高原低氧条件下的肠道菌群与药物代谢

刘贵琴，李向阳,2

(1.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁810001；2.三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，青海 西宁810016)

机体的肠道中定植着种类繁多的微生物，这些肠道微生物以相应的比例组合，这些菌群彼此制约、彼此依存，在质和量上达到一定的动态平衡。肠道内的微生物轻则影响体重、消化能力和抗菌能力，重则产生对人类健康有重大危害的疾病[1]。肠道菌群与疾病的发生和发展息息相关，因此，肠道菌群中可能存在影响药物代谢的因素。现阶段随着对肠道菌群研究的日益重视，高原特殊环境对肠道菌群的研究也逐渐增多。由于高原低氧条件下肠道菌群和平原地区的肠道菌群有所差异，其对药物代谢及其作用机制的影响可能也会有所差别，研究高原低氧条件下肠道菌群对药物代谢的影响可能对高原地区不同人群合理用药和高原疾病防治提供重要的理论支撑。因此，高原低氧条件下对肠道菌群的深入研究在治疗人类疾病等方面具有重要的意义。

1 肠道菌群

肠道菌群是机体肠道中定植的正常微生物，其有助于机体必需矿物元素的吸收，可产生生命活动所需的多种维生素。肠道菌群种类繁多、数量较大，在机体肠道中定植的细菌较机体细菌数量总数的10倍还多，其中厚壁菌门和拟杆菌门所占比例较大[2]。

1.1 肠道菌群的分类 肠道菌群按不同依据有3种分类方法，如表1所示。按肠道菌群对氧气的依赖性分为需氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌[3]；按其自然属性可分为厚壁菌门、疣微菌门、变形菌门、拟杆菌门、放线菌门、梭杆菌门、蓝藻菌门、螺旋体门及VadinBE97门，目前发现人体肠道内的菌群均位于以上9种菌门中[4]；按其与宿主的关系还可分为共生菌、条件致病菌和致病菌[5]，机体肠道内共生菌占大多数且对机体有益，而条件致病菌数量极少且只有在内环境紊乱时才可对机体造成危害。

表1 肠道菌群的分类

1.2 肠道菌群的功能

1.2.1 生理屏障作用 机体肠道黏膜的生物屏障由肠道菌群构成，是重要的防御屏障之一。Koren等[6]早在1887年就发现微生物之间存在拮抗作用且对预防和治疗家兔的炭疽病有较好的疗效。肠道菌群的生理屏障作用可防止病原体入侵，是保护肠道的第一道防线，在肠道稳态维持中必不可少。

1.2.2 营养作用 肠道菌群的营养作用可从多个方面体现。一方面，肠道菌群可导致致病菌生长所需的营养物质减少，使外来致病菌的生长繁殖减慢。这种行为加强了机体对外来致病菌的抵抗作用，并增强了机体对各种营养物质的吸收利用。另一方面，处于稳态的肠道菌群能合成多种机体生长发育所必需的维生素，并与营养物质的代谢密不可分，同时促进微量元素的吸收[7]。

1.2.3 免疫作用 肠道是机体最大的免疫器官，也是与外界环境接触最多的器官之一。处于稳态的肠道菌群在肠黏膜免疫屏障作用的调控中有不同的角色。一方面，肠道菌群作为抗原对肠黏膜存在潜在的危害。另一方面，肠黏膜细胞的某种营养成分可由肠道菌群获得，从而使菌群的平衡不受破坏。此外，机体免疫器官的发育还可通过肠道菌群促成，使T、B淋巴细胞的数量升高，产生非特异性免疫作用[8]。

1.2.4 抗肿瘤作用 处于稳态的肠道菌群与肿瘤的免疫调节息息相关。肠道菌群在一定程度可抑制肿瘤的产生，其产生的细菌酶可促进致癌前体物质向致癌物转化，而菌群中含有益生菌乳酸杆菌，其使细菌酶的活性和产生相应降低。癌细胞生长过程中所需的物质会受到肠道益生菌的影响，从而使肿瘤的产生得到抑制[9]。王伟杰等[10]研究发现双歧杆菌完整肽聚糖具有抑制人结肠癌细胞增殖的能力，导致结肠癌的癌细胞生长受到限制。

1.3 肠道菌群的影响因素

1.3.1 饮食 影响肠道菌群的因素有众多，其中饮食是最为重要的因素。长期的饮食调节可使机体的肠道菌群发生变化，但短期饮食调节很难使菌群发生变化。Zhernakova等[11]发现多种饮食因子会影响肠道菌群的多样性。因此，健康的肠道菌群可以通过合理的膳食来得到相应的改善。

