综述 | Gut：药物与肠道微生物组的相互作用
编译：逍遥君，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，可以介导人体宿主与其环境的相互作用。肠道微生物和常用的非抗生素药物之间的相互作用是复杂且双向的：肠道微生物组组成会受到药物的影响，反之亦然，肠道微生物组也会通过酶改变药物的结构，进而改变其吸收利用率、生物活性和毒性（药物微生物学）来影响个体对药物的反应，生物活性或毒性（药物微生物）。肠道微生物组也可以间接影响个体在癌症治疗中对免疫疗法的反应。
本文讨论了微生物和药物之间的双向相互作用，描述了常用的非抗生素药物诱导的肠道菌群的变化及其潜在的临床后果，并总结了微生物组如何影响药物有效性及其在免疫治疗中的作用。此外，仍需要进一步了解微生物组如何代谢药物，降低治疗效果，这有利于解锁调节肠道微生物组改善治疗的可能性。
论文ID
原名：Interaction between drugs and the gut microbiome
译名：药物与肠道微生物组的相互作用
期刊：Gut
IF：19.819
发表时间：2020.05
通讯作者：Rinse K Weersma
作者单位：格罗宁根大学医学中心
论文框架
结果
1 肠道微生物组研究进展
几十年前，我们分析肠道微生物组与人类健康相关作用的能力主要由大型技术的决定。历史上，微生物组研究主要依靠培养方法进行，即分离细菌物种并研究其与疾病的关系。这些研究有众多重要的发现，但我们分析肠道生态系统其他组分的能力仍然有限。细菌16S核糖体RNA基因测序技术的发展使得我们可对肠道微生物组进行总体分类评估，这极大地增加了我们对微生物组成的认识。最近，全基因组鸟枪法测序，即宏基因组测序（MGS），已经成为研究微生物组的一种强有力的方法。MGS不仅可以鉴定细菌，还可以鉴定病毒、原生动物和真菌，并且能够集中分析细菌基因和预测其功能。然而，与所有基于测序的方法一样，MGS结果非常依赖于用于从粪便样本中分离DNA的方法，这是微生物组研究结果中出现误差的主要来源。其他组学方法，如宏代谢组学、宏转录组学和宏蛋白组学，也越来越多地被用于研究肠道生态系统。最后，文化组学分析允许对单个相关的种和菌株进行深入的表征，使其再次成为理解特定分类群在与疾病有关方面的作用的重要方法。
图1 肠道微生物组与常用非抗生素药物之间不同相互作用的示意图。SCFA，短链脂肪酸。
2 影响肠道微生物组的内外在因素
随着下一代测序的出现和发展，肠道微生物组分析已应用于与人类相关的问题。随着研究的深入，越来越多的证据表明肠道生态系统在个体间变异性大：只有少数肠道微生物在大多数个体间共享。例如，在3000名欧洲人的研究中，只有17种细菌为存在于所有样本中（>95%）的核心微生物组。而大多数细菌都是未知的。在1135名荷兰个体的群体研究中可鉴定的639个物种中，469个（73%）仅在10个个体中共存。这种较高的个体间变异可能导致肠道微生物组代谢功能的变异。
这些研究还表明，肠道生态系统的动态平衡反映了宿主与生活方式、饮食、生态和其他因素的复杂相互作用。数百个内在和环境因素均可影响健康人的肠道微生物组，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起着特别重要的作用。
3 人类肠道微生物组组成与常用药物的相关性
