药物在肠道中的菌群代谢.docx

。药物在肠道中的菌群代谢摘要人体肠道内寄居的大量共生微生物可以通过多方面作用影响人体健康，特别是肠道内菌群的代谢作用，及与人体自身代谢的交互作用在人类的健康促进与疾病的发生、发展中起着重要作用。肠道菌群的代谢流程与宿主的代谢流程存在交汇与互补的情况,即交互式代谢(metabolic exchange)和共同代谢(co-metabolism)。这种相互作用与许多人类疾病的发生、发展有着重要联系,但我们现在对此却知之甚少。由于这种代谢上的关联,肠道菌群对药物在宿主体内的吸收、代谢、毒理存在显著影响。这提示我们在设计个性化医疗时需充分考虑个体间肠道菌群的差异性。关键字：药物；菌群；肠道代谢AbstractHuman gut a large number of alien symbiotic can influence through various human body health, especially intestinal flora metabolism, and with the interaction of the humans metabolism in human health promotion and the happening of the disease, developing plays an important role. The intestinal flora metabolism process with the host in the process the metabolism of the intersection and complementary, is interactive metabolism (metabolic exchange) and common metabolic (co-metabolism). This kind of interaction and many of human diseases occurrence, development has important link, but we know little about it now. Because the metabolism of the association, the intestinal flora on the drug in the host of the body absorb, metabolic and therapeutic effects are significant. This suggests that we design personalized medical need to fully consider the individual differences between intestinal flora.Keywords：Drugs; Flora; Intestinal metabolism 1药物在体内代谢的部位主要与前述药物代谢酶在体内的分布以及局部器官和组织的血流量有关。肝脏由于它的高血流量以及含有大部分代谢活性酶，使它成为一个最重要的代谢器官。除肝以外代谢最常见的地方是胃肠道。如水杨酰胺口服给药时的血药浓度或者血药浓度-时间曲线下面积，比同样剂量静脉给药时要小得多。这是口服水杨酰胺时，有60%以上的消化道粘膜中发生结合反应之故。又如口服力米特罗后，硫酸化合物占排出量的50%，而静脉注射给药后仅占2%。另外有代谢反应亦可在血浆、肺、皮肤、肾、鼻粘膜、脑和其他组织中进行。体内常见的药物代谢酶及其存在部位主要有以下几种：1.混合功能氧化酶系：主要存在于肝内质网，催化药物进行氧化和还原反应。2.葡萄糖醛酸转移酶：主要存在于肝内质网，可与药物发生结合反应形成葡萄糖酸苷。