综述 | Gut :药物与肠道微生物组之间的相互作用
编译：Mushroom，编辑：小菌菌、江舜尧。
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人体肠道微生物组是一个复杂的生态系统，可以调节人类宿主与其环境之间的相互作用。肠道微生物与常用的非抗生素药物之间的相互作用是复杂且双向的：其组成会受到药物的影响，反之亦然，它会通过酶促转化药物的结构、改变药物的生物利用度、生物活性或毒性，从而影响人体对药物的反应。肠道微生物还可以间接影响人体在癌症治疗中对免疫疗法的反应。
本综述讨论了肠道微生物与药物之间的双向相互作用，描述了常用非抗生素药物诱导的肠道微生物变化及其潜在的临床影响，并概述了它是如何影响药物有效性以及在免疫治疗中的作用。本文为日后通过调节肠道微生物来改善治疗效果提供有意义的参考。
论文ID
原名：Interaction between drugs and the gut microbiome
译名：药物与肠道微生物组之间的相互作用
期刊：Gut
IF：17.943
发表时间：2020.05
通讯作者：RinseK Weersma
作者单位：荷兰格罗宁根大学医学中心胃肠病学和肝病学系
主要内容
在过去十年中，许多研究表明人类肠道微生物的组成和功能与众多常见疾病和表型存在联系，包括各种胃肠道表现型（炎症性肠病，肠易激综合征和结肠直肠癌）以及其它系统和器官疾病（心血管和代谢疾病，自身免疫性疾病和精神病）；关联分析、干预研究和动物研究证明了它们之间的因果关系。最近有研究发现许多常用的非抗生素药物可以通过改变微生物组的组成和功能影响宿主健康或降低药物疗效，同时发现，肠道微生物可以通过酶作用改变药物的结构，改变其生物利用度、生物活性或毒性，直接影响个体对特定药物的反应—药物微生物学（图1）。此外，肠道微生物会影响处于癌症治疗中的患者对免疫治疗的反应。本综述以非抗生素药物和肠道微生物之间的双向作用作为重点进行深入讨论。
图1 肠道微生物组与常用非抗生素药物之间相互作用的示意图。SCFA，短链脂肪酸。
2 背景
2.1 肠道微生物组研究的发展
在历史上，微生物研究通过将细菌进行分离培养来研究肠道微生物与疾病之间的关系。这种方法对肠道生态系统其它成分的分析是局限的，但可以深入表征各个相关物种和菌株，因此成为了解特定分类群与疾病相关作用的重要方法。后来发展的16S核糖体RNA基因测序技术可以对肠道微生物组进行总体分类学评估，极大地增加了人类对微生物组成的认识。最近，全基因组鸟枪测序或宏基因组测序（MGS）已成为研究微生物的强大工具。MGS不仅可以识别细菌，病毒，原生动物和真菌，还可以分析细菌基因和预测生物学途径。但是，MGS的测序结果很大程度上取决于从粪便样品中分离DNA的方法，这会导致微生物组研究结果中出现技术差异。其它14种组学方法（如宏转录组、宏代谢组和宏蛋白质组学）也越来越多地被应用于肠道生态系统以期对其有更全面的了解。
2.2 影响肠道微生物组的内在和外在因素
数个研究利用下一代测序技术对人类队列进行肠道微生物分析发现个体间差异很大，大多数个体只共享少数的肠道微生物。例如，在3000个样本的欧洲数据集中，仅17种细菌被鉴定为95%的样本的核心微生物组，大多数细菌是罕见的。在一项对1135个荷兰个体的种群研究里发现的639个物种中，有469个物种（73%）仅存在于少部分个体中（<10）。这种个体间的高度差异可能导致肠道微生物组的代谢功能发生变化。
基于人类队列的分析进一步表明，数百种内在和环境因素会影响健康个体的肠道微生物组，包括饮食，药物，吸烟，生活方式，宿主遗传和疾病。在所有环境因素中，常用药物在肠道生态系统中发挥重要的作用。
2.3 肠道微生物结构与人类常用药物的联系
