王瑩 梁倩 陳歡

1.浙江省微生物技術(shù)與生物信息學(xué)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310012 2.浙江天科高新技術(shù)發(fā)展有限公司 3.正大青春寶藥業(yè)有限公司

人體是一個(gè)非常復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，寄宿的微生物細(xì)胞數(shù)量有百萬億之多。其中的腸道微生物的量最豐富，按重量接近于肝臟，達(dá)到1.5kg[1]。已知的細(xì)菌界由53個(gè)門組成，但在高度特化的人體腸道環(huán)境中僅發(fā)現(xiàn)5～7個(gè)門的細(xì)菌，其中厚壁菌門和擬桿菌門占腸道細(xì)菌的90%[2]。腸道菌群在人體健康中發(fā)揮著重要的作用。腸道菌群參與人體代謝，如飲食成分中不可消化碳水化合物以及多糖、膽汁酸等物質(zhì)的代謝[3,5]；合成維生素和氨基酸等人體必需營養(yǎng)物質(zhì)[4,5]；參與調(diào)節(jié)人體免疫系統(tǒng)[6]；參與藥物代謝，使藥物的活性成分和毒性成分發(fā)生變化,如具核梭桿菌（fusobacterium nucleatum）可導(dǎo)致化療藥物耐藥[7]；參與維持腸道穩(wěn)態(tài)，如抑制致病微生物和維持腸道屏障[8]。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)一系列疾病，如糖尿病[9]、肥胖[10]、帕金森病[11]、抑郁癥[12]、心腦血管疾病[13-14]等都與腸道微生物密切相關(guān)。

中藥用于治療疾病、強(qiáng)身健體已有數(shù)千年歷史。中藥可通過其所包含的各種生物活性物質(zhì)如萜類、苷類、類黃酮、甾類、多酚、多糖等發(fā)揮抗菌、抗炎、降壓、降血糖和增強(qiáng)免疫力等作用。多數(shù)傳統(tǒng)中藥是通過口服途徑進(jìn)入人體消化道，這使得其必然與腸道微生物發(fā)生接觸。

通過菌群和中藥提取物體外共孵育實(shí)驗(yàn)以及體內(nèi)動(dòng)物或者人體實(shí)驗(yàn)研究，中藥與腸道菌群的相互作用的機(jī)制正在逐步被解析。腸道菌群和中藥的相互作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)層面。

其一，腸道菌群是可干預(yù)的，可作為中藥的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)。腸道微生物的組成動(dòng)態(tài)地受到宿主的遺傳背景、飲食結(jié)構(gòu)、用藥狀況以及年齡變化等影響。例如，食用果膠等物質(zhì)可以提升腸道內(nèi)Lachnospira屬的數(shù)量[15]。通過開展中藥及其成分影響腸道菌群結(jié)構(gòu)的研究，可以發(fā)現(xiàn)中藥新的作用機(jī)理。

其二，腸道菌群反作用于中藥，改變其療效。腸道微生物的組成最終會(huì)體現(xiàn)到功能上。近年的研究表明，腸道微生物編碼的基因約330萬，數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體的編碼基因[16]，擁有許多人體所不具備的生化代謝通路。腸道微生物通過其獨(dú)特的代謝通路或降解利用中藥中的復(fù)雜活性物質(zhì)，或是直接修飾這些外源的分子，從而改變它們的半衰期、生物利用度和活性，影響其功效。

1 中藥對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)作用

根據(jù)腸道細(xì)菌對(duì)人體健康的影響，腸道菌群可分為3類：①有益菌，也稱共生菌，如雙歧桿菌屬和乳桿菌屬的益生菌；②有害菌，也稱致病菌，如金黃色葡萄球菌；③中性菌，也稱條件致病菌[17]。中藥對(duì)腸道菌群的調(diào)節(jié)，是對(duì)已有菌群物種的數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果把微生物和腸道環(huán)境比作“種子”與“土壤”的關(guān)系，中藥無法讓“土壤”產(chǎn)生原來不存在的微生物，但可以作為“肥料”或者“除草劑”調(diào)節(jié)“土壤”的生態(tài)平衡。

