博士，澳門大學中華醫藥研究院暨中藥質量研究國家重點實驗室副教授，博士生導師。2008年加入澳門大學，成立澳門首個藥代動力學實驗室。主要研究方向為中藥代謝和動力學，致力于建立符合中藥臨床用藥和整體作用特點的中藥藥代、藥效和毒性的研究方法和基于體內過程的中藥質量評價體系。目前研究重點為腸道菌群代謝及腸道菌-宿主共代謝為基礎的疾病治療靶標發現、中藥干預評估及創新中藥研發。主持國家自然科學基金、澳門科技發展基金、廣東省自然科學基金及澳門大學科研基金等課題十余項。在Analytical?Chemistry、Drug?Metabolism?and?Disposition、Applied?Environmental?Microbiology、Journal?of?Ethnopharmacology等SCI期刊上發表研究論文80余篇。擔任中國藥理學會藥代專委會青委會副主任委員、分析藥理專委會委員及藥學會醫藥生物分析專委會委員，?Journal?of?Ethnopharmacology雜志編委。獲2016中國中西醫結合學會科學技術獎一等獎（排名第6）和2018澳門科技發展基金技術發明獎三等獎（排名第3）。

個人網頁：https://sklqrcm.um.edu.mo/ruyan/.

[摘要]長期以來，由于腸道菌群本身的復雜性以及培養方法和分析技術的限制，腸道菌群在藥物代謝和體內處置中的作用未得到應有的重視。近年來，隨著技術的快速發展，圍繞腸道菌群的大量研究將對腸道菌代謝和腸道菌-宿主共代謝的認識提高到前所未有的深度。腸道菌群不僅能夠直接代謝許多藥物，還通過宿主、菌群、藥物之間復雜多維的相互作用間接改變藥物代謝，從而影響個體對藥物治療的響應（效應、毒性、耐藥性等）。腸道菌群結構及代謝功能受多種因素的影響。綜述近期腸道菌群代謝藥物研究領域的重要進展及研究趨勢，以期推進精準治療，促進藥物發現及新的治療策略的出現。

人體表面及內部棲居著種類眾多、數量巨大的微生物，其中95%以上生活在胃腸道內，其數量和組成因棲居的微環境而異，沿消化道逐漸增多，在結腸達到最高（1010~1011CFU·mL-1）。成年人的腸道菌群組成以厚壁菌門（Firmicutes）、放線菌門（Actinobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）為主。健康人的腸道菌群組成盡管存在較大個體差異，但構成其核心菌群的14個屬均相同。腸道菌群失調與多種疾病息息相關。

腸道菌具有強大的代謝功能，由腸道微生物基因編碼的酶的代謝活性，遠遠超過人體基因組編碼的蛋白的代謝活性。腸道菌除了可直接分解利用營養物質，維持腸道內環境穩態及身體代謝平衡，還通過腸道菌代謝或腸道菌-宿主共代謝參與藥物的處置，影響藥效或毒性。宏基因組學技術揭示了腸道菌群的多樣性，但也發現仍有約80%的人腸道微生物是未知的，這嚴重阻礙了對腸道菌功能的研究；絕大部分口服藥物主要在小腸上段吸收，因此，傳統的采用糞便菌的體外代謝研究難以準確評估腸道菌對藥物代謝的貢獻；此外，腸道菌群結構和功能受多種因素影響，宿主、菌群和藥物之間也存在復雜的相互作用。然而藥物研發階段的藥物代謝和動力學（DMPK）研究中往往忽略以上因素，導致腸道菌對藥物代謝的貢獻被低估。目前，有明確報道的腸道菌群參與代謝的藥物僅有50多個，但最近一項研究系統評估了76個代表性菌株對271種口服藥物化學修飾的能力，發現2/3被測藥物經與至少一種菌株孵育后藥物水平顯著降低，單一菌株能夠代謝11~95種藥物，表明腸道菌群對口服藥物代謝的影響更為廣泛。隨著腸道菌群研究的持續升溫，人們對腸道菌群的代謝能力以及宿主-菌群-藥物互作的認識不斷深入，推動了腸道菌代謝藥物研究的迅速發展。本文綜述腸道菌群代謝藥物研究領域的最新進展，并總結研究趨勢及其對藥物研發和治療的影響。

1腸道菌代謝藥物的反應類型

還原和水解是腸道菌催化的最主要反應類型，其結果是分別抵消了宿主代謝催化的以促進藥物消除為目的的氧化和結合反應。此外，腸道菌群還能催化官能團轉移、裂解反應等（見表1）。

1.1還原反應

腸道菌還原酶能夠利用各種輔基、輔酶[煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、黃素單核苷酸（FMN）等]來介導電子轉移，通過降低藥物極性、改變電荷及親電性來影響藥物的活性及在體內的保留時間。人腸道菌還原酶催化的硝基和偶氮化合物的還原反應較為常見。此外，腸道菌還可還原亞砜基、α，β-不飽和羧酸等官能團。

