肠道菌群与中药相关性研究进展

王莹 梁倩 陈欢

1.浙江省微生物技术与生物信息学研究重点实验室 杭州 310012 2.浙江天科高新技术发展有限公司 3.正大青春宝药业有限公司

人体是一个非常复杂的生态系统，寄宿的微生物细胞数量有百万亿之多。其中的肠道微生物的量最丰富，按重量接近于肝脏，达到1.5kg[1]。已知的细菌界由53个门组成，但在高度特化的人体肠道环境中仅发现5～7个门的细菌，其中厚壁菌门和拟杆菌门占肠道细菌的90%[2]。肠道菌群在人体健康中发挥着重要的作用。肠道菌群参与人体代谢，如饮食成分中不可消化碳水化合物以及多糖、胆汁酸等物质的代谢[3,5]；合成维生素和氨基酸等人体必需营养物质[4,5]；参与调节人体免疫系统[6]；参与药物代谢，使药物的活性成分和毒性成分发生变化,如具核梭杆菌（fusobacterium nucleatum）可导致化疗药物耐药[7]；参与维持肠道稳态，如抑制致病微生物和维持肠道屏障[8]。此外，科学家还发现一系列疾病，如糖尿病[9]、肥胖[10]、帕金森病[11]、抑郁症[12]、心脑血管疾病[13-14]等都与肠道微生物密切相关。

中药用于治疗疾病、强身健体已有数千年历史。中药可通过其所包含的各种生物活性物质如萜类、苷类、类黄酮、甾类、多酚、多糖等发挥抗菌、抗炎、降压、降血糖和增强免疫力等作用。多数传统中药是通过口服途径进入人体消化道，这使得其必然与肠道微生物发生接触。

通过菌群和中药提取物体外共孵育实验以及体内动物或者人体实验研究，中药与肠道菌群的相互作用的机制正在逐步被解析。肠道菌群和中药的相互作用主要体现在两个层面。

其一，肠道菌群是可干预的，可作为中药的调节靶点。肠道微生物的组成动态地受到宿主的遗传背景、饮食结构、用药状况以及年龄变化等影响。例如，食用果胶等物质可以提升肠道内Lachnospira属的数量[15]。通过开展中药及其成分影响肠道菌群结构的研究，可以发现中药新的作用机理。

其二，肠道菌群反作用于中药，改变其疗效。肠道微生物的组成最终会体现到功能上。近年的研究表明，肠道微生物编码的基因约330万，数量上远远超过人体的编码基因[16]，拥有许多人体所不具备的生化代谢通路。肠道微生物通过其独特的代谢通路或降解利用中药中的复杂活性物质，或是直接修饰这些外源的分子，从而改变它们的半衰期、生物利用度和活性，影响其功效。

1 中药对肠道菌群的调节作用

根据肠道细菌对人体健康的影响，肠道菌群可分为3类：①有益菌，也称共生菌，如双歧杆菌属和乳杆菌属的益生菌；②有害菌，也称致病菌，如金黄色葡萄球菌；③中性菌，也称条件致病菌[17]。中药对肠道菌群的调节，是对已有菌群物种的数量进行调节。如果把微生物和肠道环境比作“种子”与“土壤”的关系，中药无法让“土壤”产生原来不存在的微生物，但可以作为“肥料”或者“除草剂”调节“土壤”的生态平衡。

1.1 中药促进有益菌生长 一些中药成分可以视为益生元，它们可以选择性地促进某些有益菌的生长从而利于肠道健康。例如，蜂蜜为中药的常用组分，其主要成为为果糖和葡萄糖，此外还有相当部分的寡聚糖。体外培养实验表明，蜂蜜可以促进乳杆菌属和双歧杆菌属的生长[18]，蜂蜜喂养可显著提高肠道中的乳杆菌含量[19]，此效果与人乳中的低聚果糖（fructooligosaccharides，FOS）的双歧因子的功能类似。许多单方药中含有大量多糖。在对独参汤的作用机制研究中发现，人参多糖对一些益生菌有保护作用，能促进肠道的 Lactobacillus spp.和 Bacteroides spp.的生长[20-21]。从麦冬根中提取的一种水溶性β-d-果聚糖（MDG-1）具有强效的抗肥胖和降血糖作用，对MDG-1喂养的肥胖雄性小鼠的肠道微生物研究发现，它可以降低厚壁菌门/拟杆菌的比例，并促使某些产丁酸细菌的丰度增加，将异常肠道微生物群调整到正常状态[22]。在对条浒苔多糖（enteromorpha clathrata polysaccharide，ECP）的研究中发现它显著促进了C57BL/6J小鼠肠道中益生菌的生长，并且ECP对雄性和雌性小鼠的微生物作用结果差异化。在雌性中，ECP增加了双歧杆菌属和下一代益生菌Akkermansia muciniphila的丰度，而在雄性中，ECP增加了乳杆菌属丰度[23]。冬虫夏草中的水溶性多糖组分H1（＞300 kDa）也具有调节肠道菌群的功能，选择性地促进益生菌Parabacteroides goldsteinii的生长，提高肠道完整性并降低炎症[24]。

