如何系统性研究药物对肠道菌群的影响（综述）

文献ID：

发表期刊：Scienceof the Total Environment

发表时间：2017-12-03

影响因子：4.9

作者及单位：LisaMaier等；德国海德堡基因组生物学实验室；

关键词：药物-菌群互作

导读：

①质子泵抑制剂、降糖、化疗药和非甾体类抗炎药等非抗生素类药物可显著影响肠道菌群；

②可利用宏基因组及相关数据系统性分析药物-菌群互作,解析其作用机制，了解菌群对特定药物的作用方式或副反应的影响；

③系统性分析药物-菌群-宿主相互关系需注意造成偏倚的因素，需设计良好的对照研究；

前言

十年来，我们对人类共生微生物的理解大幅提升。我们现在对不同身体部位的微生物组成有很好的理解，它是如何随着个体内部或个体间的时间而变化的。宏基因组学和相关数据分析技术的进步推动了人类微生物组图谱的巨大改进，使我们的目光能够从世界范围内成千上万个个体微生物的门/属水平深入到株水平。同时，越来越多证据表明微生物的改变与生活方式，饮食、用药以及疾病标志之间存在关联。药物最近已成为影响肠道微生物组成的关键因素之一。在这里，我们简单介绍一下药物-微生物群的关系，并讨论未来系统研究这个问题的方法和关注点。

一、非抗生素药物如何影响胃肠道菌群？

抗生素杀菌的副作用早已为人所知，尽管近年来更为人们所重视。但抗生素对肠道共生物影响的程度仍不清楚，对于非抗生素，我们的知识更为稀缺。一般来说，复方药可能增加胃肠道疾病的发生率，诸如炎性肠病（IBD）等疾病。更具体地说，在过去几十年中已经探索了一些与微生物的变化有关的药物类型：质子泵抑制剂，非甾体抗炎药（NSAID），非典型抗精神病药，抗糖尿病药和化学治疗剂等。未来将有更多的药物进行相关测试，可能更多的是对照研究。虽然这样的数据具有很高的临床意义，但还不足以回答一下两个问题：

1. 药物对菌群是否是直接影响的，若是的话，药物对细菌的确切靶点是什么？

许多非抗生素药物可以对肠道微生物产生直接影响。例如，已知各种抗精神病药和抗抑郁药具有抗菌活性。第一个上市的抗抑郁药，单胺氧化酶抑制剂依索瑞肼，实际上是一种改良的结核菌素。最大的一类抗精神病药物（以及几种衍生物作为抗组胺药），吩噻嗪最先被认为有抗感染作用。也许并不奇怪，吩噻嗪类如甲硫哒嗪目前正被考虑用作抗结核药物。较新的抗抑郁药类，如选择性5-羟色胺再摄取抑制剂（SSRI）也有报道抑制细菌外排泵。还有其他更多的人类靶向药物或非抗菌抗感染药物能抑制特定微生物的生长，但是它们的机理机理或效应范围，以及是否在体内如肠道起作用，都是在未来需要系统解决的问题。

2. 药物对微生物的作用是其主要药理作用（MoA）还是副作用？

这是一个更具挑战性的问题。许多精神类药物能引起体重变化，很可能就是通过肠道菌群发挥的作用。许多常见药物对胃肠道能产生副作用，并且可能是对肠道菌群产生了影响。有证据表明，二甲双胍对肠道菌群有强烈影响。并且进一步发现，移植使用过二甲双胍个体的粪便给无菌小鼠，能改善受体小鼠的糖耐受性，而且二甲双胍在结肠释放药效增强（而非肝脏）。这些研究结果说明了二甲双胍是直接通过肠道微生物发挥药效机制的。总的来说，药物对肠道微生物组成的作用很可能比以前预期的要大得多。这对人类健康和药物开发都有相当大的影响，特别是考虑到全球药物消费量的增加。这也是未来几年全面描述这种药物-微生物互作的一个巨大挑战。