1.1.1硝基還原硝基是一種良好的藥效官能團，常見于抗腫瘤藥物中，具有很強的親電子能力，在體內易被酶催化還原，發揮藥理作用或產生毒性。硝基還原酶主要有2種類型：Ⅰ型硝基還原酶可從NADH或NADPH轉移2個電子至底物中的硝基，將其轉變成氨基；Ⅱ型硝基還原酶可將單個電子轉移至硝基形成硝基陰離子自由基。Bacillus spp.、Clostridium spp.、Escherichia coli等菌能編碼表達硝基還原酶的基因。苯二氮?類藥物硝西泮（nitrazepam）經口給予懷孕大鼠后，在腸道內可被硝基還原酶還原為7-氨基硝西泮，后者在肝臟中代謝生成7-乙酰氨基硝西泮。Clostridium、Bacteroides、Eubacterium屬的菌均具有還原硝西泮的酶活性，其中，從人體腸道內分離出的Clostridium leptum能夠顯著催化硝西泮的硝基還原反應。此外，Haemophilus in?uenzae表達的硝基還原酶能不同程度地還原硝基化合物，如氯霉素（chloramphenicol），可將其結構中的硝基還原成氨基。米索硝唑（misonidazole）與大鼠腸道菌混合物培養或與Clostridium perfringens單獨培養，能被還原成一種氨基衍生物。

1.1.2偶氮還原偶氮基（-N=N-）常用于前藥的化學結構修飾，可被還原生成活性代謝物。腸道中部分好氧菌及部分厭氧菌，如Escherichia coli、Enterococcus faecalis、Staphylococcus aureus、Bacillus cereus、Clostridium perfringens等均能表達偶氮還原酶。盡管不同菌中偶氮還原酶的結構和功能活性存在差異，但均能還原裂解偶氮鍵。美沙拉嗪（mesalazine）是一種氨基水楊酸類抗炎藥，能直接作用于腸道，用于治療炎癥性腸病，但其口服后在小腸幾乎完全吸收，經肝臟代謝失活，無法到達結腸發揮療效，因此，基于5-氨基水楊酸（5-ASA）設計出活性較低且不易口服吸收的偶氮類前藥柳氮磺吡啶（sulfasalazine）、奧沙拉嗪（olsalazine）和巴柳氮（balsalazide）。這類藥物主要在結腸處被代謝，釋放出活性代謝物5-ASA，達到靶向治療潰瘍性結腸炎的效果。此外，磺胺類抗菌藥磺胺柯定（sulfamidochrysoidine），即百浪多息（商品名），也是一種前藥，其結構中的偶氮基經偶氮還原酶裂解，生成具有抗菌活性的磺胺（sulfanilamide）。

1.1.3N-氧化物還原腸道菌介導的N-氧化物還原影響宿主對人類免疫缺陷病毒抑制劑BILR355的代謝。早期研究認為BILR355主要由細胞色素P450酶系（CYPs）3A亞家族（CYP3A）酶代謝，利托那韋（ritonavir）與BILR355聯用后通過抑制CYP3A酶使BILR355的體內暴露增加、療效增強；但同時在血漿中檢測到一種新的主要代謝物BILR516，實驗發現該產物是經腸道菌還原BILR355結構中的N-氧化物生成中間產物BILR402，后者被宿主醛氧化酶進一步代謝生成BILR516。雷尼替?。╮anitidine）和尼扎替?。╪izatidine）均屬于組胺類H2受體拮抗劑，用于治療消化性潰瘍等，腸道菌可通過還原其結構中的氧化胺，降低藥物吸收與生物利用度。前藥氧洛哌丁胺（loperamideoxide）同樣可經該代謝途徑生成活性化合物洛哌丁胺，發揮止瀉作用。

1.1.4亞砜還原亞砜基（>S=O）也是一種在藥物結構中常見的基團。環氧化酶（COX）抑制劑磺吡酮（sulfnpyrazone）和非甾體抗炎藥舒林酸（sulindac）結構中的亞砜基均可被人或兔的糞菌還原生成硫化物，其中人腸道菌對舒林酸的還原能力更強，生成甲硫基化合物發揮藥效；抗生素可抑制腸道菌對亞砜基的還原作用。體外研究發現，奧美拉唑（omeprazole）的亞砜基也可被大鼠腸道菌還原，但由于奧美拉唑口服后在小腸吸收良好，很難到達消化道遠端，因此難以評估體內腸道菌對該藥代謝的貢獻。

1.1.5腙還原腙是含有R1R2C=NNH2結構的有機化合物。人口服艾曲波帕（eltrombopag）后可在尿液中檢測到腙裂解代謝物。當該藥與嚙齒動物的盲腸內容物或人糞便樣品在厭氧條件下孵育時可檢測到還原產物，而與CYPs、腎或肝微粒體等孵育則未檢測到該代謝物。