3.醇脱氢酶：主要存在于肝细胞液中，可催化醇氧化反应，如乙醇在体内的氧化代谢。4.单胺氧化酶：主要存在于肝、肾、肠和神经组织细胞中线粒体，能使各种内源性胺类如儿茶酚胺和5-羟色胺等及外源性胺如酪胺等氧化铵生成荃，继而再氧化灭活。5.羧基脂酶和酰胺酶：主要存在于肝、血浆以及其它组织中。主要催化脂，硫脂和酰胺的水解。6.各种功能基的转移酶：主要存在于肝细胞浆、内质网、线粒体以及许多器官组织的细胞浆中。常见有磺酰基转移酶、谷胱甘肽S-转移酶、甲基转移酶、乙基转移酶。此外还有消化道和消化道菌从产生的酶。前者为消化道上皮细胞代谢中产生的酶，主要是一类结合酶，而肠道微生物的酶以分解或还原反应为主。肠道内的菌丛能代谢药物，能使药物产生还原、水解、乙酰化、脱烷基、脱CO2生成亚硝胺和硫酸结合反应。有些药物的代谢产物经胆汁排入肠中，经肠道菌丛转化为原形药物后又被肠吸收，使药物作用延长。柳氮磺胺吡啶是一个前体药物，口服后仅小部分在胃和上部肠道吸收，大部分药物进入远端小肠和结肠，在场微生物作用下重氮键断裂分解成5-氨基水杨酸和磺胺吡啶。磺胺吡啶有微弱的抗菌作用，5-氨基水杨酸有抗炎和免疫抑制作用，起到治疗溃疡性结肠炎的作用。2肠道菌群对药物代谢的反应类型2.1水解水解是药物代谢的重要途径,属于这类降解的药物主要有:酯类，包括内酯；酰胺类，包括内酰胺；甙类。2.1.1酯类药物的水解含有酯键的药物，在肠道菌群及H+、OH-的催化下，水解反应加速。特别在碱性溶液中，由于酯分子中氧的电负性比碳大，故酰基被极化，亲核性试剂OH-易于进攻酰基上的碳原子而使酰-氧键断裂，生成醇和酸。肠道菌群酯水解的药物较多。如盐酸普鲁卡因水解后生成对氨基苯甲酸与二乙胺基乙醇，此分解产物无明显的麻醉作用。2.1.2酰胺类药物的水解酰胺类药物水解以后生成酸与胺。如氯霉素、青霉素类、头孢菌素类、巴比妥类等药物。肠道菌群对青霉素的水解。因为肠道菌群可产生-内酰胺酶和酰胺酶。-内酰胺酶使青霉素-内酰胺环开环失活，这种酶主要由革兰氏阴性杆菌以及某些革兰氏阳性细菌产生。酰胺酶使青霉素侧链上的酰胺链水解而失活，该酶主要由某些需氧菌产生。2.1.3苷的水解该类型水解反应多见于中草药的有效成分。型、型的苷均可被肠道菌群水解。强心甙在植物中多以其前体形式存在，如洋地黄毒甙以其前体毛花一级甙A存在于植物毛花洋地黄中，当动物误食后其中的毛花一级甙A能为肠道菌群水解失去1分子葡萄糖得乙酰基洋地黄毒甙，再去乙酰基得洋地黄毒甙，从而产生中毒。2.2 还原还原反应在体内难以发生。主要由肠内细菌的还原反应完成，在药物分子结构中具有酮基、醛基、硝基、偶氮基团的药物易产生还原反应。2.2.1 硝基还原许多口服硝基化合物在吸收前可被肠道菌群还原为相应的胺类化合物。如氯霉素分子中的硝基还原生成芳香胺类化合物，给大白鼠或豚鼠口服该药物时，约有75%80%作为硝基还原体在尿中排泄。但静脉注射时硝基的还原代谢物至多不超过2%4%。因为药物与胆汁经过肠道，氯霉素葡萄糖醛酸钠盐与肠内细菌接触，产生大量硝基还原体。2.2.2 偶氮还原偶氮药物的药理作用与菌群的分解代谢有关。偶氮化合物还原分解形成氨化合物，如百浪多息分解形成磺胺。偶氮染料的发色团偶氮基可被肠道细菌还原，而在生物体内则很少被还原。在肠道内的还原反应主要由厌氧菌完成。2.2.3 烯还原桂皮酸及其衍生物中的双键易为肠道菌群氢化还原。如咖啡酸、香豆酸、亚麻油酸等可被氢化为相应的饱和脂肪酸。3 肠道菌群及其检测方法3.1 肠道菌群3.1.1 各菌群及B/E值从肠道菌群值来看，厌氧菌数量最多的是类杆菌，双歧杆菌和乳杆菌次之。产气荚膜梭菌和肉毒梭菌是肠道致病菌，因健康、饮食等原因样本差异较大，故检出率差异较大。与其他年龄段的人群相比，双歧杆菌厌氧菌数值比较高，反映出厌氧菌数量随年龄变化的一个规律，双歧杆菌数量的下降是通常人体衰老程度的一个标志。