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微生物对中药化学的代换作用

2012/10/12 阅读:

本文作者:肖娟王莹王新宏安叡单位:上海中医药大学上海

传统中药用药特点之一是口服给药,口服药物在生物体内会不可避免的与肠道菌群接触。肠道菌群对中药有效成分的代谢途径主要是以水解和还原反应为主。许多中药成分都是借助肠道细菌的作用转化为有效成分而达到治疗作用,尤其是具有水溶性糖部分的葡萄糖苷成分。这类化合物通常在肠道内难以吸收,生物利用度低,肠内滞留时间较长而易受到肠道菌群的作用,其原形物药理活性较小,经肠菌代谢后被水解生成苷元而发挥其药理作用,被认为是“天然前体药物”[1]。此外在促进中药研究的规范化和现代化上,杨秀伟[2]提出了中药化学成分的人肠道内细菌生物转化模型和肠菌代谢实验的标准操作规程,用于研究和评价中药化学成分在肠道的生物转化。本文就肠道菌群在中药有效成分代谢和指导临床中西药物合用方面研究进行综述。

1肠菌代谢的研究内容

肠道菌群对中药成分的代谢作用研究主要有以下4个方面。

1.1口服与非口服药的比较比较服药前后血液、尿中的物质及其含量,初步分析代谢途径与机制。若两种给药方法药效作用不同,肠道菌群则可能在代谢中起关键作用。Dreessen发现小鼠静注番泻苷40mg•kg-1无泻下作用,而口服则有很强的泻下作用,进一步研究表明其代谢产物大黄酸蒽酮的致泻作用最强[3]。

1.2使用无菌或伪无菌、悉生动物和普通动物进行比较对药物在肠道内容物、粪便、血样及尿样中代谢产物进行分析,进一步明确肠道菌群在中药有效成分代谢转化过程中的作用。Yang研究芍药苷的肠菌代谢情况,分别给无菌大鼠和普通大鼠灌胃一定剂量的芍药苷,观察其血药浓度变化。无菌大鼠中,芍药苷可迅速入血并维持较高的血药浓度;普通大鼠中,芍药苷在10min达峰后迅速消除,前者的药动学参数AUC比后者高2倍多。证明口服芍药苷确能被肠内菌进行结构转化且占给药量的一半以上[4]。

1.3筛选主要代谢作用的菌种(或菌株)研究药物成分特性,分析与其代谢相关的酶,并对该种酶的菌种进行研究。Hasegawa等从人粪便中分离出厌氧菌Eubateriumsp.A-44,并从菌种中提纯出特异性葡萄糖醛酸酶,实验得出该酶对人参皂苷成分有代谢作用[5]。

1.4离体代谢研究在肠菌培养液中加入中药有效成分,在适合的条件下(多为厌氧)培养,并与空白进行对照,检测代谢产物。居文政等[6]采用UPLC-MS/MS技术研究发现灯盏花乙素在肠内菌作用下转化为灯盏花乙素苷元,胃肠道内灯盏花乙素与其苷元并存,而苷元更易于吸收,可以提高灯盏花乙素的生物利用度。

2肠道菌群对中药成分的代谢作用

肠内细菌对中药成分的生物转化以水解为主,氧化和还原反应为辅,所涉及的代谢酶,主要有水解酶、氧化还原酶、裂解酶和转移酶[7]。中药有效成分常在特定代谢酶作用下,才能转化成具有药理或毒理作用的活性成分。近年来对于肠菌代谢研究已不仅限于单体成分的研究,更多的是对单味和多味中药化学成分的研究[8]。下面将系统综述5类中药成分肠菌代谢的研究进展。