几项研究表明使用特定药物与微生物组成和功能特征改变之间存在相关性（总结见表1）。首次观察到这种现象的研究之一是在荷兰LifeLines-DEEP中进行的，该研究报道了42种常用药物中19种与微生物的相关性。除抗生素外，许多人类靶向的非抗生素药物与微生物组成的变化也十分相关。排名靠前的与微生物相关的药物包括PPI、降脂他汀类药物、泻药、二甲双胍、β受体阻滞剂和ACE抑制剂，在比利时佛兰德人群和英国Twins UK人群中也观察到相似的相关性（表1）。这些药物-微生物相关性主要针对单个药物进行评估，然而，患者经常需要服用多种药物，因此在评估药物-微生物相关性时，这种联合用药可能会出现不同的结果。最近的一项研究进一步评估了多药治疗和合并症对肠道微生物组的影响。这项研究通过对包括炎症性肠病和肠易激综合征患者在内的三个独立群体中药物使用和肠道微生物组之间的关联进行Meta分析，发现所研究的41种药物中有19种与肠道微生物组相关。由于许多试验者使用了多种药物，对多种药物治疗进行统计学校正后，PPI、二甲双胍、抗生素和泻药仍显示与微生物特征显著相关。
尽管在多个人类群体中检测到的药物-微生物相关性具有高度一致性，但评估的效应量的差异反映了不同欧洲国家和不同患者的药物使用差异。例如，在比利时佛兰德群体中观察到的抗生素使用对微生物组成的影响高于荷兰LifeLines-DEEP群体，这与比利时人群的抗生素使用背景高于荷兰有关。此外，群体间的年龄和性别差异对药物使用频率以及因此观察到的结果也有很强的影响。
4 影响肠道微生物组的常用药物
4.1 质子泵抑制剂
PPI是全球最常用的药物之一，主要针对治疗酸相关疾病，如消化性溃疡、胃食管反流和消化不良，以及预防非甾体抗炎药诱导的胃十二指肠病变和出血。由于PPI非常有效且安全性较高，因而在过去几十年中其使用量迅速增加。目前在荷兰，有200万患者（约占人群的12%）使用泮托拉唑或奥美拉唑，这也和其他国家（如英国）报告的使用百分比相似。英国PPI每年的总费用估计超过1亿英镑。此外，在荷兰和许多其他国家，PPI为非处方药，因而PPI使用者的总数可能远高于仅基于处方的估计值。近年来，PPI长期使用的安全性和潜在副作用受到了极大关注。尽管药物不良反应（ADR）的相对风险较低，但全球PPI使用者的数量较多，这意味着发生ADR的患者绝对数量仍可能较高。其中一个原因是，PPI主要针对有明确症状的患者，但有人提出，高达70%的PPI处方可能是不必要的，尤其是大部分患者并未确诊相关疾病，而是使用PPI预防应激性溃疡。另一个重要因素是，一旦开始PPI治疗，几乎很少有患者在疗程期间进行检查，这在一定程度上延长了PPI的使用。
荷兰的人群的研究表明，PPI是与肠道微生物组多样性下降和分类学变化最相关的药物。将该数据与包括一个炎症性肠病人群和一个肠易激综合征人群的16S数据进行对比，结果发现三组人群肠道微生物的变化类似，PPI使用者与非PPI使用者相比，高达20%的细菌分类群的相对丰度发生了改变（减少或增加）。用户。在对1827对双胞胎粪便样本的16S数据的研究中，也观察到较低的微生物多样性和较低的肠道共生菌丰度。此外，在12例健康志愿者中进行的一项小型交叉试验显示，开始PPI治疗后，分类发生了相当大的变化。
总体而言，PPI使用者粪便样本中的分类变化主要为肠道共生细菌丰度降低，口腔细菌增加。这些变化包括肠杆菌科、肠球菌科和乳酸杆菌科的增加以及瘤胃球菌科和双歧杆菌科的减少，而向典型口腔细菌的转变反映为菌种Rothiadentocariosa和Rothia mucilaginosa、放线菌属和微球菌科的增加。此外，观察到的变化似乎是PPI的类效应，因为奥美拉唑、埃索美拉唑和泮托拉唑也均显示出相似的变化。较高剂量似乎也与较大的微生物变化相关。
