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[转载]药物、天然化合物和污染物与肠道微生物群的多模式相互作用02

已有 603 次阅读 2022-8-23 17:37 |系统分类:博客资讯|文章来源:转载

异生素-细菌相互作用机制 人类队列和动物研究表明,异生素的摄入与微生物群组成和功能之间存在许多关联。然而,只有了解潜在机制才能在健康相关场景中应用这些发现,这需要在物种和菌株水平上进行深入调查。到目前为止,已经描述了六种主要的异生素-肠道菌互作模式,以下对其进行回顾(图3,4;表1)。 图3 异生素-肠道细菌相互作用。已知异生素与肠道微生物群之间的互作模式有六种:异生素抑制细菌生长,异生素促进细菌生长,天然细菌代谢对异生素的响应性变化,异生素对病毒组和细菌毒力的影响、细菌对异生素的代谢转化和生物蓄积。通过抑制或促进某些细菌物种的生长或干扰天然细菌代谢,异生素直接有助于塑造肠道微生物群的组成及其代谢功能。此外,肠道菌可以代谢或生物积累异生素,从而改变它们的活性或毒性。这种代谢或生物积累取决于肠道微生物群的组成,而产生的异生素代谢物反过来又会影响肠道微生物群的组成。所有互作都可能以各种组合形式发生,并且取决于肠道微生物群的组成。 表1 异生素-肠道细菌相互作用的例子 异生素的生长抑制。最常报道的互作模式是异生素抑制细菌生长。在一项大规模的体外实验中,144种抗生素中有78%显示出对40种测试肠道菌株中的至少1种的抗菌活性,其中许多是人类肠道的常见成员,如普通拟杆菌和单形拟杆菌。大多数抗生素影响了几种没有确定特异性模式的菌株。同一项研究发现,835种人类靶向药物中有24%对40种测试菌株中的至少一种具有活性。与抗生素相比,针对人类的药物对菌株的影响较少;与抗生素的广泛附带损害相比,这些药物的特定作用比较突出。这一发现表明,与可能仅是存在于特定菌株中的抗生素相比,人类靶向药物靶向细菌细胞内更具体的途径。然而,该研究发现人类靶向药物会影响体外筛选中包括的健康人类肠道中常见的几个微生物物种,这支持了队列研究中观察到的这些常见物种在微生物群落尺度的影响。例如,已证实二甲双胍通过抑制叶酸代谢来影响大肠杆菌的生长。此外,抗精神病药物氯丙嗪和抗抑郁药阿米替林可抑制由常见的细菌耐药介质ArcB 转运蛋白介导的外排。 与食物相关的异生素也可以抑制细菌生长。人造甜味剂三氯蔗糖、糖精和乙酰磺胺酸钾抑制了大肠杆菌菌株HB101和K-12的生长。此外,一项针对7种香料提取物(黑胡椒、辣椒、肉桂、生姜、牛至、迷迭香、姜黄)对88种细菌菌株的影响的体外研究发现,所有4种受试瘤胃球菌的生长和一些梭杆菌属和梭菌属物种的生长被至少部分测试香料抑制。 其他对肠道细菌生长有不利影响的食物污染物包括染料、霉菌毒素和持久性有机污染物。染料苏丹I、II、III、IV和对位红对11种测试的肠道菌株中的至少一种显示出生长抑制作用。最近的一项研究表明,链格孢属霉菌毒素的复杂提取物是有毒的真菌代谢物,能够抑制多种细菌菌株的生长,包括高丰度的普通拟杆菌菌株。此外,四种持久性有机污染物(2,3,7,8-四氯二苯并呋喃(TCDF)、2,3,7,8-四氯二苯并对二恶英(TCDD),多氯联苯PCB-123和PCB-156)在0.6和6 μM浓度下,对六种细菌菌株中的一种,即长双歧杆菌具有显著的生长抑制作用。这些例子表明,抑制肠道细菌生长可能是多种异生素的共同特征。 异生素促进生长。