2.1黄酮类黄酮苷类成分普遍含葡萄糖苷键,对含苷键的药物进行水解是肠道菌群代谢的一大特征。黄芩的主要黄酮苷成分为黄芩苷,汉黄芩苷,野黄芩苷,千层纸素苷等,经过肠道菌群作用分别生成黄芩素,汉黄芩素,野黄芩素等苷元[9]。为探索肠内菌在黄芩苷、汉黄芩苷的抗瘙痒药效中是否发挥作用,Trinh等人进行体外肠菌实验,发现口服黄芩苷可由肠道菌群代谢为黄芩素,木蝴蝶素A(又名千层纸素A)(见图1),汉黄芩苷代谢为汉黄芩素,进一步研究发现其代谢产物的抗瘙痒作用均强于黄芩苷、汉黄芩苷,其苷元是通过抗组氨作用改善瘙痒反应[10-11]。山柰苷(kaempferitrin)是从中药罗汉果中分离得到的黄酮苷成分,其人肠内细菌孵育转化产物经分离、纯化、鉴定得到4个代谢产物:山柰酚3-O-α-L吡喃鼠李糖苷(阿福豆苷)、山柰酚7-O-α-L吡喃鼠李糖苷、山柰酚和对-羟基苯甲酸。但山柰苷与其生物转化或代谢产物生物活性之间的相关性还有待进行系统研究[12]。Lee等人研究发现橙皮素有很强的抗过敏作用,而其橙皮苷却没有药效。表明橙皮苷为天然的前体药物,在与人肠菌培养液孵育后代谢为橙皮素,它可抑制IgE引起的RBL-2H3细胞释放炎性介质组胺和被动皮肤过敏反应(passivecutaneousanaphylaxisreaction),为研究橙皮苷等类前药的药理机制提供参考[13]。

2.2皂苷类皂苷类成分主要有抗肿瘤、降血糖、保肝、抗病毒、抗炎抗过敏等药理作用,实验研究多用肠道菌群对皂苷的代谢来阐明其药效物质基础。人参的主要活性成分为皂苷类,早期研究可知,人参皂苷类,在肝脏内基本不代谢,主要在肠道中降解。天然人参中含有人参皂苷Rb1,Rb2,Rg3,Re,Rg1和20(S)-原人参二醇等成分。人参皂苷Rb1是人参二醇系皂苷,在肠菌作用下其代谢途径为人参皂苷Rbl→人参皂苷Rd→人参皂苷F2→化合物K→20(S)-原人参二醇[14-15]。人参皂苷Re的人体肠内菌代谢次生产物有6个,分别为人参皂苷Rg1、人参皂苷Rg2、人参皂苷Rh1、20,25-环-人参三醇、20(R),25-羟基人参皂苷Rg2、原人参三醇[16]。人参皂苷Rg1在大鼠体内肠菌作用下的代谢模式为:人参皂苷Rg1→人参皂苷Rh1/人参皂苷F1→原人参三醇;在人体内代谢模式为:人参皂苷Rg1→人参皂苷Rh1→原人参三醇[17-18]。对人参皂苷原型药及肠内菌代谢产物的药理作用进行研究,发现Rg1及其代谢产物Rh1可共同作用于T细胞和腹腔巨噬细胞(Mφ)而产生免疫调节作用[19]。另外原人参二醇类皂苷成分的肠菌主要代谢产物CompoundK对人组织瘤细胞(THP-1)分泌与炎症细胞因子(IL-1α,TNF-α,IL-8)产生影响,显示抗癌活性[20]。甘草酸(glycyrrhizin)在肠道内难以吸收,与肠道菌群作用产生18α-甘草次酸的中间产物,最终代谢为甘草次酸(glycyrrheticacid)而被机体吸收产生药理活性。分别给予普通和无菌大鼠甘草酸口服,普通大鼠血浆中可以测出甘草次酸,但没有原形物,而在无菌大鼠血浆中未测到甘草次酸;此外再分别给予甘草酸和甘草次酸口服,血浆中甘草次酸的平均滞留时间出现显著差异,说明甘草酸在肠道内缓慢地转化为甘草次酸而吸收入血[21]。通过甘草酸、甘草次酸的体内外抗肝毒活性的比较,发现甘草次酸的抗肝毒活性,均显著高于甘草酸[22]。说明研究肠菌代谢产物在阐述药物作用机制和开发新药方面有着重要的意义。杨秀伟等采用人肠内细菌和短乳杆菌粗酶分别与七叶树皂苷Ia共温孵,通过硅胶柱色谱分离、制备性HPLC纯化后鉴定代谢产物为异七叶树皂苷Ia、去酰基七叶树皂苷I、21β-O-巴豆酰基原七叶树皂苷元和原七叶树皂苷元。其中去酰基七叶树皂苷I对小鼠肉瘤S-180、肝癌和肺癌细胞的生长具有抑制作用。说明“前药”七叶树皂苷Ia在肠菌作用下代谢为去酰基七叶树皂苷I而发挥抗肿瘤作用[23]。桔梗皂苷是从桔梗根茎中提取的主要活性成分,采用LC-ESI-MSn技术研究其在肠道菌群的代谢产物结构和其代谢途径,初步鉴定出10个代谢产物,多为水解去糖苷和乙酰基化产物[24]。运用新技术研究中药有效成分在体内的代谢过程,了解药物的作用机制,可为加快中药现代化进程提供支持。

