中藥有效成分通過調節腸道菌群及代謝物組成影響相關疾病治療作用概述

劉俊希，王舒，魏禎，梁軍，夏永剛

(黑龍江中醫藥大學 教育部北藥基礎與應用研究重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040)

腸道菌群是生活在胃腸道內的一群規模龐大、種類繁多的大型微生物群落。它們是寄生在胃腸道(GI)表面的腸道微生物菌群，能夠維持腸道內穩態、參與宿主的代謝和各種關鍵生理活動，影響著人類的健康和疾病。其類群包含細菌、真核生物、病毒，甚至是古生菌，其豐度可達100萬億之多[1]。據報道，人體腸道菌群有50多個菌門，主要包括：厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、梭桿菌門、放線菌門和疣微菌門等[2]。由于它們的高豐度和重要作用，腸道菌群被稱為我們的第二基因組。同時，人體和腸道菌群共同產生一系列代謝物能夠在人體細胞和腸道菌群之間傳遞信息，從而輔助食品和藥物實現對人體有益或有害影響。腸道微生物菌群的組成受到遺傳和環境因素的雙重影響[3]，其中后者比前者更重要。研究發現腸道微生物菌群的調節能量收集功能與脂肪代謝、糖尿病、腸道炎癥、心腦功能、免疫功能和腫瘤發生等疾病過程均呈現很強的相關性。近年來，大量的研究指出腸道微生物群的失調會增加有害代謝產物的數量，是許多疾病的病因，并且發現大多數豐度上調的腸道菌群都是革蘭氏陰性菌[4]。臨床上建議直接對腸道菌群進行操作，如通過糞便菌群移植來治療腸道菌群紊亂引起的疾病，然而，人體的腸道菌群是高度個性化的，對于采用糞菌移植(FMT)治療的患者很難制定準確的個性化醫療策略[5]。此外，腸道微生物可以通過合成和釋放一系列酶來代謝藥物。這些酶的代謝能力是如此之強，以至于腸道菌群被認為是一個代謝潛能超過肝臟的器官。

大量研究報告指出，中藥對腸道菌群的組成和代謝具有重大影響。腸道微生物可以釋放信號物質，促進宿主消化、免疫、代謝和神經生物學功能的發展和維持，因此，有望將這些信號物質轉化為藥物[6]。目前，腸道微生物已成為探索中藥治療疾病機制和方法的新前沿。腸道微生物可以代謝腸道內容物，在胃腸道中產生多種代謝產物，如短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)、維生素、次級膽鹽等。腸道菌群通過與宿主的相互影響最終作用于目標器官，從而調節宿主的穩態和疾病的發生。鑒于腸道菌群在中藥治療作用中的關鍵作用，引起了更多的中醫藥領域的研究者開始關注腸道菌群，為探尋中醫藥作用機制提供了多元化的信息。中藥的一些未知的機制可能在治療過程中發揮重要作用。人類共生菌群的作用有可能解釋這些過程背后的過程，并幫助我們深入了解中藥的作用機制。因此，研究中藥與腸道菌群的相互作用可能是闡明中藥生物活性機制的有效策略。

1 中藥有效成分對腸道菌群及其代謝物的影響

1.1 中藥對腸道菌群的直接作用研究

腸道菌群是建立在人體與外界環境之間的橋梁，維持著宿主免疫系統與代謝系統之間復雜的相互作用，介導各種藥物，特別是直接影響中藥的治療效果。腸道微生物可以通過將中藥成分代謝成分子來影響生物利用度和功效增加或減少，從而改變中藥活性成分的循環強度。同時，中藥可能會改變腸道菌群的組成，從而改善身體的整體功能，通過增強有益細菌或抑制有害細菌來間接改善疾病。

