于航¹, 鄭瑞芳², 蘇文靈², 邢建國², 王琰¹     

摘要: 腸道菌群參與了機(jī)體物質(zhì)代謝、能量交換等多項(xiàng)重要生理活動(dòng)，宿主與腸道微生物的相互作用已經(jīng)獲得了越來越多學(xué)者的關(guān)注。黃酮類成分是廣泛存在于中藥的一類多酚類化合物，具有調(diào)節(jié)糖脂代謝、抗炎等作用，但是生物利用度較低，這對(duì)闡明黃酮類成分的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用機(jī)制提出了挑戰(zhàn)。目前，對(duì)于黃酮類成分體內(nèi)代謝行為研究主要集中于肝臟代謝，而最新研究表明，人體中的腸道菌群可與黃酮發(fā)生相互作用，一方面腸道菌群對(duì)黃酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生了新的代謝物可能不同于母藥的藥理活性；另一方面，黃酮成分及其代謝產(chǎn)物又能反過來調(diào)節(jié)腸道菌群的組成與生理活性，這似乎對(duì)黃酮類成分的藥效物質(zhì)基礎(chǔ)研究提供了新的思路。本文總結(jié)了關(guān)于腸道菌與黃酮類成分相互作用的最新研究進(jìn)展，介紹了天然黃酮類成分在腸道菌作用下的轉(zhuǎn)化類型及代謝特征，同時(shí)闡述了黃酮類成分對(duì)腸道菌的調(diào)節(jié)作用；此外，本文對(duì)腸道菌作用下黃酮多種藥理活性進(jìn)行了討論，為深入研究黃酮類成分和其他多酚類天然產(chǎn)物的體內(nèi)代謝特征及藥效作用機(jī)制提供了有價(jià)值的科學(xué)參考。

關(guān)鍵詞: 藥物代謝    黃酮    腸道菌群    腸道菌代謝物    天然藥物    

Metabolism characteristics and pharmacological insights of flavonoids based on the intestinal bacteria

YU Hang¹, ZHENG Rui-fang², SU Wen-ling², XING Jian-guo², WANG Yan¹     

Abstract: The gut microbiota takes part in many in vivo important physiological activities of host, such as the substance metabolism and energy exchange, etc. The interaction between the host and the intestinal microorganisms has attracted scholars' attention. Flavonoids are a group of polyphenol compounds widely found in natural plants, with the bioactive effect of regulation of glucose and lipid metabolism, anti-inflammation. However, their low bioavailability cause difficulty to clarify the effective substances and the mechanism of flavonoids. Apart from the metabolic effects of liver on flavonoids, recent studies have shown that the gut microbiota can interact with flavonoids. On the one hand, flavonoids can be metabolized by gut microbiota and subsequent metabolites can produce pharmacological activities different from the parent components. On the other hand, flavonoids and their metabolites can in turn regulate the composition and physiological activities of the intestinal flora, which seems to provide a new insight for the research on the effective substances of flavonoids. In this review, we introduced the metabolic characteristics of flavonoids under the actions of intestinal bacteria, and the regulation effects of flavonoids on gut microbiota was also summarized. Meanwhile, the therapeutic effect of flavonoids under the action of intestinal bacteria was discussed.

Key words: drug metabolism    flavonoids    gut microbiota    gut microbiota metabolites    natural medicine    

黃酮是一類廣泛存在于自然界、具有重要生理活性的天然產(chǎn)物。黃酮類成分的基本母核為2-苯基色原酮, 它由兩個(gè)具有酚羥基的苯環(huán)(命名為A環(huán)與B環(huán))以及連接A、B兩環(huán)的中央三碳原子組成^{[1, 2]}。圖 1展示了黃酮類成分的幾種母核結(jié)構(gòu)類型, 包括黃酮、黃酮醇、二氫黃酮、二氫黃酮醇、異黃酮、3-黃烷醇、二氫查爾酮及花青苷。黃酮類成分具有廣泛的藥理活性, 如調(diào)節(jié)糖脂代謝、降壓、心血管保護(hù)、抗炎、抗肝臟毒作用、抗菌抗病毒、雌激素樣作用等^{[1, 3-9]}。一般認(rèn)為, 黃酮類成分在肝臟發(fā)生廣泛代謝, 其中兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶可將黃酮類成分轉(zhuǎn)化成甲基化產(chǎn)物, UDP-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶、硫酸轉(zhuǎn)移酶可將黃酮類成分分別代謝為葡萄糖醛酸結(jié)合物或硫酸結(jié)合物^[10]。然而, 隨著近年來腸道菌研究的深入, 腸道菌群也被認(rèn)為參與了黃酮類藥物的代謝, 進(jìn)而影響了黃酮類藥物的體內(nèi)過程及藥效^{[11, 12]}。本文將圍繞黃酮類藥物與腸道菌群的相互作用, 綜述了黃酮類藥物體內(nèi)轉(zhuǎn)化、代謝特征、以及藥理研究的最新進(jìn)展并提出思考, 以期為本類藥物和其他多酚類天然產(chǎn)物的研究與開發(fā)提供重要的科學(xué)參考。

