为什么在服用药物后，有些人疗效好，有些人疗效不佳、甚至会产生副作用？要回答这个问题，或许要首先考虑药物在人体内长时间停留的地方——肠道。
此前，已经有若干个研究发现了肠道微生物和药物之间直接或间接的相互作用。直接的相互作用主要是指微生物衍生酶将药物部分或完全转化为其他活性代谢物（这一过程称为 Microbiome-Derived Metabolism，即“MDM”，微生物衍生代谢），间接相互作用包括微生物代谢产物与药物竞争同一宿主酶，以及药物分泌的非活性代谢产物被微生物再活化等。
尽管在过去 50 年中，人们已经观察到了数十个 MDM 的例子，但由于微生物群的巨大复杂性以及在多种条件下测试数百种药物和数千种菌株所需要面临的技术挑战，MDM 在药物开发过程中仍被长期忽视。
现在，来自普林斯顿大学的研究团队试图为人们提供一个 MDM 的“全景图”。
年 6 月 10 日，普林斯顿大学 Mohamed S. Donia 团队在 Cell 杂志上刊登了一篇题为《Personalized Mapping of Drug Metabolism by the Human Gut Microbiome》的论文。该团队的研究人员构建了一套名为 “MDM-Screen” 的定量实验方案，对肠道菌群代谢口服给药药物的能力进行了研究，发现了有 57 种药物会被肠道菌群代谢为其他成分，而每个人体内的肠道菌群都有其独特性，这可以解释为什么患者对药物的反应有时会存在差异。
这也是第一个针对人体肠道内的全部微生物组进行药物代谢研究的项目。
57 种药物会被肠道微生物代谢，衍生酶与特定基因发挥关键作用
在这项研究中，Mohamed S. Donia 团队搭建了一个框架，来系统地评估肠道微生物组对药物的影响。
图 1 丨实验框架。（来源：Cell）
首先，Mohamed S. Donia 团队一共收集了来自 21 名匿名捐赠者的粪便样本，并对生活在每个个体中的细菌种类进行了分类。他们发现，每个捐献者都有自己的肠道内独特的微生物群落，这些个性化群落中的大多数都可以在他们开发的实验室培养系统中培养。
接下来，他们首先针对其中 1 位捐赠者的肠道菌群样本进行研究，基于这一样本测试了 575 种 FDA 批准的药物，尽管其中大多数药物目前正在临床使用，但其中不到 10% 的药物曾被用于 MDM 的研究。
他们基于 mGAM 培养基，将微生物样本分别与 575 种口服药物在 37 摄氏度下共培养，然后使用 HPLC-MS 方法对代谢产物进行鉴定，以筛选探究会发生 MDM 的药物。同时设置了 2 个对照组：（1）肠道菌群与 DMSO 共培养；（2）无菌 mGAM 与药物共培养。他们规定，当药物与细菌群落共培养时观察到一种新的代谢物或不再检测到该药物（表明该药物要么被完全消耗，要么被代谢成检测不到的分子），且该药物在至少三次独立实验中有两次以相同的方式被代谢，则确认该药物发生了 MDM。
图 2 丨通过 MDM-screen 发现药物与微生物群的相互作用。（A）与非生物培养基对照组相比，如果在与细菌群落共培养时检测到新的代谢物（例如药物 3）或不再能检测到该药物（例如药物 5），则将药物视为发生了 MDM。（B）发生 MDM 的药物的药理学类别。（C）与细菌群落共培养后不再能检测的药物。（D）与细菌群落共培养后观察到新的代谢物的药物。（来源：上述论文）
在所选取的 575 种药物中，Mohamed S. Donia 团队成功地分析了 438 种，占总数的 76%。其余 137 种药物无法分析。在成功分析的药物中，有 57 种药物发生了 MDM，占可分析药物的 13%。他们发现，这些发生 MDM 的药物横跨了 28 个药理学类别，甚至更多的是基于它们的化学结构。