中藥來源于自然界，可能來自真菌、礦物質和動物，但大多數中藥均是來自天然植物。許多天然植物的天然化合物表現出較低的生物利用度[7]。例如，在中藥中普遍存在的一類化合物多酚的生物利用度通常小于10%[8]。人參主要活性成分的生物利用度與人參皂苷的生物利用度相似，三七的生物利用度可低至0.1%。中藥口服給藥后，由于生物利用度低，很難從西藥的角度來解釋這些藥物的藥效，但這些化合物可以很容易地通過小腸到達結腸。微生物學研究表明這些未被吸收的化合物將不可避免地與腸道菌群接觸，直接發生相互作用，因此增加了腸道菌群的多樣性，豐富了潛在有益菌群，抑制了潛在有害菌群，最終實現調節腸道內穩態，恢復其微生物群組成，改善腸道菌群功能障礙及相關的病理條件[9]。腸道菌群用于中醫療效的觀察越來越被視為新的研究熱點。中醫藥對腸道菌群在疾病狀態中的調節作用，可以引起腸道代謝酶的變化，從而影響中藥成分在體內的代謝特性和藥理活性[10]。腸道微生物特異性酶是了解中醫個體化精準用藥的重要因素。腸道微生物群的整體影響是由單個細菌完成的。不同的細菌對宿主的健康有不同的影響。例如，乳酸菌和雙歧桿菌等益生菌成員在維持宿主代謝、緩解炎癥和防止病原體入侵等方面都很有效；SCFAs產生菌有助于許多藥物的抗糖尿病、抗炎和抗癌作用；而桿菌屬,丁酸菌屬,擬桿菌屬含有多種可能導致炎癥、腸道結腸炎和代謝性疾病的條件致病菌[11]。腸道菌群失調表現為優勢菌屬的改變，包括梭菌屬和腸球菌科，以及健康個體中作為微生物群重要組成部分的關鍵菌屬的丟失，如普雷沃氏菌科和瘤胃球菌科，研究表明它們會產生短鏈脂肪酸。同樣中藥化合物也可以被腸道微生物群轉化(I型代謝物)或代謝為新骨干的其他類型代謝物(Ⅲ型代謝物)。轉化中藥化合物的反應包括苷水解酶、氧化、還原、異構化、酯水解、重排、酯化、分子內環化和縮合[12]。與前體相比，這些轉化代謝產物可能表現出不同的生物活性和生物利用度。例如，腸道微生物可以將甘草酸水解為18b-甘草酸，這種化合物比甘草酸更容易被吸收[13]。

1.2 中藥對腸道菌群代謝物的間接作用研究

腸道微生物已成為評價人體腸道穩態和疾病發展的重要途徑，它可以代謝各種食物和藥物分子并產生一系列代謝物(如短鏈脂肪酸、吲哚衍生物、多胺等)，直接調節腸道內穩態和疾病進展，例如有研究已發現代謝物在維持宿主止血和疾病恢復均有一定的作用[14]。中藥作為短鏈脂肪酸生產的重要資源提供者，能夠間接調節腸道菌群穩態，這可能是中藥治療疾病的眾多潛在因素之一[15]。

短鏈脂肪酸作為一種飽和脂肪酸是中藥在體內合成的初始代謝產物，主鏈為1～6個碳，是潛在有益細菌發酵多糖或寡糖的主要最終產物[16]，因此受到了中藥研究領域的廣泛關注。短鏈脂肪酸是膳食纖維和其他不可消化碳水化合物在結腸發酵過程中產生的主要腸道微生物代謝產物，其中乙酸、丙酸和丁酸的含量最為豐富，而甲酸、戊酸、己酸等構成剩余的SCFAs。丙酮酸通過乙酰輔酶A可由多種腸道細菌產生乙酸，如嗜黏蛋白-艾克曼菌屬、擬桿菌屬、雙歧桿菌屬、普雷沃菌屬和瘤胃球菌屬，此外，布勞特氏菌屬也可通過厭氧乙酰輔酶A途徑合成乙酸[17]。丙酸主要由擬桿菌門和一些屬于厚壁菌綱的厚壁菌門通過琥珀酸途徑形成，如考拉桿菌屬、小桿菌屬和殊異韋榮球菌[18]。丁酸由幾種厚壁菌門通過丁酰輔酶A脫氫酶：乙酸CoA-轉移酶路徑或磷酸轉乙酰酶/丁酸激酶途徑合成，主要有普拉氏菌、羅氏菌屬和霍氏真桿菌[19]。大腸中SCFAs的摩爾比和含量受多種因素的影響，包括但不限于腸道菌群的菌株和數量、底物來源、宿主基因型和腸道轉運時間。對于中藥來說也含有許多碳水化合物，可以用來生產SCFAs。它們包含兩種獨特的化合物，可以代謝成SCFAs，一種是含有糖基的糖苷，可以被腸道微生物代謝，另一種是碳水化合物，如果膠、樹脂和纖維。大多數中藥都是由天然植物的全部提取物制成的，植物中普遍存在碳水化合物和糖苷，除了少數只含有一種或幾種特定化合物的中藥外，大多數口服中藥含有碳水化合物和糖苷，因此中藥可以自然地作為腸道微生物產生SCFAs的資源提供者。短鏈脂肪酸主要是在大腸中由腸道微生物菌群發酵的植物源碳水化合物產生的，這些碳水化合物在小腸中沒有被消化和吸收，其中含有支鏈氨基酸的膳食蛋白質和多肽可以代謝為短鏈脂肪酸，但它們通常代謝為2-甲基丁酸、異丁酸和異戊酸等支鏈脂肪酸。人體不能產生催化碳水化合物發酵的酶，而腸道微生物可以分泌一系列酶，如丙酸-輔酶A轉移酶和丙醛脫水酶，將碳水化合物代謝為SCFAs[20]。