1.2水解反應

腸道菌主要表達β-葡萄糖醛酸苷酶（GUS）、β-葡萄糖苷酶、羧酸酯酶（CES）等多種代謝酶催化水解反應，改變藥物及其代謝物的理化性質與活性。

1.2.1β-葡萄糖醛酸苷酶GUS在腸道菌中分布廣泛，主要存在于厚壁菌門、變形菌門、疣微菌門和擬桿菌門中。目前，從人類微生物組計劃GI數據庫中鑒定出共3013個、279種獨特的菌群基因編碼的GUS蛋白。通過對腸道菌GUS蛋白的序列進行比對，發現其結構中預測α/β水解酶折疊的活性位點和核心區域序列高度保守，而臨近活性位點的loop結構序列為菌GUS蛋白獨有，存在高度可變性，根據loop結構可以將腸道菌GUS蛋白大致分為6類（見圖1）。目前，已知loop結構的差異與GUS底物選擇性存在一定聯系。通常具有loop1結構的GUS對小分子葡萄糖醛酸苷底物（如4-硝基苯基-β-D-葡萄糖醛酸、雙氯芬酸葡萄糖醛酸）的催化能力更強，對GUS選擇性抑制劑UNC10201652的敏感程度也更高；而loop結構更開放的GUS（如mL1、L2、mL2以及NL類GUS）可以代謝大分子葡萄糖醛酸苷如乙酰肝素；此外，NL類GUS能特異性水解N鏈葡萄糖醛酸底物瑞格非尼葡萄糖醛酸苷（regorafenib-glucuronide）。結腸癌的一線治療藥物伊立替康（irinotecan）經靜脈注射后可在肝臟被羧基脂酶水解，生成活性代謝物SN-38，后者在肝臟尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸轉移酶1A1（UGT1A1）作用下生成葡萄糖醛酸苷結合物SN-38G，但該結合物經膽汁排泄進入腸道，被腸道菌GUS水解，生成SN-38，導致腸道黏膜受損引發腹瀉。研究顯示，雙氯芬酸、吲哚美辛、布洛芬等多個非甾體類抗炎藥通過相似機制引起腸道損傷。

1.2.2β-葡萄糖苷酶人體自身存在多種β-葡萄糖苷酶，包括溶酶體β-葡萄糖苷酶、小腸黏膜刷狀緣的乳糖酶-根皮苷水解酶（LPH）和胞質β-葡萄糖苷酶（CBG）。腸道菌群中多數革蘭陽性厚壁菌門也具有β-葡萄糖苷酶活性，尤其是梭菌類群ⅩⅣa的Eubacterium rectale和Roseburia spp.，以及梭菌類群Ⅳ的Faecalibacterium prausnitzii。該類酶可水解天然產物中廣泛存在的葡萄糖苷類結合物，形成更易吸收和/或有生物活性的苷元。黃酮類單糖苷可經小腸LPH或CBG酶以及腸道菌β-葡萄糖苷酶共同催化去糖基化產生更易吸收的苷元。但對于非單糖取代的槲皮素類糖苷（如蘆丁和金絲桃苷），腸道自身的LPH和CBG均無法分解，只有通過腸道菌的糖苷酶水解產生苷元。中藥黃芪主要皂苷成分黃芪甲苷經腸道菌水解產生具有端粒酶激活作用的環黃芪醇，而其主要黃酮成分毛蕊異黃酮7-氧-β-D-葡萄糖苷經腸道菌代謝后主要以苷元形式吸收，后者經肝UGT1A9催化生成的3'-葡萄糖醛酸苷可表現出更強的促血管新生作用。

1.2.3羧酸酯酶CES能夠催化酯、酰胺、氨基甲酸酯或硫酯鍵斷裂。CES在體內分布廣泛，在腸、肝和腸道菌中均有表達。構成宿主CES蛋白結構中活性空腔內的基本催化三聯體為絲氨酸（Ser）、組氨酸（His）和谷氨酸（Glu），而菌CES的催化結構是由Ser、His和天冬氨酸（Asp）組成。宿主CES被認為是經典的異源化合物代謝酶，可水解許多具有酯基的藥物；而菌CES作用于相對分子質量小的水溶性酯,在疏水化合物（如膽固醇）的內源性加工過程中也起著重要作用。Kim等發現阿司匹林可被腸道菌CES水解生成水楊酸，與抗菌藥氨芐西林聯用能抑制腸道菌CES活性，增強其抗血栓作用。

1.3官能團轉移反應

腸道菌代謝酶通過親核取代，可催化官能團在底物之間轉移以改變化合物的極性，影響藥物的吸收、排泄、毒性和藥理活性。

辛伐他?。╯imvastatin）是一種內酯類前藥，通過抑制羥甲基戊二酸單酰輔酶A（HMG-CoA）來降低膽固醇水平，其與人結腸微生物體外培養可發生去甲基化反應。在人糞便中能檢測到腸道菌代謝福他替尼（fostamatinib）后的O-去甲基化和二羥基化產物。抗真菌藥物5-氟胞嘧啶可經腸道菌中的胞嘧啶脫氨酶轉化生成5-氟尿嘧啶。口服非那西?。╬henacetin）除了經肝臟CYPs（主要為CYP1A2）催化O-脫乙基生成對乙酰氨基酚（acetaminophen）發揮藥效外，還能被腸道菌乙酰轉移酶代謝，生成具有腎毒性的對苯乙啶。地爾硫?（diltiazem）結構中的乙酰酯基可被腸道菌Bacteroidesthe taiotaomicron編碼的酶（BT_4096）代謝生成去乙酰化產物。此外，5-ASA經腸道菌催化乙?；瑢е驴寡鬃饔蔑@著減弱。