1.1 中藥促進(jìn)有益菌生長 一些中藥成分可以視為益生元，它們可以選擇性地促進(jìn)某些有益菌的生長從而利于腸道健康。例如，蜂蜜為中藥的常用組分，其主要成為為果糖和葡萄糖，此外還有相當(dāng)部分的寡聚糖。體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，蜂蜜可以促進(jìn)乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的生長[18]，蜂蜜喂養(yǎng)可顯著提高腸道中的乳桿菌含量[19]，此效果與人乳中的低聚果糖（fructooligosaccharides，F(xiàn)OS）的雙歧因子的功能類似。許多單方藥中含有大量多糖。在對(duì)獨(dú)參湯的作用機(jī)制研究中發(fā)現(xiàn)，人參多糖對(duì)一些益生菌有保護(hù)作用，能促進(jìn)腸道的 Lactobacillus spp.和 Bacteroides spp.的生長[20-21]。從麥冬根中提取的一種水溶性β-d-果聚糖（MDG-1）具有強(qiáng)效的抗肥胖和降血糖作用，對(duì)MDG-1喂養(yǎng)的肥胖雄性小鼠的腸道微生物研究發(fā)現(xiàn)，它可以降低厚壁菌門/擬桿菌的比例，并促使某些產(chǎn)丁酸細(xì)菌的豐度增加，將異常腸道微生物群調(diào)整到正常狀態(tài)[22]。在對(duì)條滸苔多糖（enteromorpha clathrata polysaccharide，ECP）的研究中發(fā)現(xiàn)它顯著促進(jìn)了C57BL/6J小鼠腸道中益生菌的生長，并且ECP對(duì)雄性和雌性小鼠的微生物作用結(jié)果差異化。在雌性中，ECP增加了雙歧桿菌屬和下一代益生菌Akkermansia muciniphila的豐度，而在雄性中，ECP增加了乳桿菌屬豐度[23]。冬蟲夏草中的水溶性多糖組分H1（＞300 kDa）也具有調(diào)節(jié)腸道菌群的功能，選擇性地促進(jìn)益生菌Parabacteroides goldsteinii的生長，提高腸道完整性并降低炎癥[24]。

復(fù)方制劑的作用則可能更為復(fù)雜，能從更廣的尺度對(duì)整個(gè)菌群的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生調(diào)節(jié)。周俊怡[25]等人研究黃連解毒湯對(duì)健康大鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，由黃連、黃芩、黃柏和梔子 4 味中藥按 3：2：2：3 的比例配伍而成的黃連解毒湯能夠調(diào)節(jié)放線菌門和厚壁菌門的比例。上海交大趙立平[26]研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，葛根芩連湯（Gegen Qinlian Decoction，GQD）可導(dǎo)致腸道菌群的改變和II型糖尿?。╰ype-2 diabetes，T2D）的緩解。服用葛根芩連湯后，共有146種微生物發(fā)生顯著變化，其中，47個(gè)菌種顯著增加，包括Faecalibacterium、Gemmiger、Bifidobacterium、Lachnospiracea_incertae_sedis、Escherichia和 Parasutterella菌，這些產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌可以通過減少結(jié)腸細(xì)胞因子合成和增加抗炎細(xì)胞因子的分泌來發(fā)揮抗炎癥作用。

1.2 中藥抑制致病菌生長 除了益生元的作用，一些中藥也表現(xiàn)出了對(duì)細(xì)菌的選擇性抑制。具有解毒和腫瘤抑制作用的甘草，能選擇性抑制Enterobacter、Enterococcous、Clostridium 和 Bacteroides 的生長，而對(duì)有益的Lactobacilli和Bifidobacteria影響不顯著[27]。最近，在對(duì)黃連生物堿處理的肥胖小鼠的腸道微生物群研究發(fā)現(xiàn)，與肥胖正相關(guān)的微生物種類的豐度減少，如大腸埃希氏菌、Desulfovibrio屬菌等，同時(shí)肥胖負(fù)相關(guān)的微生物物種如Sporobacter termitidis,Alcaligenes faecalis與Akkermansia muciniphila的豐度增加，這表明黃連生物堿可通過恢復(fù)腸道微生物群落的平衡來預(yù)防肥胖的發(fā)展[28]。

具有抗糖尿病作用的靈芝，其菌絲體的水提取物（waterextract of Ganoderma lucidum mycelium，WEGL）減輕了高脂肪飲食（high-fat diet，HFD）小鼠的體重、炎癥和胰島素抵抗癥狀，WEGL通過降低產(chǎn)內(nèi)毒素的變形菌門水平和Firmicutes/Bacteroidetes比值，逆轉(zhuǎn)了HFD誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)，同時(shí)也保持了腸道屏障完整性。將WEGL處理后的小鼠糞便移植到HFD小鼠體內(nèi)，同樣起到了抗肥胖和微生物調(diào)節(jié)作用。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明從WEGL提取物中分離出來的高分子量多糖（＞300 kDa）[29]具有類似的抗肥胖和微生物調(diào)控作用，因此靈芝及其高分子量多糖有望作為益生元，預(yù)防肥胖人群腸道菌群失調(diào)和肥胖相關(guān)的代謝紊亂。