文章表1总结了多项人类队列研究报告中特定药物与微生物组成和功能特征之间的关联。最早在DutchLifeLines-DEEP队列中进行的一项研究表明19种常用药物与微生物有关。除抗生素外，许多针对人类的非抗生素药物也与微生物成分的变化有关。与微生物组相关的主要药物包括质子泵抑制剂（PPIs），降脂他汀类药物，泻药，二甲双胍，β受体阻滞剂和ACE抑制剂，以及选择性5-羟色胺再摄取抑制剂抗抑郁药，在BelgiumFlemish队列和TwinsUK队列中也观察到类似的关联（表1）。
尽管在多个人群中检测到的药物微生物相关性高度一致，但估计效应规模值的差异反映了不同欧洲国家和不同患者药物使用的差异。例如，在BelgiumFlemish队列研究人群中观察到的抗生素使用对微生物组成的影响高于Dutch LifeLines-DEEP队列，这与比利时的抗生素处方率高于荷兰的事实相吻合。队列之间的不同年龄和性别的个体药物使用的频率不同，这也会对结果产生很大影响。
3 影响肠道微生物的常用药物
3.1 质子泵抑制剂
PPIs是全球最常用的药物之一，用于治疗与酸相关的疾病，如消化性溃疡、胃食管反流和消化不良，以及预防非甾体类抗炎药引起的胃十二指肠疾病和出血。由于PPIs有效且具有良好的安全性，因此它的使用频率迅速增长。在荷兰，约有200万人（约占人口的12％）通过处方使用泮托拉唑或奥美拉唑，其它国家也有类似的报告。在英国，每年的PPIs总成本估计超过1亿英镑。然而由于许多国家都可以通过柜台购买，因此PPIs使用者总数远远高于仅基于处方的估计值。近年来，人们对长期使用PPIs的安全性和潜在的副作用给予了极大的关注。荷兰的一项基于人群的大型研究表明，PPIs是与肠道微生物组多样性降低和分类学变化相关性最高的药物。进一步的16S分析显示的肠道变化与上述所说炎症性肠病和肠易激综合症患者在内的三个独立人群研究中惊人的相似。这些变化表明，PPIs使用者与未使用者相比，高达20%的细菌类群的相对丰度会发生改变。相似的，对1827对双胞胎的粪便样本进行分析后同样发现微生物多样性与肠道共生菌的丰度呈正相关。此外，在12名健康志愿者中进行的一项小型交叉试验显示，使用PPIs后的个体的肠道微生物分类学发生了很大变化。PPIs使用者的粪便样本微生物的分类学变化表明，肠道内共生细菌的数量减少，而口腔细菌的数量增加。这些变化包括肠杆菌科，肠球菌科和乳杆菌科的增加，以及疣微菌科和双歧杆菌科的减少；口腔中龋齿罗氏菌，粘滑罗斯菌，放线菌属和微球菌科的增加。
最近一项利用宏基因组测序的研究发现PPIs与肠道微生物相关性最高。校正联合用药的影响后，PPIs与24个分类单元和133个途径显著相关。预测的功能变化包括脂肪酸和脂类的生物合成，发酵烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的代谢，L-精氨酸的生物合成和嘌呤脱氧核糖核苷的降解。这些功能变化可以通过特定类群丰度的变化来解释。例如，L-精氨酸的生物合成在PPIs使用者的微生物组中更为普遍。虽然一些细菌类群（包括双歧杆菌和瘤胃球菌）被认为可以促进这些途径，但统计分析表明只有变形链球菌的丰度变化可以促进使用PPIs后的微生物途径变化。PPIs引起的胃酸度降低使口腔细菌能够定居在肠道微生物组中，从而导致分类学稳态变化（图1）。在PPIs使用者中观察到肠道微生物“口腔化”可以证明这一点。然而，有体外研究显示常用药物（包括PPIs）使肠道细菌的生长速度发生了显著变化，这意味着PPIs或许可以与细菌H+/K+ATP酶直接结合进而对其产生影响。