12 种此前已经被发现会和微生物相互作用的药物在这项研究中被再次确认。更重要的是，Mohamed S. Donia 团队发现了 45 种新的、会发生 MDM 的药物，在其中 10 例中，药物完全耗尽或完全转化为无法检测的代谢物，在余下 35 例中，研究人员检测到了新的代谢物的出现（图 2C 和 2D）。
MDM 还可能与药物的激活或毒副作用有关联性。例如，对于螺内酯，观察到 7Alpha - 硫代螺内酯的产生，这可能是药物的主要活性代谢物 7Alpha - 硫代甲基螺内酯产生过程中的中间产物。对于前药米索前列醇和霉酚酸酯，分别观察到其活性代谢物米索前列醇酸（Misoprostol acid）和霉酚酸（Mycophenolic acid）的产生，霉酚酸是通过肠道微生物群衍生的 b - 葡萄糖醛酸酶水解胆汁分泌的葡萄糖醛酸结合物而产生的，与临床观察到的与霉酚酸酯的使用相关的胃肠毒性有关。最后，人服用托卡朋后，体内产生的 N - 乙酰氨基托卡朋与肝毒性有关，此前人们并不知道 N - 乙酰氨基托卡朋的产生机制，而这项研究发现同样的代谢物可以通过 MDM 产生，揭示了肠道微生物和托卡朋毒性之间的潜在联系。
为进一步扩大筛选范围，以对更多个体的肠道菌群代谢药物的情况进行研究，Mohamed S. Donia 团队对实验方案进行了改良。他们建立了一个评估菌落丰富度的指标——Expected Number of Detectable Strains（ENDS），并通过该指标确定了 70%BB 培养基 + 30%mGAM 培养基的混合培养基表现最好，这种最佳培养基被称为 BG 培养基。同时，该团队采用 96 孔板替代普通试管进行下游的代谢组分析鉴定会发生 MDM 的药物。通过这种方法，他们又对 20 个健康的捐赠者的肠道菌群样本和 23 种具有代表性的药物进行了分析，结果显示，该方法能有效鉴定出个体间的 MDM 差异。
此后，Mohamed S. Donia 团队研究了通过培养的微生物组改变某些修饰药物的机制。为了确切地了解微生物对药物的代谢是如何发生的，他们进一步追溯到了特定微生物的衍生酶以及它们的特定基因。在 MDM-Screen 的研究中，他们发现卡培他滨会发生去糖基化，虽然此前的研究表明人体中的胸苷磷酸化酶（TP）和尿苷磷酸化酶（UP）会参与这一过程，但在微生物组中是否存在类似的作用尚未有研究。
图 3 丨（A） 大肠杆菌 BW25113 基因组Δudp 和ΔdeoA 位点的遗传组织。（B） 野生型大肠杆菌 BW25113，Δudp，ΔdeoA，以及ΔdeoA/Δudp 突变体将卡培他滨转化为脱钙卡培他滨的百分比的条形图。（C） 胸腺嘧啶核苷和尿苷磷酸化酶在其天然底物上催化的生化反应。（D） 口服抗癌药三氟尿苷的 MDM 去糖基化导致其过早失活。（E） 抗癌前药去氧氟尿苷的 MDM 去糖基化导致其过早激活。（来源：上述论文）
对于卡培他滨去糖基化，Mohamed S. Donia 团队选择了一种基于同源性的方法，鉴定出了相关的微生物同源性基因。为了测试 TP 或 UP 是否对观察到的卡培他滨的 MDM 去糖基化有关，他们构建了 TP（ΔdeoA）、 UP（Δudp）以及ΔdeoA/Δudp 双敲除的大肠杆菌菌株，并比较了它们和野生型大肠杆菌代谢卡培他滨的能力（图 3A）。结果显示，野生型大肠杆菌菌株能够有效对卡培他滨进行去糖基化，而Δudp 和ΔdeoA/Δudp 菌株的去糖基化能力显着降低（图 3B）。类似的结果还出现在与卡培他滨同为口服氟嘧啶类（FP）的药物去氧氟尿苷（doxifluridine）和三氟尿苷（trifluridine）（图 3D 和 3E）。上述结果为口服氟嘧啶类药物在不同病人间药效不同提供了新的解释。