1 腸道菌廣泛參與天然藥物的代謝

腸道菌群是由寄居在人體腸道中的數(shù)萬億、超過1 000余種的細(xì)菌、真菌及噬菌體等組成, 是腸道微生態(tài)系統(tǒng)的核心部分^{[13, 14]}。腸道菌群與宿主細(xì)胞進(jìn)行著物質(zhì)、能量甚至基因方面的交流, 對(duì)宿主生理功能的多樣性發(fā)揮著重要作用; 同時(shí), 作為人類的第二套基因組, 腸道菌群影響人類的健康與疾病發(fā)展, 有國外研究者已經(jīng)提出將腸道菌群作為“人體肝臟以外的第二個(gè)代謝性器官”^[15]。腸道菌群中富含大量與物質(zhì)代謝相關(guān)的酶系^[16], 因此, 腸道菌群對(duì)口服藥物的生物轉(zhuǎn)化及吸收有重要影響。與肝臟代謝不同, 腸道菌群引起的生物轉(zhuǎn)化類型具有一定的獨(dú)特性, 腸道菌對(duì)藥物的代謝主要包括水解與還原反應(yīng)^[16-19]。目前, 腸道菌群的藥物代謝已經(jīng)被視為機(jī)體藥物代謝的重要補(bǔ)充^{[17, 20]}。研究顯示, 人類腸道菌群在門水平上具有一定的穩(wěn)定性和保守型, 而在屬和種水平上有較大差異。擁有不同遺傳背景、生活習(xí)慣的人群中其體內(nèi)的腸道菌群優(yōu)勢菌屬、結(jié)構(gòu)組成等差異非常大, 如西方人群中擬桿菌屬(Bacteroides) 是相對(duì)含量最多且個(gè)體差異最大的菌屬, 而中國人的腸道菌群中含量較多的菌屬為考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)^{[21, 22]}。因此, 受腸道菌群個(gè)體差異影響, 人體口服天然藥物后藥物的代謝性質(zhì)和療效、作用的機(jī)制都可能存在差異^[17]。目前, 已經(jīng)有越來越多的學(xué)者開始將腸道菌群的研究納入到藥物的體內(nèi)過程研究中來, 以期更合理地闡明藥物的作用機(jī)制并指導(dǎo)臨床合理用藥^[23-25]。

天然藥物普遍存在口服后難吸收的特性, 比如小檗堿的口服生物利用度約為1%^[26-28]、人參皂苷Rk1為2.87%~4.23%^[29]、水飛薊賓僅為0.73%^[30], 因此, 天然藥物口服后將不可避免地與腸道菌相互作用, 也是被研究較多的一類藥物。天然藥物是指來源于天然植物、動(dòng)物或微生物的, 對(duì)人體疾病狀態(tài)有改善、消除作用或能夠維持人體健康狀態(tài)的單體化合物及其集合。天然藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)骨架新穎獨(dú)特、活性好、耐藥性低、不良反應(yīng)少, 是我國原創(chuàng)藥物的主要來源^[31-33]。據(jù)統(tǒng)計(jì), 截至2019年, 全球超過49.2%的新藥是直接來源于天然產(chǎn)物或天然產(chǎn)物的衍生物^[34]。因此, 天然藥物在新藥發(fā)現(xiàn)和研究中占有重要地位。其中, 黃酮是一類自然界廣泛存在的天然產(chǎn)物。目前, 已上市的黃酮類藥物包括黃芩素、兒茶素、水飛薊賓等。由于黃酮具有2-苯基色原酮的母核結(jié)構(gòu), 同時(shí)又具有酚羥基, 當(dāng)黃酮類成分口服進(jìn)入體內(nèi)后可能發(fā)生廣泛代謝, 因此, 研究黃酮類成分在腸道菌的代謝特征以及藥理學(xué)作用將具有重要的科學(xué)意義。

2 腸道菌轉(zhuǎn)化黃酮類化合物的反應(yīng)類型

與黃酮類藥物在肝里的代謝類型不同, 腸道菌的黃酮代謝幾乎不涉及氧氣^[35]。在肝臟中, 黃酮類成分主要發(fā)生結(jié)合型反應(yīng), 如兒茶酚-O-甲基轉(zhuǎn)移酶可將黃酮類成分轉(zhuǎn)化成甲基化產(chǎn)物, UDP-葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶、硫酸轉(zhuǎn)移酶可將黃酮類成分分別代謝為葡萄糖醛酸結(jié)合物或硫酸結(jié)合物^[10]。而腸道菌的代謝類型一般包括去糖基化反應(yīng)、去甲基化反應(yīng)、脫羥基化反應(yīng)、還原反應(yīng)以及環(huán)裂變反應(yīng)等^[36-40]。腸道菌可將外源性黃酮類化合物作為自身碳源維持自身生長, 同時(shí)腸道菌對(duì)某些具有抑菌作用的黃酮類分解反應(yīng)也緩解了自身生長的壓力, 對(duì)保證本種菌屬的存活有積極意義^[41]。

2.1 去糖基化反應(yīng)

除黃烷醇類型結(jié)構(gòu)的黃酮外, 大多數(shù)黃酮類化合物均以O-糖苷或C-糖苷形式存在, 而人體口服黃酮類藥物或含黃酮類成分的中藥后, 在血漿中檢測到的糖苷含量大大降低, 說明黃酮在腸道中發(fā)生了顯著的去糖基化反應(yīng)。去糖基化在大腸和小腸中均會(huì)發(fā)生, 而不同類型的黃酮糖苷被不同部位的酶或腸道菌代謝。在腸細(xì)胞中, 存在兩種可以水解黃酮類單糖苷的β-葡萄糖苷酶, 包括乳糖酶-根皮苷水解酶復(fù)合物以及胞漿β-葡萄糖苷酶, 可將如槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素-4'-O-葡萄糖苷等黃酮類單黃酮苷水解為相應(yīng)的苷元^[42-44]。