3.1.2 肠道中的有益细菌双歧杆菌和乳杆菌是人体肠道内主要的有益细菌，通过产生脂肪酸、分泌细菌素等方式促进食物消化吸收、抵御致病菌侵入和定植。据报道,肠道中双歧杆菌种群比较稳定。人体肠道内的双歧杆菌种群结构可能要比乳杆菌简单、稳定，同一年龄段人群的细菌种类较相似(如青年人肠道内通常存在大量的青春双歧杆菌。乳杆菌种群结构的相对复杂性不仅表现在出现的种类，也体现在数量优势菌株上。其中有些可能是个别样本特有的菌种，也可能是由摄入食物带来的。了解双歧杆菌和乳杆菌等有益细菌的菌株和生长特性，对于研究有益细菌的增殖因子、激活人体免疫系统的机制、应用于益生菌产品的制备等将有很大帮助。3.2检测方法1)采集样品:用灭菌小棒挑取自然排出的粪便3-5g，放入无菌容器，立即送检。2)均匀、稀释:加入50ml粪便稀释液，振荡成匀浆。用相同稀释液依次连续稀释10倍至10-7。3)菌群分离:实验选择了7种肠道细菌，并检测了总好氧和总厌氧菌的数量。所用培养基如下:TSB(总好氧菌)，MacConkey(肠杆菌)，Slanetz& Bartley Medium(肠球菌),SchaedlerAnaerobe Broth(总厌氧菌)，TPY(双歧杆菌)，改良MC(乳菌),Schaedler Anaerobe Broth添加新霉素(类杆菌)，SPS(产气荚膜梭菌)以及Egg Yolk(肉毒梭菌)。好氧菌培养18-24h，厌氧菌采用GENbox厌氧培养系统(bioMerieux)，培养36 -48h 。4)鉴定:细菌鉴定到属，按文献进行，菌群值经对数换算，以loglo CFU/g(湿重)表示。4人体肠道菌群代谢的产物及特点4.1 人体肠道菌群代谢的产物4.1.1 -半乳糖苷酶-半乳糖苷酶(3-D-Galactosidase)是细菌代谢途径中重要的酶，由肠道细菌特别是众多厌氧菌产生，能生成双歧杆菌的增殖因子，有利于肠道有益细菌的生长。据报道-半乳糖苷酶可能由双歧杆菌、乳杆菌和嗜热链球菌等有益菌大量产生，因此，酶活力高低反映出肠道的健康程度。4.1.2短链脂肪酸短链脂肪酸(Short-Chain Fatty Acid,SCFA)是在结肠经厌氧菌酵解生成，可降低肠道pH值，提供肝代谢能量，促进脂质代谢，促进肠道蠕动等，对人体有着十分重要的作用。粪便SCFA的含量可反映人体肠道厌氧菌的活性和代谢情况。4.2肠道菌群在药物代谢中的特点肠道菌群对药物的代谢能力在许多方面已超过肝脏。因为不同类型的细菌能够产生不同的酶并催化不同类型的药物代谢反应。肠道菌群对药物的代谢反应可视为肝脏对药物代谢的补充或对抗。肠道菌群99%为厌氧菌，肠内保持很高的厌氧度，氧的存在仅可抑制肠道菌群的药物代谢反应。肠道菌群所进行的一些代谢反应为一般组织所没有，这可能成为决定口服给药与胃肠外给药时药物代谢命运不同的主要因素。5肠道菌群在药物代谢中的作用肠道菌群几乎全为分解反应，使药物分子量减小，极性减弱，脂溶性增强，往往伴有药效及毒性作用的增强。5.1肠道菌群代谢对宿主健康的促进作用大量的研究显示，定植于人体肠道的微生物直接参与了宿主的各种代谢过程，发挥着其重要而独特的作用，并能产生多种有益于人体的代谢产物，促进宿主的健康。一方面，人体肠道内微生物群基因的多态性为宿主提供了多种人体自身所不具备的酶与生化途径，使其能够发酵人体所不易消化的食物残渣及上皮细胞分泌的内生粘液。这一复杂的代谢活动，不仅可以恢复宿主的代谢能量及可吸收底物，也为微生物自身的生长和繁殖提供了能量及营养。另外，代谢过程的终产物短链脂肪酸(SCFA)，主要是乙酸、丙酸、丁酸等，对宿主有着极其重要的生理功能。SCFA不仅为宿主细胞提供了能量及营养，更重要的是它在炎症、肿瘤预防及治疗等诸多方面展现出了极大的研究及应用前景。