PPIs诱导的微生物组变化可能是造成临床重要疾病的原因。例如，以前的研究定义了肠道微生物组的变化会导致肠道病原体（包括艰难梭状芽胞杆菌、弯曲杆菌和沙门氏菌）的定殖和耐药性下降，这与目前在PPIs使用者中观察到的情况类似：艰难梭状芽胞杆菌的OR估计为1.5至1.8，其它致病细菌的OR为2.0至4.0。此外，PPIs的启用和停用可能通过肠道菌群的变化影响失代偿期肝硬化的临床进程。在儿童早期增加PPIs的使用量可能会诱导肠道微生物组的长期变化，从而引起肥胖。
虽然PPIs的功效和安全性在为循证适应症开具处方时仍然非常有利，但医学界应该重新考虑其广泛和长期使用造成的影响以及它作为非处方药的合理性。并对它在早期生命中改变发育中的肠道微生物组的影响及其对以后生命健康和疾病的影响进行特别研究。
3.2 二甲双胍
二甲双胍是用于治疗2型糖尿病（T2D）的口服降血糖化合物。二甲双胍能抑制肝脏糖异生，许多研究表明，它的某些有益作用是由肠道菌群介导的。与用于多种适应症或症状的PPIs相比，二甲双胍几乎仅用于糖尿病的治疗，因此更难以区分药物对微生物组的作用以及与肠道微生物组的变化相关的潜在疾病。有研究表明以往被认为由T2D引起的肠道微生物组变化实际是二甲双胍引起的。
在一项对健康志愿者的干预研究中，与接受安慰剂的对照组相比，二甲双胍的使用引起了人体肠道中80个物种的变化。值得注意的是，二甲双胍治疗显著增加大肠杆菌的丰度，降低Intestinibacter的丰度，这与接受二甲双胍治疗的患者和未接受的患者的横向队列研究结果一致。随后，作者将来自二甲双胍治疗或安慰剂治疗的供体的粪便样本移植到无菌小鼠中，观察到接受二甲双胍治疗的志愿者粪便样本的小鼠血糖水平降低，这表明肠道微生物组对血糖水平有直接影响。据研究，这种作用是由二甲双胍对产生短链脂肪酸（丁酸）的细菌影响、嗜粘蛋白-艾克曼菌丰度的影响、常见的生物途径和受二甲双胍影响的细菌（例如，金属蛋白或金属转运蛋白）中编码的基因所介导的。二甲双胍引起的肠道微生物变化，包括毒力因子和气体代谢基因的增加（大肠杆菌的增加），可能会导致胃肠道副作用（如腹泻，腹胀和恶心）。
二甲双胍和肠道微生物组之间的相互联系解释了常用药物改变肠道微生物组的方式，并表征了该药物的部分治疗功能以及某些副作用。值得注意的是，在未来进行针对特定疾病或状况的微生物组研究时，必须严格控制诸如药物使用（包括二甲双胍，抗生素，PPIs等）之类的混杂因素。
3.3 其它常用的非抗生素药物
来自英国，荷兰和比利时的大规模人群微生物组的横断面数据分析显示，除了PPIs和二甲双胍，其它常用药物（泻药，他汀类药物，抗抑郁药和阿片类药物）也可以影响肠道微生物组组成的某些变化。
当考虑使用泻药引起的肠道微生物变化时，应注意肠道运输时间，粪便浓度和细菌数量（例如每个样品的微生物负荷）均会影响微生物组特征。例如，在服用泻药的个体和低浓稠粪便样品中均观察到拟杆菌种类丰度的增加。然而，在一项对暴露于聚乙二醇（PEG）的小鼠的独立研究中发现，拟杆菌的数量也有类似的增加。在这项研究中，施用PEG诱导的轻度渗透性腹泻可引起肠道微生物组的长期变化，粘液屏障的暂时破坏以及随后发生的非特异性和特异性免疫反应。对小鼠施用PEG后，其肠道内的S24-7（拟杆菌科）消失，并由拟杆菌科的分支代替。除非S24-7可以被完全代替，否则这种影响是永久的。其它类群（如疣状微生物菌和γ-变形杆菌）表现出短暂的变化，但最终恢复到初始水平。有关服用肠道制剂的患者数据还显示了微生物组多样性指标的短期变化，但缺乏详细研究。然而，综合小鼠的独立研究结果，最终认为使用泻药可能会对肠道微生物组的组成产生短期和长期影响，而与粪便浓度和每个样品的细菌数量无关。
4 肠道微生物组影响常用药物
4.1 药物微生物组学的出现