而對(duì)于大部分黃酮非單糖苷類, 人體自身的酶類無法對(duì)寡糖鏈進(jìn)行有效水解。而盲腸和大腸中的專性或兼性厭氧菌可利用黃酮, 尤其是黃酮苷類作為自身生長的唯一碳源^[41]。因此, 腸道菌不僅可以對(duì)黃酮單糖苷進(jìn)行水解反應(yīng), 也可以對(duì)黃酮非單糖苷, 如蘆丁等, 進(jìn)行水解產(chǎn)生苷元^[45]。黃酮醇、黃酮、黃烷酮、二氫查耳酮、異黃酮和花青素的O-糖苷均可被特定人類腸道細(xì)菌進(jìn)行O-去糖基化反應(yīng)^[45]。此外, 腸道細(xì)菌還可對(duì)黃酮-C-糖苷進(jìn)行去糖基化反應(yīng)^{[46, 47]}。腸道菌中也廣泛存在具有β-葡萄糖苷酶活性的酶類, 如腸道菌中優(yōu)勢種屬如雙歧桿菌屬(bifidobacteria) 與乳桿菌屬(lactobacillus)等就存在相關(guān)酶系^[48]。而對(duì)于非單糖苷類化合物, 腸道菌中某些菌屬進(jìn)化成特異性水解其他糖苷鍵的酶, 如嗜酸乳桿菌(Lactobacillus acidophilus) 等菌屬中已經(jīng)出現(xiàn)可以水解鼠李糖苷鍵的α-L-鼠李糖苷酶, 可用于對(duì)蘆丁、異橙皮苷等進(jìn)行去糖基化反應(yīng)^{[35, 36]}。目前對(duì)黃酮-C-糖苷的去糖基化反應(yīng)研究仍然較少, 有研究報(bào)道, 對(duì)于黃酮和異黃酮-C-糖苷, 毛螺菌科(Lachnospiraceae)、腸球菌科(Enterococcaceae)、鏈球菌科(Streptococcaceae) 中存在一些成員可以參與這些黃酮-C-糖苷的分解作用, 這些菌屬同時(shí)也可以與相應(yīng)苷元的O-糖苷發(fā)生相互作用產(chǎn)生對(duì)應(yīng)苷元^[49-52]。圖 2展示了幾種黃酮類物質(zhì)被腸道菌代謝發(fā)生去糖基化反應(yīng)的示例。

2.2 去甲基化和脫羥基化反應(yīng)

當(dāng)黃酮糖苷通過去糖基化反應(yīng)生成苷元后, 除一部分被腸細(xì)胞吸收進(jìn)入體內(nèi)外, 黃酮母核上(如黃酮、異黃酮或異戊烯基黃烷酮) 的取代基如甲氧基或羥基也可進(jìn)一步被腸道菌中的相應(yīng)酶類修飾, 生成脫甲基或脫羥基化的產(chǎn)物(圖 3)^[37]。此類反應(yīng)一般發(fā)生在黃酮母核的A環(huán)或B環(huán), 一些真桿菌屬(Eubacterium)、伊格爾茲氏屬(Eggerthella) 等菌屬的成員如黏液桿菌(Eubacterium limosum) 可以介導(dǎo)此類反應(yīng)^{[38, 53, 54]}。

2.3 還原反應(yīng)和環(huán)裂變反應(yīng)

黃酮的分子結(jié)構(gòu)決定了其可以作為一個(gè)電子受體, 可以與電子供體如氫原子自由基發(fā)生還原反應(yīng)而被重新氧化。腸道微生物中的還原酶系可以參與此類反應(yīng), 在黃酮分子上首先表現(xiàn)為C環(huán)上雙鍵的重新飽和化, 如槲皮素可以被細(xì)枝真桿菌(Eubacterium ramulus) 等代謝為二氫槲皮素^{[39, 56]}。目前已有學(xué)者表征了可以介導(dǎo)此類反應(yīng)的還原酶, Yang等^[39]在Flavonifractor plautii ATCC 49531菌中發(fā)現(xiàn)了一種黃酮還原酶, 由兩個(gè)擁有N端α-β-α緊密結(jié)構(gòu)域和C端延伸結(jié)構(gòu)域的單體構(gòu)成的同型二聚體。據(jù)報(bào)道, 該類黃酮還原酶功能的行使需要黃素單核苷酸(FMN) 與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH) 等輔酶的參與, 同時(shí), 該類酶系在人類腸道菌群以及富含黃酮的環(huán)境中的其他微生物含量較高, 表明了腸道菌對(duì)黃酮的還原反應(yīng)廣泛存在^[39]。

黃酮分子的還原反應(yīng)一般作為腸道菌降解黃酮的啟動(dòng)反應(yīng), 黃酮分子經(jīng)過C2-C3雙鍵還原后一般不穩(wěn)定, 腸道菌中的一些酶類, 如還原酶復(fù)合物當(dāng)中的其他酶, 會(huì)進(jìn)一步將黃酮分子的中心C雜環(huán)進(jìn)行分解^[39]。不同類型的黃酮分子在還原反應(yīng)與環(huán)裂變反應(yīng)中存在一定差異^[37], 如黃酮醇類物質(zhì)在C2-C3位置的雙鍵被腸道菌還原后, C環(huán)發(fā)生的環(huán)裂變后往往在氧原子與C3重新環(huán)合為五元環(huán), 再進(jìn)行后續(xù)分解反應(yīng), 如前所述二氫槲皮素由槲皮素生成后, 經(jīng)B環(huán)環(huán)裂變反應(yīng)又環(huán)合生成高朦朧木素(alphitonin) 的中間體^[37]。而黃酮類物質(zhì)則在C2-C3還原后直接在O原子與C2位置發(fā)生分解反應(yīng), 如芹菜素在還原生成柚皮素, 此后則分解成稱為phioretin的中間體^[37]。

