小檗堿對腸道菌群作用的研究進展

張秀娟,馬駿池,趙晉彤,高世勇

(哈爾濱商業大學藥學院,黑龍江哈爾濱 150076)

小檗堿(Berberine,BBR)是在中國傳統中藥黃連中提取出來的一種具有顯著抗菌作用的異喹啉生物堿,其單體制劑在臨床上多用于抑制革蘭氏陽性菌、陰性菌,治療腸道感染以及細菌性痢疾[1]。近年來,腸道菌群已成為了解疾病發展和進展的重要前沿。研究表明,許多疾病的發生發展都與腸道微生物的結構、種類及豐度有關。正常情況下,人體腸道內的微生物可參與合成體內必需氨基酸、維生素、調節代謝以及促進礦物質的吸收,可通過與宿主的相互作用作用于靶器官,調節宿主的穩態,但當體內的微生態平衡由于外環境因素或宿主因素被打破造成腸內微生態失衡時,機體維持正常生理功能的能力減弱,會使疾病更容易發生[2]。同理,疾病的發生發展也會導致腸內微生態失衡,目前越來越多的研究表明使用藥物后,藥物分子可以與腸道菌群相互作用,那么利用藥物對腸道菌群的作用可為臨床中疾病的治療打開新的窗口。

許多研究認為,中藥可以調節腸道菌群的結構,調節腸道菌群的代謝,從而達到治療效果[3-4]。考慮到腸道菌群在中醫藥療效中的重要作用,越來越多的中醫藥研究學者關注腸道菌群,而BBR作為一種從中藥中提取出的生物活性成分單體,在調節腸道菌群、治療疾病方面已經展現出了巨大應用前景,而且其較高的生物活性也使其具有在食品方面的潛在創新價值,即可以應用于功能食品和膳食補充劑的研究與開發,與藥物不同,膳食補充劑的成分是確定且有效的無毒量,可以通過預防、管理或治療一些慢性疾病來調理機體狀態[5]。綜上,本文總結了BBR對腸道菌群的影響,并深入挖掘了其通過調節腸道菌群所發揮的藥用價值,以期為后續探究其更多藥理作用與擴大應用范圍奠定基礎。

1 小檗堿概述

小檗堿又稱黃連素(C20H18NO4),分子量336.37,熔點 145 ℃,為黃色針狀結晶,1830年經Buchner和Herberger首次發現,是中國傳統中藥黃連中的常見生物堿[6]。除此之外,BBR還廣泛分布于大戟科、毛茛科和罌粟科植物的根、根莖和莖中[7]。BBR作為一類非處方藥在臨床中常用于治療腹瀉和胃腸功能紊亂,但近年來現代藥理學研究證實,BBR這種多靶點的藥物除具有抗菌、抗病毒等作用外,還可應用于腫瘤、消化道疾病、心血管疾病、中樞神經系統疾病、糖尿病等諸多常見疾病[8-9]。正由于BBR的藥理作用十分豐富,且來源分布廣泛、成本低廉、副作用小,所以其具有較大“老藥新用”的潛在開發應用價值而成為當前研究熱點。

BBR臨床推廣和應用前景廣闊。結合祖國傳統醫學經驗和現代科學研究的不斷發展,研究人員采用不同的研究途徑對其機制和作用進行深入研究,其中以代謝疾病、中樞神經系統疾病、AMP依賴的蛋白激酶(Adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK)、NF-kappa-b信號通路和氧化應激作為前沿和熱點受到廣泛關注[10-11]。

圖1 小檗堿結構式

2 腸道菌群概述

在早期研究中,許多學者認為腸道微生物的作用大多與消化、營養有關,但隨著現代科學技術的發展,腸道菌群在維持人體健康中的重要程度也受到了更多的關注,人們的認知也不僅僅局限于其簡單的消化功能,目前腸道菌群對免疫系統的影響、調節體內的脂肪儲存、與代謝極大的相關性甚至可以被當作靶點應用于代謝性疾病的防控等新發現不斷被挖掘[12-14]。

