Cell子刊特别关注“药物微生物组学”：要想吃药更有效，先改变身上的细菌

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7月，《Cell Host & Microbe》推出“药物微生物组学”特刊。通过一系列的研究和评论文章，集中描述了微生物与药物之间错综复杂的斗争，同时提供了一些前瞻性思考。

《Cell Host & Microbe》在引文中写道：

“微生物病原体对药物和其他压力产生抵抗的能力，已经导致了一场全球流行病（如超级细菌）。人类与微生物之间的战局发生了重大变化：微生物持续在治疗性攻击中发展出生存进化的方法，但我们在新型（抗菌）药物的发现方面仍然停滞不前。”

在其中一篇综述里，Turnbaugh等人回顾了人类微生物组的个体间差异如何影响药物疗效和副作用，并总结了4类精确控制肠道菌群的策略：

• 抑制肠道细菌酶进行的代谢活动；

• 去除特定的细菌种类或菌株；

• 将工程菌株引入或植入肠道；

• 直接对胃肠道内的细菌细胞进行基因编辑。

研究名称：Precision Medicine Goes Microscopic: Engineering the Microbiome to Improve Drug Outcomes期刊：Cell Host & Microbe发表时间：2019年7月IF：15.753DOI:10.1016/j.chom.2019.06.011

为什么相同的药，对一个病人有效，对另一个病人却无效，甚至可以导致严重的副作用？

答案可能是复杂的。但在一个世纪前，人们已经认识到了人类微生物群在药物配置和临床转化中的作用。大量病例研究、系统计算和实验分析告诉我们：

多种细菌、基因和酶与药物的直接生物转化有关。

比如：今年2月，耶鲁大学和瑞士苏黎世联邦理工学院的研究团队在《Science》指出，个体的药物反应取决于个体微生物群。在某些个体中，微生物可能影响高达70%的药物转化和代谢。

6月3日的《Nature》，该团队通过绘制76种人类肠道细菌，如何分解271种药物的图谱发现：

• 近2/3（约150多种）的药物可以被一种及以上菌株代谢；

• 30个细菌酶可将20种药物转化为59种代谢物；

• 健康人中，与肠道菌群代谢药物相关的基因数量差异很大。

间接机制也在发挥作用。

例如，微生物与宿主免疫系统的相互作用，对免疫调节药物有广泛的影响：

去年1月，巴黎古斯塔夫鲁西癌症研究所团队，在《Science》上报告了Akk菌在改善患者免疫应答中的作用。

肿瘤患者在抗癌免疫治疗中对PD-1阻滞剂的临床反应，与肠道Akk菌的相对丰度之间存在相关性——无应答患者Akk菌水平显著较低。

在这篇综述中，Turnbaugh等人重点讨论了直接靶向宿主的药物（即非抗生素），对肠道微生物及其他身体环境中的微生物——包括生殖道，甚至是实体肿瘤中的微生物的影响，并讨论了工程微生物组令人兴奋的新进展。

1.

细菌参与药物代谢是一种普遍机制

越来越多的已知药物可以被人体肠道微生物群代谢，且很有可能是一系列酶构成了它们的生物转化。

一个重量级的发现是：针对碳水化合物的代谢，人类基因组编码了大约24种不同的酶，但微生物群以数百种形式编码了一套碳水化合物活性酶家族（Turnbaugh等人，2010年）。

（1）肠道菌使药物失活

在另一项研究中，科学家们鉴定出了一种名为“心苷还原酶2（Cgr2）”的酶，该酶可以通过靶向肠道放线菌Eggerthella lenta菌株，使心脏药物“地高辛”还原性失活（Haiser等人，2013年，Koppel等人，2018年）。

肠道细菌使药物灭活的一个最新例子，来自免疫抑制剂他克莫司（tacrolimus）的研究。在研究中，他克莫司对器官移植患者的疗效具有高度且无法解释的变异性。对19名肾移植受者的分析显示，需要药物剂量递增的患者，肠道细菌Faecalibacterium prausnitzii的相对丰度高于稳定剂量的对照组（Lee等人，2015年）。

这些发现令人惊讶，这可能意味着这种细菌数量的增加将有益于药物疗效。

Guo等人将这一现象解释为：F.Prausnitzii和其他肠道厚壁菌门Firmicutes能够将他克莫司代谢为细菌特有的非活性代谢物，并在患者粪便样本中检测到。