而裂變后的中間產(chǎn)物將被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化, 黃酮分子的B環(huán)部分一般會(huì)轉(zhuǎn)化為羥苯基脂肪酸類物質(zhì), 如黃酮醇類物質(zhì)B環(huán)最終生成苯乙酸類物質(zhì), 而黃酮類物質(zhì)則生成苯丙酸類物質(zhì), 異黃酮類物質(zhì)生成2-甲基苯乙酸類物質(zhì)^[37]。A環(huán)部分一般先生成多酚類物質(zhì), 而某些黃酮生成的多酚類物質(zhì)本身存在烯醇互變現(xiàn)象, 如槲皮素生成的間苯三酚, 烯醇互變后的間苯三酚芳香性大大降低, 其在NAD(P)H的輔助下被某些腸道菌進(jìn)一步分解, 最終生成短鏈脂肪酸, 后者可進(jìn)一步用于菌體ATP的合成^{[39, 57, 58]}, 圖 4展示了黃酮類物質(zhì)被腸道菌還原反應(yīng)及環(huán)裂變反應(yīng)的反應(yīng)路徑。

3 黃酮類化合物對(duì)腸道菌的調(diào)節(jié)

研究表明, 一些腸道菌本身富含有宿主所不存在的酶系, 可以介導(dǎo)獨(dú)特的生物轉(zhuǎn)化反應(yīng), 如短鏈脂肪酸、次級(jí)膽汁酸等物質(zhì)的生成均離不開腸道微生物的參與, 而這些物質(zhì)對(duì)于宿主本身健康生理狀態(tài)的維持至關(guān)重要^[59-62]。在黃酮類物質(zhì)與腸道菌群的相互作用過程中, 除了自身被腸道菌代謝以外, 黃酮類物質(zhì)也可以通過調(diào)節(jié)特定腸道菌中菌屬的相對(duì)豐度, 或者影響特定酶系的活性, 來調(diào)節(jié)腸道菌群自身代謝活動(dòng)。

3.1 對(duì)菌群構(gòu)成的調(diào)節(jié)

由于腸道菌利用黃酮分子作為碳源的能力不同, 同時(shí), 腸道菌自身對(duì)于某些黃酮類物質(zhì)的抑菌和殺菌作用的抵抗也有差異, 因此, 黃酮類化合物能夠?qū)θ梭w腸道菌群的構(gòu)成進(jìn)行調(diào)節(jié)^[41]?；ㄇ嗨仡慄S酮對(duì)菌群調(diào)節(jié)能力較強(qiáng), 臨床研究表明一些花青素能夠上調(diào)益生菌的豐度, 如雙歧桿菌屬(Bifidobaterium spp.)、乳桿菌屬(Lactobacillus spp.)等^{[63, 64]}; 同時(shí), 花青素能夠下調(diào)一些致病菌的豐度, 如溶組織梭菌(Clostridium histolyticum)、金葡菌(Staphylococcus aureus)等^[65]。目前對(duì)于黃酮調(diào)節(jié)人體腸道菌群的研究還集中在黃酮類膳食的調(diào)節(jié)作用, 而黃酮類藥物或候選物的研究仍然較少, Etxeberria等^[66]考察了高脂飲食和高碳水飲食大鼠模型中槲皮素對(duì)腸道菌組成的影響, 研究發(fā)現(xiàn)槲皮素能夠在門水平下調(diào)厚壁菌門/擬桿菌門的比率(ratio of F/B), 同時(shí)下調(diào)與肥胖相關(guān)的菌屬, 如韋榮球菌科(Erysipelotrichaceae)、芽孢桿菌屬(Bacillus spp.)、圓柱狀真桿菌(Eubacterium cylindroides) 等。而Shanthi等^[67]利用體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)柚皮素可以促進(jìn)鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus)、大腸桿菌(Escherichia coli)、金葡菌的生長, 相較于革蘭陰性菌, 革蘭陽性菌如金葡菌對(duì)于柚皮素的刺激更為敏感。Clavel等^[68]分析了服用異黃酮類2個(gè)月的絕經(jīng)婦女體內(nèi)腸道菌的組成后發(fā)現(xiàn), 球形梭菌(Clostridium coccoides) 與直腸真桿菌(Eubacterium rectale) 的豐度明顯上升。通過黃酮分子與腸道菌群的相互作用, 腸道菌群的優(yōu)勢菌屬受到調(diào)節(jié)而發(fā)生了改變, 因此, 有必要建立黃酮與腸道菌互作的數(shù)據(jù)庫, 以進(jìn)一步了解腸型與黃酮類物質(zhì)的相互關(guān)系, 從而有利于口服黃酮類藥物的開發(fā)。

