，结合微生物组和临床数据来预测个人对IBD治疗的响应。
　　为了进一步向临床应用推进，理解其潜在的因果关系和机制很重要。这需要一套可以结合药理遗传学、药物基因组学和药物微生物组学的系统生物学方法，帮助我们理清在个体水平上控制药物的药物代谢动力的更多细节。

　　八、培养组学和器官芯片：发展个性化治疗的新机会

　　鉴于肠道微生物组和宿主基因组在药物代谢中的相互作用，人们越来越意识到，在考虑个性化医疗时，我们应该同时考虑个体微生物组和个体基因组这两方面。
　　细菌“培养组学”的进步，器官芯片的发展和高通量代谢组及药物代谢动力学分析的发展，使得以个体为基础的体外药物测试可以在不久的将来成为可能。

本文摘自：《药物微生物组学：通向个性化医疗的新路径》（Pharmacomicrobiomics: a novel route towards personalized medicine） ［作者：Marwah Doestzada, Arnau Vich Vila Alexandra Zhernakova, Debby P. Y. Koonen, Rinse K. Weersma, Daan J. Touw, Folkert Kuipers, Cisca Wijmenga, Jingyuan Fu（傅静远）；译者：陈绮翎（英国帝国理工学院在读博士生）］
原文来源：【原创】热心肠先生 2018-12-6 《傅静远团队 | 对菌群影响药效和毒性的最全面总结(12000字)》。

大光

【链接】
免疫抑制剂副作用，与肠道菌群失调有关吗？
http://bbs.transplantation.org.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=74609