Nature长文 | 首个肠道微生物对药物代谢影响的系统性研究

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药物分子在给药后通常会在体内经历化学修饰得到具有与母体药物不同功能和毒理学特性的代谢物。而大多药物采取口服给药，因此药物进入体内后会遇到定植在肠道的微生物。众所周知，不同个体的药物反应不同，而不同人的肠道菌群差异也很大。肠道微生物组编码的基因大小是人类基因组的150倍以上，其中包含着具有代谢药物潜力的酶库。所以，肠道微生物组是否与药物及其代谢物之间存在着相互作用呢？

事实上，已经有多篇报道证明了上述猜测。研究发现微生物会对药物进行化学修饰从而导致复合物活化（如柳氮磺胺吡啶），失活（如地高辛）或者毒性的改变（如索立夫定、溴呋啶和伊立替康）。但至今为止，没有文章系统性地研究过肠道微生物组与药物及其代谢物的相互作用。

2019年6月4日耶鲁大学的Andrew L.Goodman团队在Nature杂志上发表了题为Mapping human microbiome drug metabolism by gut bacteria and their genes的论文。文章系统性地研究了微生物与药物的相互作用，发现被挑选的271种临床药物中至少有2/3的药物可以被一种及以上菌株代谢，并通过实验验证了30种由微生物编码的具有药物代谢能力的酶，这些酶能够将20种药物转化为59种候选代谢物。

作者首先从药物库中挑选了具有代表性的271种化学药物并从肠道微生物组中挑选了76株代表菌株。然后在厌氧条件下，将菌株置于含有不同药物的池中，通过LC-MS的方法检测培养12小时前后的药物浓度变化，浓度发生显著下降则说明该菌具备代谢池中药物的能力。结果显示，176种药物至少可以被一种菌代谢，并且每种菌可以代谢11至95种不同的药物。基于药物代谢结果对菌群进行聚类，结合菌群系统发育特征，发现微生物对药物代谢具有一定的结构特异性。（图1）。具体地，拟杆菌门特异性代谢的药物簇（图1中的Cluster I）都具有可被水解的酯或酰胺基团，而除了变形菌门其他菌株基本都能代谢的药物簇（图1中的Cluster II）均含有硝基或偶氮基团。

图1. 不同细菌药物代谢活动的聚类分析

接着，文章为了鉴定微生物产生的药物代谢产物，对所有样品进行了非靶向代谢组学分析，最终发现了868种候选药物代谢物，这些代谢物仅在给予特定药物时存在。另外，作者还计算了每种药物的特异性代谢物与母体药物之间的质量差，结果发现质量差并非随机分布，而与化学修饰引起的基团改变所产生的质量差一致（图2）。如质量差值为负值时，-2.016、-15.995和-42.011分别表示氧化（-H2），还原（-O）和脱乙酰化（-C2H2O），为正值时+2.016，+15.995，+18.010，+42.011和+56.026分别表示氢化（+H2），氧化（+O），羟基化（+H2O），乙酰化（+C2H2O）和丙酰化（+C3H4O）。进一步，对具有特定质量差的母体药物进行分析，发现经历脱乙酰化或氢化的药物确实都具有乙酰基酯或烯烃基团，与预期一致。

图2. 母体药物与代谢产物之间的质量差分布图

为了确定这种体外代谢机制在体内也能发生，作者利用小鼠模型和人肠道菌群的样本进行了验证。在271种药物中，作者选择了地塞米松进行实验，因为该皮质类固醇药物在筛选结果中显示仅由Clostridium scindens（ATCC 35704）代谢。将口服剂量的地塞米松喂给无菌小鼠和C.scindens定植小鼠，然后检测其体内地塞米松及其雄激素代谢物的含量变化。地塞米松在两组小鼠的盲肠中都被检测到，且在C.scindens定植小鼠组中显著下降而其雄激素代谢物的含量显著上升。另外，通过地塞米松与28个健康人的粪便样本的共培养发现药物代谢活动具有显著的个体差异，但该差异与细菌培养密度和C.scindens丰度无关。该结论与先前报道一致，说明仅有C.scindens中的特定菌群能够代谢内源性类固醇，因此更应该重点关注与药物代谢相关的标志基因。

进一步，为了鉴别能够代谢药物的基因片段，文章用Bacteroides thetaiotaomicron菌株建立了一种叫做gain-of-function的方法。该方法首先将细菌的基因组DNA打成片段并将片段连接到大肠杆菌表达载体。然后将培养出的克隆与该菌能够代谢的药物混合孵育，当药物浓度发生变化时，对表达载体进行测序确定插入DNA片段的序列。同时，还会通过构建该片段缺失的菌株，以确定缺失片段后会丧失转化能力，而回补片段后可重新获得该能力，从而验证该片段确实能够产生具有催化作用的酶。通过这种方法，最终在B.thetaiotaomicron中鉴定出16个基因能够将18种不同的药物代谢为41种不同的代谢物。

基于gain-of-function的鉴定结果，作者对代谢特定药物的菌株中鉴定出来的基因进行了富集分析，发现许多基因都显著富集，比如能够代谢醋酸炔诺酮的菌株往往都具有BT2068和BD03091的同源基因。（图3）为了探究这些编码与药物代谢相关的酶的基因丰度是否会影响肠道菌落对药物的代谢能力，作者对具有代谢地尔硫卓能力的基因进行了深入分析，检测了28个健康人的粪便样本中的地尔硫卓脱乙酰化的变化，发现地尔硫卓的代谢能力具有个体差异性，这种能力与bt4096同源物丰度密切相关，而与菌群密度及B.thetaiotaomicron丰度无关。该结果说明基因丰度可以部分解释个体间肠道微生物药物代谢能力的差异。

图3. 基因富集分析

总之，这项研究通过大量实验和分析补充了先前关于微生物与药物相互作用的研究，加深了我们对微生物组关于药物代谢机制的理解，为合理调控个体微生物组以改变微生物组-宿主相互作用使药物发挥最佳疗效提供了基础。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1291-3