编译：木子，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
肠道菌群参与许多药物的代谢，导致药物疗效和毒性的个体差异。但是量化微生物在体内对药物代谢的贡献是有挑战性的，特别是在宿主和微生物组进行相同的代谢转化的情况下。本文定量了解决定微生物组对药物代谢作用，作者发现BVU（已知会导致与其它药物发生致命性相互作用）会在具复杂生物群组的小鼠肝脏内积聚，表明微生物组会促成药物毒性。另外作者建立了一种药代动力学模型，它能通过计算预测宿主和微生物组在其它抗病毒药物和抗抑郁药物代谢中所起的作用。据该模型的结果，近70%的药物代谢会来自某些个体中微生物群的活性，而肠道微生物在其中所产生的循环有毒代谢物中占20%到80%。
原名：Separating hostand microbiome contributions to drug pharmacokinetics and toxicity
译名：探究宿主和微生物组对药物的动力学和毒性的作用
期刊：Science
IF：32.6
发表时间：2019.2
通讯作者：AndrewL. Goodman
原理：为了对微生物组和宿主药物代谢进行实验分析，我们将肠道共体遗传学和生物学相结合，来测量核苷类似物溴夫定(BRV)在小鼠组织中的代谢。根据这些测量结果，我们建立了一个药代动力学模型来定量预测微生物对全身药物和代谢物暴露的贡献。模型模拟评估了口服生物利用度、宿主和微生物药物代谢活性、代谢物吸收和肠道转运对药物代谢的影响。为了测试这种方法的普遍适用性，我们使用苯二氮卓类药物氯硝西泮进行研究，定量地分析了微生物对受多种代谢途径和转化影响的药物的贡献。
设计：如实验设计图所示。
在无菌小鼠中，我们证实了BRV通过哺乳动物和微生物的酶转化为肝毒性溴化尿嘧啶(BVU)，并减少了全身BVU暴露，提示微生物对血清中BVU浓度的贡献。无菌培养和阵列转座子文库的药物转化实验确定了代谢BRV的肠道细菌和相关的基因产物。这使我们能够建立一种小鼠模型，其除了负责微生物BRV代谢的单个细菌基因外，其他都是同基因的。BRV口服给药，定量药物和药物代谢物在不同个体的动力学为建立宿主-微生物组药代动力学模型提供了数据。该模型准确地预测了血清中BVU的暴露，量化了宿主和微生物对其药代动力学的贡献。模型模拟揭示了药物、宿主和微生物参数如何影响宿主-微生物组的药物代谢。为了测试这种方法是否适用于其他受微生物代谢的药物，我们量化了微生物组和宿主对sorivudine （索利夫定）代谢的贡献，sorivudine在结构上与BRV相关，但在宿主和微生物组中代谢成BVU的速率不同。我们还量化了微生物组和宿主对血清clonazepam（氯硝西泮）代谢物的贡献，这些代谢物是通过氧化、氮还原、葡萄糖醛酸化和肠肝循环产生的。
1 BRV的代谢受宿主和微生物群的影响
BRV是一种口服抗病毒药物，由宿主和微生物群共同代谢为溴苯尿嘧啶(bromovinyluracil, BVU)(图1A)。事实上，与人与小鼠肝S9孵育，并比较口服BRV后普通(CV)和无菌(GF)小鼠BRV和BVU的血清动力学。CV小鼠血清中BVU的含量是其基因相同的GF小鼠的5倍，但血清中BRV浓度没有相应降低，这表明肠道微生物对血清BVU有贡献(图2A和表S3-S7)。为了直接研究体内由微生物产生的BVU，我们对肠道内随时间变化的BRV和BVU浓度进行了量化(图2B)。CV和GF小鼠在十二指肠中表现出相似的BRV动力学；相比之下，GF小鼠在胃肠道和粪便中BRV水平明显较高。而BVU水平呈现相反的模式，与GF对照组相比，CV小鼠的肠道浓度增加(图2C)。因为GF动物的盲肠比CV动物的盲肠大，所以我们比较了BRV和BVU在大肠中的绝对数量(而不是浓度)。CV小鼠粪便中的BVU量不足以解释肠道代谢的BRV量，这与微生物来源的BVU从肠道吸收进入循环系统是一致的(图2D和图S1, B和C)。与GF小鼠相比，CV中血清BVU浓度增加与肝脏中BVU浓度增加平行(图2E)。BVU能通过与肝脏中的二氢嘧啶脱氢酶(DPD)共价结合，干扰人的嘧啶代谢，对使用5-氟尿嘧啶(5- FU)等化疗嘧啶类似物的患者产生致命后果。与GF相比，用BRV治疗的CV小鼠在肝脏中还积累了更多的内源性DPD底物，这说明在没有5-FU共同给药的情况下微生物群对毒性的贡献(图2F)。