2 中藥有效成分及復方對腸道菌群及其代謝物的調節作用

2.1 中藥多糖的調節腸道菌群功能

化學成分是各種中藥發揮藥理作用并與腸道菌群相互作用的重要基礎。各中藥對腸道菌群的調節作用與其活性成分密切相關。中藥含有多種類型化合物，口服后不可避免地會與腸道菌群接觸后相互作用。研究證明中藥可以調節腸道菌群組成及代謝，從而達到治療效果。腸道不再僅僅被視為一個消化器官，它也被視為一個代謝和免疫調節器官。纖維、多酚和多糖的主要成分在中藥和功能性食品中都有大量的存在。此外，它們的多成分、多靶點、多途徑作用是眾所周知的，能夠滿足腸道-器官相互作用的復雜系統。其中多糖不僅能夠代謝產生高水平的SCFAs，在臨床應用還可調控代謝綜合征及免疫功能實現良好的治療效果。例如，猴頭菌菌絲多糖通過提高SCFAs水平,調節腸道菌群組成,抑制GPR41和GPR43的表達來改善UC大鼠[21]。靈芝多糖的研究發現其生物活性效應中的關鍵作用，可能是通過調節腸道菌群來實現的，并且提高了大鼠腸道SCFAs和分泌免疫球蛋白a的濃度[22]。玉竹多糖通過提高相關細菌豐度促進SCFAs的產生，使高脂飼料喂養的大鼠腸道菌群紊亂模型的組成恢復到正常水平，直接改善相關的肥胖參數[23]。冬蟲夏草多糖能夠調節腸道微生物豐度，顯著提升丁酸含量，不僅通過改善組蛋白H3乙酰化水平介導調節T(Treg)細胞特異性Foxp3，還可顯著降低因環磷酰胺誘導下激增的小鼠IL-17和IL-21水平[22]。XIE等[24]使用含靈芝多糖的特制飼料對DSS誘導的UC大鼠進行治療，發現攝入靈芝多糖對腸道菌群有明顯調節作用，可增加SCFAs的產生菌，減少大腸桿菌并調節炎癥相關基因。張春江等[25]使用0.5 g/mL生藥量的黨參多糖對葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的急性UC小鼠進行干預21d，結果黨參多糖明顯改善了模型小鼠結腸組織的結構損傷，發揮了抗炎效果，并且可以作為潛在益生元，促進雙歧桿菌屬、乳桿菌屬等常見益生菌的增殖作用，同時，發現黨參多糖處理組中普氏菌屬、糞桿菌屬、罕見小球菌屬等7種菌屬的變化與改善SCFAs的產生相關，SCFAs的富集作用能直接反應腸黏膜屏障的通透性這一特性，因此菌群的變化與疾病的病程及活躍度密切相關，表明黨參多糖具有改善腸道微生態從而調節腸道異常病理狀態的能力。