一项调查7种香料提取物对88种细菌菌株影响的体外研究发现,所有33 种测试的双歧杆菌和乳杆菌菌株的生长都受到至少一种香料提取物的促进。另一项研究发现,某些药物可能促进某些细菌物种的生长,例如孟鲁司特促进单形拟杆菌生长和洛哌丁胺促进乳酸乳球菌生长。后者是一个有趣的观察,因为洛哌丁胺用于治疗腹泻,而乳酸乳球菌是一种益生菌,有时会针对腹泻同时开这两种处方。一种链格孢属霉菌毒素的复杂提取物在低浓度(0.5 μg/mL)下也促进了粪拟杆菌和多形拟杆菌的生长。此外,发现持久性有机污染物 TCDD在6 μM浓度下会略微增加副干酪乳杆菌的生长。生长抑制比生长促进更常见:在375 种药物-细菌相互作用中,15种抑制生长,只有5种促进生长;在56种不同浓度的链格孢毒素-细菌互作中,17种在高(50 μg/mL)或低(0.5 μg/mL)浓度下表现出生长抑制作用,只有 2种在低浓度下表现出生长促进作用;在24种持久性有机污染物-细菌互作中,4种表现出生长抑制作用,1种表现出生长促进作用。也有综合评述表明不同的天然异生素或食品添加剂具有促进生长的作用。然而,大多数研究都是针对复杂的微生物群落进行的,这样很难评估单一物种的促生长效应。此外,对促进生长的机制的研究和理解也较少。一种可能的解释是异生素是细菌的营养来源。例如,肺炎克雷伯菌和弗格氏埃希氏菌已被证明使用抗生素氯霉素作为碳源。总而言之,异生素促进生长的报道少于抑制(图4),但当相关细菌对群落生态或功能至关重要时,这种促进作用可能在群落环境中发挥关键作用。 图4 在物种水平上研究的异生素-肠道细菌相互作用的概述。a,异生素的生长促进或生长抑制效应,以及对细菌毒力的作用。b,肠道细菌菌株的异生素生物转化或生物蓄积。与生长抑制效应和生物转化相比,对生长促进效应和异生素生物蓄积的评估是最近才开始的,因此研究资料较少。迄今为止的研究主要集中在抗生素和宿主靶向药物上,而其他异生素(如环境污染物)的研究资料不足。该图的信息是从系统筛选中编制的(补充表 2)。异生素类别旁边的数字表示每个类别中化合物的数量,而细菌门旁边的数字表示已通过实验证明了机制性异生素- 物种关系的细菌物种的数量。 通过异生素调节细菌天然代谢。除了影响生长之外,已证实一些异生素可以改变肠道细菌的代谢。尽管越来越多的证据强调了细菌代谢的重要性,但关于细菌代谢如何影响药物治疗和宿主健康的知识仍然有限。几项研究报告了使用异生素后粪便代谢组的变化,但只有极少数研究在单一菌株水平上对此进行了调查。关于二甲双胍作用机制的研究报告称,二甲双胍不仅影响细菌叶酸和蛋氨酸代谢,还改变了中枢途径,包括三羧酸循环的上调,糖酵解和精氨酸降解的下调。最近的一项研究对与抗抑郁药物度洛西汀一起孵育的六种细菌菌株进行了代谢物分析。其中,解糖梭菌、植物乳杆菌、大肠杆菌和乳酸乳杆菌的细胞外代谢物丰度发生显著变化。特别是解糖梭菌,观察到其外代谢组发生了很大变化,包括氨基酸和核苷酸相关途径的变化;代谢交叉喂养实验证明这些变化与微生物群落组成有关,例如直肠真杆菌的间接增加。除了药物之外,咖啡中发现的一种生物碱类天然异生素葫芦巴碱也显示出改变细菌代谢的潜力。弗氏柠檬酸杆菌与葫芦巴碱在富含胆碱的培养基中孵育显著降低了三甲胺的产生,三甲胺可在体内转化为促动脉粥样硬化代谢物三甲胺N-氧化物。总体而言,最近的研究提出了天然细菌代谢的调节是异生素-细菌互作的基本模式之一。 异生素对病毒组和毒力的影响。异生素对肠道病毒组和肠道细菌毒力的影响是近年来越来越受到关注的一种互作模式。