图1 BRV在体外受宿主和微生物影响转化为BVU。(A) BRV和BVU的化学结构。(B)人、小鼠肝S9促BRV转化为BVU。(C) 体外人与小鼠肠道微生物群落将BRV转化为BVU的研究。
图2 GF和CV小鼠中BRV的代谢。(A) BRV和BVU在CV和GF小鼠中血清动力学。(B)肠道BRV和BVU浓度随时间的变化，数据以平均值形式呈现。(C)单个小鼠盲肠BRV和BVU浓度。(D)盲肠和粪便中BRV和BVU的总量。(E)肝脏中BRV和BVU的浓度。(F)肝脏中胸腺嘧啶。SI:十二指肠;SII:空肠;和SIII:回肠。*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001。
2 代谢BRV的肠道细菌和基因产物的鉴定
接下来，我们试图通过调节其他完全相同的小鼠其体内的微生物药物代谢的活性，来直接量化微生物药物代谢对血清药物和代谢物暴露的贡献。为此，我们首先确定了8种细菌将BRV转化为BVU的代谢能力，有哺乳动物肠道菌群的5个主要门 (图3A和表S8和S9)。这些物种中，Bacteroides， thetaiotaomicron 和 B.ovatus较高的代谢活性,这与先前的报道关于这个属的菌群可以代谢结构相似的药物（sorivudine）相一致。我们测试了这些菌株将BRV转化为BVU的能力，并确定了一个突变体，该突变体在bt4554中携带一个转座子插入，表现出功能缺失表型(图3B)。有针对性的基因缺失，在不同表达水平上的互补和纯化蛋白的酶分析证实，编码预期的嘌呤核苷磷酸化酶（也存在于B. ovatus 和 Bacteroidetes）的bt4554对于BRV代谢及其表达是必要的且是限速的(图3C和图S3)。
图3所示。负责BRV代谢的微生物编码酶的鉴定。(A)具有代表性的人类肠道分离物将BRV转化为BVU。(B)孵育24小时后，B. thetaiotaomicron转座子插入突变体(蓝色，n = 1290)与培养基对照(灰色，n = 83)的BRV和BVU浓度的Log2倍变化。(C) B. thetaiotaomicron WT (n = 4)、bt4554突变体(n = 4)和在不同水平上表达bt4554的互补菌株(n = 8)的BRV转化率。
3 BRV在单一微生物编码的酶中发生变化的小鼠体内的代谢
B. thetaiotaomicron 野生型(WT)和bt4554突变株在体外表现出类似的增长率相似的水平定植在GF老鼠(图S4, A和B)。口服BRV的无菌（GN）WT小鼠(GNWT)或bt4554突变细菌(GNMUT)导致无差异的BRV血清动力学,这与这些动物之间的生理相似性一致，进一步表明肠道内由微生物引起的BRV代谢不影响BRV的生物利用度或体内排泄。相比之下，GNWT中血清BVU暴露明显高于GNMUT动物[曲线下面积(AUC)比值= 2.4,p < 0.001;图4A、图S5A、表S7]。GNWT小鼠也表现出BRV给药后肝脏BVU水平和胸腺嘧啶积累增加(图4、B和C)。在CV和GF动物比较中发现，GNWT小鼠全身BVU暴露增加与肠道BRV代谢平行(图4D和图S5B)。由于GNWT与GNMUT动物在宿主生理的其他方面，如盲肠大小和肠道运输时间是匹配的，因此肠道药物和代谢物浓度可以直接进行比较。这表明WT B. thetaiotaomicron完全代谢盲肠中BRV，产生的BVU几乎完全被盲肠和结肠吸收。相比之下，BRV在小肠末端吸收不良，GNMUT小鼠通过粪便排出药物(图4E)。
图4所示。小鼠模型量化微生物对BRV药代动力学和毒性的贡献度。(A)和(B): GNwt和GNMUT小鼠血清和肝脏BRV和BVU动力学。(C)肝脏中胸腺嘧啶。(D)肠道中BRV和BVU浓度随时间的变化，数据以平均值形式呈现。(E) 单个小鼠盲肠和粪便中BRV和BVU浓度。数据以平均值形式呈现。横线表示口服布尔韦几小时后的时间。SI:十二指肠;他们:空肠;和SIII:回肠。*p≤0.05，**p≤0.01，***p≤0.001。