3.2 刺激腸道菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸是指具有主鏈含6個(gè)碳以內(nèi)的飽和脂肪酸^[69]。腸道菌可通過分解胃腸道中的碳水化合物、支鏈氨基酸、脂肪等物質(zhì)而產(chǎn)生短鏈脂肪酸。由于腸道菌中富含宿主所沒有的代謝酶, 如丙酰輔酶A轉(zhuǎn)移酶、丙醛脫氫酶等, 因此, 機(jī)體中短鏈脂肪酸成分主要由腸道菌介導(dǎo)生成^{[70, 71]}。目前, 短鏈脂肪酸已經(jīng)成為腸道菌群代謝物中研究較為廣泛的一類。黃酮類化合物影響腸道菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸的途徑主要有三類: ①直接促進(jìn)或抑制特定腸道菌的生長, 一些黃酮分子本身可以破壞菌膜完整性或抑制酶的活性從而抑制菌體的活性, 此外某些黃酮分子可直接作為益生元促進(jìn)某些菌體的生長或提高相關(guān)酶系的活性^{[34, 72]}; ②間接促進(jìn)或抑制某些菌屬的生長, 如某些黃酮通過競爭性排斥、誘導(dǎo)宿主免疫反應(yīng)來抑制病原菌的定殖^[60]; ③黃酮本身作為碳源提供短鏈脂肪酸的前體, 腸道菌可以將黃酮作為唯一碳源^[41], 黃酮苷的糖基部分被腸道菌最終代謝為短鏈脂肪酸; 另一方面, 腸道菌對(duì)黃酮C環(huán)進(jìn)行裂環(huán)反應(yīng)后, A環(huán)部分被代謝為多酚類化合物, 后者會(huì)進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸^[56]。

Mao等^[73]利用腸道菌體外溫孵體系篩選了黃芩素、槲皮素、淫羊藿苷、木犀草素、柚皮苷等幾種黃酮類物質(zhì)對(duì)腸道菌短鏈脂肪酸生成的影響, 結(jié)果表明除黃芩苷外, 其他5種物質(zhì)均能刺激腸道菌溫孵體系產(chǎn)生短鏈脂肪酸, 尤其是乙酸和丁酸的生成。有報(bào)道認(rèn)為黃酮苷元誘導(dǎo)腸道菌產(chǎn)生短鏈脂肪酸的能力強(qiáng)于對(duì)應(yīng)的黃酮苷, 這可能是由于黃酮苷元在小腸部位抑制了α-胰淀粉酶的作用, 從而增加了淀粉類物質(zhì)在大腸部位的排泄, 進(jìn)而增加了大腸中腸道菌群代謝短鏈脂肪酸的原料^[74]。Tomonori等^[74]比較了口服橙皮苷元與對(duì)應(yīng)苷后大鼠腸道內(nèi)容物短鏈脂肪酸的含量, 結(jié)果表明橙皮苷元與橙皮苷均能增加短鏈脂肪酸的生成, 而苷元表現(xiàn)出了更強(qiáng)的刺激作用。黃酮類刺激腸道菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸可以作為腸道細(xì)胞的能量來源, 同時(shí)丁酸可以刺激腸道細(xì)胞水鈉吸收并調(diào)節(jié)結(jié)腸功能的運(yùn)動(dòng)性, 此外, 丁酸可以誘導(dǎo)細(xì)胞分化, 從而在體外誘導(dǎo)癌細(xì)胞凋亡, 阻止癌癥發(fā)展^[73]。

3.3 調(diào)節(jié)腸道菌產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸

機(jī)體中的膽固醇在肝臟中首先通過細(xì)胞色素酶發(fā)生羥基化, 而后通過一系列反應(yīng)生成膽汁酸, 合成的膽汁酸通過膽汁分泌入十二指腸^[75]。根據(jù)代謝膽固醇時(shí)的羥化位置不同, 生成的初級(jí)膽汁酸一般有兩種, 即膽酸(CA) 和鵝去氧膽酸(CDCA), 初級(jí)膽汁酸還可以結(jié)合甘氨酸或?；撬岬任镔|(zhì)生成結(jié)合型的初級(jí)膽汁酸^[76]。腸道中的一些菌屬含有膽鹽水解酶(BSH), 如厚壁菌門、擬桿菌門以及放線菌門(Actinobacteria) 中均含有該酶系的基因, BSH負(fù)責(zé)對(duì)結(jié)合膽汁酸的水解, 從而生成游離膽汁酸^[77]。腸道菌中的另一種酶系, 7-脫羥基化酶可進(jìn)一步將初級(jí)膽汁酸7位上的羥基消除, 生成次級(jí)膽汁酸, 由CA脫羥基后生成脫氧膽酸(DCA), 而CDCA脫羥基后生成石膽酸(LCA), 不同物種的膽汁酸的組成有所差異^[78]。厚壁菌門中的多數(shù)菌屬都含有7-脫羥基化酶, 此類酶的編碼基因可被膽汁酸誘導(dǎo)^[79]。黃酮類物質(zhì)可通過調(diào)節(jié)含有以上酶系菌屬的相對(duì)豐度和代謝活性調(diào)節(jié)次級(jí)膽汁酸的生成, 同時(shí), 有觀點(diǎn)認(rèn)為黃酮對(duì)次級(jí)膽汁酸的影響可能存在物種間差異。Han等^[80]通過給大鼠飼喂兒茶素、蘆丁、槲皮素等黃酮類化合物后檢測糞便中的膽汁酸, 發(fā)現(xiàn)次級(jí)膽汁酸的含量明顯下降。某些次級(jí)膽汁酸, 如LCA和DCA被認(rèn)為對(duì)正常結(jié)腸細(xì)胞具有細(xì)胞毒性, 導(dǎo)致結(jié)腸上皮細(xì)胞代償性增殖增加, 從而導(dǎo)致結(jié)腸癌風(fēng)險(xiǎn)增加, 因此兒茶素、蘆丁、槲皮素的攝入有降低機(jī)體患結(jié)腸癌的潛能^[80]。而人口服兒茶素后, 球形梭菌屬(Clostridium coccoides) 的豐度升高, 而球形梭菌屬中7-脫羥基化酶的活性很高, 可將初級(jí)膽汁酸代謝為次級(jí)膽汁酸^{[81, 82]}。而Yamakoshi等^[83]比較了服用含有原花青素的葡萄籽提取物后的成年人糞便中的腸道菌群組成, 結(jié)果表明雙歧桿菌屬的豐度大大提高, 而雙歧桿菌屬的細(xì)菌中擁有BSH, 可以負(fù)責(zé)水解結(jié)合型膽汁酸^[84]。