复方制剂的作用则可能更为复杂，能从更广的尺度对整个菌群的结构产生调节。周俊怡[25]等人研究黄连解毒汤对健康大鼠肠道菌群结构的影响发现，由黄连、黄芩、黄柏和栀子 4 味中药按 3：2：2：3 的比例配伍而成的黄连解毒汤能够调节放线菌门和厚壁菌门的比例。上海交大赵立平[26]研究团队发现，葛根芩连汤（Gegen Qinlian Decoction，GQD）可导致肠道菌群的改变和II型糖尿病（type-2 diabetes，T2D）的缓解。服用葛根芩连汤后，共有146种微生物发生显著变化，其中，47个菌种显著增加，包括Faecalibacterium、Gemmiger、Bifidobacterium、Lachnospiracea_incertae_sedis、Escherichia和 Parasutterella菌，这些产丁酸盐的细菌可以通过减少结肠细胞因子合成和增加抗炎细胞因子的分泌来发挥抗炎症作用。

1.2 中药抑制致病菌生长 除了益生元的作用，一些中药也表现出了对细菌的选择性抑制。具有解毒和肿瘤抑制作用的甘草，能选择性抑制Enterobacter、Enterococcous、Clostridium 和 Bacteroides 的生长，而对有益的Lactobacilli和Bifidobacteria影响不显著[27]。最近，在对黄连生物碱处理的肥胖小鼠的肠道微生物群研究发现，与肥胖正相关的微生物种类的丰度减少，如大肠埃希氏菌、Desulfovibrio属菌等，同时肥胖负相关的微生物物种如Sporobacter termitidis,Alcaligenes faecalis与Akkermansia muciniphila的丰度增加，这表明黄连生物碱可通过恢复肠道微生物群落的平衡来预防肥胖的发展[28]。

具有抗糖尿病作用的灵芝，其菌丝体的水提取物（waterextract of Ganoderma lucidum mycelium，WEGL）减轻了高脂肪饮食（high-fat diet，HFD）小鼠的体重、炎症和胰岛素抵抗症状，WEGL通过降低产内毒素的变形菌门水平和Firmicutes/Bacteroidetes比值，逆转了HFD诱导的肠道菌群失调，同时也保持了肠道屏障完整性。将WEGL处理后的小鼠粪便移植到HFD小鼠体内，同样起到了抗肥胖和微生物调节作用。进一步实验表明从WEGL提取物中分离出来的高分子量多糖（＞300 kDa）[29]具有类似的抗肥胖和微生物调控作用，因此灵芝及其高分子量多糖有望作为益生元，预防肥胖人群肠道菌群失调和肥胖相关的代谢紊乱。

1.3 中药直接调控肠道菌群的代谢 中药成分还能调节肠道微生物的代谢状态。Sonnenburg等[30]的研究发现，B.thetaiotaomicron在体内能够对接触到的多糖或者单糖环境产生响应，而能调节CPS合成基因的表达来改变其表面荚膜多糖类型，和宿主的免疫系统发生互作，暗示了多糖等成分的对肠道菌的代谢调节作用。还有研究显示，口服小檗碱后，可从两个方面促进小鼠产生丁酸，一个是改善小鼠肠道细菌组成,增加丁酸盐产生菌的丰度，另一个是从代谢通路调节的角度，抑制了细菌三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的产生和降低烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）水平，从而增加了丁基-辅酶A含量，最终通过上调丁酰基转移酶/丁酸激酶和丁酰辅酶A转移酶而生产丁酸盐[27]。