2.3生物碱类生物碱成分多为肝脏代谢研究,但亦有学者深入研究发现肠道菌群对某些生物碱有一定的代谢转化作用。陈怀侠等利用液相色谱-电喷雾离子阱串联质谱(LC-ESIIT-MSn)联用技术分析阿托品与大鼠肠菌体外厌氧温孵培养后的代谢产物,检测到阿托品的脱水及水解代谢产物为脱水阿托品、托品和托品酸[25]。此外将东莨菪碱与大鼠肠菌体外厌氧温孵培养,检测发现东莨菪碱的水解代谢产物为莨菪品[26]。在氧化苦参碱肠菌代谢及吸收入血活性成分的实验研究中,通过UV,IR,NMR及MS等光谱学方法确定其肠菌代谢产物为苦参碱;用TLC和HPLC法检测血清中代谢产物,得知氧化苦参碱和苦参碱均能被吸收入血[27]。

2.4蒽醌类中药大黄和番泻中都含有蒽酮苷类化合物番泻苷,本身无泻下作用,口服后小肠吸收利用率较低,经大肠菌群作用后生成番泻苷元,可发挥泻下作用。宋瑞等对大黄提取物的14种蒽醌苷成分进行肠菌生物转化研究,测得12种肠菌代谢产物并鉴定其结构[28]。Park等研究大黄根茎中提取的土大黄苷人肠菌代谢后产物为土大黄素,后者的抗血栓及抗过敏的药理活性较原型药显著增加。表明土大黄苷可能是一种具有较强抗原活性的前体药物,需经过肠菌代谢转化才能发挥其药效[29]。芦荟大黄素苷是芦荟中分离到的致泻成分,结构上属于具有蒽酮骨架的C-C葡萄糖苷。在大鼠、小鼠体内不产生泻下作用,而在人肠道中有裂解芦荟大黄素苷C-C键的代谢菌(Eubacuteriulnsp.BAR)可将其代谢为芦荟大黄酸蒽酮,产生泻下作用。另将普通和感染Eubacuteriulnsp.BAR菌株的悉生大鼠的代谢情况进行比较,普通大鼠未引起腹泻,而悉生大鼠则引起严重的腹泻,BAR菌株分泌的特异性β-葡萄糖醛酸酶可以实现对芦荟大黄素苷的代谢[30]。结果证实,芦荟大黄素苷与番泻苷一样,自身并无泻下作用,而是通过人或动物的肠道菌群代谢为有活性的代谢产物,引起泻下作用的。

