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為什么在服用藥物后，有些人療效好，有些人療效不佳、甚至會產生副作用？要回答這個問題，或許要首先考慮藥物在人體內長時間停留的地方——腸道。 此前，已經有若干個研究發現了腸道微生物和藥物之間直接或間接的相互作用。直接的相互作用主要是指微生物衍生酶將藥物部分或完全轉化為其他活性代謝物（這一過程稱為 Microbiome-Derived Metabolism，即“MDM”，微生物衍生代謝），間接相互作用包括微生物代謝產物與藥物競爭同一宿主酶，以及藥物分泌的非活性代謝產物被微生物再活化等。 盡管在過去 50 年中，人們已經觀察到了數十個 MDM 的例子，但由于微生物群的巨大復雜性以及在多種條件下測試數百種藥物和數千種菌株所需要面臨的技術挑戰，MDM 在藥物開發過程中仍被長期忽視。 現在，來自普林斯頓大學的研究團隊試圖為人們提供一個 MDM 的“全景圖”。 2020 年 6 月 10 日，普林斯頓大學 Mohamed S. Donia 團隊在 Cell 雜志上刊登了一篇題為《Personalized Mapping of Drug Metabolism by the Human Gut Microbiome》的論文。該團隊的研究人員構建了一套名為 “MDM-Screen” 的定量實驗方案，對腸道菌群代謝口服給藥藥物的能力進行了研究，發現了有 57 種藥物會被腸道菌群代謝為其他成分，而每個人體內的腸道菌群都有其獨特性，這可以解釋為什么患者對藥物的反應有時會存在差異。 這也是第一個針對人體腸道內的全部微生物組進行藥物代謝研究的項目。 57 種藥物會被腸道微生物代謝，衍生酶與特定基因發揮關鍵作用 在這項研究中，Mohamed S. Donia 團隊搭建了一個框架，來系統地評估腸道微生物組對藥物的影響。
首先，Mohamed S. Donia 團隊一共收集了來自 21 名匿名捐贈者的糞便樣本，并對生活在每個個體中的細菌種類進行了分類。他們發現，每個捐獻者都有自己的腸道內獨特的微生物群落，這些個性化群落中的大多數都可以在他們開發的實驗室培養系統中培養。 接下來，他們首先針對其中 1 位捐贈者的腸道菌群樣本進行研究，基于這一樣本測試了 575 種 FDA 批準的藥物，盡管其中大多數藥物目前正在臨床使用，但其中不到 10% 的藥物曾被用于 MDM 的研究。 他們基于 mGAM 培養基，將微生物樣本分別與 575 種口服藥物在 37 攝氏度下共培養，然后使用 HPLC-MS 方法對代謝產物進行鑒定，以篩選探究會發生 MDM 的藥物。同時設置了 2 個對照組：（1）腸道菌群與 DMSO 共培養；（2）無菌 mGAM 與藥物共培養。他們規定，當藥物與細菌群落共培養時觀察到一種新的代謝物或不再檢測到該藥物（表明該藥物要么被完全消耗，要么被代謝成檢測不到的分子），且該藥物在至少三次獨立實驗中有兩次以相同的方式被代謝，則確認該藥物發生了 MDM。 圖 2 丨通過 MDM-screen 發現藥物與微生物群的相互作用。（A）與非生物培養基對照組相比，如果在與細菌群落共培養時檢測到新的代謝物（例如藥物 3）或不再能檢測到該藥物（例如藥物 5），則將藥物視為發生了 MDM。（B）發生 MDM 的藥物的藥理學類別。（C）與細菌群落共培養后不再能檢測的藥物。（D）與細菌群落共培養后觀察到新的代謝物的藥物。（來源：上述論文） 在所選取的 575 種藥物中，Mohamed S. Donia 團隊成功地分析了 438 種，占總數的 76%。其余 137 種藥物無法分析。