肠道病毒组以噬菌体为主,噬菌体可以感染细菌,从而改变细菌丰度和其代谢。近期的一项研究表明,包括抗生素丝裂霉素、化疗药物氟达拉滨和心脏药物地高辛在内的几种药物会导致人类肠道细菌分离物中的原噬菌体诱导,这表明噬菌体介导的作用可能会改变肠道微生物群的组成。此外,已证实乳化剂羧甲基纤维素和聚山梨醇酯80通过直接诱导与粘附侵袭性大肠杆菌中的毒力相关基因(例如毒力因子鞭毛、1型菌毛和长极性菌毛)来促进慢性炎症。膳食海藻糖也可以增加艰难梭菌菌株RT027和RT078的致病严重程度和毒力,这可能是通过增加毒素产生实现的。此外,人工甜味剂糖精、三氯蔗糖和阿斯巴甜可增加模型肠道菌大肠杆菌NCTC10418和粪肠球菌ATCC19433在体外粘附、侵入和杀死宿主上皮的能力,这可能与增加病毒毒力因子的表达有关。这些例子证明了在研究异生素、肠道微生物群和宿主之间的关系时,不仅要考虑微生物组,还要考虑病毒组的重要性。 肠道细菌的异生素代谢。肠道细菌对药物的酶促修饰(生物转化或代谢)是一种长期已知且广泛认可的互作模式。最近一个众所周知的例子是心脏药物地高辛,它具有微生物群依赖性的疗效。体外和小鼠研究表明,只有特定的迟缓埃格特菌菌株,例如DSM2243,才能导致肠道中地高辛的失活,从而从机理上解释了微生物群组成如何影响患者之间地高辛疗效的差异。此外,化疗药物,如氟嘧啶类5-氟尿嘧啶或喜树碱,对宿主模式生物秀丽隐杆线虫具有不同的影响,这取决于它们的细菌饮食。例如,与喂食大肠杆菌BL21G的线虫相比,喂食大肠杆菌HB101的线虫的化疗药最低(对卵孵化)抑制浓度高出80倍(8 μM对0.1 μM),这表明微生物可以通过药物活化增强或抑制氟嘧啶的作用。其他微生物药物代谢的例子是癌症前药伊立替康的激活或癌症药物吉西他滨的失活。由于细菌β-葡萄糖醛酸酶在肠道中对药物的活化或再活化,伊立替康即使静脉内给药也会引起胃肠道毒性。另一方面,吉西他滨可被γ-变形杆菌灭活,其中大多数属于常见的肠杆菌科和变形杆菌科。 近期研究表明,肠道细菌的异生素转化非常普遍。一项针对271种药物筛选76种细菌菌株的体外研究发现,这些药物大约三分之二的水平被至少一种细菌菌株显著降低,并且每种菌株能够代谢11至95种药物。此外,本研究还鉴定并验证了30种微生物群编码酶,它们将20种药物转化为59种代谢物。人类肠道菌群落中这些酶的丰度部分解释了药物代谢能力的群落间差异。另一项使用个性化肠道微生物群培养的研究发现,28个药理学类别的438种筛选药物中有57种被肠菌群代谢,包括45种新描述的药物-微生物群相互作用。这些研究表明,肠道微生物群参与了一系列药物的代谢,通过确定个体的药物代谢能力,可以预测其对特定药物或疗法的反应。最近一项甲氨蝶呤(一种用于类风湿性关节炎的常用药物)疗效研究不仅证明了治疗前肠微生物群组成与对治疗的反应之间的相关性,而且还表明可以用机器学习方法从微生物群组成预测对甲氨蝶呤的反应。虽然已经在肠道细菌代谢的药物之间发现了一些化学相似性,例如酰胺、硝基、偶氮或脲基团,但迄今为止的数据集还不足以概括微生物群进行的化学转化类型。 与治疗药物类似,环境污染物也可能被肠道微生物群代谢,这可能会影响它们在宿主中的生物利用度或毒性。乳酸乳球菌、发酵乳杆菌和大肠杆菌的体外培养证明了这些菌株能在 15天内将杀虫剂毒死蜱分别降解至起始浓度的70%、61%和16%。有趣的是,这些菌株中的每一种都产生不同的代谢物,这表明微生物的毒死蜱降解可能涉及多个途径。 据报道,霉菌毒素也被肠道细菌生物转化。