2.2 中藥多酚的調節腸道菌群功能

CHOI等[26]也報道了白皮杉醇通過抑制細胞外信號調節激酶(ERK)的轉錄激活因子3和磷酸化抑制NF-kB通路，對于葡聚糖硫酸鈉(DSS)造成的小鼠結腸炎模型具有改善作用。同樣，白藜蘆醇及其衍生物通過改善腸屏障受損、腸道微生物失衡和多種炎癥信號通路(如NF-kB)來減輕炎癥性腸病(IBD)的作用，抑制活性UC患者炎癥因子的表達和NF-kB的激活。白藜蘆醇可以被代謝成微生物代謝物，在腸道微生物群的作用下，能夠找到比白藜蘆醇有更高生物活性的代謝產物。采用相關的細胞和動物實驗已證明白藜蘆醇及其衍生物可以增加腸道微生物的多樣性，控制細菌的轉移，促進有益菌如梭狀芽孢桿和雙歧桿菌的增長。糞菌移植(FMT)作為一種改善腸道微生物失衡紊亂的方法，存在很大的不確定性，而且很難確定風險的來源[27]。相比之下，白藜蘆醇作為一種中草藥成分，其來源相對廣泛，毒副作用較FMT小，可以為有益的共生(或移植)微生物(如乳酸菌、雙歧桿菌)提供最好的原料，這在短期內會對腸道菌群組成產生重大影響。這一介導腸道菌群的變化為中藥的部分治療作用提供了依據。

2.3 中藥生物堿的調節腸道菌群功能

氧化苦參堿(OMT)是從中草藥苦參的根莖中提取的天然活性物質-喹喔啉生物堿,具有多種藥理作用[28]。研究結果表明氧化苦參堿可增加DSS誘導的UC小鼠模型中擬桿菌門的相對豐度[28]，減少厚壁菌門、梭菌屬、糞芽孢菌屬、嗜鹽桿菌、副擬桿菌、帕拉普氏菌屬、瘤胃球菌屬及葡萄球菌屬的相對豐度。同樣相似的小檗堿(BBR)是從黃連和黃檗中分離出來的一種生物堿，具有多種生物學功能，目前用于治療腹瀉、胃腸炎、糖尿病、高脂血癥、心血管疾病和潰瘍性結腸炎[29]。CUI等[29]研究發現BBR處理可以改善葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導的UC小鼠模型中的Treg/Th17平衡。BBR還下調了腸道菌群的多樣性，并干擾了脫硫弧菌屬，真桿菌屬和擬桿菌屬的相對豐度。研究結果還表明，經BBR處理的小鼠的糞便移植可以緩解UC并調節Treg/Th17平衡。

2.4 中藥復方的調節腸道菌群功能

葛根芩連湯(GQD)是由黃連、黃芩、葛根、知母、人參、赤芍、姜7味中藥組成的中藥方劑。研究已經證明GQD可以有效地用于預防和治療糖尿病，可能是通過誘導腸道微生物群的改變及促進有益的菌群的增殖，例如糞桿菌屬、雙歧桿菌屬和芽殖桿菌屬等[30]。大黃牡丹湯主要由大黃、牡丹皮、桃仁、芒硝、冬瓜仁組成，具有瀉熱逐瘀，散結消癰之功。LUO等[31]研究發現大黃牡丹湯可增加DSS誘導的UC小鼠腸道厚壁菌門及放線菌門的相對豐度，而減少變形菌門及擬桿菌門的相對豐度。此外，大黃牡丹湯還可增加SCFAs的含量及Treg/Th17的比例。張燕等[32]采用鹽酸林可霉素制備腸道菌群失調及黏膜損傷的小鼠模型，發現通過加味四君子湯干預治療后，明顯改善了小鼠的腸道菌群紊亂狀況，上調了乳酸桿菌、雙歧桿菌、腸桿菌的豐度，下調了糞球菌、類桿菌豐度，同時腸道的通透性、細菌易位以及腸黏膜的屏障功能均得到了改善。