1.3.2 运动 适度的运动可使肠道微生态发生变化。运动可以提高肠道炎性疾病患者的生活水平，但目前对肠道菌群的健康可通过运动来改善的机制了解较少。Campbell等[12]研究发现运动对肠道菌群和肠道完整性的有较大的影响，运动可缓解高脂肪饮食患者的肠道炎症反应。

1.3.3 益生菌、益生元 益生菌和益生元可用来调节肠道菌群，乳杆菌类、双歧杆菌类等为最常用的益生菌。而益生元可促进乳酸杆菌、双歧杆菌等益生菌的生长，抑制致病菌的数量，保护肠道菌群的平衡。Tap等[13]发现在体质量健康的机体中添加膳食纤维，可提高肠道菌群的稳定性。另外，通过影响益生菌和益生元数量的变化使肠道菌群发生变化从而对治疗肠道疾病起到一定的推动作用。

1.3.4 药物 影响肠道菌群最常见的药物为抗菌药物。Panda等[14]研究短期服用广谱抗生素对机体肠道菌群的影响时发现在服用喹诺酮类药物后核心系统微生物群减少。此外，降糖药与肠道菌群之间的关系也备受关注，有研究发现服用二甲双胍导致机体肠内大肠杆菌的数量增多[15]，由此提示肠道菌群的特征可能与药物疗效有关。

由于肠道菌群体积微小、结构简单、易繁殖等特点，极易受到各种因素的影响，了解肠道菌群的影响因素对维持肠道菌群与机体健康有积极作用。总之，研究肠道菌群的影响因素，不仅具有现实临床意义，还可能是研究疾病防御措施的一个新方向。

2 高原环境与肠道菌群

肠道菌群在处于稳态时与机体和外界环境之间维持相对稳定状态，其可保护机体健康位于相对稳定的状态。但在高原地区，大部分人不能立即适应环境，出现“高原反应”，一部分人会出现以恶心、呕吐、食欲缺乏、腹泻、腹胀为特征的肠道微环境紊乱称为“高原胃肠应激综合征”[16]。

2.1 高原地区自然环境 高原地区空气稀薄，地表温度高，紫外线会随海拔增高而加强。高原地区受物理条件变化和垂直地带性的影响，大气压随着海拔高度的降低而升高，海拔每上升100 m，大气压降低12.7 kPa，海拔过高会出现降水量下降[17]。此外，空气湿度低会导致流感病毒繁殖速度的加快，高原地区除上述特征外，还有多风沙、高风速、昼夜温差大和气候多变等特点。

2.2 高原低氧环境对肠道菌群的影响 机体进入高原后会导致消化系统发生一定的改变，胃肠屏障破坏和功能紊乱，导致细菌移位以至肠道菌群失调。研究证明[18]肠道是机体应激反应的中心器官，高原应激可降低消化间期小肠的移行性复合运动发生率，小肠蠕动降低影响细菌向下冲刷的能力，使细菌容易在小肠定植。机体处于高原环境时肠道反应最为敏感，当机体逐渐适应高原应激后，肠道是最后适应这种应激反应的器官。因此，机体在高原缺氧环境下比在平原上更容易出现肠黏膜屏障功能损伤。研究表明[19]低氧、低温、强辐射等环境因素会导致双歧杆菌的数量减少，从而引起肠道菌群发生紊乱。高原低氧所致的肠功能障碍会引起肠黏膜上皮发生坏死、脱落，使定植肠道菌群的稳态被打破，其有益菌和致病菌的数量就会发生变化。

2.3 高原低氧条件下肠道菌群失调导致的疾病及其防治 平原条件下肠道菌群失衡会影响胆汁酸代谢、胰岛素抵抗、炎症反应、糖尿病、心血管疾病、高血压与肥胖等疾病的发生[20]。高原低氧条件下肠道菌群紊乱导致的疾病与平原地区有所相同也有所不同，高原低氧条件下会产生恶心、呕吐、腹泻、肠易激综合征、炎性肠道疾病等其他疾病[21]。目前对进入高原地区出现腹泻，腹胀和消化不良等特征的肠道菌群失调的个体来说还缺乏特异、有效的防治规范。主要的建议有心理支持和认知行为干预、吸氧与高原氧预处理、合理使用抗生素与益生菌等方法。高原环境对机体的影响是多方面的，研究多集中于心、肺脑等较大脏器，但对肠道的研究较少，因此加强肠道菌群在高原低氧条件下的研究对在高原特殊环境中导致的肠道菌群失调所引起的疾病的治疗具有重要的意义。