在成功分析的藥物中，有 57 種藥物發生了 MDM，占可分析藥物的 13%。他們發現，這些發生 MDM 的藥物橫跨了 28 個藥理學類別，甚至更多的是基于它們的化學結構。 12 種此前已經被發現會和微生物相互作用的藥物在這項研究中被再次確認。更重要的是，Mohamed S. Donia 團隊發現了 45 種新的、會發生 MDM 的藥物，在其中 10 例中，藥物完全耗盡或完全轉化為無法檢測的代謝物，在余下 35 例中，研究人員檢測到了新的代謝物的出現（圖 2C 和 2D）。 MDM 還可能與藥物的激活或毒副作用有關聯性。例如，對于螺內酯，觀察到 7Alpha - 硫代螺內酯的產生，這可能是藥物的主要活性代謝物 7Alpha - 硫代甲基螺內酯產生過程中的中間產物。對于前藥米索前列醇和霉酚酸酯，分別觀察到其活性代謝物米索前列醇酸（Misoprostol acid）和霉酚酸（Mycophenolic acid）的產生，霉酚酸是通過腸道微生物群衍生的 b - 葡萄糖醛酸酶水解膽汁分泌的葡萄糖醛酸結合物而產生的，與臨床觀察到的與霉酚酸酯的使用相關的胃腸毒性有關。最后，人服用托卡朋后，體內產生的 N - 乙酰氨基托卡朋與肝毒性有關，此前人們并不知道 N - 乙酰氨基托卡朋的產生機制，而這項研究發現同樣的代謝物可以通過 MDM 產生，揭示了腸道微生物和托卡朋毒性之間的潛在聯系。 為進一步擴大篩選范圍，以對更多個體的腸道菌群代謝藥物的情況進行研究，Mohamed S. Donia 團隊對實驗方案進行了改良。他們建立了一個評估菌落豐富度的指標——Expected Number of Detectable Strains（ENDS），并通過該指標確定了 70%BB 培養基 + 30%mGAM 培養基的混合培養基表現最好，這種最佳培養基被稱為 BG 培養基。同時，該團隊采用 96 孔板替代普通試管進行下游的代謝組分析鑒定會發生 MDM 的藥物。通過這種方法，他們又對 20 個健康的捐贈者的腸道菌群樣本和 23 種具有代表性的藥物進行了分析，結果顯示，該方法能有效鑒定出個體間的 MDM 差異。 此后，Mohamed S. Donia 團隊研究了通過培養的微生物組改變某些修飾藥物的機制。為了確切地了解微生物對藥物的代謝是如何發生的，他們進一步追溯到了特定微生物的衍生酶以及它們的特定基因。在 MDM-Screen 的研究中，他們發現卡培他濱會發生去糖基化，雖然此前的研究表明人體中的胸苷磷酸化酶（TP）和尿苷磷酸化酶（UP）會參與這一過程，但在微生物組中是否存在類似的作用尚未有研究。 圖 3 丨（A） 大腸桿菌 BW25113 基因組Δudp 和ΔdeoA 位點的遺傳組織。（B） 野生型大腸桿菌 BW25113，Δudp，ΔdeoA，以及ΔdeoA/Δudp 突變體將卡培他濱轉化為脫鈣卡培他濱的百分比的條形圖。（C） 胸腺嘧啶核苷和尿苷磷酸化酶在其天然底物上催化的生化反應。（D） 口服抗癌藥三氟尿苷的 MDM 去糖基化導致其過早失活。（E） 抗癌前藥去氧氟尿苷的 MDM 去糖基化導致其過早激活。（來源：上述論文） 對于卡培他濱去糖基化，Mohamed S. Donia 團隊選擇了一種基于同源性的方法，鑒定出了相關的微生物同源性基因。為了測試 TP 或 UP 是否對觀察到的卡培他濱的 MDM 去糖基化有關，他們構建了 TP（ΔdeoA）、 UP（Δudp）以及ΔdeoA/Δudp 雙敲除的大腸桿菌菌株，并比較了它們和野生型大腸桿菌代謝卡培他濱的能力（圖 3A）。結果顯示，野生型大腸桿菌菌株能夠有效對卡培他濱進行去糖基化，而Δudp 和ΔdeoA/Δudp 菌株的去糖基化能力顯著降低（圖 3B）。