1.3 中藥直接調(diào)控腸道菌群的代謝 中藥成分還能調(diào)節(jié)腸道微生物的代謝狀態(tài)。Sonnenburg等[30]的研究發(fā)現(xiàn)，B.thetaiotaomicron在體內(nèi)能夠?qū)佑|到的多糖或者單糖環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)，而能調(diào)節(jié)CPS合成基因的表達(dá)來改變其表面莢膜多糖類型，和宿主的免疫系統(tǒng)發(fā)生互作，暗示了多糖等成分的對(duì)腸道菌的代謝調(diào)節(jié)作用。還有研究顯示，口服小檗堿后，可從兩個(gè)方面促進(jìn)小鼠產(chǎn)生丁酸，一個(gè)是改善小鼠腸道細(xì)菌組成,增加丁酸鹽產(chǎn)生菌的豐度，另一個(gè)是從代謝通路調(diào)節(jié)的角度，抑制了細(xì)菌三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的產(chǎn)生和降低煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide,NADH）水平，從而增加了丁基-輔酶A含量，最終通過上調(diào)丁酰基轉(zhuǎn)移酶/丁酸激酶和丁酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶而生產(chǎn)丁酸鹽[27]。

2 腸道菌群對(duì)中藥的生物轉(zhuǎn)化作用

中藥發(fā)揮效果的不僅是藥物中的天然成分。當(dāng)中藥中所含的萜類、苷類、類黃酮、甾類、多酚、多糖等活性物質(zhì)進(jìn)入腸道后，腸道菌群和人體采用不同的代謝策略。人體代謝的主要方向是將非極性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為親水性物質(zhì)，以更高分子量形式的代謝物排出體外。人體代謝主要的手段包括通過極性基團(tuán)的添加和連接，依賴的酶為P-450細(xì)胞色素酶類、羧酸酯酶、黃素單加氧酶（Flavin-containing monooxygenase,FMOs），以及后續(xù)的葡糖醛酸基、甲基、乙酰基、磺酰基、半胱氨酸殘基等基團(tuán)的轉(zhuǎn)移酶。而腸道菌群從自身生存和生長需求的角度出發(fā)，會(huì)通過水解和還原反應(yīng)利用這些活性物質(zhì)[36]，腸道微生物宏基因組數(shù)據(jù)研究也支持這一觀點(diǎn)。在腸道微生物中，水解酶、裂解酶、氧化還原酶和轉(zhuǎn)移酶分布廣泛并在編碼的酶類中占據(jù)主要的地位[37]。例如，在菊花提取物和人或大鼠的腸道微生物體外共孵育后，質(zhì)譜鑒定出的32種轉(zhuǎn)化的類黃酮的代謝物和原來的提取物中的類黃酮結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)，水解羥化、乙?；仁沁@些類黃酮化合物的主要轉(zhuǎn)化途徑[38]。表1總結(jié)了一些中藥對(duì)腸道菌群調(diào)節(jié)的例子。