1.4裂解反應

腸道菌可表達裂解酶來直接裂解C-X鍵（X為C、O、N、S、P或鹵素），釋放可利用的小分子代謝物或降低藥物的生物利用度。

1.4.1β-裂解人體腸道微生物能夠編碼超過5000種多糖裂解酶（PLs）。PLs能夠通過和CES共同作用，裂解多糖中位于羧基β位的糖苷鍵，從而獲得小分子單糖。此外，腸道微生物還具有C-S鍵β-裂解酶。一些食物、藥物等外源性物質經CYP450酶代謝后形成具有潛在毒性的代謝產物，部分活性代謝中間產物在肝中與谷胱甘肽形成結合物，該結合物經膽汁排泄進入腸道，被腸道菌群的C-S鍵β-裂解酶催化裂解。例如，對乙酰氨基酚在肝內生成的谷胱甘肽結合物經膽汁排泄進入腸道，經腸道菌β-裂解酶代謝形成巰基取代產物，該產物可被重吸收進入肝，被肝線粒體甲基轉移酶甲基化，生成易蓄積的甲硫基加合物。

1.4.2側鏈裂解側鏈裂解主要發生在固醇類藥物。地塞米松（dexamethasone）、氫化潑尼松（prednisolone）、可的松（cortisone）等藥物的側鏈碳鏈可被Clostridiums cindens表達的碳鏈裂解酶裂解生成雄激素形式的代謝產物。萘丁美酮（nabumetone）屬于非固醇類抗炎藥，口服后結構中的側鏈被腸道菌裂解生成活性產物6-甲氧基-2-萘基乙酸（6-MNA）。

1.4.3開環氧化左旋咪唑（levamisole）與腸道菌體外培養生成多種噻唑環開環的氧化產物，使其藥理活性減弱。甲硝唑（metronidazole）由腸道菌Clostridium perfringens代謝開環生成N-（2-羥乙基）-乙酰胺酸和乙酰胺?？贵@厥藥唑尼沙胺（zonisamide）結構中的苯并異唑環可被Clostridium sporogenes開環成2-氨磺?；阴１椒樱⊿MAP）。

1.5其他

CYPs是一類單加氧酶，其催化的I相反應是藥物在體內代謝轉化的關鍵步驟。CYPs主要在哺乳動物的肝、腸道黏膜中表達。此外，在多個細菌中也有CYPs表達，具有非常強的代謝活性。哺乳動物的CYPs是一類膜結合型蛋白，催化代謝反應需要氧的參與，而菌表達的CYPs是可溶性蛋白，催化過程不需要氧參與。目前，對菌CYPs代謝藥物的研究報道較少。腸道菌Streptomyces spp.表達的CYPs能代謝非甾體類抗炎藥氟比洛芬（?urbiprofen）生成羥基化產物，除和宿主CYPs一樣催化4位羥基化外，還能催化3位的羥基化或甲氧基化。

2腸道菌代謝藥物的結果

2.1代謝激活（前藥）

許多藥物由于難于吸收、代謝不穩定、具有刺激性或毒性，常被修飾成無/低活性的前藥來提高生物利用度、避免毒副作用。其中一些前藥能被腸道菌代謝激活（activation），釋放出活性代謝物，從而發揮藥效，如5-ASA的前藥（奧沙拉嗪、巴柳氮、柳氮磺吡啶）和磺胺類化合物的前藥百浪多息經腸道菌代謝分別釋放出5-ASA和磺胺。洛伐他汀（lovastatin）的γ-內酯環結構水解產生的2-羥基洛伐他汀酸是其治療高膽固醇血癥的活性成分。Yoo等觀察到在抗生素處理后大鼠的血漿中2-羥基洛伐他汀酸降低，推斷是腸道菌介導了γ-內酯環的水解活化。然而，最近研究顯示，洛伐他汀γ-內酯環結構的水解是一個pH依賴的自發的轉化過程，而腸道菌并不能催化γ-內酯環水解，而是介導了2-羥基洛伐他汀酸的分解，使藥效降低。

腸道菌能夠通過代謝藥物，影響化療藥的治療效果。對30個化療藥物的體外分析顯示，大腸埃希菌顯著增強6個藥物（替加氟、磷酸氟達拉濱、5-氟胞嘧啶、6-巰基嘌呤-2'-脫氧核糖苷、AQ4N和CB1954）的體外殺傷腫瘤細胞的活性，同時分別檢測到大腸埃希菌水解氟達拉濱的核苷酸糖苷鍵以及還原CB1954（羥胺及胺衍生物）的相應代謝物，而瘤內注射大腸埃希菌則顯著提升了CB1954治療小鼠的中位生存率。

植物藥中廣泛存在的糖苷類成分（皂苷、黃酮糖苷、蒽醌類糖苷、二苯乙烯苷等）由于極性較強，不易被吸收。腸道菌表達的葡萄糖苷酶或GUS可水解一些糖苷類化合物的糖苷鍵，生成疏水性較強的苷元，促進吸收，或產生活性代謝物。例如人參皂苷類口服生物活性很低，主要通過腸道菌（如雙歧桿菌、擬桿菌、梭菌等）β-葡萄糖苷酶催化脫糖，生成有同樣活性或活性更強的次生代謝物，如原人參二醇型人參皂苷的主要代謝物CompoundK具有更強的抗腫瘤、抗炎等作用，是口服人參皂苷后血中檢測到的主要藥物相關成分。黃芩苷是葡萄糖醛酸苷，口服后可在腸道中由腸道菌GUS水解為易被小腸上皮細胞吸收的黃芩素，后經腸/肝UGT酶重新轉化為黃芩苷進入血液循環，發揮其藥理作用。蒽醌類化合物（如大黃素、大黃酚、大黃素甲醚等）是大黃中一類主要的生物活性成分，天然存在形式主要是葡萄糖苷，經口服后在體內主要以葡萄糖醛酸苷形式存在。研究顯示，在右旋葡聚糖硫酸鈉引起的大鼠慢性結腸炎中，由于腸道菌GUS活性降低，腸肝循環被抑制，導致大黃蒽醌成分結合物的系統暴露降低。

