Nature|人类肠道细菌对治疗药物的生物累积

Nature|人类肠道细菌对治疗药物的生物累积

谷禾健康

生物累积(Bioaccumulation)是什么?

分解这个术语“生物累积”时,你会得到什么?accumulation ‘’积累’ 这个词意味着某种东西的积累,而前缀 bio- 意味着生命。把它放在一起,就是生物体内积累一些东西来定义生物累积。

那么生物物累积用于指生物体内化学物质的积累。这些物质没办法被代谢 ,便累积于生物体内,经由食物链中各阶层消费者的食性关系而累积,越高级消费者的体内其累积浓度越高的现象。

生物累积是如何发生的?

一种方法是让一定数量的化学物质进入生物体的速度快于生物体分解和使用它的速度。这意味着进入的比排出的多,导致化学物质在生物体内积累。

另一种主要方式是化学物质进入生物体,而生物体无法以某种方式将其分解或排泄。于是化学物质会继续积累,直到最终对生物体变得致命

所有生物体面临的问题都是吸收和消除之间动态平衡的结果。生物蓄积发生的程度决定了所表现出的毒性作用。在某些情况下,保护机制免受沉积在特殊部位的某些不良物质的影响,以防止它们参与代谢反应

本文的生物累积描述是用于评估药物及其有害代谢物的在肠道细菌内的积累。

治疗药物会对肠道微生物群产生强烈影响,反之亦然。潜在的药物-细菌相互作用可以通过生物转化降低微生物适应性或改变药物可用性。后者可以对药物活性和功效产生正面或负面影响。尽管洛伐他汀( lovastatin )和柳氮磺吡啶(sulfasalazine)等药物会被肠道细菌化学转化为活性形式,但细菌代谢可以使地高辛(digoxin)等药物失活,或者像伊立替康(irinotecan)一样引起毒性作用。为了进一步增加易感药物的多样性,最近报道,肠道细菌对一百多个分子进行了化学修饰。然而,这些相互作用的机制观点主要限于药物生物转化

洛伐他汀(Lovastatin)
洛伐他汀(Lovastatin)可使胆固醇的合成减少,也使低密度脂蛋白受体合成增加,主要作用部位在肝脏,结果使血胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平降低,由此对动脉粥样硬化和冠心病的防治产生作用(来源:百度百科)。
柳氮磺吡啶(sulfasalazine)
柳氮磺吡啶(sulfasalazine)磺胺类抗菌药。属口服不易吸收的磺胺药,吸收部分在肠微生物作用下分解成5-氨基水杨酸和磺胺吡啶。5-氨基水杨酸与肠壁结缔组织络合后较长时间停留在肠壁组织中起到抗菌消炎和免疫抑制作用,如减少大肠埃希菌和梭状芽孢杆菌,同时抑制前列腺素的合成以及其他炎症介质白三烯的合成(来源:百度百科)。
地高辛( digoxin)
地高辛是中效强心苷类药物,为白色结晶或结晶性粉末;无臭;味苦。在治疗时,对心脏的作用表现为正性肌力作用, 减慢心率,抑制心脏传导。适用于低输出量型充血性心力衰竭、心房颤动、心房扑动、阵发性室上性心动过速。

肠道中的细菌可以调节治疗药物的可用性和功效。然而,药物与细菌之间相互作用潜在机制是微生物对药物的化学转化或生物转化。

德国海德堡和英国剑桥科学家团队刚刚发在《Nature》上,成功研究了 25 种代表性肠道细菌菌株对 15 种结构不同的药物的消耗。揭示了 70 种细菌和药物相互作用,其中 29 种以前没有报道过。超过一半的新相互作用可归因于生物积累。

肠道细菌的这种生物累积可能是改变药物可用性和细菌代谢的常见机制,该机制会对个体微生物群组成、药代动力学、副作用和药物反应产生影响。

01 药物无代谢积累

为了更详细调查药物与细菌之间相互作用的系统图谱,科学家使用两种分析方法核磁共振(NMR)光谱和液相色谱-质谱联用(LC-MS)系统地分析了 15 种人类靶向药物和 25 种人类肠道细菌(长双歧杆菌、大肠杆菌和均匀拟杆菌的其他亚种或同种菌株之间的相互作用)。选择细菌种类以涵盖代表健康微生物群的广泛系统发育和代谢多样性。在药物方面,选择了 12 种口服小分子药物(分子量小于 500 Da),这些药物可以基于超高效液相色谱结合紫外检测(UPLC-UV)进行定量,以跨越不同的化学,适应症区域和副作用概况