因此，肠道细菌菌株可能具有与疾病相关的反作用。在细菌的药物生化程度与每名患者的免疫调节的因素之间，菌株水平的变化和/或环境因素可能扮演关键作用。

（2）可代谢药物的菌群，栖息于身体各处

这种宿主相关细菌对药物代谢的影响，不单存在于肠道内，在其他身体栖息地（Klatt等人，2017年），甚至疾病组织内部（如肿瘤组织）也有影响。

例如阴道菌群：

对使用抗逆转录病毒药物替诺福韦（tenofovir）的患者的阴道微生物群进行比较，结果表明，与阴道菌群中加德纳菌（Gardnerella vaginalis ）丰度较高的患者相比，阴道菌群中乳酸杆菌（Lactobacillus）占主导的患者，药物疗效更好（Klatt等人，2017年）。对患者体内和体外培养的G. vaginalis的药物水平测量表明，细菌使药物灭活，是降低药物疗效的原因。

总之，这些案例研究表明，细菌药物代谢是一种普遍的机制，通过这种机制，胃肠道、生殖道、甚至是患病组织中的微生物群，都会改变宿主对药物的反应。

图1. 药物代谢：从案例研究到系统分析

2.

药物（非抗生素）对人体微生物群的副作用

药物对人体微生态的影响可能比我们想象中的大很多。

在一个超过1000名比利时人的队列研究中，药物使用因素甚至超过了饮食摄入量变化，成为影响人类菌群结构变化的第一原因。

在2018年Maier等人的一项研究中，他们针对38种肠道菌，进行了1000种以上非抗生素药物的大规模筛选（图2b）。令人惊讶的是，24%的受试药物至少抑制了一种菌株的生长。

对于非抗生素药物，它们可能主要通过影响微生物群落基因表达、细胞生理学，以及在没有完全生长抑制或细胞溶解的情况下的代谢活性——来发挥作用。

那么，药物诱导的微生物群变化，可在多大程度上对下游（作用机制和/或副作用）造成影响呢？

（1）影响药物疗效

第一个证明肠道微生物群中药物诱导的变化与疾病相关的原理的证据来自对2型糖尿病药物二甲双胍的研究（Wu等人，2017）。

一项双盲随机对照试验显示，二甲双胍的使用与人体肠道微生物群的变化有显著相关性。

将使用二甲双胍前后患者的粪便微生物群分别移植给无菌小鼠，用药后的微生物群足以提高小鼠的葡萄糖耐受性。这为治疗过程中肠道微生物群的变化与疾病有关提供了因果证据（图2c）。这些结果似乎至少部分是由二甲双胍对肠道细菌基因表达的直接影响介导的（Wu等人，2017年）。

（2）改变免疫系统

改变肠道微生物群落结构的主要后果之一是改变免疫系统，免疫系统对多种微生物因子有反应。我们最近测试了一个假设，即人体肠道微生物群对非抗生素药物的反应可能通过改变免疫状态而增强药物反应（Nayak等人，2019）。

随着许多疾病领域的研究人员开始更好地了解人体内微生物的成分物种、基因、酶、代谢物，与疾病治疗相关的宿主通路之间的机制联系，毒性微生物组学的新兴领域将能够更广泛地利用微生物组学的发现（图2a）。

图2. 药物对肠道微生物群的靶向效应及其对疾病治疗的影响

3.

免疫调节药物反应的微生物调控

（1）影响癌症免疫治疗PD-1阻滞剂的疗效

肿瘤学引领了这一领域的发展，特别是三项独立的里程碑式研究，每项研究都将肠道微生物群的差异，与癌症免疫治疗PD-1阻滞剂的疗效联系起来（Gopalakrishnan等人，2018年，Matson等人，2018年，Routy等人，2018年）。

前两项研究侧重于皮肤癌（黑色素瘤）（Gopalakrishnan等人，2018年，Matson等人，2018年），而第三项研究结合了肺癌（非小细胞肺癌）和肾癌（肾细胞癌）（Routy等人，2018年）。

对应答者和无应答受试者的肠道微生物群分析显示，多种细菌与药物疗效的改善有关，包括Akkermansia muciniphila（Routy等人，2018）、Bifidobacterium longum（Matson等人，2018）和F. prausnitzii（Gopalakrishnan等人，2018）。

将完整的人类肠道微生物群落或特定的A. muciniphila菌株移植到小鼠疾病模型中，增强了小鼠的系统和抗癌免疫——其中，A. muciniphila的管饲结合抗PD-1治疗，导致CCR9+CXCR3+CD4+肿瘤浸润淋巴细胞的IL-12依赖性聚集，肿瘤尺寸相应减小（图3b）。

总的来说，这些研究强调了肠道微生物群落结构的改变，甚至在远离胃肠道的器官（即皮肤、肺和肾）也能影响药物疗效。

（2）影响抗炎药物疗效

除肿瘤学外，一些研究还研究了微生物代谢对抗炎药物的影响。一个典型的例子是，通过肠道细菌的代谢作用来激活药物，包括将磺胺吡啶（sulfasalazine）等前体药物还原为其活性代谢物（Spanogiannopoulos等人，2016）。