最近的一项研究使用宏基因组序列数据研究了41种常用药物对肠道微生物组的影响，结果仍然表明PPI与肠道微生物相关性最高。校正合并使用其他药物的影响后，PPI与24个分类群和133个通路显著相关。预测的功能变化包括脂肪酸和脂质生物合成、发酵烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD）代谢、L-精氨酸的生物合成和嘌呤脱氧核苷降解四条代谢通路的激活。这些途径的变化与特定分类群丰度的变化相关度极高。例如，L-精氨酸生物合成在PPI使用者的微生物组中更普遍。虽然预测出几种细菌分类群（包括双歧杆菌属和瘤胃球菌属）有助于这些途径，但统计分析显示，由于PPI的使用，仅变形链球菌的变化有助于预测的途径。PPI诱导的胃酸酸度降低是观察到的微生物变化的原因，因为其能够使口腔细菌在肠道微生物组中定植，导致微生物结构改变（图1）。PPI使用者肠道微生物组“口化”的观察结果与此对应。然而，一项评估常用药物（包括PPI）对肠道共生菌直接作用的体外研究显示，细菌生长速率发生显著变化，这意味着也存在可能通过PPI与细菌H+/K+ ATP酶结合介导的直接作用。
需要意识到PPI诱导的微生物组变化实际上可能导致临床重要疾病。例如，之前的研究认为肠道微生物组的变化可导致肠道感染的定植抵抗力下降，包括艰难梭菌、弯曲杆菌和沙门氏菌，这与目前在PPI使用者中观察到的结果相似。在PPI使用者中，艰难梭菌的ORs值大约为1.5-1.8，其他致病菌的ORs值大约为2.0-4.0。众所周知，抗生素给药后，肠道易被艰难梭菌感染，这种情况在PPI使用的情况下也可能发生。此外，PPI的使用和停药可能通过肠道菌群的变化影响肝硬化的临床病程。婴幼儿时期PPI使用量的增加可能诱导发育过程中的肠道微生物组发生长期变化，从而导致晚年肥胖。
虽然当PPI处方用于治疗疾病时，其疗效和安全性仍然非常有利，但医学界应开始重新思考其广泛和长期使用以及非处方的可用性。我们需要仔细评估PPI诱导的微生物组变化在西方社会高达五分之一的人群中的长期影响，并检测生命早期改变发育中的肠道微生物组的影响及其对生命后期健康和疾病的影响。
4.2 二甲双胍
二甲双胍是一种口服降糖药，用于治疗2型糖尿病（T2D）。虽然其治疗糖尿病的机理仍不是很清楚，但二甲双胍确实可抑制肝脏糖异生，并且研究越来越多地表明其一些有益作用是由肠道菌群介导的。与PPI相比，二甲双胍（几乎）仅用于治疗糖尿病，因此难以从与基础疾病相关的肠道微生物组变化中阐明药物对微生物组的影响。然而，一项具有里程碑意义的研究显示，观察到的被认为由T2D驱动的肠道微生物组变化实际上是由使用二甲双胍引起的。
健康志愿者的干预研究中，与接受安慰剂的对照组相比，使用二甲双胍导致>80个种属发生变化。其中，二甲双胍治疗显著增加了大肠埃希菌、降低了肠杆菌丰度，这与未治疗患者与二甲双胍治疗T2D患者肠道微生物的变化结果类似。作者将来自二甲双胍处理或安慰剂处理供体的粪便样本移植到无菌小鼠中，结果显示接受二甲双胍处理志愿者的粪便样本的小鼠血糖水平较低，这意味着肠道微生物组对血糖水平有直接影响。研究表明该作用是由二甲双胍对产短链脂肪酸（丁酸盐）细菌和Akkermansiamuciniphila的丰度介导的，以及通过同一生物学途径和在不同二甲双胍影响细菌中编码的基因介导的，例如金属蛋白或金属转运蛋白。此外，高达三分之一服用二甲双胍的患者临床报告显示该药具有胃肠道副作用，如腹泻、腹胀和恶心，以及确定的由二甲双胍诱导的变化，包括毒力因子和气体代谢基因增加（主要来源于大肠杆菌种类增加）。