4 基于腸道菌的黃酮類化合物的藥理學(xué)效應(yīng)

黃酮類物質(zhì)在人體胃腸道內(nèi)經(jīng)歷了腸道菌群的廣泛代謝, 其原形分子在機(jī)體循環(huán)中的比例往往不高, 因此, 除關(guān)注黃酮類分子本身的藥理活性以外, 腸道菌群的代謝產(chǎn)物也應(yīng)該引起重視。目前, 腸道菌參與下的黃酮類物質(zhì)的藥理活性主要集中于代謝性疾病, 如肥胖、糖代謝紊亂、炎癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管系統(tǒng)等^[85-90]。下面將重點(diǎn)闡述黃酮類成分與腸道菌交互調(diào)節(jié)及多種藥理活性的研究進(jìn)展。

4.1 肥胖和糖尿病

黃酮類物質(zhì)對(duì)肥胖與糖尿病癥狀的改善已經(jīng)被多項(xiàng)研究證實(shí), 目前認(rèn)為, 黃酮類物質(zhì)對(duì)糖尿病和肥胖的治療需要腸道菌群的參與^{[85, 88]}。Esposito等^[91]研究了黑加侖花青苷對(duì)肥胖小鼠的治療效果, 與服用聯(lián)合抗生素的偽無菌組相比, 8周時(shí)花青苷治療組小鼠的糞便中的花青苷含量提高了16~25倍, 同時(shí), 擁有完整腸道菌的花青苷治療組顯示出抵抗高脂飲食的體重增加和葡萄糖代謝改善, 提示花青苷的腸道菌代謝產(chǎn)物, 如苷元或其他小分子多酚酸類物質(zhì)在改善肥胖中起到了主要作用。有文獻(xiàn)顯示黃酮在腸道菌轉(zhuǎn)化下的代謝產(chǎn)物可以通過抑制脂質(zhì)生成^[92]、減少炎癥反應(yīng)^[93]、維持能量代謝穩(wěn)態(tài)^[94]及改善胰島素抵抗^[95]等調(diào)節(jié)機(jī)體糖尿病及肥胖狀態(tài)。黃酮類物質(zhì)及代謝產(chǎn)物還可以通過調(diào)節(jié)與糖脂代謝密切相關(guān)的菌群的豐度實(shí)現(xiàn)肥胖和糖尿病的治療, 如糞桿菌屬、乳酸菌屬、擬桿菌屬等可以參與機(jī)體糖脂代謝^[96]。

4.2 抑郁與神經(jīng)炎癥

腸道菌對(duì)黃酮的水解作用可將黃酮苷類水解為黃酮苷元, 產(chǎn)生了與原藥不同的活性。如蘆丁的水解產(chǎn)物通過腸道菌的水解生成槲皮素, 通過體循環(huán)進(jìn)入腦部, 以槲皮素-3-O-葡萄糖醛酸的形式在腦中積累, 后者可以改善腦部神經(jīng)炎癥^{[87, 97]}。錦葵素-3'-O-葡萄糖苷以及代謝物3, 4-二羥基苯丙酸能通過調(diào)節(jié)大鼠神經(jīng)元可塑性及外周炎癥, 同時(shí), 錦葵素-3'-O-葡萄糖苷能夠增加調(diào)節(jié)突觸可塑性相關(guān)基因序列的組蛋白乙?；? 3, 4-二羥基苯丙酸還能抑制白介素-6相應(yīng)基因中富含CpG序列DNA的甲基化, 顯著提高對(duì)應(yīng)激性抑郁的認(rèn)知適應(yīng)能力^[98]。

4.3 神經(jīng)退行性疾病

據(jù)報(bào)道, 一些黃酮類物質(zhì)在腸道菌群的代謝物, 尤其是多酚類代謝物可能參與到中樞神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)程。Ho等^[90]建立了擁有不同腸型的兩種悉生小鼠模型, 黃酮類飲食處理后的動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生了不同的多酚酸類代謝物, 其中, 3-羥基苯丙酸、3-羥基苯甲酸以及3, 4-二羥基苯甲酸被證實(shí)可以抑制α-突觸核蛋白的錯(cuò)誤折疊, 同時(shí)抑制炎癥, 揭示了黃酮類飲食及化合物在治療帕金森綜合征方面的前景^{[99, 100]}。另一項(xiàng)研究中, Wang等^[101]也研究了花青素類化合物在治療阿爾茨海默癥方面的作用, 每天給大鼠模型飼喂25 mg·kg^-1的葡萄籽提取物后, 在腦部發(fā)現(xiàn)了微生物降解產(chǎn)物3-羥基苯甲酸與3-羥基苯丙酸以μmol級(jí)別聚集, 有文獻(xiàn)^[102]報(bào)道了該兩種物質(zhì)可在體外干擾β-淀粉樣蛋白的組裝, 因此它們可以對(duì)阿爾茨海默癥產(chǎn)生積極作用。