2.5单萜类单萜苷类化合物主要包括无环、单环、双环、三环单萜苷及环烯醚萜苷,具有抗菌、抗炎、抗肿瘤、保肝、降血糖等药理作用。芍药苷(paeoniflorin)为双环单萜苷类,在与肠道菌群作用下产生4个代谢产物芍药苷代谢素I,Ⅱ,Ⅲ,IV,其中芍药苷代谢素I(芍药盐酸硫胺)的含量最高。另由粪便中分离出多个菌株,其中厌氧消化链球菌、短乳杆菌对芍药苷作用最强。芍药苷口服吸收率极低,经口服摄入的芍药苷需在肠道细菌分泌的β-葡萄糖苷酶和β-葡萄糖酯酶的催化下转化成其相应的芍药盐酸硫胺苷元才能发挥药理作用,另外在Caco-2细胞上的转运研究中发现芍药苷的生物利用度比其苷元低40倍[31-33]。龙胆苦苷是环烯醚萜类化合物,为常用中药龙胆的主要有效成分,有保肝、利胆、抗炎等作用。测定龙胆苦苷与大鼠肠内菌体外孵育后以及大鼠灌服龙胆苦苷后血清中的药物成分变化,得知龙胆苦苷易被人体肠内菌代谢,代谢过程为龙胆苦苷→龙胆碱→龙胆醛,其中龙胆碱,龙胆醛为龙胆苦苷体内代谢的活性产物,为进一步研究其药代动力学及代谢产物药理作用提供理论依据[34]。京尼平苷(geniposide)为环烯醚萜类化合物,其利胆作用需通过口服发挥作用,静脉注射无效,而静脉注射其苷元京尼平有利胆作用。京尼平苷可在肠道菌群产生的β-葡糖苷酶水解下生成苷元,但是很难被肝脏中的β-葡糖苷酶及胃肠道中的消化酶水解,说明肠道菌群在京尼平苷的代谢中有至关重要的作用[35]。

3肠道菌群代谢研究在临床中西药合用上的指导意义

临床上中西药常联合用药,而药物合用涉及影响药物的吸收、分布、代谢、排泄等过程,以至影响药效。芍药甘草汤由芍药,甘草组成,临床在治疗消化性溃疡时常和羟氨苄青霉素,甲硝哒唑合用;治疗疝气痛时常与氧氟沙星合用。何菊秀等人研究芍药甘草汤和抗生素合用的血药浓度,以甘草次酸,芍药苷素的血药浓度为指标。发现抗生素影响芍药苷,甘草酸代谢产物的吸收入血,降低了其生物利用度。指出制定临床给药方案时,运用芍药甘草汤相关中药时不适宜合用大量抗生素[36-38]。Xing等人比较口服黄芩苷,黄芩素与新霉素和链霉素混合抗菌剂合用的不同药代动力学,用LC-MS法测定两组中的黄芩苷和黄芩素血液累积量,发现合用抗菌剂的血液中黄芩苷累积量低于正常口服,进一步研究表明在吸收入血前黄芩苷转化为黄芩素,所以抗菌剂影响的是黄芩苷的吸收,不是黄芩素。可说明抗菌剂抑制肠道菌群活性,影响黄芩苷的吸收、代谢和效能。在临床使用含有黄芩苷类黄酮成分时,合用其他西药时要注意其对肠道菌群的影响,减少对药效的影响[39]。研究此类药物在肠道内代谢过程,分析作用机制,可为临床合理用药提供足够的理论依据,减少因药物合用而引起的药效的降低或不良反应。

4展望

研究中药代谢可推测复杂中药体系在体内的代谢途径,是中药体内过程的一个重要环节。由于分析技术和测试手段的限制,给中药复杂体系肠菌代谢的深入研究带来了极大困难。但近10余年来,随着色谱-质谱(LC-MSn,GC-MSn,CE-MSn)、色谱-光谱(LC-NMR)以及色谱-光谱-质谱(LC-NMR-MS)的联用技术的迅猛发展,复杂体系不必进行完全分离即可进行代谢产物研究,大大缩短了分析时间,大幅度提高了检测灵敏度,成为代谢产物的结构确定及体内痕量代谢产物分析的强有力的技术手段[40]。这些先进技术大大促进了中药成分的肠菌代谢研究。

中西药联合用药治疗疾病已为临床广泛采用,合理的联合用药可提高疗效,减少药物的用量以及毒副作用。而中药成分及体内代谢产物复杂,若与西药联用不当,反而可致毒性增加,疗效降低。由于西药抗生素等药物的长期使用,人体内肠道菌群的种类和数量已发生改变,中药及中药复方在肠道内的代谢途径及产物亦将发生变化。因此研究肠菌代谢对临床中西药合理用药亦具有重要意义。

相信通过广大科技工作者的努力,对中药肠菌代谢的深层次研究,不仅有利于揭示中药的真正有效成分和作用机制,并且对阐明中药复方的配伍规律,寻找高效低毒药物提供依据。

微生物对中药化学的代换作用

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