一项调查掩蔽霉菌毒素(即与糖、谷胱甘肽或硫酸盐结合的霉菌毒素)代谢的研究表明,这些毒素在人类粪便样本中被有效水解,这可能导致更高的霉菌毒素暴露,因为在肠道中未掩蔽的霉菌毒素的吸收更有效。另一项研究调查了14种不同细菌菌株代谢掩蔽霉菌毒素或降解游离霉菌毒素(即脱氧雪腐镰刀菌烯醇、T2和HT2毒素)的能力。几种细菌菌株具有这些代谢能力,包括人体肠道中含量丰富的青春双歧杆菌。 不同的染料,如苏丹红I、II、III、IV和对位红,也被肠道微生物群代谢。一项体外研究表明,35种测试细菌中的33种能够降解这些染料中的至少一种。这表明代谢这些类型染料的能力在人类肠道细菌物种中广泛传播。此外,近期一项研究表明,偶氮染料Red 40(世界上使用最广泛的食用色素之一)以一种微生物群依赖性方式加重了IL-23表达失调小鼠的结肠炎。常见的粪肠球菌和卵形拟杆菌可以在体外降解Red 40,并导致Red 40诱导的小鼠结肠炎。另一组常见的食品污染物是多环芳烃(PAH),其可在高温烹饪过程中产生。PAHs在人体中具有毒性、致癌和雌激素作用。肝脏中的细胞色素P450酶可以将PAH激活为更具活性的代谢物,这被认为是导致其致癌性的原因。此外,一项体外研究调查了人体肠道模拟系统中肠道微生物群对不同PAH的代谢能力。只有微生物消化的PAHs和未修饰的化合物显示出雌激素活性,表明肠道菌群也有助于PAHs在人体内的生物活化。 本节中的示例展示了肠道微生物群代谢多种化合物的潜力,这些代谢转化改变了化合物在宿主中的生物利用度、功效和毒性。 肠道细菌的异生素蓄积。肠道细菌对异生素的生物累积直到最近才受到重视。一项调查14种肠道菌株对链格孢属霉菌毒素复杂提取物影响的研究显示出这些霉菌毒素与细菌细胞颗粒结合的不同倾向。发现格链孢酚、alternariol monomethyl ethyl ether和altersetin不仅被许多细菌菌株显著消耗,而且还在细菌颗粒内积累。这种积累与这些化合物的亲脂性相关,并且在革兰氏阴性菌(如普通拟杆菌和多形拟杆菌)中更常见。另一项调查药物-细菌互作的研究发现,在药物被耗尽的29种相互作用中,有17种不是由细菌的生物转化引起,而是由生物蓄积引起的。例如,几种细菌积累了度洛西汀(一种广泛使用的抗抑郁药),包括唾液链球菌、解糖梭菌和大肠杆菌。这一发现挑战了细菌-药物互作的主要模式是生物转化的观点。此外,根据菌株的不同,一些药物显示出被生物蓄积或被降解的潜力,并且大多数菌株能够根据药物进行这两种相互作用。这些发现可以解释其他研究的结果,后者显示药物耗尽,但未检测到药物代谢产物。因此,在破译异生素在物种和群落层面的影响及其对宿主的影响时,需要考虑生物累积。 异生素混合物 迄今为止,大多数调查微生物群-异生素互作的研究一次只关注一种化合物,这种情况不一定反映体内条件。药物通常与含有大量天然化合物和污染物的食物一起服用。由于所有摄入的化合物将同时存在于肠道中,因此不仅要确定异生素的单一效应,还要确定其组合效应,因为单一化合物对单一菌株或群落的效应可能与复杂混合物对单菌株或群落的影响不同。 几项研究表明,不同的饮食和环境因素会影响药物作用,显示出组合效应。例如,塑料食品包装中使用的化学物质双酚A会降低雷帕霉素等抗癌药物的功效。此外,饮食成分,如嘧啶或维生素B6或B9,可通过线虫肠道细菌调节抗癌药物氟嘧啶的激活。越来越多的研究表明,与单一物质相比,异生素组合对肠道微生物群有不同的影响。特定迟缓埃格特菌菌株对地高辛的灭活被精氨酸抑制,表明蛋白质消耗的增加可能会降低体内地高辛代谢。