類似的結果還出現在與卡培他濱同為口服氟嘧啶類（FP）的藥物去氧氟尿苷（doxifluridine）和三氟尿苷（trifluridine）（圖 3D 和 3E）。上述結果為口服氟嘧啶類藥物在不同病人間藥效不同提供了新的解釋。 此外，研究人員還利用小鼠模型，進一步驗證了微生物對卡培他濱的去糖基化作用在體內也能夠發生。 中科院 & 未知君團隊正在進行類似研究，或為臨床用藥提供個性化指導 未知君（Xbiome）創始人兼 CEO 譚驗博士對于 Mohamed S. Donia 團隊的本項研究給出了很高的評價。他表示，長期以來科學界和臨床界都懷疑腸道菌群會影響藥物的代謝，這篇文獻比較深入和系統地給出了一個量化的分析框架，對于小分子的藥物研發提供了一個很好的篩選框架。 “未來是否在小分子藥物的篩選中加入腸道菌群影響因素，以及加上這個篩選之后，是否能夠更好地實現精準用藥，是否以后有更多的小分子藥物會出現腸道菌群作為生物標志物的伴隨診斷，我覺得都是值得思考的臨床問題。” 譚驗博士對生輝說道。 中國科學院深圳先進技術研究院合成微生物組研究中心主任戴磊博士也認為，這一研究的意義在于將腸道菌群引入到個性化醫療考慮的范疇中，為已上市藥物的用藥指導提供依據；對于未上市的藥物來說，未來在上市前可能還需要增加一系列研究，在臨床前以及臨床過程中去研究小鼠和人的腸道菌群對藥物的成分是否會造成影響。 不過，Mohamed S. Donia 團隊也指出了本研究的不足之處，包括沒有成功地對全部選中的 575 種藥物進行測試，只測試了其中 438 種；所測試的藥物都是口服藥物；沒有成功地復原所有的腸道菌群，只成功在實驗室環境中培養了其中的大部分。此外，關于微生物將藥物代謝轉化為其他成分的過程也暫時沒有全部厘清，只驗證了幾種基因和酶對藥物產生的影響。 對于腸道菌群的實驗室培養問題，戴磊博士認為，這是一個難題，但一定會隨著時間而解決。據他介紹，目前人類已經能在實驗室環境中對 70%～80% 的腸道菌進行培養，最大的難點在于工作量大，如果能引入自動化、高通量的培養手段效率就會更高。 關于代謝轉化的具體過程，譚驗博士指出了進一步研究的難點和迫切性：“因為腸道微生物的復雜性，單一微生物作用和多個微生物組合作用都可能存在不同，因此要進一步明確機制需要更多的驗證性試驗，以及能夠進行高通量篩選的方法。” 同時，他也指出，這項研究目前得到的結果已經可以對制藥和臨床產生很好的指導性意見了。 戴磊博士認為：“就像這篇論文中一樣，分離出單個菌并且對它進行基因編輯，這樣才可能真正去驗證到底是某一個特定的菌的哪個基因、哪一種酶起到了對藥物代謝的作用。但要厘清代謝具體過程需要求助于對腸道微生物的基因組進行編輯，其中存在一定的困難：首先，腸道菌的培養問題還沒有完全解決；其次，需要嘗試不同的方法讓腸道微生物接受外源 DNA；最后，如果要用 CRISPR 技術來編輯的話，需要更多的嘗試和優化。” 但他對此仍表示樂觀，認為解決只是時間問題。據戴磊博士介紹，他的實驗室目前正在基因組和生態系統兩個層次上進行腸道菌相關的研究，開發能夠精準表征和調控腸道菌群的技術。 值得一提的是，中國科學院深圳先進技術研究院和未知君也正在從事腸道菌群對藥物代謝影響的研究。 譚驗博士透露，“在我們所從事的這項共同研究中，會在人源化腸道的小鼠模型中進行驗證，并會在篩選結果的基礎上進行一些適應癥的選擇。” 參考： https://www./cell/fulltext/S0092-8674(20)30563-8 -End- |
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