3 中藥通過腸道菌群調節各種疾病

隨著研究技術的飛速發展，基因組測序技術(16S rRNA和宏基因組學)、生物信息學和培養基因組學的逐漸成熟，使得腸道微生物群作為一個“被遺忘的器官”及其在宿主健康和疾病中的關鍵作用機制有了突破性發現。在人類腸道微生物群中擁有影響人類生理病理的功能基因和代謝產物。腸道菌群通過宿主-菌群代謝、信號轉導和免疫-炎癥軸作用于腸道、心、肝、肺、腦等。鑒于臨床已經證明腸道微生物群的破壞與帕金森病、過敏、心血管疾病、非酒精性脂肪性肝病、2型糖尿病和肥胖的發病率密切相關。目前，控制腸道菌群的治療方法越來越受到重視。通過不同的藥物來恢復腸道微生物群落，對于具有同樣發生腸道失調的不同疾病會有較滿意的治療效果，腸道菌群的變化與臨床治療的這種密切相關性暗示了其有望成為中藥藥理作用的潛在指標。

3.1 心腦血管疾病

近年來，越來越多的研究人員開始關注腸道菌群和心血管病的相互作用。中藥的主要成分如纖維和多糖可以發酵轉化為短鏈脂肪酸，這已被證明對治療心血管代謝疾病(cardiometabolic diseases，CMDs)有益。可以預見腸道菌群與心血管疾病CVD(包括血栓形成、動脈硬化、心肌梗死、腦卒中)密切相關[33]。此外，腸道微環境的異常被發現會擴大情緒障礙，因此，提出了腸腦軸；大多數處方和草藥已被證明通過增加SCFA產生菌的豐度來改善能量代謝和胰島素抵抗，同時誘導胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的分泌來調節腸-腦軸[34]。在重度抑郁癥中，慢性或急性應激會擾亂腸道菌群和腸道上皮結構的豐度和分布。應激刺激下丘腦-垂體-腎上腺軸(The hypothalamic-pituitary-adrenal axis，HPA)，誘導促腎上腺皮質激素釋放因子(corticotrophin-releasing factor,CRF)分泌，增強腸道上皮屏障的通透性，提高病原體進入循環的可能性。此外，CRF導致腸道菌群組成異常，從而誘導脂多糖(LPS)等病原體的產生。LPS會加重腸道炎癥，促炎細胞因子會過度表達。隨著腸道屏障的中斷，LPS和促炎細胞因子更容易進入血液并穿過血腦屏障，導致中樞神經元炎癥加劇。隨后，促炎細胞因子刺激HPA軸，導致海馬神經元萎縮。外周系統的障礙也可能導致中樞神經系統功能障礙。逍遙散能夠降低了慢性不可預見性動物應激模型(CUMS)誘導的抑郁樣大鼠糞便中普雷沃菌科、脫硫弧菌屬的豐度，增加了瘤胃球菌科的豐度。根據這些細菌的功能，估計逍遙散可能通過降低腸道通透性、腸道炎癥和炎癥因子的釋放來改善大鼠的抑郁樣行為[35]。

3.2 呼吸系統疾病

中藥通過對腸道菌群的作用可以直接影響呼吸系統疾病的病程[36]，研究者在對慢性阻塞性肺病(COPD)的治療過程中發現患者常伴有不同程度的陽明腑實證，熱邪與腸中糟粕相結合，為腸內潛在的致病菌創造了有利的繁殖環境，大量生成的致病菌破壞了腸道內菌群的平衡狀態，同時產生大量腸源性內毒素及炎癥遞質進入血液循環系統，侵入肺部出現不同程度的炎癥反應損害肺組織[37]。通過該致病途徑，在治療上需使用瀉下藥并配合清熱解毒藥攻下腸中積滯的糟粕、并降解腸內毒素抑制炎癥反應的發生，解除腸道麻痹，逐漸恢復腸道功能及腸道菌群穩態，抑制有害細菌的再度增殖，從病源方面阻止對肺組織的損害。洪秀芳等[38]采用玉屏風散治療COPD緩解期患者，發現玉屏風散能夠明顯改善患者的臨床癥狀和免疫功能，有效干預病程發展，提高患者的生活質量。因此,玉屏風散能夠補肺健脾，益氣固表，扶正祛邪的作用機理可能在于通過提高患者機體的免疫力和修復力，改善COPD緩解期患者的呼吸系統通氣功能。