3 肠道菌群与药物代谢

肠道是药物吸收、分解和代谢的主要场所之一，肠道内不同的菌群，对药物代谢产生的影响也有所差异。肠道菌群对药物代谢的影响在不同个体中存在不同的差异，且受多种因素的影响，如环境、抗生素使用、年龄阶段等[22]。现阶段关于肠道菌群对药物代谢产生影响的研究基本都集中于平原地区进行，通过给一定的抗生素干扰对其产生的影响进行探究，但高原特殊环境中对其研究较少。研究表明高原特殊环境会使药物的药代动力学参数发生变化[23-25]。通过对机体进入高原特殊环境后肠道菌群稳态被打破的了解以及肠道菌群对药物代谢影响的相应研究，高原低氧条件下药代动力学参数变化的另一因素可能是肠道菌群，深入研究高原低氧条件下肠道菌群对药物代谢的影响有利于高原低氧下临床合理用药、毒理学风险评估、引导个体化用药等方面的指导。

3.1 肠道菌群对药物代谢的影响 药物是影响肠道菌群的又一因素，药物的吸收、疗效及毒副作用与肠道菌群的代谢活性存在密不可分的关系。药物代谢指药物浓度在生物体内随时间发生变化的过程，药物的代谢反应可以分为氧化、还原、水解和结合[26]，其中氧化、还原和水解反应为Ⅰ相代谢，Ⅱ相代谢为结合反应。

肝脏是药物代谢的主要部位，但有研究发现[27]大部分药物在通过肠道时就已经被代谢，这类药物主要有参与肝肠循环和口服的药物，肠道中的菌群会将口服药物在经胃肠道吸收进入血液之前即被代谢，参与肝肠循环的药物当其代谢物随胆汁分泌到肠道中时也可能被肠道菌群代谢，最终减少了进入体循环的实际药量，从而使药物的生物利用度有所降低[28]。甲硝唑的研究显示[29]肠道菌群参与了甲硝唑的还原代谢，使甲硝唑与肠道菌群的接触时间增多，进而使肠道菌群对药物代谢产生的影响起到积极的作用。由此可见肠道菌群为药物代谢提供了特殊的场所，其对药物代谢的作用也不容忽视。

现阶段肠道菌群对化学药物代谢的研究主要集中于两方面，一方面以其代谢产物为介导，另一方面肠腔中的CYP450酶、肠微生物酶、Ⅱ相代谢酶等，都会对药物代谢产生影响。Kim等[30]发现抗生素可抑制肠道菌群的代谢活性，从而对阿司匹林的药代动力学进行调节，使阿司匹林的治疗效果得到改善。研究发现[31]许多中药的有效成分发挥作用需要经过肠道微生物的生物转化，使用肠道菌群对葛根素和异黄酮苷进行代谢的实验发现生成的代谢产物对机体的效果更加的显著。现阶段由于药物的多样性，人肠道菌群代谢的复杂性，以及其他因素的限制，肠道菌群对药物代谢影响的研究仍处于积累阶段。研究肠道菌对药物代谢的影响对是否可通过用药调整肠道菌群来进行相关疾病的治疗是值得思考的问题。

3.2 高原低氧对药物代谢的影响 高海拔地区的环境因素使机体正常的机能受到影响，机体进入高原地区会使细胞氧浓度低于正常值，缺氧影响药物的吸收、分布、代谢和排泄，进而使药物的药代动力学特征发生变化。早在二十世纪80年代就已经有关于高原低氧影响药物代谢的研究。近年来，随着实验条件的成熟，陆续在动物和机体上开展了有关高原低氧条件下药物代谢的相关研究，结果反映出高原特殊环境会使药物的体内代谢过程发生变化。

目前，已有较多文献证实高原特殊环境会使机体的药代动力学参数发生显著变化。药物的体内转化会消耗大量氧气，机体进入高原耗氧量则会增加。有研究显示[32]缺氧环境中的肝脏，其胆汁能力受到抑制，药物的生物转化率降低，清除率受到影响。Li等[33]研究发现急进平原志愿者和久居高原志愿者体内磺胺甲噁唑发生变化，其主要变化为半衰期延长、清除率降低。Du Souich等[34]研究苯妥英钠在低氧血症、高血酸血症二者结合时产生的影响发现在其他条件下不会产生变化，但低氧血症组的清除率显著降低。

