Entacapone

*仅供医学专业人士阅读参考众所周知，肠道微生物生态失衡与帕金森病之间存在千丝万缕的联系。就在今年3月份，比利时根特大学医院的研究人员，发布了全球首个粪菌移植治疗帕金森病的随机、双盲、安慰剂对照试验数据[1]。研究结果表明，单次粪菌移植就对早期帕金森病患者的运动症状产生了轻度但持久的改善，且安全性良好。不难看出，改善帕金森病患者的肠道菌群，对他们有潜在的益处。然而，让我没想到的是，临床上常用的一种帕金森病治疗药物，竟然不仅有可能会扰乱肠道微生物生态，还有可能导致患者感染。近日，由奥地利维也纳大学Michael Wagner和Fátima C. Pereira，以及美国波士顿大学程继新领衔的研究团队，在著名期刊《自然·微生物学》上发表一篇重要研究成果[2]。他们基于体外研究发现，治疗帕金森病的常用药恩他卡朋竟然能与铁离子形成稳定的复合物，导致培养环境铁耗竭，从而导致肠道微生物组的组成和功能发生剧烈变化。更出人意料的是，恩他卡朋的这种特性，会选择性的促进携带毒力因子和抗菌素耐药基因的大肠杆菌等生长。简单来说，在体外实验中，恩他卡朋一方面破坏肠道微生物生态，另一方面还会促进潜在致病菌的生长。好消息是，研究人员发现，补铁可以消除恩他卡朋的不利影响。▲ 论文首页截图越来越多的研究发现，除了抗生素之外，很多用来治病救人的药物也会影响肠道微生物的组成。在这众多药物中，治疗神经系统疾病或精神疾病的药物，对肠道微生物的影响似乎最大。如果考虑到，已经有大量研究发现肠道微生物与许多精神/神经疾病有关，这些药物影响肠道微生物的现象就让人非常好奇。为了探索神经系统靶向药影响肠道微生物组成的机制，研究人员选择了两个常用药物：恩他卡朋（ENT），一种儿茶酚-O-甲基转移酶抑制剂，通过阻止左旋多巴的降解发挥治疗帕金森病的作用；丁二酸洛沙平（LOX），主要用于治疗精神分裂症。他们分别用生理范围内的低浓度（Low）和高浓度（Hi）两种药物浓度，培养了从六个健康成年人身上采集的粪便样本。从培养结果来看，添加高浓度恩他卡朋（ENT-Hi）对微生物数量的影响最剧烈。▲ 研究流程图不过，在分析微生物的组成之后，他们发现ENT-Hi、LOX-Hi和LOX-Low处理，均导致肠道微生物的组成发生了重大变化。在ENT-Hi处理下，这些变化还伴随着α多样性的变化。具体来看，与对照组相比，ENT-Hi和LOX-Hi处理导致Bacteroides或Clostridium sensu stricto 1的绝对丰度都有所下降。值得注意的是，检测到的许多影响都是药物特异性的，ENT-Hi会降低Anaerostipes、Fusicatenibacter、Ruminococcus torques、Eubacterium hallii、Erysipelotrichaceae UG-003和Roseburia的总丰度，而LOX-Hi则会提高上述微生物的总丰度。此外，一些微生物的数量仅受ENT-Hi的显著影响，例如Escherichia-Shigella（大肠埃氏菌属-志贺氏菌属）和Ruminococcus（瘤胃球菌属）的丰度增加了，而Alistipes、Streptococcus或Blautia等的丰度降低了。随后，通过对起始粪便样本材料元基因组测序，他们共检索到1049个宏基因组组装的基因组（MAGs）。进一步分析结果显示，生理浓度的恩他卡朋和丁二酸洛沙平在短期内对微生物群的组成和丰度有强烈但不同的影响，而且恩他卡朋的影响比洛沙平显著得多。▲ 恩他卡朋（ENT）和丁二酸洛沙平（LOX）对肠菌的影响接下来就是探索上述两种药物对肠菌的具体影响，他们将受激拉曼散射显微成像（SRS）与荧光原位杂交（FISH）相结合，以高通量测定肠道微生物组对糖的反应。研究结果显示，在没有药物的情况下，几乎所有被分析的细胞都能在培养基中检测到活性。添加ENT-Low、LOX-Low或LOX-Hi会显著降低活性细胞的比例，并显著降低单细胞代谢活性。这种降低在LOX-Hi中更为明显，其次是LOX-Low和ENT-Low。简单来说，恩他卡朋（ENT）和丁二酸洛沙平（LOX）显著影响了微生物活性，即使在培养时间较短且未检测到微生物总体丰度受到影响的条件下，也是如此。