肠道菌群与精准药物治疗

缪丽燕，丁肖梁

0 引 言

人体就像一个“超级生物体”，而肠道菌群就是人体的一个“隐藏的器官”，携带着人体的“第二基因”。肠道菌群主要定植在小肠末端和结肠，其密度分布随着从肠道远端向近端、从肠腔内向肠腔外2个方向递减，同时肠道菌群的多样性也同向递减。成年人的肠道内约有1000个菌群物种，含有1014个细菌，约是自身细胞数目的10倍，重量近乎肝的重量。肠道菌群与肠道一起构成了人体多道生理屏障，包括生物屏障、化学屏障、机械屏障、免疫屏障，使宿主处于健康状态。人体的肠道菌群最初来自于新生儿的口腔摄入和空气摄入等途径，逐渐在肠道内定植，伴随着宿主的生长发育逐渐稳定。肠道菌群与人体的遗传背景无关，受到了多种因素的影响，比如药物的使用、饮食、地理环境、疾病、运动和年龄等因素，然而诸多的影响因素也仅能解释肠道菌群巨大变异的很小部分［1］。

随着人类微生物组计划和人类肠道宏基因组学计划的启动和深入研究，人体的肠道菌群被证实了与多种疾病相关联，如炎症性肠病、肥胖、动脉粥样硬化、2型糖尿病、哮喘等，甚至于肿瘤和神经系统的阿尔茨海默症等重大疾病，涉及到了广泛的疾病类型［2］。新近的研究表明，肠道菌群与治疗药物之间有着密不可分的联系。肠道菌群可以直接降解药物，也可以通过与宿主之间的相互作用影响药物的体内过程和药理作用，同时药物也可以调节肠道菌群的结构［3-4］。因此肠道菌群的差异可能是影响药物治疗有效性和安全性的一个重要环节。本文将从肠道菌群与药物精准治疗方面进行阐述。

1 肠道菌群的组成和调节基础

肠道菌群主要由厌氧菌、兼性厌氧菌、需氧菌组成，其中厌氧菌是肠道的优势菌群，占肠道细菌的99%，具有营养及免疫调节作用，为人体所必需。个体肠道菌群的组成在种水平上具有很大的差异，但在门水平上具有一定的稳定性和保守性。重要的细菌种类主要包括厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门和梭杆菌门，其中厚壁菌门和拟杆菌门占绝对优势（＞98%）。上述细菌按照对人体的作用又可分为：①与宿主共生的生理性细菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌；②与宿主共栖的条件致病菌，如肠杆菌、肠球菌；③病原菌，如变形杆菌、金黄色葡萄球菌。

肠道菌群与宿主之间存在复杂的调节平衡。肠道菌群可以维持正常的生理屏障，还可以帮助宿主吸收营养物质，同时从宿主体内吸收营养物质。除了这些为人所熟知的生理功能，肠道菌群被发现参与了宿主代谢、免疫调节等多种生理过程，从而影响了药物治疗的有效性和安全性。因此肠道菌群、宿主与药物三者之间的关系错综复杂。药物口服后经胃肠道吸收，在胃肠道的肠道菌群的作用下可能会被直接代谢，可能转化成活性物质或是代谢失活，也有可能会代谢产生毒性物质，同时药物也有可能会调节肠道菌群的结构。除了简单的肠道菌群和药物直接相互作用以外，肠道菌群与宿主可以通过底物的代谢交换与共代谢等方式相互作用，调节靶基因表达从而影响到药物的代谢和疗效。肠道菌群同时具有调节宿主免疫系统的作用，在当前热门的肿瘤免疫治疗领域中也被发现具有重要的免疫治疗调节作用［5］。

2 肠道菌群对药物药动学和药效学的影响

肠道微生物对药物药动学和药效学的影响主要体现在微生物对药物直接代谢和微生物调节宿主代谢从而影响药物作用。

2.1微生物直接代谢药物口服后必然经历胃肠道，接触定植在宿主胃肠道的微生物，会被微生物直接代谢。如人参中的主要活性成分人参皂苷已被证实会被肠道中的拟杆菌属JY-6、拟杆菌属、双歧杆菌属和梭杆菌属等细菌代谢。除了灭活药物以外，药物也有机会被代谢成有活性的物质。如水杨酸偶氮磺胺吡啶在预防和治疗溃疡性结肠炎时，口服给药后在肠道菌群作用下还原成磺胺吡啶和5-氨基水杨酸，还原产物5-氨基水杨酸是有效的抗炎成分。