3.3 胃腸道疾病

中藥可以調節胃腸道的免疫系統，最終導致腸道菌群組成的變化。胃腸道免疫系統可以合成并釋放一系列具有調節腸道菌群組成能力的物質。龔夢鵑等[39]研究了藿香正氣口服液給予濕困脾胃證大鼠后對腸道菌群的影響，通過16S rRNA高通量測序技術鑒定出了17種與濕困脾胃證相關的菌屬，證明了藿香正氣口服液對其中的5種菌屬產生有效的調節作用，闡釋了藿香正氣口服液可以通過促進有益菌和抑制致病菌的生長來治療濕困脾胃證。TRIANTAFILLIDIS等[40]針對綠茶、三七等55種中藥對腸炎的藥效作用進行總結，得出中藥改善腸炎的關鍵機制同樣是通過調節腸道菌群組成。GUO等[41]對紅參和薏苡仁的研究表明，紅參促進了有益菌乳桿菌的生長，抑制了大腸桿菌的生長，改善腸道菌群結構；薏苡仁可顯著增加腸道中乳桿菌和大腸桿菌的量，緩解潰瘍性結腸炎。

3.4 代謝性疾病

許多科學研究證實糖尿病與腸道微生物密切相關。研究人員發現，在糖尿病患者腸道菌群中，厚壁菌門相對豐度顯著增加，擬桿菌門相對豐度降低[42]。腸道菌群作為影響宿主健康的重要因素，健康人和糖尿病患者的腸道菌群組成和功能特征存在顯著差異，在糖尿病(DM)的發生發展中起著重要作用，其機制可能與內毒素過多、短鏈脂肪酸改變、膽汁酸代謝紊亂有關。黃芩(SB)通過增加細菌來源的膽汁鹽水解酶(BSH)的產生來調節膽汁酸(BAs)的代謝[43]。中醫藥治療糖尿病的歷史悠久，但其作用機制尚不清楚。近年來的研究表明，中藥可以通過重塑腸道菌群來改善糖代謝，這為進一步研究降糖機制開辟了新的途徑。多項研究表明，腸道微生物群參與胰島素信號、葡萄糖穩態和低級別炎癥[44]。治療糖尿病的中藥與調節腸道菌群密切相關，優化后的腸道菌群主要通過發揮抗炎、抗氧化作用，保護腸道屏障，抑制脂肪毒性來改善宿主的葡萄糖代謝。部分腸道菌群轉化的中藥化合物也可能參與肝臟代謝。細胞色素P450酶在肝臟中高度表達，部分腸道菌群轉化的中藥化合物可調節細胞色素P450酶的活性。例如，天然人參皂苷不能干擾人細胞色素P450酶的活性，但腸道微生物可以將人參皂苷代謝成代謝產物，從而抑制人細胞色素P450酶的活性[45]。因此，其他化合物的PK-PD也會受到影響。

4 結論與展望

綜上可知，中藥具有調節腸道菌群代謝的能力，腸道菌群亦可將中藥化合物代謝成不同活性的產物。可見，通過研究食物代謝物、宿主代謝物和中藥來源的代謝物，從中可以發現新藥。中藥干預治療后，腸道菌群的恢復與治療效果呈現相關性，借助腸道菌群組成變化分析也可以用來評價中藥的作用機制。因此，除了通過常規的方法進行疾病相關靶點篩選外，深入了解腸道菌群和中藥之間的相互作用能夠給中藥活性物質的發現帶來革命性的變化，在未來中藥開發過程中值得高度重視。研究的關鍵目標在于控制特定的菌種和靶向確定的微生物途徑來科學闡釋中藥藥效機制，促進微生物導向的中醫藥藥物發現。在本綜述中，我們系統地總結了中藥通過調節腸道菌群及其代謝物質組成的研究進展，為探尋從微生物角度闡釋中藥復雜的藥效作用機制提供更充分的理論依據。