2.2代謝再激活

腸道菌代謝導致的藥物再激活[即代謝再激活（reactivation）]普遍存在于進行腸肝循環的藥物以及許多天然產物成分。宿主腸/肝代謝酶催化藥物發生結合反應，其代謝物（葡萄糖醛酸苷）可通過膽汁排泄進入腸道，被腸道菌GUS水解釋放出藥物，部分經腸道重吸收。因此，宿主腸/肝UGT-腸道菌GUS代謝軸協同作用決定了這些藥物的體內處置過程及藥效發揮。部分藥物（如嗎啡）的原型系統暴露增加可提高藥效，或活性代謝物（如抗癌藥伊立替康）在腸局部的暴露增加產生毒性。此外，用作預防腎臟移植后排斥反應的免疫抑制劑霉酚酸酯（MMF）作為霉酚酸（mycophenolic acid，MPA）的前藥，經肝臟CES1和CES2代謝為MPA后，經肝UGT酶-腸道菌GUS作用，可增加活性代謝物MPA的系統暴露。然而上述天然糖苷類成分經腸道菌水解以苷元形式吸收后，后者經腸/肝代謝酶催化，進入腸肝循環過程，促進苷元形式的利用。

2.3代謝失活

強心苷類藥物地高辛（digoxin）通過結合人心肌細胞中的Na+/K+ATP酶來治療充血性心力衰竭等心臟疾病。腸道菌Eggerthella lenta可使其代謝失活（detoxifcation）生成二氫地高辛，測序分析發現一種只存在于Eggerthella lenta中的強心苷還原酶操縱子，能編碼2種強心苷還原酶（Cgr1和Cgr2），催化還原地高辛結構中的α，β-不飽和內酯，從而減弱藥物與Na+/K+ATP酶的結合能力，降低療效。左旋多巴（levodopa）是治療帕金森病的藥物，在腸道被Enterococcus faecalis中的酪氨酸脫羧酶（TyrDC）代謝生成強極性的多巴胺，后者進一步被Eggerthella lenta中多巴胺脫羥基酶（Dadh）代謝生成3-酪胺，兩者均無法透過血腦屏障，使藥效降低。

2.4代謝致毒

硝西泮經腸道菌硝基還原酶和肝N-乙酰轉移酶代謝生成的7-乙酰氨基硝西泮具有致畸性。非那西丁經腸道菌脫乙酰酶基生成的對苯乙啶與長期服用非那西丁導致的腎炎有關。5-氟尿嘧啶可以直接被腸道菌中廣泛分布的脲嘧啶磷酸核糖轉移酶代謝，生成5-氟尿苷單磷酸（5-?uorouridine monophosphate），破壞RNA。京尼平苷（geniposide）可被腸道菌β-葡萄糖苷酶水解，生成具有肝細胞毒性的對苯二酚。

2.5藥物耐受

化療藥物的耐藥一直是阻礙癌癥治療的一個難題，最近研究發現腸道菌代謝能導致部分化療藥物耐藥。核苷酸類似物吉西他濱（gemcitabine）用于治療胰腺癌、肺癌、乳腺癌或膀胱癌，其與大腸埃希菌共孵產生乙酰化代謝物，瘤內注射大腸埃希菌顯著降低吉西他濱治療組小鼠的生存率。結腸癌小鼠模型瘤內γ-變形桿菌表達的長型胞苷脫氨酶（CDDL）使吉西他濱脫氨失活；另外，在高達76%胰腺管型腺瘤患者的腫瘤組織樣品中檢測到菌DNA，其中半數以上的片段來自γ-變形桿菌中的腸桿菌科和假單胞菌科，而絕大多數患者新鮮腫瘤組織中的菌能使人結腸癌細胞株RKO和HCT116對吉西他濱產生完全耐受。

2.6藥物-藥物相互作用

目前，對腸道菌代謝藥物引起的藥物-藥物相互作用（drug-drug interactions，DDI）尚缺乏系統深入的研究。腸道菌嘧啶核苷磷酸化酶在Bacteroides spp.中活性較高，能水解抗病毒藥物索立夫定（sorivudine）生成溴苯尿嘧啶（bromovinyluracil），后者透過腸道進入肝后與二氫嘧啶脫氫酶結合，造成對該酶的不可逆抑制，降低其對聯用的5-氟尿嘧啶的降解，導致5-氟尿嘧啶蓄積產生毒性。