早在20世纪80年代，研究人员就发现了一种厌氧大肠菌迟缓埃格特菌可以代谢地高辛。几十年后，科学家进一步证实了迟缓埃格特菌对降解地高辛至关重要，基因组分析具有代谢活性的菌株携带强心糖苷还原酶（cgr）相关基因簇。在带有迟缓埃格特菌的患者中，采用抗生素治疗可以暂时性地消除非活性代谢物氢化地高辛的生成，并与用抗生素前的基线相比增加了地高辛的血清水平。同时高蛋白食物富含的精氨酸摄入后可以抑制cgr基因操纵子的表达，从而可以增加地高辛的血药浓度。因此治疗窗较窄的地高辛在临床应用是需要考虑患者的肠道微生物以及抗生素和食物摄入的影响［6］。

除了胃肠道给药方式，肠道菌群同样会影响静脉用药物的肝肠循环。伊立替康是一种抗肿瘤的静脉制剂，主要依靠肝代谢生成SN-38发挥作用，在用于晚期大肠癌患者的治疗时常伴有腹泻等严重不良反应。这种限制剂量的胃肠毒性是由肝内产生的无活性的SN-38g在肠道内重新转换成活性产物SN-38造成，参与这个转换过程主要是依赖肠道微生物所产生的β-葡萄糖醛酸苷酶，能够选择性靶向抑制大肠杆菌β-葡糖醛酸糖苷酶的药物，能够有效降低伊立替康引起的胃肠道毒性。在患者群体研究中也证实了注射伊立替康之前分析患者的肠道微生物，可在极大程度上预测患者是否会出现不良反应。这些微生物的研究深入阐述了伊立替康的胃肠道毒性发生的机制，为伊立替康的合理使用提供了潜在的预测以及干预手段［7］。

2.2微生物调节宿主代谢肠道菌群可以通过多种方式调节宿主的代谢酶和转运体的表达，从而导致代谢和转运药物的能力发生变化［8］。比如在无菌小鼠中发现了多种肝代谢酶和转运体的表达发生了变化，同时动物经抗生素处理后也发现了多种代谢酶的表达变化［9］。常用的解热镇痛药——对乙酰氨基酚，已被证实其肝毒性与内源性微生物的代谢产物p-甲酚有关。对乙酰氨基酚在肝中代谢主要是葡萄苷酸化和硫酸盐化，p-甲酚被假定为通过竞争性的硫酸盐化来减少对乙酰氨基酚的代谢，高水平p-甲酚的患者被认为在服用对乙酰氨基酚时可能会增加肝毒性的发生［10］。常用的降脂药辛伐他汀服用者中的三分之一的患者难以获得理想的降血脂效果。科学家发现辛伐他汀的降脂效果与基础的次级胆汁酸呈现正相关，包括石胆酸、牛磺石胆酸和葡糖石胆酸。其中的明确机制尚不完全清楚，很可能是因为初级胆汁酸会与辛伐他汀竞争性肠道转运体，从而抑制了辛伐他汀的吸收，降低了血药浓度［11］。

肠道微生物对宿主代谢的调控影响广泛，具体的详细机制尚不清楚，并且是因药而异、因菌而异。比如科学家发现普拉氏梭菌的丰度与免疫抑制药物他克莫司的血药浓度有关［12］；胺碘酮的血药浓度被发现与大肠埃希氏菌有关［13］。

微生物除了可以调节宿主代谢酶或转运体的表达来改变药物的药动学行为，同样可以通过调节宿主代谢来影响药理作用。2017年11月上海瑞金医院宁光院士团队在《Nature Communication》杂志上报道了阿卡波糖与肠道菌群之间的紧密关系，阿卡波糖治疗可以改善糖尿病患者的肠道微生态和胆汁酸代谢，从而达到减重、降脂和改善胰岛素抵抗等降糖以外的药理作用。相对应地，糖尿病患者的基础肠型可以预测阿卡波糖的治疗效果，患者可分为富含拟杆菌的B肠型和富含普氏菌的P肠型，B肠型的患者对阿卡波糖治疗更为敏感，空腹血糖和胰岛素抵抗的改善程度更加明显。该研究提示了肠型可能是决定药物疗效的重要因素，对阿卡波糖的个体化治疗具有重要意义［14］。

3 肠道菌群对肿瘤免疫治疗的影响

2018年诺贝尔医学和生理学奖颁给了发现免疫负调控的科学家，基于免疫检查点的肿瘤免疫治疗已经改变了我们对于肿瘤治疗的思维方式。2018年年初《Science》杂志同期出版了肠道菌群在免疫检查点抑制剂治疗中重要作用的文章，引起了肠道微生物在肿瘤免疫治疗中的广泛关注。