二甲双胍和肠道微生物组之间的交联关系显示了一种常用药物如何改变肠道微生物组，并解释了该药物的部分治疗功能，以及其一些副作用。该研究给我们一个启示：在进行观察特定疾病或状况的微生物组研究时，需要严格控制混杂因素，如药物使用（包括二甲双胍、抗生素、PPI和其他药物）。
4.3 其他常用的非抗生素药物
使用来自英国、荷兰和比利时人群的横断面研究数据进行的基于人群的大型微生物组研究评估了数百个因素，包括药物使用。除PPI和二甲双胍外，这些研究还表明，其他常用药物，包括泻药、他汀类药物、抗抑郁药和阿片类药物，可以解释肠道微生物组组成的一些变异性。
在研究使用泻药引起的微生物变化时，应考虑到肠内通过时间、粪便硬度和细菌数量（例如，每份样本的微生物负荷）都会影响微生物组特征这一事实。例如，在服用泻药的个体中观察到拟杆菌属的丰度增加，但在低稠度健康个体的粪便样本中也观察到了相同的变化。然而，在一项对暴露于聚乙二醇（PEG）的小鼠进行的独立研究中，拟杆菌也表现出类似的增加。在这项研究中，PEG给药诱导的轻度渗透性腹泻诱导了肠道微生物组的长期变化、粘液屏障的短暂性破坏以及随后的固有和适应性免疫应答。PEG给药后，S24-7科（拟杆菌目内）消失，完全被丰度上升的拟杆菌科所取代。除非补充S24-7科，否则该影响是永久性的。其他分类群如Verrucomicrobia和Gammaproteobacteria，表现出短暂的变化，但最终可恢复到初始水平。在服用肠道制剂的患者中，也显示了微生物组多样性指标的短期短暂变化，但缺乏详细的研究。然而，考虑到在小鼠中的发现，使用泻药可能对肠道微生物组组成具有短期和长期影响，其与粪便稠度和每份样本的细菌量无关。
5 肠道微生物影响药物
5.1 药物微生物学的出现
在过去的几十年里，药物基因组学已经成为了一个成熟的领域，主要研究人类基因组变异如何影响药物的活性和作用。随着人们对肠道微生物组作为第二个人类基因组的认识越来越多，药物微生物组学的概念作为药物基因组学的延伸被广泛研究与应用。肠道微生物组可以影响药物疗效的观点可以追溯到1937年肠道微生物对抗菌药物'百浪多息'激活影响的发现。通过口服给药的药物通过上消化道进入肠道，在肠道中它们会遇到居住在我们肠道中的数千个不同物种（图1）。随后的相互作用是双向的。一方面，药物可以改变肠道微环境，影响细菌生长、组成和功能。另一方面，肠道微生物组可以通过酶改变药物结构直接影响个体对特定药物的反应，从而改变其吸收程度、生物活性或毒性。与人类遗传学不同，肠道微生物组是可改变的，这使其成为优化治疗的一个有吸引力的治疗靶点。
5.2 体外和动物研究中药物与微生物的双向相互作用
与在人体中观察到的肠道-微生物相关性结果相似，几项体外和动物研究也揭示了药物-微生物相互作用的作用模式以及对药物疗效和安全性的潜在后果。
5.2.1 药物对肠道微生物组影响的可能机制
药物可能以不同的方式影响肠道微生物组成。第一种模式是药物可以导致微生物组从身体其他部位易位到肠道。如上所述，PPI可以降低胃的酸度屏障，从而使口腔微生物通过胃到达肠道，进而诱导微生物的微生态失调。第二种作用模式可能是主导模式，即药物可以改变肠道微环境，直接影响细菌生长。例如，已发现二甲双胍可促进肠道中短链脂肪酸生成菌的生长，这些细菌有助于二甲双胍改善胰岛素抵抗和葡萄糖稳态。第二种作用模式可以是双向的。药物除了可促进某些细菌的生长，也可以抑制特定细菌的生长，例如，表现出作为抗生素的抗菌活性。这一点得到了一项具有里程碑意义的高通量研究的证明，作者系统地评估了超过1000种药物的抗菌作用，其中包括835种通过以人类细胞为靶向的靶向药物。