更近的一项研究表明，肠道细菌代谢与非甾体抗炎药（NSAIDs）的胃肠毒性有关。一项二维小肠细胞培养分析，将NSAID诱导的细胞毒性与线粒体氧化磷酸化的解偶联、活性氧种类增加和肠道通透性增加联系起来（Bhatt等人，2018年）。

对小鼠的研究表明，细菌β-葡萄糖醛酸酶（β-glucuronidases）是造成这种毒性的原因，因为它们在肝脏II期葡萄糖醛酸化后，能在肠道内重新激活NSAIDs（Loguidice等人，2012）。

（3）帮助形成免疫功能

肠道微生物群也可能通过形成免疫功能，来协调对生物疗法的反应（Ananthakrishnan等人，2017）。

2017年，Ananthakrishnan等人的一项研究，对治疗前接受抗整合素治疗（vedolizumab）的IBD患者的远端肠道微生物群进行跟踪，发现获得缓解的克罗恩病患者，比无应答者表现出：

• 更高的基线多样性；

• Roseburia inulinivorans和Burkholderiales sp.丰度提高；

• 支链氨基酸合成通路的丰富性

鉴于观察到多种免疫调节药物改变肠道细菌的生长（Maier等人，2018年）及不同细菌对免疫反应的广泛影响（Hooper等人，2012年），我们可以想象一种情景，即：这些改变协同作用可促进有益的反应。例如，A. muciniphila和抗PD-1免疫疗法（图3b），或者反过来利用抑制作用，如F. prausnitzii和tacrolimus（图3c）。

图3. 微生物操控免疫调节药物

4.

精确编辑肠道微生物群的途径

下一个合乎逻辑的问题是，我们是否可以、以及如何将这些知识转化为改善疾病的治疗方法。

操纵肠道微生物群的想法当然不算新鲜。然而，目前临床上使用的策略缺乏精确性，它们可能会对微生物群产生深远的影响，例如高选择性抗菌药物，或者粪便微生物群移植（FMT）。

我们需要更小的、更精确的改变。

在这里，我们重点介绍了最近几项令人兴奋的工作，这些工作，描述了4类精确控制肠道微生物群的新策略（图4a）：

（1）抑制肠道细菌酶的代谢

一个“给药”的候选靶点是：催化肠道内不良反应的微生物酶。我们可以针对它们开发选择性和非致死性的酶抑制剂（Wallace和Redinbo，2013年）。

为了减少癌症、炎症等药物的胃肠毒性，科学家们已经开展了大量的工作来研发肠道细菌β-葡萄糖醛酸酶（我们已经在上文提到，它与消炎药引发的细胞毒性有关）抑制剂（Biernat等人，2019年，Wallace等人，2015年）。到目前为止，β-葡萄糖醛酸酶晶体结构，已被用于对付厚壁菌、拟杆菌和变形杆菌门的成员。

值得注意的是，我们所分析的酶，可能会在催化效率、底物特异性和抑制敏感性方面存在差异。例如，一种β-葡萄糖醛酸酶抑制剂可通过提高细菌对化疗CPT-11的活化反应，改善小鼠体内的药物诱导毒性，但这种抑制剂仅对具有环状结构的β-葡萄糖醛酸酶有效（Wallace等人，2015）（图4b）。

另一种选择可能是开发一类酶的广谱抑制剂。

这方面令人兴奋的进展以活性探针的形式出现，活性探针是选择性反应的分子，作为底物与酶共价结合，从而能够在复杂的混合物中量化酶的活性。荧光标记的活性探针可用于标记活细胞，该技术已与荧光激活细胞分类（FACS）结合应用，以识别具有β-葡萄糖醛酸酶活性的肠道微生物群的活性成员（Whidbey等人，2019年），它与结构信息（Wallace等人，2015）结合后可用于设计广谱抑制剂。

或者，通过干扰必需的辅助因子来破坏整个酶类。

例如，钨被用来破坏依赖钼辅助因子的酶，这些酶是肠杆菌科成员在厌氧呼吸中使用的。通过使用小鼠结肠炎模型，发现口服钨治疗，可通过防止大肠杆菌和其他肠杆菌在肠道内的扩张，减少炎症 （Zhu等人，2018年）。

（2）去除特定的细菌种类或菌株

微生物群修饰的另一种方法是：选择性地去除具有不良活性的菌株，例如作用于药物形成有毒代谢产物的菌株。一种比较有前景的方法是：利用现有的细菌病毒，选择性地从肠道中去除细菌成员，类似于使用噬菌体疗法对付病原体（Merril等人，2003年，Kortright等人，2019年）。

尽管这种方法存在争议，我们仍然可以找到一些支持噬菌体调节肠道细菌种群的证据：

当无菌小鼠被一个特定的细菌群落定植，给予从粪便中纯化的病毒样颗粒混合物（Reyes等人，2013年）或一小组裂解噬菌体（Hsu等人，2019年），目标菌成员的丰度降低，噬菌体丰度相应增加。

这表明：噬菌体能在体内击落目标菌的丰度，至少在短时间内这种方法是奏效的。而且，当一个丰度减少的菌种成员可以间接促进或抑制其他成员时，还可能会对细菌种群产生级联效应。

与自然形态的噬菌体不同，Kilcher和Loessner提出，还有一种方法是将噬菌体设计成比自然进化更好、更精准的细菌杀灭剂，详细内容参照：

Kilcher, S., and Loessner, M.J. (2019). Engineering bacteriophages as versatile biologics. Trends Microbiol. 27, 355–367. 