4.4 心血管疾病

不少黃酮類化合物及其酚酸類代謝物也通過多種通路對(duì)心血管疾病產(chǎn)生療效。3-羥基苯丙酮酸是原花青素的一種腸道菌群裂環(huán)代謝物, 其可以通過NF-κB通路降低氧化低密度脂蛋白導(dǎo)致的細(xì)胞氧化應(yīng)激, 同時(shí)體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)其通過調(diào)節(jié)細(xì)胞脂質(zhì)代謝從而抑制巨噬細(xì)胞向泡沫細(xì)胞的轉(zhuǎn)化^[103], 對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的治療有一定前景。而Zhang等^[104]報(bào)道了大豆苷元的一種代謝產(chǎn)物雌馬酚(equol), 其可以降低高脂飲食的ApoE敲除小鼠模型血漿中甘油三酯、總膽固醇、低密度脂蛋白結(jié)合膽固醇, 同時(shí)升高高密度脂蛋白膽固醇, 減少了心主動(dòng)脈斑塊。同時(shí), 雌馬酚還可以通過下調(diào)白介素12/白介素18誘導(dǎo)的自然殺傷細(xì)胞激活, 抑制干擾素-γ的生成以及減少氧化應(yīng)激等途徑緩解動(dòng)脈粥樣硬化^{[105, 106]}。此外, 花青素的代謝物原兒茶酸能夠降低單核細(xì)胞的黏附和聚集, 同時(shí)抑制單核細(xì)胞在主動(dòng)脈夾層的浸潤和抑制炎癥從而對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的治療產(chǎn)生積極作用^{[91, 107, 108]}。體外實(shí)驗(yàn)表明原花青苷的代謝物3-羥基苯丙酸可以通過刺激胰島素相關(guān)通路調(diào)節(jié)一氧化氮合酶的表達(dá), 從而促進(jìn)高糖環(huán)境下內(nèi)皮細(xì)胞NO的產(chǎn)生, 有助于機(jī)體血壓的調(diào)節(jié)^[109]。Iveta等^[110]在原發(fā)高血壓大鼠模型中也證實(shí)了3-羥基苯丙酸的血管舒張和降血壓作用, 同時(shí)表明了3-羥基苯丙酸在體內(nèi)的作用是NO依賴的。

4.5 其他

黃酮類物質(zhì)與腸道菌群的相互作用產(chǎn)生的代謝物也可以用于感染性疾病的治療, 如梭狀芽孢桿菌(Clostridium orbiscindens) 能夠代謝原花青苷成為4-羥基苯丙酸, 后者可通過增強(qiáng)I型干擾素信號(hào)傳導(dǎo)從而改善肺部免疫病理學(xué)狀態(tài), 因此可以用于流感的治療與預(yù)防^{[111, 112]}。黃芩苷也被報(bào)道了具有抗流感作用, 但其發(fā)揮作用需要腸道菌將其轉(zhuǎn)化為黃芩素^[113]。柑橘和蘋果多酚對(duì)患者的系統(tǒng)性紅斑狼瘡的癥狀有改善作用, 進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)其中的黃烷酮類物質(zhì)可提高乳酸菌屬水平, 而二氫黃酮醇類可以升高雙歧桿菌屬水平, 其中二氫黃酮醇一部分可由腸道菌轉(zhuǎn)化而來, 兩種菌屬均可調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫機(jī)能, 從而糾正系統(tǒng)性紅斑狼瘡的癥狀^[114]。

5 思考與展望

天然藥物的研究是藥物研發(fā)的重要來源, 而黃酮類化合物已被報(bào)道具有療效廣泛, 簡單易得的優(yōu)勢, 但也存在生物利用度較差, 作用機(jī)制不明確的特點(diǎn)。近年來, 黃酮類物質(zhì)與腸道微生物的相互作用研究表明, 黃酮類物質(zhì)能被腸道微生物廣泛代謝, 而缺少腸道菌調(diào)節(jié)的黃酮類物質(zhì)其藥物活性往往會(huì)發(fā)生顯著改變, 說明腸道菌群在黃酮類物質(zhì)的藥理活性方面起到了關(guān)鍵作用。圖 5總結(jié)了腸道菌與黃酮類化合物間的相互作用及潛在藥理學(xué)意義。