4 基于生理学的宿主-微生物组药物代谢的药代动力学模型
接下来，我们使用这些定量的药物和代谢物测量值，这些测量值是随着时间的推移以及在存在和不存在微生物药物代谢的情况下，在各个隔室中收集的，建立了一个药代动力学模型，用于量化宿主和微生物群对全身性药物和代谢物暴露的贡献。为了参数化与微生物BRV代谢无关的过程(图5A中的灰色区域)，我们使用全局优化程序来拟合测定的GNMUT小鼠血清和肠道区域的BRV和BVU动力学。
这些过程包括:
(i) BRV从小肠和大肠到血液的吸收率(kaSIP和kaLIP);(iv) BVU的消除(keM);(v)肠道转化 (kp1-kp5) (图5B)。参数化过程依赖由菌群引起的BRV代谢(绿色部分在图5),包括细菌BRV向BVU转换(kcB) 和盲肠和结肠部BVU的吸收率(kaLI1M 和 kaLI2M),该过程我们测量了BRV和BVU在GNWT老鼠盲肠和结肠中的动力学(但不是血清) (图5 C;图S6、A、B;和表 S13)。该模型能够准确预测GNWT小鼠血清BRV动力学(Pearson相关系数，PCC = 0.98) (图S6C)。此外，该模型预测了宿主和微生物对血清BVU的贡献;这些预测贡献的总和与GNWT动物血清BVU总量(PCC = 0.76)准确匹配(图5C和表S14)。通过比较AUC对宿主和微生物对血清BVU作用的估计，发现微生物活性几乎占后来在所有时间点测得的血清BVU的全部，占GNWT小鼠血清中BVU总暴露量的71％(图6A)。为了预测在复杂微生物群中微生物对血清BVU的贡献，我们接下来使用GF小鼠的肠道和血清以及CV小鼠的肠道中药物及其代谢物的动力学来对模型进行参数化，以预测BVU血清暴露。尽管增加了微生物的复杂性，该模型仍能准确预测这些动物的血清BRV动力学（PCC = 0.99）；预测的宿主和微生物对血清BVU的贡献的总和与CV小鼠中测得的总血清BVU匹配（PCC = 0.78）。全面灵敏地分析评估了模型中包括的13种比率的变化对血清BVU暴露的影响，该分析表明，影响宿主和微生物对血清BVU贡献最大的参数是截然不同的，并且总体血清暴露取决于两个宿主和细菌药物代谢活性。(图S8)。还可以同时更改多个参数，以预测受不同生物利用度、宿主和微生物组介导的药物代谢以及药物和代谢物吸收影响的其他药物的药代动力学(图6B)。
图5 宿主和微生物对BRV 和 BVU药代动力学的贡献模型。(A)模型包括各隔室和子进程的示意图。(B)利用GNMUT小鼠的测量对微生物群独立过程进行参数化。(C)和(D) GNWT和CV小鼠中微生物群依赖的肠道药物代谢的参数化以及微生物和宿主对血清BVU的贡献预测。
图6 模拟化学、微生物和生理参数对药代动力学的影响，扩展其他药物的研究途径。(A)预测微生物药物代谢率对微生物对血清BVU贡献的影响。(B)在一定的生物利用度下，血清BVU的绝对代谢物暴露和相对细菌贡献作为宿主和微生物药物代谢率的函数(表S24和S25)。(C)预测宿主和微生物对CV小鼠口服SRV后血清BVU的贡献。(D)预测在CV小鼠中微生物和宿主对血清氯硝西泮和氨氯西泮的贡献。(E)包括肠肝循环和三种药物代谢物(M1至M3)的扩展模型的示意图。(F)预测微生物对CV小鼠血清CLZ(P)、NH2-CLZ (M2)、OH-CLZ (M1)和NH2OH-CLZ (M3)暴露的贡献。数据以平均值形式呈现，时间为口服药物后的时间。
本研究为阐明宿主和微生物在药物代谢中的作用提供了一种实验和计算方法。量化了宿主和微生物编码的代谢活性之间的相互作用，将有助于阐明营养、环境、遗传和基因因子如何影响药物代谢，并有助于制定针对性的干预策略以改善药物反应。该方法也适用于其他外源性物质、食品成分和内源性代谢物。
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