早在2013年，来自美国国立癌症研究中心的Goldszmid和Trinchieri教授团队在《Science》杂志上发表研究，在动物层面上发现了铂类药物的抗肿瘤效果依赖肠道微生物的调节作用［15］。同期，法国Zitvoge教授在《Science》杂志上发表文章，在动物水平中观察到环磷酰胺可以驱动肠道菌群中的革兰氏阳性菌进入次级淋巴系统，刺激辅助T细胞对肿瘤发动攻击，从而达到杀灭肿瘤的治疗效果。当使用抗生素抑制模型动物的革兰氏阳性菌会使得环磷酰胺的抗肿瘤效果下降［16］。随后该团队在《Immunity》杂志上发表文章进一步确认了能够提高环磷酰胺治疗疗效的幕后帮手，海氏肠球菌和肠结巴斯德氏菌在动物模型中可以提高环磷酰胺疗效，在38例肺癌和卵巢癌患者群体中观察到了这2种菌特异性的记忆型T细胞免疫应答可以让患者经历更长的无进展生存期［17］。上述研究显示出了肠道菌群可以作为辅助肿瘤免疫治疗的潜在价值。

2015年，Zitvoge教授团队又发表了关于抗CTLA-4免疫治疗与肠道菌群的关系，在动物层面上研究表明抗CTLA-4治疗依赖于肠道拟杆菌属，植入特定微生物脆弱拟杆菌可以提高抗肿瘤疗效［18］。同期芝加哥大学报道了双歧杆菌可以提高荷瘤小鼠对抗PD-L1免疫治疗的响应［19］。这2项动物水平的研究真正的将肠道菌群引入到了热门的免疫检查点抑制剂治疗领域。

安德森癌症中心的Wargo教授在2014年的会议中得知这些研究结果，继而开展临床队列的研究。直到2017年11月，《Science》刊发了Zitvogel教授、Gajewski教授和Wargo教授的研究成果，并且研究也都从动物层面跨入到了肿瘤患者的阶段。Wargo教授的研究分析了112例接受抗PD-1治疗的转移性黑色素瘤患者的口腔和肠道菌群，在治疗有响应和无响应2组患者中并未发现口腔菌群多样性有差异，但是在肠道菌群中发现，梭菌目/瘤胃菌科/粪杆菌属富集在治疗有响应组，拟杆菌目则富集在无响应组，单变量的COX比例风险分析显示α多样性、粪杆菌属和拟杆菌目的丰度可以预测免疫治疗的效果。将对免疫治疗不同响应患者的肠道微生物植入到无菌小鼠中，观察到小鼠对抗PD-L1治疗与患者的响应一致，推测与CD8+T细胞激活有关［20］。

Gajewski团队收集了42例转移性黑色素瘤患者进行抗PD-1治疗前的粪便，疗效评价显示26例患者经治疗无响应，16例患者治疗有响应［21］。采用16S rRNA测序和宏基因组测序分析2组患者的基础肠道菌群的差异，显示长双歧杆菌、产气柯林斯菌和屎肠球菌在治疗响应患者中丰度更高。给无菌荷瘤小鼠植入不同疗效患者的肠道菌群，响应患者的肠道菌群可以显著增强小鼠的T细胞应答以及对抗PD-1治疗的响应［21］。

Zitvoge团队对249例患有非小细胞肺癌、肾癌和膀胱癌的患者进行了分析，其中69例使用了抗生素的患者接受免疫治疗的疗效变得很差（中位OS，11.5个月vs 20.6个月），宏基因组分析显示患者粪便阿克曼菌的丰度与治疗响应相关。同样将患者的粪菌移植给无菌荷瘤小鼠，结果和其他团队的结果一致，令人惊奇的是无响应的动物口服给予阿克曼菌可以重塑免疫治疗的疗效［22］。

免疫系统是机体执行免疫应答及免疫功能，防御病原体入侵机体最有效的系统。肠道微生物可以对免疫系统，包括全身性的固有免疫、特异性免疫产生影响。随着肿瘤免疫治疗的发展，科学家也开始着眼于被认为可以调节宿主免疫功能的肠道菌群，期待可以通过操纵宿主的肠道菌群来增加抗肿瘤治疗的疗效。目前的研究也取得了可喜的结果。然而需要注意的是，这些研究还停留在动物水平和观察性队列研究，证据级别较低，距离转化应用仍有距离。《Science》杂志所发表的一系列文章中，即使是使用相同的药物，针对相同类型的肿瘤，不同研究中使患者获益的微生物种类也各不相同。患者的饮食、样本收集以及数据分析方法都可能会影响到研究结果。目前对于是否一种或一类肠道微生物可以提高肿瘤治疗的效果，以及肠道微生物是如何调控免疫细胞和免疫治疗的具体机制尚不清楚。目前科学家正在研究是否能够将这些研究结果进行临床转化，粪便移植，微生物药品等领域都进入到了临床开发阶段［23］。

4 结 语

传统的药物治疗往往只关注人体和药物两者之间的关系，但是越来越多的研究显示肠道菌群在其中起到了重要的作用，让我们在传统思维中不得不慎重的对待肠道微生物的地位。微生物组研究有望成为精准治疗关注点之一，也有望带来对于药物疗效和安全性差异机制的全新认知，肠道菌群的深入研究和转化是实现精准药物治疗不可或缺的元素。