文献研读|李金良（2020级硕士）：Protein Cell|肠道微生物群在中药活性代谢产物鉴定中的作用
2021-4-18
文章介绍
来自台湾长庚大学的赖信志团队于2020年9月15日在Protein Cell发表了题为Role of gut microbiota in identification of novel TCM-derived active metabolites的综述。作者总结了中医药成分的鉴定和发展现状；肠道菌群与中药活性成分相互作用，产生代谢物从而调节宿主的能量代谢和免疫，最终改善疾病；使用多组学研究平台，系统的研究分析微生物菌群和代谢物。
一、中医药及有效成分鉴定的研究进展
中医药（Traditional Chinese Medicine，TCM）在中国一直被用来缓解症状、治疗疾病，与现代西医相比，中医的研究进展往往受到抑制，因为中医药作为药物的内在复杂性缺乏现代科学验证，因此，中医药研究必须通过科学方法实现现代化。每种药物都包含许多配方，每种配方都包含不同草药成分的组合。例如，复合成分有碳水化合物/多糖、蛋白质/肽、糖脂/糖蛋白、脂质以及它们的代谢衍生物如糖苷、胺、脂肪酸、类黄酮、萜类、酚类和生物碱等，各成分之间存在不同的相容或拮抗作用。
通过高通量筛选（high-throughput screening，HTS）能够从有效的中药治疗配方中获得多种化学信息，加快了活性成分的发现和鉴定过程。其次，还建立了中药药理学数据库和分析平台（TCM System Pharmacology Database and Analysis Platform；TCMSP），它汇集了以前中医药实验的药物发现结果、毒性特性、药物相似性和靶向等数据。此外，该数据库与其他系统相结合，比如GO（Gene Ontology）和KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes），能够识别关键分子潜在的改善疾病机制的通路富集分析。液相色谱或气相色谱-质谱联用技术（LC/GC-MS/MS）可用于中药有效成分的实际监测，提供了一种标准化的方法来系统地筛选中药成分。因此，中药中的功能分子可以在异质细胞信号通路的背景下进行评估，以预测它们在免疫、代谢和分子水平上对疾病的影响。
在动物或临床研究中，大多数直接来源于中药的纯化小分子仍存在效力有限、副作用等问题。例如，从何首乌中提取的化合物具有乌发、滋补肝肾、抗衰老以及治疗神经元疾病作用，然而，这些化合物可引起肝毒性、肾毒性和胚胎毒性。相比之下，从中药中提取的多糖毒性较小，在宿主中经常被修饰，但是，糖水化合物/多糖效应的潜在分子机制知之甚少。
二、中医药与肠道微生物群相互作用在疾病改善中的作用
在体内平衡的状态下，肠道微环境能够防止病原体或有害物质转移，如防止内毒素脂多糖穿过肠上皮细胞进入周围的淋巴系统和血液。在异常的条件下，如长期高脂肪饮食或抗生素治疗，肠道微生物群的组成会发生变化，使得菌群失调和肠粘膜破裂，导致肠屏障受损和肠通透性增加。中药与肠道微生物群相互作用，影响其菌群组成，而肠道微生物群将碳水化合物、蛋白质、脂类和中药中的非营养小分子转化为可能对人体有利或不利的化学代谢物，所以调整肠道菌群组成可能有助于改善疾病。已有研究表明，各种中药成分影响微生物的丰度和多样性，这同时也与中草药的功效密切相关。从灵芝和冬虫夏草菌丝体中纯化的多糖，显著降低肥胖。从黑灵芝中提取的多糖可改善Ⅱ型糖尿病患者的肠粘膜功能和肝功能，这些功能都是通过改变肠道微生物菌群和肠内发酵实现的。
三、肠道菌群在产生中医药代谢物中的作用