2 肠道菌群对中药的生物转化作用

中药发挥效果的不仅是药物中的天然成分。当中药中所含的萜类、苷类、类黄酮、甾类、多酚、多糖等活性物质进入肠道后，肠道菌群和人体采用不同的代谢策略。人体代谢的主要方向是将非极性物质转化为亲水性物质，以更高分子量形式的代谢物排出体外。人体代谢主要的手段包括通过极性基团的添加和连接，依赖的酶为P-450细胞色素酶类、羧酸酯酶、黄素单加氧酶（Flavin-containing monooxygenase,FMOs），以及后续的葡糖醛酸基、甲基、乙酰基、磺酰基、半胱氨酸残基等基团的转移酶。而肠道菌群从自身生存和生长需求的角度出发，会通过水解和还原反应利用这些活性物质[36]，肠道微生物宏基因组数据研究也支持这一观点。在肠道微生物中，水解酶、裂解酶、氧化还原酶和转移酶分布广泛并在编码的酶类中占据主要的地位[37]。例如，在菊花提取物和人或大鼠的肠道微生物体外共孵育后，质谱鉴定出的32种转化的类黄酮的代谢物和原来的提取物中的类黄酮结构比较发现，水解羟化、乙酰化等是这些类黄酮化合物的主要转化途径[38]。表1总结了一些中药对肠道菌群调节的例子。

2.1 肠道菌群转化参与中药活性成分转化

2.1.1 促进人体吸收 大多数植物多糖在宿主胃肠道中难以吸收消化，因为宿主缺乏对其直接消化和利用的相关酶，但这些植物多糖却能被肠道微生物所代谢[39]。拟杆菌门含有大量的多糖利用系统（Polysaccharide Utilization Loci，PULs），这些系统编码数种到数十种可作用于特定的糖苷键或化学取代基团来降解多糖的酶[40]。此外，已经证实果胶[41]和淀粉等多种多糖可以被含有淀粉利用系统（starch utilization system，Sus系统）的拟杆菌消化[42]。其它门的细菌也有部分成员参与到多糖的代谢中，比如放线菌门的双歧杆菌对高直链淀粉能够进行特别有效的降解[43]。中药中皂苷类成分的口服生物利用度较差，而在转化后才能较好吸收。例如，人参中的皂苷类成分是其主要的活性成分，具有抗炎、抗肿瘤、降血糖及降血脂等多种药理作用。Dong-Hyun Kim等[44]的研究发现人参皂苷在胃液和肠道微生物的共同作用下，能被转化为疏水型化合物，如原人参二醇型人参皂苷主要被转化为化合物K和人参皂苷Rh2，和原人参二醇型人参皂苷相比，转化后的代谢物化合物K表现出更有效的抗肿瘤、抗炎、抗糖尿病，抗过敏和神经保护等药理作用。三七中的三七皂苷和人参皂苷是三七药效的主要来源，口服生物利用度也很低。Chen等人[45]的研究利用高灵敏度和鉴定率的高效液相色谱-二极管阵列-四极杆飞行时间质谱法（high-performance liquid chromatography coupled with quadrupde time of flight mass spectrometry,HPLC-DAD-Q-TOF-MS/MS）证明微生物来源的酶能将糖基从皂苷中切下来,并最终证明了肠道微生物群在调节三七总皂苷的生物活性方面可能发挥重要作用。黄芩苷在体内和体外的药理作用的报道表明糖苷形式在肠道中很难被吸收，而推断应被水解成黄芩素才能吸收[46]。肠道微生物对黄芩苷的代谢可能发挥了重要作用。植物的多酚类，也较难吸收，这些分子经过肠道微生物一系列的转变,包括裂环、去甲基化和脱羧基作用，通常产生具有更高生物活性的代谢物,并降低相关性疾病风险[47]。如体内和体外的实验表明，茶叶中的儿茶酚被摄入后经肠道微生物代谢产生(-)-5-(3',4',5'-trihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M4)和(-)-5-(3',4'-dihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M6)两种代谢物[48-49]，且在血浆中浓度较高。

2.1.2 增强药效 中药小分子在化学结构、药理活性评价、作用靶点等方面已开展了很多研究。肠道细菌编码的酶可以代谢许多中药汤剂中的苷类物质，如通过糖基化等反应提升活性。通过大鼠肠道细菌和大黄提取物的共孵育研究发现，大黄提取物中共有14种成分可被生物转化，这些组分包括芦荟大黄素-O-葡糖苷、大黄素-O-葡糖苷、大黄酚-O-葡糖

苷和大黄素-甲醚-O-葡糖苷等，并在孵育样品中检测到12种主要代谢物，其主要生物转化途径是糖苷基团的水解，随后是醌部分中氢化和/或进一步乙酰化[50]。芦荟大黄素苷本身没有致泻作用，人粪便中的细菌Eubacterium可水解芦荟大黄素苷的C-C糖苷键，将其代谢为aloe-emodin-9-anthrone，提高大肠内水含量而具有显著的致泻作用[51]。Cao等人[52]通过分离人粪便样本中的微生物与中药九节龙提取的ADS-I（Ardipusilloside-I）共孵育，通过超高效液相色谱-三重四极杆质谱联用（ultra-high performance liquid chromatographytriple four-stage mass spectrometiy,UHPLC-QQQ-MS）检测，得到了4种经肠道微生物去糖基化产生的代谢产物，且从细胞系的角度验证发现其中两种比原来ADS-I具有更强的抑制肿瘤效果。