研究發現,腸道內壁是人體和外界環境接觸面積最大的部位,腸道菌群這個龐大體系附著在內壁上的黏膜層上,就像是機體的守護神,與宿主互惠共生。Sender等[15]提出正常人體細胞總數高達3.0×1013、腸道菌數量約為3.8×1013,比例約為1∶1,可見腸道菌數量近似于人體細胞的總量。不僅如此,腸道菌群的種類也有很多,包括類桿菌屬、優桿菌屬、雙歧桿菌屬等專性厭氧菌的優勢菌群,以及大腸桿菌、鏈球菌等需氧菌或兼性厭氧菌的次要菌群,其中就包括一些具有潛在致病性的細菌,當長期保持不良飲食習慣、持續使用某種藥物或是年齡的增長等某些因素使得腸內環境受到影響時,優勢菌群就可能會發生替換,導致致病菌在腸道內大量增殖,造成腸道菌群失調,進而對機體的代謝、活動及免疫等多方面造成不利影響[16-17]。

中藥單體制劑BBR就可以通過抑制這些細菌并產生活性代謝物來調節恢復腸道內正常的微生物平衡。研究認為,BBR作為一種臨床上的廣譜抗菌藥,可以與腸道微生物生態系統相互作用,有學者發現其可以通過促進腸道細菌產生短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)等生物學物質來為宿主提供能量以及為腸道菌群生長繁殖提供營養物質[18],也可以通過提高血漿和糞便中的丁酸鹽和硝基還原酶(nitroreductase,NRs)的豐度來進一步調控腸道菌群[19]。

3 小檗堿調控腸道菌群的作用研究

3.1 改變腸道原有菌群結構

BBR調節腸道菌群最常見的途徑就是在一定程度上改變腸道內原有的優勢菌種來協調微生態平衡。潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC)是人體結腸黏膜或者是粘膜下層的一種炎癥,而腸道菌群失調是炎癥性腸病的潛在發病機制之一。Liao等[20]以硫酸葡聚糖鈉(dextran sulfate sodium,DSS)誘導大鼠建立UC模型,給藥后發現,BBR能通過增加乳酸產生菌和糖水解菌以及減少條件致病菌來調節腸道菌群,改善氨基酸的代謝和生物合成、DNA復制和修復能力、碳水化合物的消化和吸收以及糖酵解或糖異生作用,并展現了腸道微生物群作為診斷性生物標志物或UC治療的治療靶點的潛力。另有發現腸道菌群紊亂可能腸易怒綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)的起始動因。有學者動物實驗后表明,BBR的抑菌作用,可以調節IBS大鼠腸道乳桿菌科細菌、腸桿菌科細菌的比例,降低菌群多樣性,給藥劑量100 mg/kg相較于25 mg/kg抑菌作用顯著增強,即劑量相關性明顯[21]。事實上,小檗堿的劑量相關性在目前的研究中已受較多關注,有研究指出,口服BBR過量(4 g以上)會產生胃腸道反應和輕微的腎炎[22],所以其臨床上的應用劑量必須要經過嚴格的安全性評估。

目前已有實驗發現BBR可改善由于腸道菌群失調間接導致的非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD),如Li等[23]、齊雙翡[24]實驗發現每日給藥150 mg/kg的BBR可降低高脂飲食(high-fat diet,HFD)大鼠的普拉梭桿菌、糞桿菌水平,上調擬桿菌水平,改善腸屏障功能。另腸內毛螺旋科和S24-7科中菌屬的生長受到抑制也對NAFLD有益。非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis,NASH)亦是如此。Cao等[25]探究了BBR對HFD誘發的NASH的影響后發現,每日200 mg/kg的給藥組腸道細菌中雙歧桿菌相對水平、擬桿菌門/厚壁菌門比值均得到恢復。BBR也可以通過調節腸道菌群平衡來緩解慢性或急性肝損傷來發揮保肝作用。也有學者認為,BBR可以改善糞便微生物群落移植所造成的受體大鼠腸道菌群失調癥狀,降低急性肝毒性[26]。以上研究提示,BBR具有改善由腸道微生態失衡所致肝部病變的生物活性,未來的研究可以此為基深入探究。

同受影響的還有代謝性疾病,如糖尿病。熊紅萍等[27]實驗顯示,每日三次500 mg/kg給藥BBR干預的2型糖尿病(diabetes mellitus,type 2,T2DM)患者治療前厚壁菌門明顯高于治療后,進而推測BBR是通過對腸道菌群紊亂的糾正來改善糖代謝紊亂。另有Ming等[28]通過對高血糖人群進行隨機對照試驗,首次確定了雙歧桿菌和BBR對糖尿病前期或糖尿病患者的降糖效果和安全性,也為BBR和雙歧桿菌治療糖尿病提供了數據支持。實際上,已有文獻報道腸道微生物可成為BBR治療胰島素抵抗相關T2DM的新靶點[29]。賀婭莎[30]經實驗發現每日200 mg/kg的BBR干預可以顯著改善宿主腸道菌群結構,增加T2DM模型大鼠腸內的乳酸菌屬、雙歧菌屬豐度,同時也對降低大腸桿菌屬豐度起到了重要作用,維持腸內的微生態平衡。同時胰島素抵抗也是多囊卵巢綜合征(polycystic ovarian syndrome,PCOS)的發病基礎。有研究認為,BBR可能通過調節PCOS患者的腸道菌群乳酸菌、瘤胃球菌屬、梭狀芽胞桿菌和普氏菌屬的比例來改善胰島素抵抗,從而治療PCOS[31-32]。經由以上文獻的發現,有理由認為機體的代謝異常多與腸道微生態環境相關,即腸道菌群可成為一般代謝類疾病的治療靶點。