3影響腸道菌代謝藥物的因素

腸道菌基因組較人體基因組更易受其他因素的影響而發生結構和多樣性的改變，進而影響代謝功能。影響腸道菌組成的因素眾多，如圍產期因素（出生及喂養方式、遺傳、腸黏蛋白糖基化等）、飲食營養、疾病、生活方式（抽煙、飲酒、熬夜等）、用藥（尤其是抗生素）、地理、環境等。多種疾病包括代謝性疾?。ㄈ缣悄虿。?、肝?。ㄈ缰靖危┮约把装Y等普遍存在菌群多樣性降低的問題，低纖維西式飲食也往往導致菌群多樣性降低甚至某些重要的菌消失。抗生素抗藥性是當代醫學一個日益嚴重的現象，已引起人們的廣泛關注。最近針對市場上1000種不同類別的非抗生素類藥物的體外研究發現，約24%的受試藥物（包括臨床常用的抗精神性藥物、質子泵抑制劑、激素及抗腫瘤藥物等）在臨床治療濃度能夠對以腸道共生菌為主的40個代表菌株中的至少一個產生明顯的生長抑制，這與臨床觀察到的這些藥物的副作用相一致。對來自歐洲不同區域的2個健康成年人群的糞便樣品組成及變異因素分析顯示，用藥對菌群結構變異的貢獻最大。由此可以推測，許多非抗生素類藥物也可能對菌群結構產生影響，促進某些耐藥性的產生，并影響藥物代謝、藥效和藥物毒性。

對腸道菌的生理、病理作用重要性的認識推動了靶向菌群的各種干預措施的出現，包括通過抗生素聯用、益生菌、益生元、糞菌移植等直接影響菌群結構和多樣性以及靶向干預特定腸道菌代謝通路。例如，膽堿利用基因簇（choline utilization cluster，cut）存在于多種腸道菌中并能編碼一對微生物蛋白CutC和CutD（CutC/D）來介導三甲胺（TMA）生成，服用CutC/D的共價抑制劑碘甲基膽堿可顯著降低小鼠血漿氧化三甲胺（TMAO）的水平，改善膽堿飲食誘導形成的強化血栓等。然而，這些干預措施本身也可能改變腸道菌的組成和功能，影響菌群對藥物的代謝。如經口給予小鼠益生菌Lactobacillus reuteriK8，檢測到Bifdobacterium和Clostridium數目顯著增加，伴隨降解對乙酰氨基酚的硫酸酯酶（sulfatase）、芳基硫酸鹽磺基轉移酶（arylsulfate sulfotransferase）活性顯著升高和GUS活性下降，經口給藥對乙酰氨基酚的系統暴露水平相應降低。給予實驗性結腸炎模型大鼠人參多糖能重建菌群平衡，部分逆轉腸道菌β-葡萄糖苷酶活性的降低，增強人參皂苷Rb1的經口吸收和腸道菌代謝，從而增強了Rb1及其次生代謝物的系統暴露。

與宿主代謝相似，腸道菌結構和代謝隨飲食習慣和進食時間表現出一定的生物節律性，引起菌群代謝的周期性變化，反過來影響宿主代謝的生物節律。因此，旅行中的時差可以打破腸道菌的生物節律引起菌群擾動。小鼠腸道黏膜相關菌會隨著生物周期而變化，導致其黑暗期的數量是光照期的10倍。菌群的晝夜節律性變化甚至會對藥物的副作用產生影響，夜間給予小鼠對乙酰氨基酚會引發更嚴重的肝損傷，原因在于腸道菌在夜間分泌更高水平的1-苯基-1，2-丙二酮，使肝臟GSH含量減少，提高了肝的易感性。

此外，給藥途徑、制劑技術（控釋技術、靶向給藥等）、腸肝循環等可以通過影響藥物在腸道的駐留和與菌群的接觸，改變菌群代謝藥物的程度和生物利用度。

目前，尚不清楚這些因素導致的腸道菌群組成變化的信息與臨床觀察到的藥物反應（代謝、效應和毒性）的變動之間是怎樣的關系，認識到許多干預措施本身也可能改變腸道菌的組成和功能，則使這一問題變得更為復雜。然而，腸道菌群本身的功能冗余性（redundancy）和多效性（pleiotropy），又能使菌群維持一定范圍內結構變化的彈性及功能的韌性。因此，哪些影響因素能最終在菌群功能上留下印跡，引起行為表型和生理特性的變化，將成為腸道菌群的穩態調節研究的新方向。

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受COVID-19疫情影響，全球最大的腫瘤臨床研究年會ASCO（American Society of Clinical Oncology）今年將于美國時間5月29日-5月31日舉行網絡會議。在ASCO近日公布入選的研究摘要中，來自先聲藥業的恩度?（重組人血管內皮抑制素）二項研究入選2020ASCO年會壁報...全文>>

4靶向腸道菌代謝藥物的治療策略及藥物研發

腸道菌群如何影響藥物代謝、藥效或毒性并對其進行量化已成為目前研究的熱點領域之一。因此，精確編輯腸道菌群，調節其代謝，將促進新的治療策略的出現，推動藥物研發及精準治療。目前，靶向腸道菌代謝藥物的治療策略及藥物研發主要有以下幾個方面：

1）抗生素聯用策略降低耐藥性或毒性：針對瘤內菌引起的吉西他濱耐受，同時給荷瘤小鼠腹腔注射抗生素環丙沙星，能恢復吉西他濱的抗腫瘤活性，表明菌代謝介導的藥物耐受可以通過同時給予抗生素的方式改善。同樣，懷孕大鼠經口給藥硫酸新霉素、鹽酸四環素和桿菌肽，在不影響肝硝基還原酶的前提下，幾乎完全抑制了盲腸內容物中硝基還原酶活性，可顯著降低硝西泮的致畸性。