细菌-药物相互作用网络。左网络:肠道细菌对药物的生物转化或生物累积。右网络:至少在两个独立筛选中检测到的药物对肠道细菌生长的影响(Student’s t检验,α  = 0.05)。文中未提及的细菌全名如下:脆弱拟杆菌、普通拟杆菌、动物双歧杆菌亚种。乳杆菌BI-07, Coprococcus come ,梭菌,梭菌,副干酪乳杆菌, Ruminococcus gnavus。

在 29 种新发现的相互作用(14 种和 4 种药物)中,多达 17 种是生物累积事件;也就是说,药物由细菌储存而不改变它。其余 12 种相互作用(8 种和 5 种药物)可能代表生物转化事件。五种药物中的两种:左旋咪唑(levamisole)和依泽替米(ezetimibe),确实被其他肠道细菌化学修饰。

在生物累积性药物中,抗抑郁药度洛西汀/欣百达(duloxetine)和降糖药罗格列酮 (Rosiglitazone)唯一的生物累积性药物,每一种都在许多不同的物种中累积。

然而,生物降解和生物积累相互作用并不相互排斥。孟鲁司特(用于治疗哮喘)和罗氟司特(用于治疗慢性阻塞性肺病)被一些细菌生物蓄积并被其他细菌降解。在细菌方面,除具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum) 外的所有菌株都显示出两种类型的相互作用。除了与广泛相互作用的对照药物柳氮磺吡啶和甲硝唑的相互作用外,双歧杆菌(B. uniformis)和大肠杆菌( E. coli ) 的同种菌株在相互作用方面没有重叠。由于个体通常拥有不同的菌株,因此生物累积相互作用的流行率可能高于研究得出的

左旋咪唑 (levamisole),左旋咪唑是一种广谱驱肠虫药,主要用于驱蛔虫及勾虫。 可提高病人对细菌及病毒感染的抵抗力。目前试用于肺癌、乳腺癌手术后或急性白血病、恶化淋巴瘤化疗后作为辅助治疗。

伊泽替米(ezetimibe),选择性胆固醇吸收抑制剂,是降脂药物。

度洛西汀/欣百达(duloxetine),主要用于治疗抑郁症。主要通过抑制血清素以及正肾上腺素的再回收, 调节脑补神经化学物质平衡。

罗格列酮 (Rosiglitazone),罗格列酮与吡格列酮是目前我国临床上治疗糖尿病常用的噻唑烷二酮类降血糖药,本品为胰岛素增敏剂,通过增加骨骼肌、肝脏、脂肪组织对胰岛素的敏感性,提高细胞对葡萄糖的利用而发挥降低血糖的疗效,可明显降低空腹血糖及胰岛素和C肽水平,对餐后血糖和胰岛素亦有降低作用。但要求患者尚有一定的分泌胰岛素的能力。

世界卫生组织国际癌症研究机构将罗格列酮在3类致癌物清单中。

由于许多人类靶向药物已被证明会影响肠道细菌的生长。研究检查了已鉴定的细菌-药物相互作用是否也会导致生长改变。尽管检测到超过30种主要抑制性药物-细菌相互作用,但只有3种相互作用同时涉及修饰生长和改变药物浓度(不包括对照药物柳氮磺胺吡啶和甲硝唑)。因此,细菌-药物和药物-细菌的相互作用似乎在很大程度上是独立的

为了确认已鉴定细菌与药物相互作用的生物累积性,研究使用了另外两种分析方法核磁共振(NMR)光谱和液相色谱-质谱联用(LC-MS)。作为一个恰当的例子,度洛西汀,一种广泛使用的抗抑郁药,被发现由八种细菌生物累积。核磁共振波谱能够明确地检测度洛西汀,并确认四种选定菌株(唾液链球菌、单形拟杆菌、大肠杆菌IAI1和大肠杆菌ED1a)在不进行生物转化的情况下将其从培养基中去除。复合GMM培养基中的LC–MS分析也证实了化糖梭状芽胞杆菌和大肠杆菌IAI1在30到70浓度范围内的生物累积。