结果表明，其中24%的药物均表现出抗菌活性，影响了本研究中40种细菌菌株中至少一种的生长速度；其中8种药物似乎对细菌有毒性，影响至少50%菌株的生长速度。这些药物包括4种抗肿瘤药（柔红霉素、5-氟尿嘧啶、链脲佐菌素和氟尿苷）、2种抗炎药和抗风湿药（金诺芬和双醋瑞因）、1 种抗痛风药（苯溴马隆）和1种治疗消化性溃疡病的药物（奥昔卡因）。因为这些药物往往具有细胞毒性，因而这一结果有力地证明了癌症治疗对肠道微生物组的副作用。
5.2.2 微生物对药物有效性和安全性影响的可能机制
有研究表明，肠道微生物可以通过酶转化药物结构，改变药物吸收率、生物活性或毒性，进而改变药物疗效和安全性。例如，口服抗病毒药物溴夫定可被宿主和肠道菌群代谢为溴乙烯基尿嘧啶，后者有肝毒性。Zimmermann等人通过比较常规小鼠和无菌小鼠中溴夫定和溴乙烯基尿嘧啶的血浆和肝脏浓度，确定70%的溴夫定毒性归因于肠道微生物，特别是多形拟杆菌和卵形拟杆菌。进一步对76株肠道微生物菌株对271种口服给药药物的代谢能力进行了系统分析，发现176种药物（66%）被至少一种细菌代谢。在体外被大多数微生物代谢的药物包括PPI（泮托拉唑、奥美拉唑和替拉唑）、化疗药物美法仑、抗疟药青蒿素和帕金森病药物甲磺酸。在这项研究中几乎所有细菌菌株均可代谢这些物质。超级药物代谢菌株为多雷拟杆菌（菌株DSM17855）和梭菌属(Clostridiumsp.)，可分别代谢164种和154种药物。
总而言之，这两项独立研究（一项评估药物的抗菌作用，另一项评估细菌代谢药物的能力）的结果表明，药物可以在细菌代谢下发挥作用，但并未表现很强的抗菌作用（图2）。然而，也仍有几种药物的双向作用比较明显，例如左旋多巴。
5.3 肠道微生物组的双向作用：左旋多巴
左旋多巴治疗帕金森病，是微生物对药物疗效影响的一个有趣的例子。口服给药后，左旋多巴可以被小肠吸收，并穿过血脑屏障进入大脑，在大脑中，人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。大脑对左旋多巴的转化率是药物疗效的关键因素，左旋多巴常与儿茶酚代谢抑制剂，如卡比多巴和恩他卡朋合用，以抑制其非作用部位的代谢。近年来，研究表明微生物脱羧酶似乎能够代谢左旋多巴。已发现酪氨酸脱羧酶（tyrDC）介导的新型细菌左旋多巴代谢，主要由粪肠球菌驱动。相反，在粪肠球菌中突变这些tyrDC可以阻断这种细菌左旋多巴到多巴胺的代谢，从而提高药物疗效。除了肠球菌属，tyrDC也存在于乳杆菌属中，但两者左旋多巴代谢的效率有相当大的差异。而且，肠道细菌代谢左旋多巴不仅降低药物利用度，还会诱导ADRs。发现Eggerthellalenta和其他10种细菌含有多巴胺-脱羟酶，可进一步将细菌来源的多巴胺转化为间酪胺，从而诱发高血压。
在体外，细菌对邻苯二酚代谢抑制剂卡比多巴和恩他卡朋也有直接代谢作用，这些药物通常与左旋多巴联合给药。许多微生物可以代谢恩他卡朋。例如，粪肠球菌可同时代谢左旋多巴和恩他卡朋，有效率为98.9%。相反，恩他卡朋也能抑制10种不同菌的生长速率，包括Ruminococcus torques，后者代谢恩他卡朋的效率为84%。这些结果显示了药物和肠道微生物之间复杂的双向相互作用。
6 癌症免疫治疗中的肠道微生物组的应答