▲ 恩他卡朋（ENT）和丁二酸洛沙平（LOX）影响肠菌的代谢那这些药物究竟是如何影响肠菌生长的呢？研究人员发现，恩他卡朋（ENT）中有个特殊的结构，具有螯合铁离子的作用。这让恩他卡朋能与铁离子形成稳定的复合物，稳定常数甚至达到了铁螯合剂水平。由于铁是大多数肠道微生物生长所必需的物质，因此，恩他卡朋的铁离子螯合作用或许是关键。在后续的实验中，研究人员证实，已经螯合铁离子的恩他卡朋，不再抑制肠菌的生长。单独补充铁离子也能挽救恩他卡朋对肠菌生长的抑制作用，逆转恩他卡朋对肠菌多样性的影响。▲ 三价铁离子是关键至于恩他卡朋（ENT）为啥会促进大肠杆菌等致病菌的生长，研究人员将注意力放在了铁载体上。之前有研究发现，大肠杆菌等共生和致病肠杆菌能合成和释放铁载体，这些铁载体能与铁离子高亲和力结合，从而增强它们在肠道定植的能力。通过分析在恩他卡朋（ENT）处理条件下富集的大肠杆菌的基因组，研究人员确实发现了铁载体——肠杆菌素。从研究结果来看，肠杆菌素的铁离子螯合能力远强于恩他卡朋。因此，即使在恩他卡朋的存在，肠杆菌素也可以“抢到”铁离子，帮助大肠杆菌等致病菌生存。考虑到能产生铁载体的致病菌一般会具备其他毒性特征，因此研究人员在1049个宏基因组组装的基因组（MAGs）中筛选了毒力因子和抗生素耐药基因。结果发现，虽然肠道微生物来自健康人，但是恩他卡朋仍会促使粪便微生物组中的抗生素耐药和毒力相关基因增加。▲ 恩他卡朋富集致病菌的机制总的来说，Michael Wagner/Fátima C. Pereira/程继新领衔的这项研究表明，生理浓度的恩他卡朋和丁二酸洛沙平会导致微生物群落发生重大变化，抑制许多微生物的生长，同时刺激潜在致病菌的的生长。这一发现提示我们，需要关注恩他卡朋等药物的脱靶效应，因为它们可能会增加患者的感染风险。需要注意的是，这项研究是基于健康志愿者肠菌的体外实验，虽然它明确了恩他卡朋对肠菌的潜在影响及机制，但是这种变化能否在用药的患者体内再现，以及对患者究竟有何影响仍未可知，未来需要进一步的探索。如果这一发现在帕金森病患者体内被进一步证实，那么这些发现有望为减轻恩他卡朋等药物的副作用提供新思路。参考文献：[1].Bruggeman A, Vandendriessche C, Hamerlinck H, et al. Safety and efficacy of faecal microbiota transplantation in patients with mild to moderate Parkinson's disease (GUT-PARFECT): a double-blind, placebo-controlled, randomised, phase 2 trial. EClinicalMedicine. 2024;71:102563. doi:10.1016/j.eclinm.2024.102563[2].Pereira FC, Ge X, Kristensen JM, et al. The Parkinson's disease drug entacapone disrupts gut microbiome homoeostasis via iron sequestration. Nat Microbiol. 2024;9(12):3165-3183. doi:10.1038/s41564-024-01853-0本文作者丨BioTalker

引言 药物会影响人体肠道微生物组的组成和功能【1-2】。研究表明，数百种药物（如抗生素）会直接抑制肠道共生菌的生长【3-4】。反之，肠道微生物对药物的代谢或吸收也会影响药物的生物利用度和药效【1,5】。近年来，随着肠道微生物培养技术的进步，越来越多的研究开始大规模探索不同药物与肠道微生物之间的相互作用。然而，对于“单一物种与药物的相互作用在群落状态下是否会受到影响”这一问题，人们仍知之甚少。 近日，欧洲分子生物学实验室（EMBL）Athanasios Typas、Peer Bork、Michael Zimmermann和Kiran R. Patil团队共同在Cell杂志上发表了题为Emergence of community behaviors in the gut microbiota upon drug treatment的文章。