由于人类基因组编码的消化酶有限，多糖在到达结肠之前经常未被消化。在结肠中，可发酵的多糖，如β-葡聚糖，被肠道微生物分解后产生许多短链寡糖，成为重要的天然生物活性成分，能够促进益生菌生长。较短的多糖可进一步消化成单糖，可促进细菌生长，单糖可被分解代谢为短链脂肪酸和乳酸盐等，这些物质可直接影响宿主的生理状态。甘露糖可作为信号分子，对宿主细胞和组织具有免疫调节作用。肠道细菌参与了中药多糖的降解，例如，拟杆菌门的普拉梭菌和直肠真杆菌，氏菌属和梭菌属等。
越来越多的细菌物种被认为与蛋白质代谢有关。远端结肠中的肠道细菌通过特定的生化通路代谢氨基酸，产生的代谢物可能调节能量稳态和免疫，或者引起炎症等疾病，厌氧发酵半胱氨酸和蛋氨酸形成硫化氢，会促进结肠炎和肿瘤的发生。芳香族氨基酸的代谢可能产生尿毒症毒素，与慢性肾脏病的发展密切相关。一般来说，参与氨基酸代谢的肠道微生物菌群的数量经常受到中药的影响，比如人类小肠中的梭状芽孢杆菌、芽孢杆菌、乳杆菌、链球菌、变形菌和消化链球菌。
肠道中的细菌还能够代谢脂类，产生功能代谢物，例如乳杆菌属、丁酸菌属和巨球形菌属参与脂肪酸代谢，产生一系列共轭必需脂肪酸影响着宿主的生理。使用三甲胺合成通路中的关键酶，分解代谢胆碱和左旋肉碱产生三甲胺，在肝脏中被转化为三甲胺氮氧化物。许多研究表明，三甲胺氮氧化物血浆水平与动脉粥样硬化血栓性心血管疾病的风险密切相关。所以中药能够改变肠道菌群的组成，这可能有助于改善异常脂质代谢，产生有益的代谢物，促进宿主健康。不同的中药方剂含有一系列具有多种生物功能的化学小分子，包括黄酮类、皂苷类、生物碱类和蒽醌类等，肠道微生物群和肝脏都涉及将外源性成分转化为后续代谢物（图1）。另外，胆汁酸信号控制多种重要的生理行为，维持肠道内环境稳定，所以，开发中药治疗疾病是有必要的。
图1：中草药成分的转化（以人参提取物为例）。中药成分在宿主体内转化为活性代谢产物是由肠道菌群和肝脏共同作用，了解人参的药物代谢能够对患者更好的用药。例如，皂苷Rb1，Rb2和Rc被肠道微生物转化成化合物K，化合物K具有更高的活性。化合物K被血液吸收后，在肝脏中再次代谢形成硬脂酰化合物K。另一方面，人参皂苷Rb1也可调节肠道菌群组成，因此，在口服人参药理作用中肠道微生物起着重要作用。
四、基于微生物群的多组学研究——下一代中药
使用基于微生物群的综合多组学平台至关重要。使用多组学方法，如通过16SrRNA基因测序，分析肠道微生物群的组成以及预测肠道微生物组功能，或鸟枪法测序进行OTUs（operational taxonomic units）生物信息学分析。代谢产物使用代谢组学、宏转录组学、表观遗传学、转录组学、单细胞转录组学和蛋白质组学分析。通过GO和KEGG通路分析，建立潜在生化通路。此外，还有一些与中药和肠道微生物群研究相关的数据库，如TCM-Mesh、TCMSP、TCMID、CRD和HIT，以及PHI-base和EHFPI。最后分离选定的微生物群菌，纯化或合成新的功能代谢物，以进一步评估其安全性和有效性。根据所得结果，评估进行下一步临床试验的可能性。
通过肠道微生物群发酵转化后鉴定功能成分，而不是直接从草药提取物中筛选功能成分（图2）。制备的中草药，首先使用模式动物给药以评估其功效。如果获得阳性结果，随后对肠/粪便中细菌进行分类，以及对肠/粪便/血液样品中细菌的衍生代谢物进行定量。在对照组和实验组之间若具有统计学差异，那么该细菌或代谢物可能对疾病具有治疗效果。
图2：用于中药研究的基于微生物群的多组学平台。基本原理是通过肠道微生物发酵转化后，对中药相关活性成分进行鉴定，通过多组学平台，如表观遗传学，16S宏基因组学、鸟枪法宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学进行综合分析。这种方法可以识别新的中药益生元、细菌和代谢产物以及细菌结构成分，最后来调节宿主的肠道和器官，从而改善疾病。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32929698/