药物的氧化代谢是生物转化的主要途径之一，这个途径需要CYP450酶的参与，现阶段高原特殊环境中药物代谢的研究主要集中在CYP450酶系统。周雪姣等[35]研究表明药物的代谢参数与CYP450酶和转运体存在密切的联系，所以研究高原特殊环境中的药物代谢不可避免地与酶与转运体有联系。CYP1A、CYP1A2、CYP2C9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E1、CYP3A4及其他药物代谢酶为机体肝脏中主要的代谢酶[36]，其中以CYP3A4为机体主要的代谢酶，低氧状态下CYP酶的变化情况已有较多文献报道，部分高原低氧条件下药物代谢酶活性和表达的变化如表2所示。此外，药物代谢也包括机体对药物的转运，其在介导多数药物通过细胞膜进入机体发挥药效中的作用不可忽视。现阶段肿瘤研究是高原特殊环境与药物转运体关系研究较多的部分，因为多数实体瘤都会使机体处于部分低氧的状态。Rohwer等[37]对不同肿瘤细胞中转运体变化的研究进行了总结，发现两种转运体的蛋白表达受低氧诱导因子的调节，使化疗药物的疗效得到改善。当机体处于低氧状态时，随着对药物代谢影响因素的进一步研究，代谢相关型核受体及细胞因子也存在相应的变化，与药物代谢参数的变化具有存在一定联系[26]。虽然高原低氧影响药物代谢的研究在CYP450酶及其相关药物方面取得一定研究成果，但仍存在很大的研究空间。高原低氧对药物代谢的研究成为高原医学与药物代谢研究的一个新的突破点，可对位于特殊地区人群的用药提供依据，并为高原条件下研究药物作用新靶点提供思路。

表2 高原低氧条件下药物代谢酶活性和表达的变化

注：-：无变化，↑：升高，↓：降低

3.3 高原低氧条件下肠道菌群对药物代谢可能产生的影响 高原特殊环境会使处于稳态的肠道菌群受到影响，肠道菌群失衡也会打破菌种的种类和数量的平衡，导致药物的代谢受到影响。肠道菌群影响药物代谢可能与其影响药物代谢酶和转运体有关。Li等[38]研究发现低氧使CYP2C19的活性升高，显示低氧会对药物代谢酶产生影响。机体对药物的转运过程也属于药物代谢的一部分，周雪姣等[39]发现转运体的特异性底物在高原低氧下的吸收速率常数和渗透系数分别显著升高，表明肠道吸收增多，初步说明转运体在高原低氧下活性降低。有研究采用Western Blot法对无菌小鼠与无特殊病原体小鼠CYP450的蛋白表达进行了比较，发现与无菌小鼠相比SPF小鼠肝脏内大多数CYP异构酶、一些转运体以及涉及石胆酸解毒作用的结合酶表达水平更高[40]。肠道菌群形成的石胆酸激活PXR和CAR，使部分CYP450酶的表达有所提升。由上可推测出肠道菌群对药物代谢可能主要通过参与核受体对药物代谢酶和转运体的调控及其自身产生的某些酶产生一定的作用。

4 展望

肠道菌群在机体中的角色不可替代，其与宿主维持着共生或拮抗的关系，与机体的健康和疾病也密不可分。氧是维持机体生存必不可少的条件，高原地区氧气含量的减少，直接造成肺泡气体中的氧分压降低，导致肠道菌群的动态平衡无法维持，从而产生疾病[41]。肠道菌群对药物的药效、毒性有不同程度的影响，表明其在药物代谢中起着一定的作用。因此，研究肠道菌群在药物代谢中所起的作用为提高药物的安全性和有效性等方面可能提供指导作用。

高原低氧条件下药物的体内代谢动力学特征发生显著变化，药物代谢酶和转运体是影响药物代谢的主要因素。研究药物代谢过程中肠道菌群所起的作用，明确药物的转化过程，对于指导高原地区患者合理用药、新型药物发现和研发等方面都起着推动作用[42]。因此肠道菌群对药物代谢的影响可能为高原低氧条件下药物代谢变化机制的研究提供了帮助，从而对高原人群的合理用药起到指导作用。但在研究过程中由于诸多因素的限制，如高原条件真实性的反应、实验动物与机体肠道的差异和肠道菌群的复杂性等因素，对开展试验带来了一定程度的阻碍，因此能否根据高原低氧条件下肠道菌群对药物代谢影响的研究，为我们了解高原地区人群体内药物代谢变化提供依据，这需要深入研究才可得到答案。