该研究比较了30种药物对含有32种菌的人工合成群落的影响以及对每个群落成员的单独影响，发现当药物作用于群落时，微生物成员的相互作用会导致群落行为的涌现，从而改变微生物成员对药物的敏感性。 首先，作者构建了一个由32种代表性肠道微生物（来自6个门、26个属）组成的人工合成群落，并根据其之前的研究【3】筛选出了30种具有代表性的药物（能抑制不同微生物的生长且涵盖多个不治疗领域），以测试肠道微生物和药物之间的相互作用。 作者将不同浓度的药物加入到人工合成群落或单一物种培养物中，并比较其对不同物种生长的影响。比较结果可分为3种：（1）不存在差异，在群落和单一培养条件下，微生物生长受到类似影响或均不受影响；（2）交叉敏感化（cross-sensitization），微生物在单独生长时不受到药物影响（耐药），但在群落状态下受到抑制、丰度降低；（3）交叉保护（cross-protection），微生物在单独生长时受到药物的抑制作用（对药物敏感），但在群落状态下生长正常。 结果显示，在群落环境中，大部分（74%）药物-微生物成员之间的相互作用不变，但每种药物都会引发群落行为，共有26%的药物-微生物成员之间的相互发生了变化。当仅考虑对药物敏感的物种时，发生交叉保护作用的测试占全部测试的47%；当仅考虑耐药的物种时，发生交叉敏感化的测试占全部测试的8%。上述结果提示在进行药物治疗后，人体肠道微生物组会出现许多交叉保护或交叉敏感化事件，且由于不同个体的肠道微生物组不同，上述群落事件可能会因人而异。 比较3种药物浓度的结果，作者发现，随着药物浓度的增加，群落中受到保护的物种减少，敏感物种增加。这表明在低药物浓度下，群落可以抵抗干扰，而在高浓度下，群落会发生崩溃，不仅无法保护敏感物种，且还有可能由于微生物之间的相互作用导致原本具有抗性的物种生长受到抑制。 微生物对药物的代谢转化或吸收积累作用可能是引发交叉保护或交叉敏感化的机制。由于大部分群落行为属于交叉保护作用，因此作者进一步探究了交叉保护作用背后的机制。为此，作者使用LC-MS测量了药物浓度随时间的变化，并通过比较整个群落（包含上清液和细菌）样本与上清液样本来区分生物转化作用和生物积累作用。 结果显示，药物生物转化和生物积累在一定程度上可以解释群落产生的交叉保护现象。例如，质子泵抑制剂兰索拉唑的衰变会因微生物群落而加快；抗寄生虫药物氯硝柳胺会被微生物群落快速代谢；抗疟疾药物甲氟喹既存在生物积累作用，也存在生物转化作用。并且作者发现，在该研究的大多数情况下，药物生物转化会产生无害或毒性较小的物质。 接着作者进一步聚焦了3种药物芳香硝基化合物——抗寄生虫药物氯硝柳胺和硝呋莫司以及治疗帕金森病的药物恩他卡朋。结果显示，不同物种对同一药物的耐药机制不同，从而会对群落产生不同影响。如Roseburia intestinalis、Coprococcus comes和具核梭杆菌能够还原氯硝柳胺，使其失去活性，大幅降低群落环境中该药物的浓度，从而保护其他敏感物种。而大肠杆菌无法降解该药物，但可在其胞内积累，因此难以为其他敏感物种提供保护作用。利用上述结果，作者发现其可以设计出更能抵抗药物治疗的群落，即通过向对氯硝柳胺敏感的小群落中加入C. comes可以有效恢复群落的生长。 最后作者鉴定确定了与氯硝柳胺交叉保护作用相关的硝基还原酶（可还原芳香硝基化合物），其重点研究了两个物种：（1）R. intestinalis，对氯硝柳胺具有中等抗性且能够为其他敏感物种提供保护作用，编码2种假定的硝基还原酶；（2）Phocaeicola vulgatus，对氯硝柳胺敏感，但编码了7种假定的硝基还原酶。结果显示，过表达2种R. intestinalis硝基还原酶中的任何一种，都会使P. vulgatus对氯硝柳胺更加耐受。然而，有趣的是过表达P. vulgatus中的2种硝基还原酶也会使其变得更耐受。进一步检测蛋白质浓度发现，尽管这2种酶能够还原氯硝柳胺，但是其在P. vulgatus中的表达浓度很低，而2种R. intestinalis硝基还原酶的表达量都很高。