此外，研究人员还利用小鼠模型，进一步验证了微生物对卡培他滨的去糖基化作用在体内也能够发生。
中科院 & 未知君团队正在进行类似研究，或为临床用药提供个性化指导
未知君（Xbiome）创始人兼 CEO 谭验博士对于 Mohamed S. Donia 团队的本项研究给出了很高的评价。他表示，长期以来科学界和临床界都怀疑肠道菌群会影响药物的代谢，这篇文献比较深入和系统地给出了一个量化的分析框架，对于小分子的药物研发提供了一个很好的筛选框架。
“未来是否在小分子药物的筛选中加入肠道菌群影响因素，以及加上这个筛选之后，是否能够更好地实现精准用药，是否以后有更多的小分子药物会出现肠道菌群作为生物标志物的伴随诊断，我觉得都是值得思考的临床问题。” 谭验博士对生辉说道。
中国科学院深圳先进技术研究院合成微生物组研究中心主任戴磊博士也认为，这一研究的意义在于将肠道菌群引入到个性化医疗考虑的范畴中，为已上市药物的用药指导提供依据；对于未上市的药物来说，未来在上市前可能还需要增加一系列研究，在临床前以及临床过程中去研究小鼠和人的肠道菌群对药物的成分是否会造成影响。
不过，Mohamed S. Donia 团队也指出了本研究的不足之处，包括没有成功地对全部选中的 575 种药物进行测试，只测试了其中 438 种；所测试的药物都是口服药物；没有成功地复原所有的肠道菌群，只成功在实验室环境中培养了其中的大部分。此外，关于微生物将药物代谢转化为其他成分的过程也暂时没有全部厘清，只验证了几种基因和酶对药物产生的影响。
对于肠道菌群的实验室培养问题，戴磊博士认为，这是一个难题，但一定会随着时间而解决。据他介绍，目前人类已经能在实验室环境中对 70%～80% 的肠道菌进行培养，最大的难点在于工作量大，如果能引入自动化、高通量的培养手段效率就会更高。
关于代谢转化的具体过程，谭验博士指出了进一步研究的难点和迫切性：“因为肠道微生物的复杂性，单一微生物作用和多个微生物组合作用都可能存在不同，因此要进一步明确机制需要更多的验证性试验，以及能够进行高通量筛选的方法。” 同时，他也指出，这项研究目前得到的结果已经可以对制药和临床产生很好的指导性意见了。
戴磊博士认为：“就像这篇论文中一样，分离出单个菌并且对它进行基因编辑，这样才可能真正去验证到底是某一个特定的菌的哪个基因、哪一种酶起到了对药物代谢的作用。但要厘清代谢具体过程需要求助于对肠道微生物的基因组进行编辑，其中存在一定的困难：首先，肠道菌的培养问题还没有完全解决；其次，需要尝试不同的方法让肠道微生物接受外源 DNA；最后，如果要用 CRISPR 技术来编辑的话，需要更多的尝试和优化。” 但他对此仍表示乐观，认为解决只是时间问题。据戴磊博士介绍，他的实验室目前正在基因组和生态系统两个层次上进行肠道菌相关的研究，开发能够精准表征和调控肠道菌群的技术。
值得一提的是，中国科学院深圳先进技术研究院和未知君也正在从事肠道菌群对药物代谢影响的研究。
谭验博士透露，“在我们所从事的这项共同研究中，会在人源化肠道的小鼠模型中进行验证，并会在筛选结果的基础上进行一些适应症的选择。”
参考：
/cell/fulltext/S0092-8674(20)30563-8
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