另一方面，除了能代谢人体自身不能分解的物质，肠道菌群还能与宿主发生共同代谢作用，参与对药物及其他外来化合物的代谢，通过肝肠循环将宿主细胞的代谢与肠道菌群代谢联系起来，胆汁酸及脂肪等的代谢便是其中最为典型的例子。此外，肠道微生物的某些成员还能自身代谢或共同代谢产生一些类似于药物的化合物，直接对人体的生理功能和免疫力产生影响。例如，肠道菌群中的双歧杆菌、乳杆菌和大肠埃希菌等可以合成多种蛋白质和维生素，被人体所利用。5.2肠道菌群代谢对宿主健康的损伤作用正常情况下，肠道菌群与人体及外界环境间保持着一种相对平衡的状态，以维持机体健康，一旦这种平衡被打破，肠道菌群失调，便会引起疾病的产生。由肠道菌群失调引发、加重或与肠道菌群失调有关的疾病种类繁多，发病部位不一，不仅限于肠道内，而是波及全身，且发病机制各异，而这其中与肠道菌群代谢有关的疾病并不占少数。非酒精性脂肪肝(NAFLD)是一种无过量饮酒史，以肝实质细胞脂肪变形及沉积为特征的多因子疾病，致病机制涉及多种基因、代谢、炎症及环境因子，其中尤以饮食对其影响最为显著，其致病机理不仅在于饮食诱导的肝脏脂肪累积，更重要的是，饮食引起的肠道菌群代谢改变。DUMAS等分析了对饮食诱导的糖稳态受损和NAFLD具有遗传易感性的129S6小鼠血浆及尿液代谢物特点，发现其遗传易感性与小鼠体内胆碱代谢紊乱密切相关。高脂膳食喂养的129S6小鼠血浆中卵磷脂含量偏低，而尿液中则含有高水平的甲胺(二甲胺、三甲胺、三甲胺-N-氧化物)。此前已有报道指出无菌小鼠并不排泄产生三甲胺，换言之，小鼠尿液中的甲胺直接来源于肠道菌群的代谢。由此推断，在高脂膳食诱导下，肠道菌群具有将胆碱代谢转化为甲胺的较强能力。由于食物胆碱是将脂肪从肝脏清除的必备条件，肠道菌群的代谢作用无疑减少了胆碱的生物利用率，产生了类似于食用胆碱缺乏膳食的不良结果，从而导致其易患NAFLD。另一个用以解释肠道菌群促进NAFLD发生的观点是肠道菌群代谢产生的内生性乙醇的作用。研究发现缺乏瘦素的肥胖小鼠(ob/ob小鼠)呼气中乙醇浓度显著升高，给予新霉素治疗后，小鼠呼气中乙醇浓度则明显下降，提示内生性乙醇来源于肠道菌。有专家指出内生性乙醇的增加一方面可促进肝脏甘油三酯的累积，诱发类似于酒精性脂肪肝的NAFLD，另一方面，乙醇可以损坏肠道上皮细胞，增加肠通透性，促使肠道内过度生长的有害细菌产生的脂多糖进入血液，从而进一步诱发NAFLD。显然，肠道菌群不仅能直接参与宿主的代谢，通过自身的代谢作用对人体健康产生危害，其代谢产物对疾病的发生同样有一定的促进作用。越来越多的证据显示，肠道菌群产生的与慢性疾病有关的毒素对某些疾病的发生可能起着至关重要的作用。5.3 肠道菌群对药物的药理活性和毒性作用5.3.1 肠道菌群对药物的药理活性某些药物只有经过肠道菌群的代谢活化才能具有药理活性和治疗价值。水杨酸偶氮磺胺吡啶能有效地治疗和预防溃疡性结肠炎。口服给药后水杨酸偶氮磺胺吡啶结肠内菌群还原磺胺吡啶（强抑菌作用）5-氨基水杨酸（抗炎作用）大黄、番泻叶等植物性泻药含有蒽醌甙类，原药并无致泻活性，口服后在小肠不被吸收，进入大肠经菌群水解释放出甙元-蒽醌类化合物才具有泻下作用。小鼠静注番泻甙40mg/kg,无泻下作用,而口服则有100%的泻下效果。研究发现:番泻甙在大肠水解甙元被菌群还原裂解大黄酸蒽酮(泻下活性最强)楔样梭状芽孢杆菌、产气荚膜梭状芽孢杆菌、青春型双歧杆菌等治疗消化道感染的酞酰磺胺噻唑、琥珀酰磺胺噻唑必须在肠道经菌群酰胺酶水解,释放出磺胺噻唑后才有治疗作用。5.3.2肠道菌群对药物的毒性作用肠道菌群通过催化药物水解、还原等分解性反应常可产生脂溶性增强、易于吸收、毒性增强的代谢产物,导致药物毒性反应。尤其是与某些化合物的致癌性有关。如苦杏仁甙，动物：饲苦杏仁甙有很强毒性，但非口饲或予投抗