二、系统性探索药物-微生物-宿主互作因素

虽然临床队列研究中用宏基因组学的方法揭示了其生理相关性。但仍需要进一步验证，因为它们可能是间接的或者是混杂因素造成的。二甲双胍是后者的完美例子。虽然早期的研究报道了T2D患者存在特异性肠道维生素标记物，但后来发现主要是受二甲双胍的影响（T2DM的主要药物），而非疾病本身。事实上，在随后的介入性研究中，二甲双胍治疗原发性T2D患者显著改变了80个以上的菌株相对丰度。因此，为了系统地研究药物-微生物互作的受控方式，必须首先监测单一药物，并考虑到其他因素（其他药物，健康状况，地理，年龄，性别，菌群多样性等造成的偏差）。这对于市场上的所有药物都是难以做到的，更不用说它们的组合了。同样，目前很难估计肠道微生物多样性对这些结果的影响。即使这样的障碍克服了，关联性研究也不能推断因果关系。因此，我们需要开发高效的体外试验系统，对候选药物进行系统预筛选，对代表性的人体共生物产生重大影响。

药物-微生物组相互作用的体外试验需要知道治疗期间的身体部位的药物浓度。除了少数例外（IBD，腹泻或结肠直肠癌），药物并不针对肠道，因此它们在小肠或结肠中的浓度在很大程度上是未知的。标准药物参数如剂量，血浆浓度，生物利用率，半衰期和排泄途径可用来推断小肠或大肠中的浓度范围，但由于缺乏对药物总体代谢和药物活性的了解，在肠道，这些信息常常不准确。一般来说，对于口服药物，由于全部未吸收的药物以及吸收后被胆汁外排的药物在排泄前，都会在大肠中累积，所以预期肠内的浓度高于报道的血浆中的浓度。由于暴露时间延长，并且肠内水分滞留会增加了局部药物浓度。了解药物对肠道微生物的影响，精确获得肠道内生物活性药物浓度，通过宿主或微生物酶了解药物稳定性及药物代谢过程就显得至关重要了。从微生物的角度来看，药物敏感性试验通常限制于低丰度的病原体，若存在于健康人的肠道，那么更容易产生耐药性。实验条件下很难去筛选、验证，因为这些微生物大多需要苛刻的厌氧生长条件。然而，这对了解药物-菌群的相互作用，优化药物筛选流程是不可避免的。

三、用于系统研究宿主-药物-菌群相互作用的体外装置

最简单的方法是对具有代表性的肠道微生物和药物进行成对测试。这需要微生物分离培养技术，并在厌氧条件下进行高通量筛选。包含可培养的和具有代表性的参考菌株的细菌用于小鼠肠细菌（miBC）。可以用不同的生长培养基组合物来模拟特定的（病理性）肠道环境（炎症，胆汁浓度）或限制饮食。然而，一个一个进行筛选忽视了群体效应，这可能会掩盖或加剧药物的影响。连续生物反应器类型（即恒化器）主要用于培养微生物菌群。使用微量滴定板或微流体装置更适合于高通量方法，并且可以最大化探测的药物和群落数量关系。在这样的装置中连续稀释增长的细菌群落可以模拟替代恒化器的条件。

为了整合粘膜表面和宿主对肠道微生物组相互作用的反应，可以通过Transwell系统，微载体珠粒，片上肠道模型或肠道类器官将细菌培养物暴露于培养细胞。虽然这样的设置传统上用于探测需氧菌，但是最近的创新的基于微流体的模型旨在克服这种限制，允许和（专性）厌氧微生物分离共培养。对于此处描述的所有体外测定（图1），测量药物对微生物的影响的最简单和最直接的读数是增长：单个菌的光密度/荧光或菌群的相对丰度。

四、用于系统探测宿主- 药物-微生物组相互作用的体内模型系统

用模式生物在研究药物- 微生物群体-宿主相互作用的动物模型是可行的。在线虫秀丽隐杆线虫（Caenorhabditiselegans）及其细菌食物（大肠杆菌，Comamonas）的情况下，两个物种都可以进行高通量的基因筛选，并且已经被用于系统地研究药物- 微生物- 宿主的相互作用。以类似的方式，进一步在常见的非哺乳模式生物可以用于高通量药物- 微生物-宿主研究，例如果蝇黑腹果蝇，斑马鱼和蜡蠕虫。但这些较简单的模型系统并不模仿人类肠道的厌氧或微氧化环境，因此还不适合应用于人类共生微生物的研究。

