前 言
人类肠道菌群是一个复杂且高度动态的生态系统,其中栖居的微生物种类超过1500种[1,2],其数量和组成随消化道微环境的变化而不同,总体呈现从消化道近端到远端逐渐增多的趋势,在结肠中达到最高密度(1010~1011 CFUmL-1)[3]。成年人的肠道菌群主要由厚壁菌门(Frmicutes)、放线菌门(Atinobacteria)和拟杆菌门(Bcteroidetes)构成[4],其中绝大多数为专性厌氧菌,以拟杆菌属、梭状芽孢杆菌属、乳杆菌属、埃希氏菌属和双歧杆菌属为主[5]。
尽管科学界早已认识到肠道菌群的存在,但在过去很长一段时间内,其在药物代谢与毒理学研究中的重要性常被忽视。随着分子生物学技术的发展,对于这一“被遗忘的器官”在系统层面的复杂性有了更深入的理解,逐步揭示了肠道菌群的多样性及其在人类健康与疾病中的关键作用[5]。
近年来,肠道菌群强大的代谢能力日益受到关注。目前被证实由肠道菌群参与代谢[6]的药物超过50种。这些微生物对药物代谢具有直接或间接的影响,进而改变药物的疗效或引发毒性反应。例如,肠道菌群对某些前体药物(如偶氮类药物)的活化至关重要;但另一方面,它们也可能引发不良代谢反应、毒性反应,如硝西泮的毒性转化。随着对“宿主-菌群-药物”三者相互作用机制的认识不断深入,肠道菌群在药物代谢研究领域正迎来快速发展[3]。本文通过阐述肠道菌群代谢的特殊性,为肠道菌群对药物的代谢影响提供研究策略。
肠道菌群对口服药物的代谢影响
口服给药是药物递送中最常见和便捷的途径之一。药物经口服后,其体内的复杂历程始于胃肠道环境:在胃肠道溶解后透过胃肠道粘膜进入血液循环,进而分布至全身各靶组织或器官,并主要在肝脏等器官中被代谢转化(如图1所示)。值得注意的是,部分药物或其代谢物可在肠道内经历肠肝循环而被重吸收。在药物吸收过程中,肠道菌群对药物的作用不可忽视,主要体现在以下三个方面。
图1. 口服药物体内胃肠道吸收过程
01
引发毒性
部分药物可被肠道菌群的特定酶类转化为有毒产物。例如,镇静药物硝西泮(nitrazepam)可被大肠杆菌等菌株的硝基还原酶还原为7-氨基硝西泮(如图2所示),该代谢物具有生殖与肝毒性[7] ,其潜在风险远高于母体药物。
图2. 硝西泮被肠道菌群代谢
02
降低药物活性
肠道菌群可以直接还原部分药物,使其代谢失活,导致其疗效下降。例如,用于治疗心力衰竭的强心苷类药物地高辛(digoxin)可被肠道菌Eggerthella lenta还原为几乎无活性的二氢地高辛,从而显著降低其药效[8] (如图3所示)。
图3. 地高辛被肠道菌群代谢
03
激活前药
利用肠道菌群特有的酶系(如偶氮还原酶)开发“结肠靶向前药”是一类重要策略。基于此原理,为了改善药物的极性、稳定性、毒性或溶解性等问题,药物通常被设计为低活性或无活性的前药,以期提高生物利用度并降低毒副作用。例如,治疗溃疡性结肠炎的柳氮磺胺吡啶本身无活性,其在结肠中被菌群裂解释放出具有治疗活性的5-氨基水杨酸(5-ASA)和毒性代谢产物磺胺[18] (如图4所示)。
图4. 柳氮磺胺吡啶被肠道菌群代谢
肠道菌群代谢的特殊性
肠道(包括小肠与大肠)环境具有低氧化还原电位的典型特征,整体处于厌氧状态[9-12]。这种独特的还原性代谢环境,使得肠道菌群倾向于介导外源性物质(包括治疗药物)发生还原性代谢反应。常见靶点包括偶氮键(-N=N-)、硝基(-NO2)、烯烃(-C=C-)、酮(-C=O)、N-氧化物(-N-O)和亚砜(-S=O)等化学基团[13-16]。