腸道菌可將黃酮類物質(zhì)的糖配基作為唯一碳源用于自身生長, 而一部分游離出的苷元被動(dòng)吸收進(jìn)入循環(huán)產(chǎn)生療效, 另一部分則可被腸道菌中的代謝酶進(jìn)一步轉(zhuǎn)化生成多酚酸類物質(zhì), 后者可能發(fā)揮了黃酮類物質(zhì)本身所不具有的藥理作用; 此外, 黃酮類物質(zhì)通過直接或間接作用調(diào)節(jié)腸道菌群的相對(duì)豐度和活性改變腸道微環(huán)境的生理狀態(tài)。由此可見, 僅僅考慮黃酮分子本身的藥理活性已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有黃酮類藥物研發(fā)的需求。有學(xué)者提出應(yīng)當(dāng)將藥物及代謝產(chǎn)物等組成的化學(xué)成分, 與靶標(biāo)分子、信號(hào)傳導(dǎo)分子和腸道菌等組成的生物成分, 共同視為藥物復(fù)合物系統(tǒng), 其激活的生物途徑與誘導(dǎo)的分子末端信號(hào)網(wǎng)絡(luò), 即藥效云, 綜合介導(dǎo)了多靶標(biāo)藥物的多效性^[115], 這為黃酮類物質(zhì)的活性物質(zhì)基礎(chǔ)和生物利用度研究提出了新的思路。

目前, 黃酮類化合物與腸道菌的相互作用的研究仍然處于起步階段, 需要更多的實(shí)驗(yàn)和理論來補(bǔ)充到現(xiàn)有成果當(dāng)中。闡明似乎相反的藥物特性對(duì)研究黃酮類化合物藥物研發(fā)有積極意義, 比如有體外實(shí)驗(yàn)表明黃酮類物質(zhì)能夠降低T淋巴細(xì)胞的增殖, 但在實(shí)驗(yàn)性自身免疫病腦脊髓炎小鼠模型中卻顯示黃酮類物質(zhì)會(huì)延遲癥狀的恢復(fù)^[116], 這種矛盾的結(jié)果可能是由于腸道菌群起到了關(guān)鍵作用。而已有體外實(shí)驗(yàn)表明槲皮素與甲氧雌二醇聯(lián)用可以增強(qiáng)對(duì)人前列腺腫瘤細(xì)胞的生長抑制作用^[117], 腸道菌群是否參與黃酮類對(duì)癌癥的治療值得進(jìn)一步探索。此外, 口服香青蘭的黃酮提取物能夠改善β-淀粉樣蛋白誘導(dǎo)的小鼠阿爾茨海默癥狀, 而黃酮類成分通過腸-腦軸通路的作用機(jī)制值得學(xué)者深入探討^[118]。而對(duì)黃酮類單體, 尤其是藥物候選物與腸道菌的互作研究依然較少, 作為植物中含量巨大的物質(zhì), 人們往往關(guān)注黃酮類物質(zhì)的膳食補(bǔ)充對(duì)健康的損益。同時(shí), 腸道菌群作為人體的隱形器官, 受到了多種因素影響, 從而導(dǎo)致腸道菌群在不同物種、同一物種不同個(gè)體之間的巨大差異。這樣, 一方面腸道菌可以作為個(gè)性化治療的關(guān)鍵靶標(biāo), 而另一方面也增加了對(duì)黃酮類藥物與腸道菌群相互作用研究的難度。人體腸道中腸道菌的數(shù)量約為人體細(xì)胞數(shù)量的10倍, 其豐富的微生物基因庫對(duì)研究黃酮類代謝物生成機(jī)制提出了富有意義的挑戰(zhàn)。

同時(shí), 關(guān)于黃酮類成分與腸道菌的相互研究的主要技術(shù)方法還處于探索階段, 如體外腸道菌培養(yǎng)體系的建立, 目前尚無建立與腸道上皮及其上層黏液層直接接觸的穩(wěn)定的腸道共生微生物復(fù)雜群落的方法, 因此, 迫切需要能夠維持人類有氧和厭氧菌群與人類活組織接觸的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 以分析生理相關(guān)的人類宿主-黃酮類成分-微生物組動(dòng)態(tài)的相互作用。16S rRNA高通量測序技術(shù)目前已被用于微生物基因組的研究, 以幫助學(xué)者了解黃酮類成分對(duì)宿主腸道菌群結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)。而新一代全基因組測序在黃酮與腸道菌群研究中還處于起步階段, 這似乎與全基因組的巨大潛力相矛盾, 值得進(jìn)一步研究。代謝組學(xué)可以有效解決黃酮類成分對(duì)人類健康影響的復(fù)雜性, 將代謝組學(xué)與微生物組研究相結(jié)合, 是未來黃酮類成分與腸道菌研究的趨勢, 探索一套理想的解決方案需要很長的路要走。此外, 對(duì)于含量少、靈敏度低的黃酮小分子代謝物, 如何建立完善的分析技術(shù)體系和后續(xù)的藥效評(píng)價(jià)方法, 是解釋口服黃酮類藥物藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和分子機(jī)制的關(guān)鍵科學(xué)問題。質(zhì)譜成像技術(shù)已經(jīng)用于分析整塊生物組織的化學(xué)組成及其分子質(zhì)量的空間分布研究, 使用質(zhì)譜成像技術(shù)可以檢測細(xì)菌生物膜發(fā)酵過程中產(chǎn)生的增強(qiáng)的代謝產(chǎn)物信號(hào), 質(zhì)譜成像技術(shù)可以用作可視化腸道菌群與黃酮類成分的代謝研究的強(qiáng)大工具。

致謝: 島津公司(中國) 給予技術(shù)支持。

作者貢獻(xiàn): 于航負(fù)責(zé)全文的撰寫; 鄭瑞芳與蘇文負(fù)責(zé)全文的格式修改; 邢建國與王琰負(fù)責(zé)對(duì)論文進(jìn)行整體的指導(dǎo)和修改。

利益沖突: 所有作者無任何利益沖突