2）抑制腸道菌藥物代謝酶以提高藥物系統暴露或減毒：選擇性抑制細菌GUS可以有效減少伊立替康肝代謝物SN-38G在腸道中的再活化，降低其毒性產物SN-38在腸道中蓄積，從而緩解伊立替康的腸毒性。采用相同策略也能使非甾體類抗炎藥對小鼠胃腸道的損傷減輕。這些研究發現推動了對腸道菌GUS的分布、結構、功能和抑制特性的系統表征，并促進了抑制劑的研發。針對腸道菌降解肽類藥物的問題，Sasaki等利用檸檬酸作為細菌降解阿奇替林（azetirelin，促甲狀腺激素釋放激素類似物，一種神經保護藥物）的抑制劑，與制劑增強劑正月桂基-β-D-麥芽吡喃糖苷以及阿奇替林一起制備成腸溶膠囊，使阿奇替林在犬中的生物利用度從15%提升至高于40%。左旋多巴需進入大腦轉化為多巴胺才能發揮對帕金森病的治療作用，針對腸道Enterococcus faecalis中的TyrDC代謝導致左旋多巴腦中暴露降低的問題，設計出TyrDC脫羧反應的強效抑制劑（S）-α-氟甲基酪氨酸（L-酪氨酸類似物），其能顯著增加Enterococcus faecalisMMH594定植的悉生小鼠血中左旋多巴的濃度。

3）利用腸道菌藥物代謝設計新的藥物或遞送系統：對于一些生物特性尤其是溶解性較差的藥物，可以將藥物以磷酸酯或硫酸酯前藥的形式給藥，如瀉藥硫酸鈉（sodium picosulfate）就以二硫酸鹽的形式使用，依賴腸道菌的磺基轉移酶將其轉化為4，4'-二羥基二苯基-（2-吡啶基）-甲烷發揮作用。針對柳氮磺吡啶經腸道菌水解產生具有副作用的磺胺吡啶，開發出一種大分子藥物遞送系統，該系統通過間隔基團將藥物5-ASA在5位偶氮連接至聚乙烯胺，產生水溶性的偶氮聚合物鏈接藥物，利用結腸病變部位腸道菌催化還原代謝，釋放5-ASA，改善該藥的治療指數。此外，采用基于多糖的結腸靶向遞送系統可實現益生菌的定點釋放，也為設計結腸靶向藥物提供了新思路。

5腸道菌群代謝藥物研究的趨勢及展望

綜觀近期腸道菌群代謝藥物的研究呈現以下趨勢：

1）研究系統化：多學科手段、系統性研究。由于目前腸道菌多數不能通過體外培養獲知其代謝功能，研究通常利用對個別已知菌的目標代謝功能分析，結合功能性宏基因組學以及生物信息學，獲取腸道菌代謝藥物的基因/酶分布信息，用以指導針對微生物組的合理治療干預措施。例如，為鑒定腸道菌中催化L-多巴脫羧反應的酶，MainiRekdal等首先提出L-多巴脫羧反應需要磷酸吡哆醛依賴性酶的假說，并在腸道菌基因組中搜索候選基因，從糞腸球菌中鑒定出保守的TyrDC，進一步通過遺傳和生化實驗證實，TyrDC可同時使其優選底物酪氨酸及L-多巴脫羧；在此基礎上，發現酪氨酸的模擬物（S）-α-氟甲基酪氨酸能夠抑制TyrDC、糞腸球菌以及帕金森病患者的腸道菌群樣品的L-多巴脫羧作用。此外，結合多種預測模型和計算工具，可評估胃腸道不同位置微生物對藥物的影響。Zimmermann等利用無菌小鼠、藥物代謝酶缺失細菌構建限菌小鼠模型，定量測定宿主和腸道菌群對藥物代謝的貢獻，成功檢測了抗病毒藥索利夫定在不同部位的代謝情況，發現核苷類抗病毒藥溴夫定轉化為肝毒性代謝物的過程71%由腸道菌群完成，進一步結合藥代動力學模型實現對藥物/代謝物在不同個體系統暴露的準確預測。

2）研究精細化：具體到菌株/酶/基因水平。多數情況下，介導藥物代謝的菌和酶并不清楚。但多學科技術手段的應用及培養組學的出現，促進了腸道菌代謝藥物的機制研究。如鑒定出腸道菌代謝L-多巴的路徑，包括經糞腸球菌的TyrDC轉化為多巴胺，然后經遲緩埃格特菌的DadhR506變異，代謝為m-酪胺；吉西他濱的耐藥性是由于腫瘤內的γ變形菌門表達的CDDL代謝使藥物失活引起；而擬桿菌屬中普遍存在的由bt4554基因編碼的嘌呤核苷磷酸化酶介導了溴夫定的代謝。這些機制的深入研究促進了靶向腸道菌藥物代謝環節的藥物發現及新的藥物聯用策略。

3）純培養和培養組學（culturomics）迅速發展：由于仍有80%以上的人腸道微生物是未知的，單獨依靠宏基因組技術無法闡明微生物的代謝功能，近期純培養技術重新獲得重視。采用多重培養條件結合基質輔助激光解吸/電離飛行時間型質譜儀（MALDI-TOF）及16SrRNA測序等技術鑒定微生物的培養組學快速發展，使得可培養的人體細菌增加了幾百種，推動了對人體腸道細菌的營養偏好、代謝特性研究以及對腸道菌代謝口服藥物的系統性研究。