因此,口服药物在体内面临着宿主与菌群的双重代谢:宿主酶系(如CYP450)通常主导氧化代谢,而肠道菌群则擅长还原代谢,这是二者最核心的差异之一。这种代谢途径的差异会直接导致药物被生物活化、消除或灭活[17]。
结直肠癌化疗药物伊立替康的案例充分体现了这种相互作用的临床重要性。该药在肝脏中经UGT酶代谢为无活性的SN-38葡萄糖醛酸化物,随后排入肠道。然而,肠道菌群中的β-葡萄糖醛酸酶能将其重新水解为具有强细胞毒性的SN-38,导致肠道局部毒性并引发严重腹泻,这成为限制其临床用药剂量的关键因素[18]。
图5. 伊立替康的特殊代谢过程
识别肠道菌群对药物代谢影响的研究策略
在药物研发中,识别并评估肠道菌群对药物的代谢作用,对于全面预测其体内行为、疗效与安全性至关重要。通常可通过以下两种研究策略进行揭示:
1
利用体内外代谢差异进行识别
当药物在体内与体外代谢研究中表现出显著差异时,常提示可能存在肠道菌群的代谢干预。
以Epacadostat(EPA, INCB024360)为例,该药在体外肝微粒体/肝细胞实验中主要生成葡萄糖醛酸结合产物M9;而在体内研究中,其主要代谢产物为原型还原产物M11及其N-脱烷基代谢物M12。鉴于M11与M12在体外系统中几乎无法检出,研究人员推测肠道菌群可能参与了这一转化过程。后续的人粪便孵育实验结果证实了这一假设——菌群确实能将母药转化为M11[19],而M11通过肝肠再循环进入肝脏后,进一步代谢生成了M12。
图6. EPA体内外代谢途径
2
通过多基质特殊代谢产物分析识别
比较不同生物基质(如血浆与粪便等)中的非常规代谢产物,可为菌群代谢提供直接证据。
Ozanimod是用于治疗复发型多发性硬化症的药物。临床实验结果表明,血浆中的主要代谢产物是原型氧化脱烷基产物CC112273和原型开环还原产物RP101124;粪便中的主要代谢产物是原型开环还原产物RP101124;血浆和粪便基质中均出现特殊的开环还原产物,研究人员推测是Ozanimod在肠道菌群代谢下产生RP101124经肠道重吸收进入体循环。因此设计了大鼠粪便体外孵育实验,将母药与空白粪便共孵育。结果显示,Ozanimod在粪便中被转化为RP101124[20],从而证实了肠道菌群在此转化过程中的关键作用,合理解释了不同基质间均出现了非常规代谢产物。
图7. Ozanimod的体内代谢途径
综上所述,通过系统性比较体内外代谢差异及多基质特殊代谢产物分析,并结合针对性的体外菌群孵育实验,能够有效识别和确认肠道菌群在药物代谢中的具体作用。
肠道菌群体外模型的建立与验证
当药物异常代谢与肠道菌群相关时,建立可靠、可重现的体外结肠内容物孵育实验模型成为关键的验证与深入研究手段。鉴于结肠是肠道内微生物数量与种类最丰富、代谢活动最旺盛的部位,本实验体系优先采用结肠内容物作为孵育基质,以最大程度保证模型的生理相关性。药明康德DMPK已成功建立一套成熟、稳定的肠道菌群体外孵育实验体系,能够模拟结肠环境的代谢特性。(详见肠道菌群:体外代谢研究方法的探索与建立)。为确保该孵育体系在实验过程中保持稳定、可靠的代谢活性,我们筛选并验证了一套适用于评价菌群代谢活性的阳性对照化合物。
1
阳性对照化合物的选择