BBR通過腸道微生物群的調節也對HFD所誘導的動脈粥樣硬化具有一定程度的修復作用,有研究表明,BBR可以有效提升腸道微生物特別是艾克曼菌的豐度,可助于抗動脈粥樣硬化[33]。因此,且該發現進一步驗證了通過操縱腸道微生物治療動脈粥樣硬化的治療價值。

慢性應激和抑郁癥由于缺乏臨床有效藥物而成為目前極具挑戰性的疾病之一。但也有研究人員發現,每日給藥200 mg/kg的BBR能通過改變胃腸道菌群分布顯著保護大鼠免受各種慢性應激和抑郁癥狀的影響,極具促經臨床治療的潛力[34]。另每日給藥BBR量100 mg/kg可對萬古霉素治療后的難辨梭狀芽胞桿菌感染(Clostridium difficile infection,CDI)復發具有顯著改善作用,通過抑制腸桿菌科細菌的擴張,抵消萬古霉素治療的副作用,以促進腸道菌群的恢復[35]。以上研究拓寬了BBR單體的應用范圍,并為未來新型BBR藥物的開發提供了新思路。

3.2 產生生物活性物質

BBR單體發揮調節腸道菌群的作用除改變腸道菌群的原有結構外,通過其代謝所產生的生物活性物質進行調節也是方式之一。丁酸鹽、短鏈脂肪酸及硝基還原酶是其常見的具有活性的代謝產物。下文將以三種代謝物質進行展開,深入剖析其對腸道菌群的調節作用。

3.2.1 產生丁酸鹽 BBR單體經腸道菌群的代謝可產生丁酸鹽,在人體中具有抗炎、免疫調節的生理功能,同時也是BBR發揮抗炎等藥理活性的重要指標。Yue等[36]研究表明每日給藥200 mg/kg BBR的14 d后,CIA大鼠腸道菌群中變形桿菌的指標顯著下降,腸道菌群中產生丁酸鹽的菌屬及丁酰輔酶A和乙酰輔酶A轉移酶(BUT)的活性均有顯著提升,從而成為類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis,RA)的治療劑。另外,也有不少學者通過定量丁酸鹽的生成,深入探求了BBR調節腸道微生態平衡發揮的治療價值。如,經連續灌胃給藥7周120 mg/kg/d BBR的實驗性牙周炎去卵巢(ovariectomized,OVX)模型大鼠,相較其他組而言,其腸道微生物區系含量更高,丁酸生成率更高,可由此治療雌激素缺乏而加重的牙周骨喪失[37]。Wang等[38]的研究表明,口服BBR可通過抑制細菌ATP和NADH的水平,導致丁基輔酶A增加并最終通過上調細菌中磷酸丁基基酶/丁酸激酶和丁基輔酶A:醋酸輔酶A轉移酶來提高丁酸鹽的產生。

3.2.2 產生短鏈脂肪酸 越來越多的證據表明,腸道菌群是介導肥胖相關代謝紊亂發展的重要因素。Zhang等[39]通過分析134個與肥胖表型變化有著密切聯系的操作分類單元(Operational Taxonomic Unit,OTUs)后發現,BBR和二甲雙胍可明顯降低134個OTU中的60個OTU,增加SCFA產生菌的數量并降低微生物的多樣性來調節HFD引起的腸道菌群結構改變,且給藥量200 mg/kg對體重增加的負性作用高于給藥量100 mg/kg,存在一定程度的劑量依賴性。

經由BBR調控生成的SCFA可通過降低腸道pH,減少有毒代謝產物的生成來改變腸道菌群結構進而調節機體代謝,是BBR調控腸道菌群的另一種方式。也有研究認為,BBR可以通過抑制腸內疣微菌門、艾克曼菌屬的數量,提升SCFAs的產出,抑制結直腸癌(colorectal cancer,CRC)Apc min/+小鼠的腸腫瘤生長[40]。另有學者認為BBR也可能通過調節微生物-內臟-腦軸來改善HFD引起的代謝紊亂[41]。