核磁共振分析显示唾液链球菌对度洛西汀的生物积累

02 生物积累影响细胞代谢

虽然生物转化可归因于代谢酶,但药物生物累积在机制上更难以想象。为了研究肠道细菌对药物生物累积的分子基础,科学家们着手确定生物累积菌株中度洛西汀的蛋白质靶标。首先构建了一个炔化的、“可点击的”分子版本,用作诱饵。

点击化学和热蛋白质组分析(TPP)结果表明蛋白质结合是度洛西汀生物蓄积的一个促成因素。这提出了为什么这两种大肠杆菌菌株在 GMM 中表现出不同程度的度洛西汀生物累积的问题。在两种不同的 TPP 测定中比较了两种大肠杆菌菌株,其中将药物添加到裂解细胞或完整细胞中。虽然细胞裂解物中的 TPP 会发现由于度洛西汀直接结合而稳定或不稳定的蛋白质,但完整的细胞 TPP 还会在体内条件下捕获细胞反应的变化(蛋白质相互作用和活性的变化)。

注:点击化学(Click Chemistry)、旨在创造各种功能性物质(候选药物化合物,生物探针,软材料等),是一个应用非常广泛的反应。其作为一种基础技术,特点是具有化学选择性高,产率高,反应速度快,易于形成强有力的化学键等特点。

在完整细胞测定中,生物积累的 IAI1 菌株比非生物积累的 ED1a 菌株具有几乎两倍多的药物反应蛋白,并且热稳定性的总体变化更强。与度洛西汀在生物累积菌株中更显着地改变细胞生理学一致,IAI1 菌株在差异表达的蛋白质中也表现出更明显的反应

相比之下,这两种菌株在基于裂解物的 TPP 中表现出非常相似的特征,其中缺乏细胞包膜使药物能够到达所有细胞内蛋白质。因此,生物积累的菌株特异性很可能是由于吸收和消耗系统的差异,类似于在药物—药物相互作用中观察到的转运蛋白依赖性特异性

度洛西汀与代谢酶的结合表明生物累积器中的代谢发生了改变。为了测试这一点,使用了两个互补的代谢组学平台——流动注射分析质谱 (FIA-MS) 和亲水相互作用色谱与串联质谱联用 (HILIC-MS/MS)(方法),来分析度洛西汀治疗对六种细菌菌株(四种生物累积性和两种非生物累积性)的小分子分泌

四种菌株中有三种生物积累型(C. saccharolyticum、Lactobacillus plantarum 和 E.coli IAI1)和一种非生物积累型(Lactococcus lactis),它们在 GMM 中药物治疗后显示出其代谢组模式的显着转变。其外代谢组的药物诱导变化与种间差异相当。

此外,药物反应是浓度依赖性的,并且对非生物累积的罗氟司特没有观察到影响。 对度洛西汀的浓度依赖性反应通过 71 种代谢物的子集进一步验证,其中的化学特性被推定分配 – 使用化学标准确认的两种代谢物 – 使用串联质谱法。当在缺乏营养的 PBS 缓冲液中探测时,化糖梭状芽胞杆菌(Clostridium saccharolyticum)也显示出对度洛西汀的强烈代谢反应。

总之,蛋白质组学和代谢组学数据表明度洛西汀与丰富的代谢酶结合,支持其细胞内储存

03 生物积累导致交叉喂养

代谢相互作用是塑造肠道微生物群落组成的基础。 那么,与生物积累相关的代谢变化是否会影响群落组成?