草甘膦配方中的化学物质组合对肠道细菌(包括益生菌鼠李糖乳杆菌菌株)的影响也与单独的农药草甘膦不同,这表明草甘膦和配方化合物之间存在协同作用。另一项研究用6种细菌菌株测试了79种化合物的组合,包括抗生素、宿主靶向药物和食品添加剂,并发现了它们的协同和拮抗作用,后者更常见。在此,针对大肠杆菌中不同细胞过程的药物之间显示出拮抗作用,例如食品添加剂香草醛,它增加了有氧呼吸控制蛋白ArcA的水平,也增加了抗生素氯霉素(一种蛋白质合成抑制剂)的水平。较少观察到的协同作用仅发生在靶向相同过程的化合物之间,例如影响多药转运蛋白MdfA的香草醛和抗生素壮观霉素(大肠杆菌中蛋白质合成的进一步抑制剂)。红霉素通过引起细胞形状缺陷(如气泡、细胞质收缩和裂解)杀灭常见的肠道细菌普通拟杆菌,在Prestwick药物库(包含FDA批准和EMA批准的药物)搜索红霉素拮抗剂,发现双香豆素和托芬那酸能够在不影响红霉素杀死病原体能力的情况下拯救普通拟杆菌。此外,一项体外研究发现,186种生物活性化合物中的45种显示出与抗生素(如三氯生)对大肠杆菌MC1061生长抑制的协同作用。这些结果表明使用异生素组合可以减少抗生素和其他药物的副作用,但也强调需要系统地研究异生素组合,以更好地了解异生素影响微生物群的程度和机制,以及反向的作用。 结论和未来展望 作为饮食的一部分或作为药物,人类会摄入多种可与肠道微生物群相互作用的异生素。这些异生素中的一些可以影响肠道微生物群的组成和功能,而细菌反过来可以改变异生素的活性和毒性。其中许多相互作用,例如涉及地高辛或氟嘧啶的互作,在个体之间因肠道微生物群的组成而异。对这些个体间差异的进一步研究将促进知识的发展,并能开发用于饮食或医疗干预的个性化方法。 此外,大多数调查环境-微生物群-宿主互作的研究一次只关注一个因素,例如饮食、药物或环境污染物。为了全面了解环境-微生物群-宿主之间的互作,同时考虑多个促成因素非常重要。以前的评论已经描述和总结了可用于帮助阐明药物-微生物组-宿主互作的系统级方法。例如已经表明,体外和体内实验与计算策略相结合,可用于揭示宿主和微生物对药物代谢的贡献,这种方法可以适用于其他外源性化合物。 进行或比较研究时需要考虑的另一个重要方面是异生素浓度。异生素对单一菌株或整个微生物群的影响取决于测试它们时使用的浓度。例如,全面的药物筛选表明,药物浓度越高,越多的微生物物种受到抑制。此外,香料提取物或链格孢属真菌毒素的生长抑制或促进作用均取决于其浓度。例如,多形拟杆菌在低浓度的霉菌毒素(0.5 μg/mL)下表现出生长促进,在高浓度(50 μg/mL)下表现出生长抑制,这强调了在评估异生素效应时考虑其浓度的重要性。在较高浓度下,更多细菌物种受到抑制的观察结果可能是由于多种因素,包括渗透压或 pH值的变化,或者是由于化合物摄取和与大分子结合的变化。特别要注意“高”或“低”浓度取决于环境和化合物。此外,研究中使用的浓度也取决于实验模型。对于人类或动物研究,浓度(毫摩尔范围)通常高于体外细胞研究(微摩尔范围)。 虽然在与体内胃肠道暴露水平相对应的浓度下进行测试是理想的,但这类研究资料很少。将粪便样本、尿液和血浆的代谢组学分析纳入微生物群研究可以提供对特定化合物浓度及其在个体和时间点之间的变化的认知。此外,分析废水中的异生素浓度可以提供有关不同地点接触药物和环境污染物变化趋势的更多信息。 随着越来越多的作用机制数据变得可用,机器学习方法可以帮助预测异生素-细菌互作,给出有关化学结构和细菌基因组的信息。