上述结果表明，尽管很多物种都可能具有药物生物转化能力，但是在药物治疗后并不一定会大量表达相关的酶。 模式图（Credit: Cell） 综上，该研究表明大多数药物-肠道细菌的相互作用在群落中保持不变，但是交叉保护作用和交叉敏感化几乎会发生在每种药物上。该研究有助于建立更精确的药物-肠道微生物预测模型，预测肠道微生物群落对药物的响应，并进一步强调了在药物设计过程中需要考虑肠道微生物因素。 参考文献 1. Zimmermann, M., Patil, K.R., Typas, A., and Maier, L. (2021). Towards a mechanistic understanding of reciprocal drug–microbiome interactions. Mol. Syst. Biol. 17, e10116. https://doi.org/10.15252/MSB.202010116. 2. Maier, L., and Typas, A. (2017). Systematically investigating the impact of medication on the gut microbiome. Curr. Opin. Microbiol. 39, 128–135. https://doi.org/10.1016/J.MIB.2017.11.001. 3. Maier, L., Pruteanu, M., Kuhn, M., Zeller, G., Telzerow, A., Anderson, E.E., Brochado, A.R., Fernandez, K.C., Dose, H., Mori, H., et al. (2018). Exten- sive impact of non-antibiotic drugs on human gut bacteria. Nature 555, 623–628. https://doi.org/10.1038/nature25979. 4. Maier, L., Goemans, C.V., Wirbel, J., Kuhn, M., Eberl, C., Pruteanu, M., Mu ̈ ller, P., Garcia-Santamarina, S., Cacace, E., Zhang, B., et al. (2021). Unravelling the collateral damage of antibiotics on gut bacteria. Nature 599, 120–124. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03986-2. 5. Klu ̈ nemann, M., Andrejev, S., Blasche, S., Mateus, A., Phapale, P., Deven- dran, S., Vappiani, J., Simon, B., Scott, T.A., Kafkia, E., et al. (2021). Bio- accumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature 7877, 533–538. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03891-8. https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.08.037 责编|探索君 排版|探索君 来源|BioArt End 往期精选 围观 一文读透细胞死亡(Cell Death) | 24年Cell重磅综述（长文收藏版） 热文 Cell | 是什么决定了细胞的大小？ 热文 Nature | 2024年值得关注的七项技术 热文 Nature | 自身免疫性疾病能被治愈吗？科学家们终于看到了希望 热文 CRISPR技术进化史 | 24年Cell综述