表1 中药及其成分调节肠道菌群结构的相关研究

肠道微生物的代谢作用也可能是一把双刃剑，既能活化，也能使药物失去活性。特定的肠道微生物可通过修饰作用导致有效成分的失活。报道显示肠道中的微生物Eggerthella lenta中被鉴定出一种编码细胞色素的操纵子，该操纵子可被紫花洋地黄提取物（地高辛）转录激活，这些基因产物可作为地高辛灭活的生物标志物。无菌小鼠实验表明，蛋白质摄入量的增加可以限制微生物对药物的灭活作用，并揭示了该操纵子编码的蛋白质如何通过底物使地高辛失活的机制[53]。

2.2 肠道微生物参与中药毒性成分转化 中药毒副作用是在中药应用中不容忽视的一个重要问题，而肠道微生物的修饰在增强药效的同时，也可能会增强有毒成分的毒性。近年来不少有关苦杏仁苷中毒的病例报道，动物实验表明，与正常口服灌胃组比较，静脉注射组及经抗生素处理的灌胃组动物无显著毒性反应，而且血浆中氰化物的浓度也均低于正常口服灌胃组。而在肠道中发现的厌氧性拟杆菌门具有高度的β-葡糖苷酶活性，能将苦杏仁苷水解成氢氰酸，在某些条件下，这些氢氰酸水平升高会引起毒性[54]。当然，修饰作用未必都是消极的。例如被认为具有消炎镇痛作用的乌头碱，同时对神经系统和心血管系统也有毒性作用，Zhao等人[55]通过质谱研究表明，乌头碱可在肠道微生物的酰基化和酯化作用下转变成毒性较低的单脂、二脂等。

3 展望

肠道微生物和中药之间存在的相互作用不容忽视。一方面中药可以通过调节肠道微生物来调节人体健康并治疗疾病，从调节肠道微生物的组成和代谢状态的角度去阐述中药作用机制是研究中药的有效路径之一，或者还可借此发现中药的新用途，实现老药新用。另一方面，肠道微生物会对中药的药效产生影响，在了解机制的基础上，中药成分可以在体外完成活性物质转化，实现更有效的药物开发。正是由于互作关系的存在，在中药评价和应用的过程中将微生物作为一个重要的考虑因素具有必要性：同样的中药在具有不同肠道微生物群落结构的人群中应用，是否能取得一致的效果？对携带特定菌群的人群是否存在副作用增大的风险？此外，人群的肠道微生物结构的异质性，也许会促使我们对药物有效性的评价进行重新审视，反思某些在大规模人群实验中没有取得显著疗效是否由于个体肠道微生物差异造成的。

目前，在何种微生物通过何种机制对特定的活性成分进行转换的机制上，仍缺乏足够的认识。一是由于目前许多研究只建立了微生物菌群和中药或者中药活性成分之间的相关性联系,很少联系到具体的物种、基因或酶，并阐明因果关系。因此，需要借助培养组学、代谢组学、基因组学等多组学的相互配合才能完成中药在人体肠道代谢机制的复杂拼图。中药对肠道菌群调节研究目前还面临的另一个重要挑战是要从对物种组成和基因组成的研究转向整个群落的功能研究，以阐述它们对人体健康的影响。肠道菌群是一个复杂的生态，中药对肠道微生物的调节作用研究目前仍多集中在标志微生物/多样性的层次，而越来越多的研究表明，物种的组成可能并非一个稳定的状态，人与人之间肠道微生物组成上具有差异而功能上趋同，健康的肠道往往意味着多样性的丰富，但是反过来多样性高却不能和健康等同，并且生物多样性也不代表功能的多样性。和人的健康有着更稳定的联系的往往是整个肠道微生态的功能组成和代谢状态。因此，一些和代谢、表型相关的指标在中药药效评价中越来越体现出价值，如厌氧菌比例的失调预示着肠道微生物平衡的打破和疾病征兆，糖分解向蛋白分解的功能性改变等。

今后，对肠道微生物与中药及其有效成分互作机制的深入理解,将有助于更好地利用中药来改善人类的健康，也有利于其真正走向国际市场。