虽然一些数据库已经涵盖了超过13,000种异生素-肠道菌的相互作用,但其中超过11,000种互作是涉及药物的。为了能够成功实施机器学习方法,需要一个涵盖多种异生素类别(图2)和多种细菌的大型数据集。事实上,异生素种类比我们在此综述的要多得多,但绝大多数缺乏研究。未来的研究应重点关注食品和药物中常见且经常摄入的物质,但也要考虑通过吸入、皮肤吸收和注射进入人体的其他物质和化合物。 虽然现在有许多实验方法来确定微生物群-异生素互作,但每种方法都有其自身的局限性,使得很难将实验结果转化为临床或健康咨询应用(图5)。需要进行大规模的人体研究(自上而下的方法)来建立异生素与肠道微生物群之间的关联。自上而下研究发现的相互作用与功能研究和临床应用都是相关的。然而,由于生活方式、饮食和药物摄入等许多难以控制的混杂因素,此类研究具有挑战性。因此,通常很难在异生素和微生物群之间建立因果关系,并确定潜在的机制,并且需要后续研究来测试建议的相互作用。另一方面,用培养的肠道细菌菌株进行的体外研究(自下而上的方法)可以揭示分子机制,但难以外推到体内条件。此外,许多肠道菌株在肠道中的丰度非常低和/或难以培养,这阻碍了它们在实验室条件下的鉴定和检查。动物模型,如小鼠、大鼠或蠕虫,提供了一种折衷方案,可以在受控环境中,在体内研究微生物群-宿主互作的机制。然而,将动物模型的研究结果转化为人类应用可能很困难,因为动物和人类在疾病进展、异生素反应、微生物群组成和宿主-微生物群互作的细节方面存在许多生理差异。未来,可摄入的测量和报告设备,例如含有活细菌的磁性水凝胶或微生物电子设备,可以提供原位异生素浓度的信息,从而揭示现实生活条件下的异生素-微生物群-人类相互作用。了解每种方法的可能性和局限性对于结合不同的研究类型以加深我们对肠道微生物群的理解十分重要。我们设想,更多融合自上而下和自下而上方法的研究将提供机制见解,从而实现模型引导的异生素-微生物群相互作用预测。 图5 用于研究异生素-微生物群-宿主相互作用的模型。a,基于培养肠道菌株的体外研究的自下而上方法可以帮助揭示分子机制。然而,体外研究可能并不总是与体内环境相关。此外,许多菌株的丰度非常低,培养困难,阻碍了菌株的鉴定和检查。b,动物模型,包括小鼠、果蝇和蠕虫,提供了一种折中方法,允许在受控环境下研究体内微生物群的互作。将动物模型的研究结果转化为人类应用可能很困难,因为动物对异生素的生理反应、微生物群组成和宿主-微生物群互作的细节与人不同。c,基于人类队列的调查,即所谓自上而下的方法,与功能研究和临床应用直接相关。然而,这些研究受到许多难以控制的混杂因素的影响,例如生活方式、饮食和药物摄入量。因此,通常很难在异生素和微生物群之间建立因果关系并确定潜在机制。研究中使用的异生素浓度通常在自下而上和自上而下的研究范围内变化。在动物模型研究中使用的浓度(毫摩尔范围)通常高于体外研究中使用的浓度(微摩尔范围)。虽然原则上可以在动物模型中使用范围广泛的浓度,但通常选择更高的浓度以确保可以进行生理读数并将动物数量限制在伦理可接受的水平。人体研究的浓度受到队列访问(在观察性研究的情况下)或安全问题(在干预性研究的情况下)的限制。此外,虽然在人类和动物模型中,化合物在到达肠道中的细菌之前会通过宿主消化过程,但在体外研究中,细菌直接暴露于化合物中。



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