4）藥物微生物組學的出現：藥物微生物組學是研究菌群與藥物反應/代謝互作的新興領域。宿主、菌群、藥物之間存在復雜多維的互作關系，藥物可影響腸道菌群的組成和功能，腸道菌群除了直接代謝藥物，還通過影響代謝、免疫、炎癥等，間接影響藥物反應和生物利用度，而遺傳和飲食等因素均影響腸道菌群和藥物代謝。通過無菌動物、微生物定植或糞菌移植研究證實，腸道菌能通過釋放可溶性因子、細菌外膜囊泡（OMVs）或代謝產物影響宿主代謝酶表達或活性。色氨酸的腸道菌代謝產物吲哚丙酸通過TLR4信號通路作用于調控藥物代謝和轉運的重要感受器孕烷X受體（pregnane X receptor，PXR）。腸道菌群能調控肝腸P-糖蛋白等轉運子的表達，從而影響藥物腸吸收或在消除器官的暴露。此外，菌群代謝物還可以通過競爭機制影響宿主藥物代謝。如對甲酚（p-cresol）能夠通過競爭磺酸化酶，降低撲熱息痛的磺酸化代謝，使體內產生較高對甲酚的患者發生肝毒性的風險增大。另一方面，菌群是機體免疫平衡和炎癥反應的重要調節者，炎癥/感染通過細胞因子介導機制使宿主代謝能力嚴重受損。因此，藥物微生物組學研究為臨床重新解讀藥物的系統暴露行為提供了更宏大深入的機制背景，也為應用生理藥動學模型（PBPK）預測藥物吸收、分布、代謝和排泄（ADME）帶來更為復雜的考量，可促進個性化治療。

腸道菌代謝藥物的研究仍面臨巨大挑戰。腸道菌群在腸道內的分布存在著空間和組成的不均一性。不同腸段的pH值、氧分壓及腸上皮細胞生理狀態等存在差異，比如小腸段的pH值較結腸低（pH6~7vspH7）而氧分壓較結腸高（pO233mmHgvs<33mmHg），導致小腸部位定植菌的核心類群不同，多樣性低。對于大部分主要在小腸吸收的藥物，通過糞菌研究獲得的藥物代謝結果無法反映小腸部位菌群代謝藥物的真實情況。但是目前較難獲得小腸部位的菌群樣品。多數體外方法過于簡化，無法反映腸道生態系統的特性，如特定微生態環境、pH梯度的差異、動態的微生物-組織互作。人體腸道微生物生態模擬系統可模擬完整的胃腸道動態環境，通過精細調控系統的環境參數（pH、氧分壓、滯留時間等）獲得復雜、穩定的微生物群落，成為研究藥物代謝、食品發酵、腸道菌代謝的重要工具。微生物成像技術通過和其他方法相結合（如生物正交化學熒光標記、質譜成像等）來動態監測宿主菌群變化、更準確地鑒定相關代謝物及這些代謝物的空間分布，進一步推動了這一領域的發展。最近受到較多關注的胃腸道類器官、器官芯片微生理系統能夠較好地模擬體內系統，提高研究效率，可以用于腸道菌代謝和宿主-微生物互作研究?？上碾娮幽z囊可提供胃腸道氧、氫、二氧化碳的實時信息，用作研究腸道菌代謝的化學生物感應器，指示局部發酵情況。

對腸道菌群的代謝能力、腸道菌-藥物-宿主互作關系的認識不斷深入，將大力推進以下幾個方面的研究：1）藥物處置的菌群-宿主的合作、協調反饋機制；2）腸道菌組成及功能個體差異大并受多種因素影響，將腸道菌群代謝納入PBPK模型，實現對個體藥物代謝及系統暴露的差異更為精準的預測，Zimmermann等的工作為定量評估腸道菌代謝藥物及藥代動力學預測做了很好的示范；3）培養組學技術結合功能基因組、生物信息學在菌/酶/基因水平闡明藥物代謝機制；4）體外培養條件下單一菌的研究很難復制胃腸道復雜環境下的代謝能力，人腸道微生態模擬技術將獲得更大發展；5）腸道菌純培養、蛋白質重組、結合分子模擬等技術系統研究腸道菌代謝酶的代謝、誘導或抑制等特性。對腸道菌群參與藥物代謝的分子機制的理解，將最終推動靶向菌群代謝的藥物研發和個性化治療新策略的出現和完善。

綜上所述，對腸道菌群的代謝功能以及宿主、菌群、藥物之間復雜多維互作關系的認識不斷深入，使我們能夠重新審視并認識腸道菌在藥物的代謝和體內處置以及藥效或毒性中扮演的重要角色。功能性宏基因組學、培養組學、微生物成像、微生態模擬、分子模擬以及生物信息學等多種技術手段的發展及綜合應用，推動腸道菌代謝藥物研究向著系統性、精細化快速發展。闡明腸道菌群影響藥物代謝的分子機制并對其進行量化，將腸道菌群代謝納入PBPK模型，實現對個體藥物代謝及系統暴露的差異更為精準的預測，將促進臨床對微生物組的合理干預及精準治療，推動靶向菌群代謝的藥物研發和治療新策略的出現和完善。

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