前文已经描述了常用的非抗生素药物如何影响肠道微生物组组成，以及肠道微生物组组成如何影响药物的可用性和疗效。目前也有越来越多的证据表明肠道微生物组也参与调节癌症治疗的临床反应。这在使用靶向程序性细胞死亡蛋白1（PD-1）及其配体（PD-L1）或细胞毒性T淋巴细胞抗原4（CTLA-4）的单克隆抗体进行免疫治疗的情况下特异性发生。假定的作用机制在于肠道微生物组在微调一般宿主免疫状态和随后检查点抑制时免疫系统抗肿瘤激活中的作用（图3）。
在小鼠中进行了首次突破性研究表明肠道微生物组影响肿瘤反应，这些发现后来在人类临床和微生物组数据中得到了证实。观察到抗CTLA-4治疗在无菌小鼠和预先接受抗生素治疗的无特定病原体小鼠中的疗效均降低。对小鼠经口饲喂B. fragilis，结合Burkholderiacepacia或B. thetaiotaomicron，可诱导Th1介导的免疫应答和瘤内树突状细胞的成熟。这反过来又改善了抗CTLA-4治疗的抗肿瘤反应。在接下来的阶段，作者将高水平B. fragilis患者的粪便转移到小鼠体内，也得到了相同的结果。
同时，在另一种诱导PD-L1阻断的抗癌药物也发现了类似的结果。小鼠肠道双歧杆菌属的相对丰度越高，PD-L1阻断的疗效就更好。这种效应也可以通过粪便微生物组移植或口服给予含双歧杆菌的益生菌来诱导。最近的一项研究显示，补充A. muciniphila后也有类似的有益结果。在人类环境中，通过以下观察结果进一步证实了肠道微生物组的作用：与未接受抗生素治疗的患者相比，在PD-L1或PD-1抑制之前、期间或之后接受抗生素治疗的检查点抑制剂治疗患者的生存期更短。
随后的一系列论文报道了肠道微生物组成和与检查点抑制剂反应或无反应相关的特定分类群。其中包括长双歧杆菌、屎肠球菌和多形拟杆菌（与检查点抑制剂的反应呈正相关）以及大肠埃希菌（呈负相关）。必须注意的是，目前不同研究报道的相关物种几乎没有重叠，对此有几种解释。这可能是由于研究之间缺乏标准化采样方案、混杂因素缺乏标准化统计校正和/或样本量相对较小导致统计能力较低。目前已有旨在克服这些问题的更大规模研究（例如临床试验gov：NCT03643289）。
肠道微生物组影响免疫治疗反应的准确机制仍有待阐明。人们认为微生物组仅负责部分的外周免疫稳态，例如微生物抗原诱导过度的T细胞反应性。小鼠模型显示，暴露于特定肠道微生物的固有和适应性免疫细胞可浸润肿瘤微环境并产生趋化因子，如CXCL9、CXCR3、CCR9和CXCL10，诱导免疫细胞转移至肿瘤部位。另一个假设机制是微生物和肿瘤相关抗原之间的交叉反应。最后，肠道微生物组可以产生代谢物，如短链脂肪酸，可对宿主免疫产生全身效应。
肠道微生物组影响临床反应的发现意味着调节肠道微生物组可以潜在地改善或恶化检查点抑制剂治疗后的存活率。抗生素和PPI的使用都与免疫检查点抑制剂治疗后更短的生存期和无病生存期相关。另一方面，由于大部分研究都表明其具有提高生存率的潜力，这是的目前多项干预试验的开展。其中包括在开始检查点抑制治疗转移性癌症之前，分析饮食干预、使用特定益生菌甚至粪便微生物组移植疗效的研究。一种口服微生物产品（VE800）的1/2期试验正在进行中，该产品含有11种克隆共生细菌菌株，显示可诱导CD8+T细胞应答，并激发检查点抑制的疗效。值得注意的是，这 11 种菌株的鉴定速度异常快，导致了在人类环境中进行的1/2期干预试验（ClinicalT rials. gov标识符：NCT04208958)。
认识到微生物组在抗肿瘤疗效中发挥作用是一项重大科学突破，改变了我们对如何预测和改善癌症免疫治疗的思考。了解潜在机制是至关重要的，干预性试验的结果将有助于优化免疫治疗。
结论
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