2.1 腸道菌群轉(zhuǎn)化參與中藥活性成分轉(zhuǎn)化

2.1.1 促進(jìn)人體吸收 大多數(shù)植物多糖在宿主胃腸道中難以吸收消化，因?yàn)樗拗魅狈?duì)其直接消化和利用的相關(guān)酶，但這些植物多糖卻能被腸道微生物所代謝[39]。擬桿菌門含有大量的多糖利用系統(tǒng)（Polysaccharide Utilization Loci，PULs），這些系統(tǒng)編碼數(shù)種到數(shù)十種可作用于特定的糖苷鍵或化學(xué)取代基團(tuán)來降解多糖的酶[40]。此外，已經(jīng)證實(shí)果膠[41]和淀粉等多種多糖可以被含有淀粉利用系統(tǒng)（starch utilization system，Sus系統(tǒng)）的擬桿菌消化[42]。其它門的細(xì)菌也有部分成員參與到多糖的代謝中，比如放線菌門的雙歧桿菌對(duì)高直鏈淀粉能夠進(jìn)行特別有效的降解[43]。中藥中皂苷類成分的口服生物利用度較差，而在轉(zhuǎn)化后才能較好吸收。例如，人參中的皂苷類成分是其主要的活性成分，具有抗炎、抗腫瘤、降血糖及降血脂等多種藥理作用。Dong-Hyun Kim等[44]的研究發(fā)現(xiàn)人參皂苷在胃液和腸道微生物的共同作用下，能被轉(zhuǎn)化為疏水型化合物，如原人參二醇型人參皂苷主要被轉(zhuǎn)化為化合物K和人參皂苷Rh2，和原人參二醇型人參皂苷相比，轉(zhuǎn)化后的代謝物化合物K表現(xiàn)出更有效的抗腫瘤、抗炎、抗糖尿病，抗過敏和神經(jīng)保護(hù)等藥理作用。三七中的三七皂苷和人參皂苷是三七藥效的主要來源，口服生物利用度也很低。Chen等人[45]的研究利用高靈敏度和鑒定率的高效液相色譜-二極管陣列-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜法（high-performance liquid chromatography coupled with quadrupde time of flight mass spectrometry,HPLC-DAD-Q-TOF-MS/MS）證明微生物來源的酶能將糖基從皂苷中切下來,并最終證明了腸道微生物群在調(diào)節(jié)三七總皂苷的生物活性方面可能發(fā)揮重要作用。黃芩苷在體內(nèi)和體外的藥理作用的報(bào)道表明糖苷形式在腸道中很難被吸收，而推斷應(yīng)被水解成黃芩素才能吸收[46]。腸道微生物對(duì)黃芩苷的代謝可能發(fā)揮了重要作用。植物的多酚類，也較難吸收，這些分子經(jīng)過腸道微生物一系列的轉(zhuǎn)變,包括裂環(huán)、去甲基化和脫羧基作用，通常產(chǎn)生具有更高生物活性的代謝物,并降低相關(guān)性疾病風(fēng)險(xiǎn)[47]。如體內(nèi)和體外的實(shí)驗(yàn)表明，茶葉中的兒茶酚被攝入后經(jīng)腸道微生物代謝產(chǎn)生(-)-5-(3',4',5'-trihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M4)和(-)-5-(3',4'-dihydroxyphenyl)-gamma-valerolactone(M6)兩種代謝物[48-49]，且在血漿中濃度較高。

2.1.2 增強(qiáng)藥效 中藥小分子在化學(xué)結(jié)構(gòu)、藥理活性評(píng)價(jià)、作用靶點(diǎn)等方面已開展了很多研究。腸道細(xì)菌編碼的酶可以代謝許多中藥湯劑中的苷類物質(zhì)，如通過糖基化等反應(yīng)提升活性。通過大鼠腸道細(xì)菌和大黃提取物的共孵育研究發(fā)現(xiàn)，大黃提取物中共有14種成分可被生物轉(zhuǎn)化，這些組分包括蘆薈大黃素-O-葡糖苷、大黃素-O-葡糖苷、大黃酚-O-葡糖

苷和大黃素-甲醚-O-葡糖苷等，并在孵育樣品中檢測(cè)到12種主要代謝物，其主要生物轉(zhuǎn)化途徑是糖苷基團(tuán)的水解，隨后是醌部分中氫化和/或進(jìn)一步乙?；痆50]。蘆薈大黃素苷本身沒有致瀉作用，人糞便中的細(xì)菌Eubacterium可水解蘆薈大黃素苷的C-C糖苷鍵，將其代謝為aloe-emodin-9-anthrone，提高大腸內(nèi)水含量而具有顯著的致瀉作用[51]。Cao等人[52]通過分離人糞便樣本中的微生物與中藥九節(jié)龍?zhí)崛〉腁DS-I（Ardipusilloside-I）共孵育，通過超高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜聯(lián)用（ultra-high performance liquid chromatographytriple four-stage mass spectrometiy,UHPLC-QQQ-MS）檢測(cè)，得到了4種經(jīng)腸道微生物去糖基化產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物，且從細(xì)胞系的角度驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)其中兩種比原來ADS-I具有更強(qiáng)的抑制腫瘤效果。

表1 中藥及其成分調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究

腸道微生物的代謝作用也可能是一把雙刃劍，既能活化，也能使藥物失去活性。特定的腸道微生物可通過修飾作用導(dǎo)致有效成分的失活。報(bào)道顯示腸道中的微生物Eggerthella lenta中被鑒定出一種編碼細(xì)胞色素的操縱子，該操縱子可被紫花洋地黃提取物（地高辛）轉(zhuǎn)錄激活，這些基因產(chǎn)物可作為地高辛滅活的生物標(biāo)志物。無菌小鼠實(shí)驗(yàn)表明，蛋白質(zhì)攝入量的增加可以限制微生物對(duì)藥物的滅活作用，并揭示了該操縱子編碼的蛋白質(zhì)如何通過底物使地高辛失活的機(jī)制[53]。