随着肠道微生物组作为第二人类基因组的认识不断加深，药物微生物学的概念作为药物基因组学的自然扩展而被引入。早在1973年发现肠道微生物对抗菌药物百浪多息的激活有影响时，就有观点认为肠道微生物可以影响药物疗效。口服药物进入肠道与寄居于此的微生物发生双向交互作用（图1）。一方面，药物可以改变肠道微环境并影响细菌的生长，组成和功能。另一方面，肠道微生物组可通过酶促转化药物结构，从而改变其生物利用度，生物活性或毒性从而直接影响个体对特定药物的反应。与人类遗传学不同，肠道微生物组是可修改的，使其成为优化治疗的靶标。
4.2 药物与微生物在体外和动物研究中的双向相互作用
在人类体内观察到的肠道-微生物关联同时，一些体外和动物研究揭示了药物-微生物相互作用的作用方式以及对药物功效和安全性的潜在影响。
截至目前为止，药物至少可以通过两种方式影响肠道微生物的组成。（1）药物可能导致微生物组从其它身体部位转移到肠道。如上所述，PPIs可以降低胃的酸性屏障，使口腔微生物通过胃进入肠道，从而诱发微生物失调。（2）药物可以改变肠道微环境并直接影响细菌的生长可能是一种主要方式。例如，二甲双胍可促进肠道中产生短链脂肪酸细菌的生长。相反，有些药物会抑制某些细菌的生长，如表现出抗菌活性的抗生素。在一项高通量研究中，作者系统地评估了1000多种药物的抗菌效果，其中包括835种以人类细胞为靶点的人类靶向药物，证实了上述观点。值得注意的是，这些药物中有24％表现出抗菌活性，影响了所研究的40种细菌中至少一种细菌的生长速率。其中的8种药物似乎对细菌有毒，影响了至少50％的菌株的生长速度。这些药物包括四种抗肿瘤药（柔红霉素，5-氟尿嘧啶，链脲佐菌素和氟尿苷），两种抗炎和抗风湿药（醋硫葡金和双醋瑞因），一种抗痛风药（苯溴马隆）和一种用于消化性溃疡疾病的药物（奥昔卡因）。这一结果强调了癌症治疗对肠道微生物群的副作用，因为这些药物通常具有细胞毒性。
4.2.2 微生物对药物疗效和安全性的影响机制
已有研究表明，肠道微生物可以通过改变药物结构、生物利用度、生物活性或毒性来提高其疗效和安全性。例如，口服抗病毒药物布里夫定可被宿主和肠道菌群代谢成溴苯脲嘧啶，而后者具有肝毒性。Zimmermann等人通过比较传统小鼠和无菌小鼠的布里夫定和溴苯脲嘧啶的血浆和肝脏浓度，确定布里夫定的大部分（70%）毒性可归因于肠道微生物，特别是多形拟杆菌和卵形拟杆菌。同一课题组进一步系统分析76株肠道微生物对271种口服药物的代谢能力，发现其中的176种药物被至少一种细菌代谢。大多数微生物在体外代谢的药物（PPIs（泮托拉唑、奥美拉唑和泰妥拉唑）、化疗药物美法仑、抗疟药物青蒿素和帕金森氏病药物甲磺酸）可以被几乎所有正在研究的细菌菌株代谢。超级药物代谢菌株是拟杆菌（DSM17855）和梭状芽孢杆菌，它们分别可以代谢164种和154种药物。
总之，这两项分别评估药物的抗菌作用和细菌代谢药物能力的独立研究结果表明可持续的药物可以在细菌代谢下发挥作用，但不表现出强大的抗菌作用（图2）。然而某些药物（例如左旋多巴）的双向作用是明显的。
4.3 肠道微生物的双向作用：以左旋多巴为例
用于治疗帕金森氏病的左旋多巴经口服后通过小肠吸收，因此它可以穿过血脑屏障并进入大脑。人体体内的芳香族氨基酸脱羧酶将左旋多巴转化为具有治疗活性的多巴胺。左旋多巴在大脑的生物利用度是影响药物疗效的关键因素，它常与邻苯二酚代谢抑制剂（如卡比多帕、恩他卡朋等）共同作用，抑制其异位代谢。近年来有研究表明，作为肠道微生物有机体一部分的微生物细菌L-多巴代谢酪氨酸脱羧酶似乎能够代谢左旋多巴，主要驱动因素是粪肠球菌。相反，突变粪肠球菌中的L-多巴代谢酪氨酸脱羧酶可以阻断它的左旋多巴-多巴胺代谢，从而提高药物疗效。除了肠球菌，L-多巴代谢酪氨酸脱羧酶也存在于乳酸菌中，但代谢效率与肠球菌存在很大差异。此外，左旋多巴的肠道细菌代谢不仅降低药物的有效性，还会诱发不良反应。迟缓埃格特菌和其它10种细菌均含有多巴胺-去羟基化酶，该酶可进一步将菌源性多巴胺转化为m-酪胺，从而引起高血压危象。