我们选择了三种已知由肠道菌群特异性代谢,且口服吸收差的化合物作为候选阳性对照物:
柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine)
经典的偶氮键前药,其偶氮键可被结肠菌群的偶氮还原酶裂解,靶向释放活性成分5-ASA,达到靶向治疗溃疡性结肠炎的效果[21]。
奥美拉唑(omeprazole)
其亚砜基团可在肠道菌群的还原作用下被转化为奥美拉唑还原产物,该还原代谢途径已在大鼠模型中证实[22]。
芦丁(rutin)
广泛存在于植物中的槲皮素类糖苷。口服后难以直接被小肠吸收,需依赖肠道菌群所分泌的β-葡萄糖苷酶水解释放苷元,才能被有效吸收[23,24]。
2
体系验证与结果
将上述三种阳性化合物分别与结肠内容物进行长达4小时的体外孵育,评估各化合物的剩余率(孵育某时刻质谱峰面积/T0时刻质谱峰面积×100%)。所获得的实验结果如下表所示:
表1. 三种阳性对照化合物在结肠内容物体外孵育体系中的剩余率
备注: 剩余率=(孵育时间质谱峰面积/T0质谱峰面积)×100%
三种阳性对照化合物代谢途径如下图:
图8. 柳氮磺胺吡啶提取离子图及代谢途径
图9. 奥美拉唑提取离子图及代谢途径
图10. 芦丁提取离子图及代谢途径
数据表明,孵育4小时后,三种候选化合物在孵育体系中均被肠道菌群显著代谢,但其代谢速率呈现出明显差异。其中,芦丁的代谢最为迅速,几乎被完全消耗(剩余率降至1.79%),可能是由于其所依赖的糖苷水解酶在肠道菌群中含量丰富。尽管不同菌中偶氮还原酶的结构和功能活性存在差异,但均能还原裂解偶氮键[21]。实验结果表明,柳氮磺胺吡啶的代谢也较为显著,剩余率为17.4%,体现了偶氮还原酶活性较为稳定。相比之下,奥美拉唑的代谢速率相对最为缓慢,剩余率仍有46.29%。这些结果表明所选的三种化合物包含了肠道菌群代谢的不同反应类型,可作为评价肠道内容物体外孵育体系的可靠阳性对照。同时,该实验也证明本孵育体系具备稳定的代谢能力,可用于后续针对候选药物的肠道菌群代谢研究及评价。
结 语
近年来的研究不断证实,肠道菌群在口服药物代谢中扮演着重要角色,其影响不仅局限于药物的首过效应,更深度介入药物的肝肠循环过程及重吸收相关的特殊代谢产物生成。通过体外菌群孵育实验模型,研究人员能够更直观地揭示菌群在特定药物转化中的作用机制与代谢路径。为确保此类体外模型的数据质量与结果可靠性,我们系统验证了多种阳性对照化合物的代谢途径,成功筛选出能够灵敏反映菌群代谢活性的可靠参照物,为相关研究的标准化和规范化奠定了基础。
对肠道菌群代谢机制的深入理解,已成为DMPK研究重要的一环。系统阐释菌群对候选药物的代谢作用,不仅有助于优化候选化合物的早期开发策略,更将有力推动基于个体菌群特征的精准给药方案的建立,从而全面提升药物的临床疗效与安全性。
药明康德DMPK依托先进的高分辨质谱平台及丰富的代谢产物鉴定经验,并通过实验验证,能够迅速识别与肠道菌群相关的特异性代谢产物,精准勾勒出药物在体内外的代谢过程。
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作者:申雨檬,郁贤庆,李鹏,李瑞兴,曹卫群
编辑:富罗娜·克里木,钱卉娟
设计:张莹莹
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