2.2 腸道微生物參與中藥毒性成分轉(zhuǎn)化 中藥毒副作用是在中藥應(yīng)用中不容忽視的一個(gè)重要問題，而腸道微生物的修飾在增強(qiáng)藥效的同時(shí)，也可能會(huì)增強(qiáng)有毒成分的毒性。近年來不少有關(guān)苦杏仁苷中毒的病例報(bào)道，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，與正?？诜辔附M比較，靜脈注射組及經(jīng)抗生素處理的灌胃組動(dòng)物無顯著毒性反應(yīng)，而且血漿中氰化物的濃度也均低于正常口服灌胃組。而在腸道中發(fā)現(xiàn)的厭氧性擬桿菌門具有高度的β-葡糖苷酶活性，能將苦杏仁苷水解成氫氰酸，在某些條件下，這些氫氰酸水平升高會(huì)引起毒性[54]。當(dāng)然，修飾作用未必都是消極的。例如被認(rèn)為具有消炎鎮(zhèn)痛作用的烏頭堿，同時(shí)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)也有毒性作用，Zhao等人[55]通過質(zhì)譜研究表明，烏頭堿可在腸道微生物的酰基化和酯化作用下轉(zhuǎn)變成毒性較低的單脂、二脂等。

3 展望

腸道微生物和中藥之間存在的相互作用不容忽視。一方面中藥可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物來調(diào)節(jié)人體健康并治療疾病，從調(diào)節(jié)腸道微生物的組成和代謝狀態(tài)的角度去闡述中藥作用機(jī)制是研究中藥的有效路徑之一，或者還可借此發(fā)現(xiàn)中藥的新用途，實(shí)現(xiàn)老藥新用。另一方面，腸道微生物會(huì)對(duì)中藥的藥效產(chǎn)生影響，在了解機(jī)制的基礎(chǔ)上，中藥成分可以在體外完成活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)更有效的藥物開發(fā)。正是由于互作關(guān)系的存在，在中藥評(píng)價(jià)和應(yīng)用的過程中將微生物作為一個(gè)重要的考慮因素具有必要性：同樣的中藥在具有不同腸道微生物群落結(jié)構(gòu)的人群中應(yīng)用，是否能取得一致的效果？對(duì)攜帶特定菌群的人群是否存在副作用增大的風(fēng)險(xiǎn)？此外，人群的腸道微生物結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，也許會(huì)促使我們對(duì)藥物有效性的評(píng)價(jià)進(jìn)行重新審視，反思某些在大規(guī)模人群實(shí)驗(yàn)中沒有取得顯著療效是否由于個(gè)體腸道微生物差異造成的。

目前，在何種微生物通過何種機(jī)制對(duì)特定的活性成分進(jìn)行轉(zhuǎn)換的機(jī)制上，仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。一是由于目前許多研究只建立了微生物菌群和中藥或者中藥活性成分之間的相關(guān)性聯(lián)系,很少聯(lián)系到具體的物種、基因或酶，并闡明因果關(guān)系。因此，需要借助培養(yǎng)組學(xué)、代謝組學(xué)、基因組學(xué)等多組學(xué)的相互配合才能完成中藥在人體腸道代謝機(jī)制的復(fù)雜拼圖。中藥對(duì)腸道菌群調(diào)節(jié)研究目前還面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)是要從對(duì)物種組成和基因組成的研究轉(zhuǎn)向整個(gè)群落的功能研究，以闡述它們對(duì)人體健康的影響。腸道菌群是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)，中藥對(duì)腸道微生物的調(diào)節(jié)作用研究目前仍多集中在標(biāo)志微生物/多樣性的層次，而越來越多的研究表明，物種的組成可能并非一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，人與人之間腸道微生物組成上具有差異而功能上趨同，健康的腸道往往意味著多樣性的豐富，但是反過來多樣性高卻不能和健康等同，并且生物多樣性也不代表功能的多樣性。和人的健康有著更穩(wěn)定的聯(lián)系的往往是整個(gè)腸道微生態(tài)的功能組成和代謝狀態(tài)。因此，一些和代謝、表型相關(guān)的指標(biāo)在中藥藥效評(píng)價(jià)中越來越體現(xiàn)出價(jià)值，如厭氧菌比例的失調(diào)預(yù)示著腸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變等。

今后，對(duì)腸道微生物與中藥及其有效成分互作機(jī)制的深入理解,將有助于更好地利用中藥來改善人類的健康，也有利于其真正走向國際市場(chǎng)。