噬菌体相关阅读：

（3）将工程菌株引入或植入肠道

与去除菌株相反，部分科学家们努力将工程菌株作为活细菌疗法引入宿主，类似于使用“益生菌”。

最近有两项研究报告：工程性大肠杆菌Escherichia coli的基因表达，可以弥补由基因突变引起的人类代谢疾病中缺失的宿主功能。

第一项研究集中于苯丙酮尿症（PKU），这是一种由编码苯丙氨酸羟化酶的人类基因缺陷引起的疾病，导致氨基酸苯丙氨酸代谢减少，其积累可导致严重的精神残疾。一种叫做SYNB1618的菌株——它来源于E. coli Nissle，在肠道有氧和厌氧条件下，被构建于参与苯丙氨酸降解蛋白质的表达（Isabella等人，2018年）。利用PKU小鼠模型，研究人员发现，与给药Nissle菌株的对照组小鼠相比，注射苯丙氨酸并口服 SYNB1618 的小鼠，血液苯丙氨酸水平平均下降了38%（图4d）。

第二项研究采用了类似的策略解决宿主酶缺陷导致的高氨血症（血中氨水平升高）：Nissle的另一个衍生物SYNB1020，被编程为高表达的酶，用于氨精氨酸的生物合成（Kurtz等人，2019年）。

这些应用表明，工程菌株用于增加肠道氨基酸降解和生物合成，但也可以自然扩展到其他活动，为宿主提供健康益处。

另一方面，如果想在宿主中保持稳定，引入的菌株必须与那些本土微生物群成员竞争，占据一个类似的生态位。事实上，开发新型微生物靶向治疗方法的一个挑战，就是充分了解如何“植树造林”——让一种“外来移植”的菌株融入胃肠道生态。

（4）直接对胃肠道细菌进行基因编辑

直接对细菌进行基因编辑，也可以将细菌有效地引入胃肠道——这种方法被称为体内或原位工程，指的是发生在宿主体内（而非实验室）的细菌基因编辑事件。

对此部分感兴趣的读者可详细阅读Ronda等人2019年1月在《nature methods》上发表的这篇研究：

Ronda, C., Chen, S.P., Cabral, V., Yaung, S.J., and Wang, H.H. (2019). Meta-genomic engineering of the mammalian gut microbiome in situ. Nat. Methods 16, 167–170. 

图4. 宿主相关微生物群落的精确编程策略

5.

结语

在文章末尾，Turnbaugh等人总结了该领域一系列的已知和未知。他们呼吁：尽管药物微生物组学在新兴领域取得了显著进展，但科学家们仍然需要更系统的工作，包括制定一套基本原则（或规则），使微生物群精确干预疾病治疗。

比如：

我们还需要更好的工具，来预测哪些复杂的人体肠道微生物群成员参与药物药代动力学和药效学，以及用于量化其绝对丰度和原位活性的改进方法；

更深入地认识与宿主微生物群的相互作用，以及微生物生化发生的物理生态位（2017年，Garg等人已经开始共同定位微生物种类和代谢物，做了一些开创性的工作）；

更多将宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学结合起来的“多组学”数据集；

微生物群及其与宿主病理生理学的相互作用是极其动态的，确定微生物组对药代动力学（分钟到小时）的急性效果也至关重要，同时也要考虑在治疗过程中（几天到几年）微生物组的动态性质。我们需要重新审视药物反应随时间变化的机制，如广泛存在的癌症化疗耐药性现象；

可能最令人困惑的一个部分是：在药理学中，微生物组直接和间接作用的演变。大多数药物都是外源性的，也就是说，它们通常不存在于人体内。在没有底物的情况下，一种酶是如何进化并在微生物基因组中持续存在的？

图5.已知和未知

总的来说，以上这些研究已经证明，微生物是药物反应中一个被忽视但临床相关的参与因素。这些研究，有助于阐明药物作用机制，并帮助在临床中确定新的微生物靶点。

Turnbaugh等人预计，在未来几年里，我们将转向更全面的精确医学观。全面认识人类和微生物基因组和它们的组合代谢活动，也是其中的关键一环。

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