由于近交系和远交系的可获得性，遗传易感性，无菌或非生物繁殖技术的选择，与人类微生物组合物的相似性（至少在门/门）中，实验室小鼠是实验室小鼠中最显着和广泛接受的模式生物。到目前为止，药物对小鼠微生物群的影响已经被评估为只有极少数几种治疗药物的药物（表1）。由于许多人类肠道的细菌属不存在小鼠肠道，反之亦然，人类共生菌群相关的小鼠或具有类似人类微生物组合物的动物系统经常用于微生物组研究（如猪）。但是，这样的安排和模型进一步限制了量。由于微生物组领域是数据驱动的，我们经常首先从宏基因组关联研究中确定药物效应。在这种情况下，药物-微生物组的相互作用可以在体外容易和全面地表征，因为已经显示临床相关性。动物试验必须遵循体外观察的思路来自药物发现管道，其中体外在小鼠模型中得到验证。这同样不一定适用于微生物领域，在那里先前的临床知识可以规避模式生物的需要。然而，模式生物对于测试旨在改善治疗或调查宿主中微生物-药物相互作用的生理学表现的干预策略仍将是有价值的。这些发现将不得不最终在人类的介入性临床试验中得到验证（图2）。

总结

总而言之，药物-微生物组相互作用的系统映射是显着的。这将通过宏基因组学的关联研究与体外和体内高通量筛选方法结合起来加快进行。药物也可以被肠道微生物修饰，从而被激活，灭活或代谢为有毒产物。目前已知有至少60种药物被肠道菌群转化（菌群与药物互作数据库:pharmacomicrobiomics），其中大部分已被很好地研究过，包括β-葡萄糖醛酸化酶重新激活化疗药物伊立替康在肠道中的毒性和特异性细胞色素氧化酶Eggerthellalenta降低心脏药物地高辛等。此外，菌群也大量产生生物活性化合物，例如次级代谢产物，G蛋白偶联受体激动剂以及许多调节微生物群落和宿主反应的小分子。类似的方法和概念可以应用于系统地评估药物- 微生物-宿主界面的其他方面。总之，药物- 微生物-宿主的相互作用是多方面的。系统地绘制这个界面并机械地解析其基本原理将彻底改变我们目前的药理学观点，并将加深我们对微生物系统及其与健康的联系的理解。

亮点

1. 本文系统总结了药物对人体的肠道微生物的组成的影响。

2. 提出药物对人体肠道的微生物组成是直接影响还是间接影响，药物发挥药效是否由微生物介导。

3. 给出了研究微生物-药物互作的方法，对肠道微生物如何与治疗相互作用的全面理解将为进一步机制解剖此类相互作用开辟道路，并最终不仅改善我们对肠道微生物群的理解，而且改善药物安全性和有效性。

小编的思考

1. 可以通过培养单个菌株来逐步研究药物对微生物的影响，从而再研究对多个菌株或者菌群的影响。

2. 开发新型的模拟肠道来研究药物-菌群的互作。

3. 在中药方面的研究中药-肠道菌的互作会比西药更复杂，中药的成分比较复杂进入人体后中药之间的相互作用，以及中药中的具体有效成分与菌群的相互作用机理有待进一步完善。

参考资料

DOI:10.1016/j.mib.2017.11.001

MaierL, Typas A. Systematically investigating the impact of medication onthe gut microbiome.[J]. Science of the Total Environment, 2017,619-620:587-599..

药物与微生物互作的数据库pharmacomicrobiomics：http://www.pharmacomicrobiomics.com/

非个人转发需授权！

撰稿：陆振   编辑：陈洋

（向上滑动查看内容）

亲爱的读者：

微生命公众号将诚邀您在本平台发表和介绍国内外中医药与肠道菌群有关的科研成果与前沿文献解读。

投稿请注意：