3.2.3 產生硝基還原酶 NRs是一種能夠還原含氮化合物的細菌酶。有學者研究認為,腸道細菌NRs是促進BBR腸道吸收的關鍵因素,腸內NRs產生菌數量的增加和腸內NRs產生菌活性的增加是HFD法提高糞便NRs的主要原因,而糞便NRs活性可作為使用BBR治療高脂血癥的生物標志物[42],以上文獻同時也提供了BBR個性化治療高脂血癥的新思路。

3.3 抑制或激活相關信號通路

BBR的攝取可以增加某些腸道菌群來激活某些信號通路來發揮保肝作用。在肝臟中,前體膽固醇被代謝成膽汁酸(bile acid,BAs),即膽汁的重要組成成分,隨膽汁進入腸道,在脂質的消化吸收及膽固醇的穩態代謝中扮演著重要角色。據研究報道,BBR可以直接減少梭狀芽胞桿菌等表達膽鹽水解酶(bile salt hydrolase,BSH)的細菌來導致牛磺膽酸(taurocholate acid,TCA)的積累,激活法尼酯衍生物X受體(farnesoid X receptor,FXR)信號繼而介導膽汁酸、脂質和葡萄糖的代謝[43]。另有研究認為,BBR在改善膽汁酸代謝及相關基因的同時,也增加了小鼠腸內的擬桿菌的數量[44]。由此提示,經由影響腸道菌群而激活或抑制某些信號通路來治療疾病可成為下一步BBR的研究重點。

高脂高糖的飲食習慣很容易引起腸道菌群的結構改變[45],大量的體內外試驗證實,高脂高糖飲食的習慣會改變原有的腸道菌群結構,會給予某些細菌特定的選擇性生長優勢進而替換原有的優勢菌群[46-48],例如長時間高脂高糖的飲食習慣很容易導致機體對胰島素的不敏感,進而產生胰島素抵抗。研究發現,長時間的HFD通過減少雙歧桿菌等保護性細菌和增加大腸桿菌等革蘭氏陰性菌來改變腸道菌群的組成,而BBR可以通過調節腸道菌群并抑制脂多糖/Toll樣受體4/腫瘤壞死因子-α信號通路來改善胰島素抵抗[49]。而對于此類的腸道菌群失調,現有的大多數研究證明,BBR對腸道菌群的調節潛力或對高脂高糖飲食習慣所導致的肥胖、糖脂代謝紊亂等癥狀存在一定程度的治療作用。并且隨著現代人生活水平的不斷提高,肥胖等相關的代謝類疾病也越來越普遍,所以通過BBR調節患者腸道菌群結構有望成為治療該類疾病的常用途徑。

另有學者發現BBR對梭桿菌、鏈球菌、腸球菌等條件致病菌的抑制作用也可以阻斷腫瘤相關通路的激活,降低腫瘤風險,防止腸腫瘤的發生[50]。

4 結論

腸道微生物群不僅可以在正常情況下參與機體的一系列生命活動,也在許多疾病的發病機制中產生重要作用,即當機體的這種平衡被打破,腸道菌群失調,進而參與疾病的發生發展。隨著科研人員對此重視程度的不斷提高,腸道菌群現已成為治療某些疾病的潛在靶點。BBR作為一種較為常用的傳統中藥活性成分,具有調控腸道菌群維持體內微生物平衡的較高藥理活性。近年來,許多研究人員對BBR對腸道菌群的調控及其對機體的影響進行更為深入的研究,為實現BBR進一步的挖掘開發提供理論與數據上的支持,但仍有許多問題亟待解決,比如現有的一些BBR調節腸道菌群的新用途尚未完全明確,大部分仍停留在實驗階段,是否可以真正用于臨床治療也缺乏進一步的醫學驗證。此外,BBR為草藥中的一種有效單體可否應用于除醫藥領域外的食品方面也值得探究,在歐洲國家BBR已應用于糖尿病、血脂異常、腫瘤患者和心血管疾病絕對風險較低的年輕人的膳食補充劑中[51-52],但其鮮見于國內,特別是在國內嚴查其在保健食品中的濫用情況下,對其研究必須對潛在副作用進行新的準確的安全審查和評估,因此BBR單體作為膳食補充劑在我國仍具有較大的發展空間。