有趣的是在体外，细菌对通常与左旋多巴共同使用的儿茶酚代谢抑制剂（卡比多巴和恩他卡朋）也有直接的代谢作用。许多微生物都能代谢恩他卡朋。例如，粪肠球菌以98.9%的效率代谢左旋多巴和恩他卡朋。相反，恩他卡朋也能抑制10种不同细菌的生长速度，包括代谢效率达84%的扭转瘤胃球菌。这些结果均表明药物与肠道微生物之间存在复杂的双向作用。
5 肠道微生物组与癌症免疫治疗中的抗肿瘤反应
目前有越来越多的证据表明肠道微生物组参与了对癌症治疗的临床反应的调节。这在使用PD-1及PD-L1或CTLA-4的单克隆抗体进行免疫治疗的情况下发生。这里假定的作用机制取决于肠道微生物在微调一般宿主免疫状态和随后在检查点抑制免疫系统的抗肿瘤激活中的作用（图3）。
有研究发现，抗CTLA-4治疗的有效性在无菌小鼠和预先使用抗生素治疗的特定无病原体小鼠中降低，而给小鼠口服脆弱拟杆菌、联合多形拟杆菌或伯克霍尔德菌后，会诱导Th1细胞介导的免疫反应和瘤内树突状细胞成熟，进而产生更好的抗肿瘤效果。并且小鼠体内被植入高浓度脆弱拟杆菌患者的粪便物质确实提高了对抗细CTLA-4治疗的抗肿瘤反应。同时，在另一种诱导程序性细胞死亡蛋白1配体阻滞的抗癌药物中也发现了类似的结果：小鼠体内双歧杆菌相对丰度越高，PD-L1阻断效果越好。这种效果也可以通过粪便微生物移植、小鼠与有益物种的共住和给予含双歧杆菌的益生菌来诱导树突状细胞的成熟和增强T细胞反应活性。
随后的一系列文章报道了基线肠道微生物组成和与检查点抑制剂反应或不反应相关的特定分类。其中，检查点抑制剂的应答与长双歧杆菌、粪肠球菌和多形拟杆菌呈正相关，而与大肠杆菌呈负相关。然而，目前不同研究报告的相关物种不同。这可能是由于研究之间缺乏标准化的抽样方案，对混杂因素缺乏标准化的统计校正，样本量相对较小，统计能力较低。目前正在进行旨在克服这些问题的大规模研究（例如美国临床试验资料库：NCT03643289）。
肠道微生物群影响免疫治疗反应的确切机制仍有待阐明。一般认为，微生物群负责一般的外周免疫同调和微生物抗原诱导的T细胞反应性可以促进肿瘤特异性反应。在小鼠模型中已经证明暴露于特定肠道微生物的特异性和非特异性免疫细胞均可浸润肿瘤微环境并产生趋化因子（例如CXCL9，CXCR3，CCR9和CXCL10），这些因子可诱导免疫细胞向肿瘤部位转运。另一种假设的机制是微生物和肿瘤相关抗原之间的交叉反应。总之，肠道微生物产生的代谢产物（如短链脂肪酸）可以影响宿主免疫系统。
临床研究结果表明，调节肠道微生物组可能会提高或降低检查点抑制剂治疗后的患者存活率。有趣的是，在使用免疫检查点抑制剂治疗后，抗生素和PPIs的使用均与较短的生存期和无病生存期相关。另一方面，为了提高生存率，已经开展多项正在进行的干预试验。这些研究包括分析饮食干预措施的功效，使用特定的益生菌，甚至在针对转移性癌症的检查站抑制开始之前进行粪便微生物组移植。一项口服微生物产品（VE800）正在进行1/2期临床试验，该产品包含11种克隆共生细菌菌株，这些菌株被证明可诱导CD8+T细胞应答并增强检查点抑制的功效（美国临床试验资料库：NCT04208958）。
认识到微生物组在抗肿瘤疗效中发挥作用是一项重大的科学突破，它改变了人们预测和改善癌症免疫治疗的想法。了解潜在的机制将是至关重要的，而介入性试验的结果将有助于优化免疫治疗。
结论
不仅抗生素会影响肠道微生物组，非抗生素药物也会改变肠道微生物组并导致健康受损。同时，药物微生物组学可以帮助人类更深入的了解微生物组如何代谢药物或改善治疗功效。临床试验已经在进行中，其结果将在可预见的未来影响临床实践。
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