为了解决这个问题,研究者在存在和不存在度洛西汀的情况下组装了五种肠道细菌物种(Bacteroides thetaiotaomicron、Eubacterium rectale、Lactobacillus gasseri、Ruminococcus bolts 、Streptococcus salivarius)的稳定群落。 这五个物种中的一个是度洛西汀生物蓄积剂(S. salivarius),另一个被度洛西汀直接抑制(E. rectale)。 这五个物种在 GMM 中共同接种,随后每 48 小时转移到新鲜培养基中。

度洛西汀的存在显着改变了群落组成,与没有药物的情况相比,直肠大肠杆菌的丰度增加了 100 倍以上。 这是值得注意的,因为在研究人员使用的五种物种中,直肠大肠杆菌对度洛西汀最敏感。与唾液链球菌是生物累积剂一致,度洛西汀在群落上清液中耗尽。 尽管降低度洛西汀浓度可以保护群落中的直肠大肠杆菌,但在度洛西汀存在的情况下,它的繁殖需要更长时间。

度洛西汀生物蓄积改变群落组装和宿主反应

假设液链球菌对度洛西汀的代谢物分泌发生变化可以促进直肠大肠杆菌。支持这一点,来自 S. salivarius 在药物存在下生长的用过的培养基改善了 E. rectale 的生长。来自 FIA-MS 和 HILIC-MS/MS 的非靶向代谢组学数据进一步支持了交叉喂养假设。

因此,发现几种代谢物在 S. salivarius 的培养过程中积累,随后在 E. rectale 生长过程中耗尽。 其中五种代谢物被推定注释,亚麻酸和甘胆酸是使用分析标准(方法)进行确认的。核苷酸相关代谢物(如尿苷-5′-二磷酸)的变化与受度洛西汀影响的蛋白质和代谢物以及 E. rectale 的挑剔性质一致。因此,人类靶向药物可以调节肠道微生物群落,不仅通过直接抑制,还通过创造交叉喂养机会

04 生物积累影响宿主反应

接着,研究人员使用秀丽隐杆线虫作为模型系统研究了度洛西汀生物蓄积对宿主反应的影响。度洛西汀作为一种血清素-去甲肾上腺素再摄取抑制剂,以浓度依赖性方式调节秀丽隐杆线虫的行为(肌肉运动)。

存在生物累积物种(大肠杆菌 IAI1)作为秀丽隐杆线虫生长培养基的一部分的情况下,将动物运动作为行为读数进行了检查。 作为密切相关的对照,研究人员使用了在复杂生长培养基中不会生物累积的大肠杆菌 ED1a 菌株。事实上,只有度洛西汀生物蓄积菌株 IAI1 减弱度洛西汀对宿主的影响。尽管 C. elegans 肠道被兼性厌氧菌和专性需氧菌定殖,因此很可能是有氧的,但结果与厌氧培养实验中观察到的生物积累非常吻合。

因此,有必要在其他模型系统或临床环境中进一步研究微生物组 – 度洛西汀 – 宿主相互作用。

05 总 结

研究结果揭示了宿主靶向药物的治疗效果可以通过两种方式的肠道细菌的生物积累来调节:

一通过减少药物可用性产生的主要作用;

二通过改变代谢物分泌产生的次要作用。

后者会导致群落组成发生变化,这与某些药物的作用甚至作用方式有关。 对于该研究的案例药物度洛西汀,肠道细菌相互作用确实与体重增加等副作用及其作用方式有关。

肠道中的细菌可对药物的活性或功效产生影响,最近的研究显示,这种影响除了进行生物转化(改变药物成分或代谢为新的物质)外,特定细菌将药物储存在细胞内的生物累积作用可能是另一种重要影响(占新发现作用的一半以上)。通过将药物累积在细胞内,会大大改变许多剂量依赖药物的药效(如研究中的抗抑郁药物度洛西汀),而且吸收累积了药物的菌的代谢会发生改变,进而会影响与之相互作用的其他细菌,最终改变菌群构成。

参考文献:

Klünemann M, Andrejev S, Blasche S, Mateus A, Phapale P, Devendran S, Vappiani J, Simon B, Scott TA, Kafkia E, Konstantinidis D, Zirngibl K, Mastrorilli E, Banzhaf M, Mackmull MT, Hövelmann F, Nesme L, Brochado AR, Maier L, Bock T, Periwal V, Kumar M, Kim Y, Tramontano M, Schultz C, Beck M, Hennig J, Zimmermann M, Sévin DC, Cabreiro F, Savitski MM, Bork P, Typas A, Patil KR. Bioaccumulation of therapeutic drugs by human gut bacteria. Nature. 2021 Sep 8. doi: 10.1038/s41586-021-03891-8. Epub ahead of print. PMID: 34497420.

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