小檗碱对肠道菌群作用的研究进展

张秀娟,马骏池,赵晋彤,高世勇

(哈尔滨商业大学药学院,黑龙江哈尔滨 150076)

小檗碱(Berberine,BBR)是在中国传统中药黄连中提取出来的一种具有显著抗菌作用的异喹啉生物碱,其单体制剂在临床上多用于抑制革兰氏阳性菌、阴性菌,治疗肠道感染以及细菌性痢疾[1]。近年来,肠道菌群已成为了解疾病发展和进展的重要前沿。研究表明,许多疾病的发生发展都与肠道微生物的结构、种类及丰度有关。正常情况下,人体肠道内的微生物可参与合成体内必需氨基酸、维生素、调节代谢以及促进矿物质的吸收,可通过与宿主的相互作用作用于靶器官,调节宿主的稳态,但当体内的微生态平衡由于外环境因素或宿主因素被打破造成肠内微生态失衡时,机体维持正常生理功能的能力减弱,会使疾病更容易发生[2]。同理,疾病的发生发展也会导致肠内微生态失衡,目前越来越多的研究表明使用药物后,药物分子可以与肠道菌群相互作用,那么利用药物对肠道菌群的作用可为临床中疾病的治疗打开新的窗口。

许多研究认为,中药可以调节肠道菌群的结构,调节肠道菌群的代谢,从而达到治疗效果[3-4]。考虑到肠道菌群在中医药疗效中的重要作用,越来越多的中医药研究学者关注肠道菌群,而BBR作为一种从中药中提取出的生物活性成分单体,在调节肠道菌群、治疗疾病方面已经展现出了巨大应用前景,而且其较高的生物活性也使其具有在食品方面的潜在创新价值,即可以应用于功能食品和膳食补充剂的研究与开发,与药物不同,膳食补充剂的成分是确定且有效的无毒量,可以通过预防、管理或治疗一些慢性疾病来调理机体状态[5]。综上,本文总结了BBR对肠道菌群的影响,并深入挖掘了其通过调节肠道菌群所发挥的药用价值,以期为后续探究其更多药理作用与扩大应用范围奠定基础。

1 小檗碱概述

小檗碱又称黄连素(C20H18NO4),分子量336.37,熔点 145 ℃,为黄色针状结晶,1830年经Buchner和Herberger首次发现,是中国传统中药黄连中的常见生物碱[6]。除此之外,BBR还广泛分布于大戟科、毛茛科和罂粟科植物的根、根茎和茎中[7]。BBR作为一类非处方药在临床中常用于治疗腹泻和胃肠功能紊乱,但近年来现代药理学研究证实,BBR这种多靶点的药物除具有抗菌、抗病毒等作用外,还可应用于肿瘤、消化道疾病、心血管疾病、中枢神经系统疾病、糖尿病等诸多常见疾病[8-9]。正由于BBR的药理作用十分丰富,且来源分布广泛、成本低廉、副作用小,所以其具有较大“老药新用”的潜在开发应用价值而成为当前研究热点。

BBR临床推广和应用前景广阔。结合祖国传统医学经验和现代科学研究的不断发展,研究人员采用不同的研究途径对其机制和作用进行深入研究,其中以代谢疾病、中枢神经系统疾病、AMP依赖的蛋白激酶(Adenosine 5′-monophosphate(AMP)-activated protein kinase,AMPK)、NF-kappa-b信号通路和氧化应激作为前沿和热点受到广泛关注[10-11]。

图1 小檗碱结构式

2 肠道菌群概述

在早期研究中,许多学者认为肠道微生物的作用大多与消化、营养有关,但随着现代科学技术的发展,肠道菌群在维持人体健康中的重要程度也受到了更多的关注,人们的认知也不仅仅局限于其简单的消化功能,目前肠道菌群对免疫系统的影响、调节体内的脂肪储存、与代谢极大的相关性甚至可以被当作靶点应用于代谢性疾病的防控等新发现不断被挖掘[12-14]。

研究发现,肠道内壁是人体和外界环境接触面积最大的部位,肠道菌群这个庞大体系附着在内壁上的黏膜层上,就像是机体的守护神,与宿主互惠共生。Sender等[15]提出正常人体细胞总数高达3.0×1013、肠道菌数量约为3.8×1013,比例约为1∶1,可见肠道菌数量近似于人体细胞的总量。不仅如此,肠道菌群的种类也有很多,包括类杆菌属、优杆菌属、双歧杆菌属等专性厌氧菌的优势菌群,以及大肠杆菌、链球菌等需氧菌或兼性厌氧菌的次要菌群,其中就包括一些具有潜在致病性的细菌,当长期保持不良饮食习惯、持续使用某种药物或是年龄的增长等某些因素使得肠内环境受到影响时,优势菌群就可能会发生替换,导致致病菌在肠道内大量增殖,造成肠道菌群失调,进而对机体的代谢、活动及免疫等多方面造成不利影响[16-17]。

中药单体制剂BBR就可以通过抑制这些细菌并产生活性代谢物来调节恢复肠道内正常的微生物平衡。研究认为,BBR作为一种临床上的广谱抗菌药,可以与肠道微生物生态系统相互作用,有学者发现其可以通过促进肠道细菌产生短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)等生物学物质来为宿主提供能量以及为肠道菌群生长繁殖提供营养物质[18],也可以通过提高血浆和粪便中的丁酸盐和硝基还原酶(nitroreductase,NRs)的丰度来进一步调控肠道菌群[19]。

3 小檗碱调控肠道菌群的作用研究

3.1 改变肠道原有菌群结构

BBR调节肠道菌群最常见的途径就是在一定程度上改变肠道内原有的优势菌种来协调微生态平衡。溃疡性结肠炎(ulcerative colitis,UC)是人体结肠黏膜或者是粘膜下层的一种炎症,而肠道菌群失调是炎症性肠病的潜在发病机制之一。Liao等[20]以硫酸葡聚糖钠(dextran sulfate sodium,DSS)诱导大鼠建立UC模型,给药后发现,BBR能通过增加乳酸产生菌和糖水解菌以及减少条件致病菌来调节肠道菌群,改善氨基酸的代谢和生物合成、DNA复制和修复能力、碳水化合物的消化和吸收以及糖酵解或糖异生作用,并展现了肠道微生物群作为诊断性生物标志物或UC治疗的治疗靶点的潜力。另有发现肠道菌群紊乱可能肠易怒综合征(irritable bowel syndrome,IBS)的起始动因。有学者动物实验后表明,BBR的抑菌作用,可以调节IBS大鼠肠道乳杆菌科细菌、肠杆菌科细菌的比例,降低菌群多样性,给药剂量100 mg/kg相较于25 mg/kg抑菌作用显著增强,即剂量相关性明显[21]。事实上,小檗碱的剂量相关性在目前的研究中已受较多关注,有研究指出,口服BBR过量(4 g以上)会产生胃肠道反应和轻微的肾炎[22],所以其临床上的应用剂量必须要经过严格的安全性评估。

目前已有实验发现BBR可改善由于肠道菌群失调间接导致的非酒精性脂肪肝(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD),如Li等[23]、齐双翡[24]实验发现每日给药150 mg/kg的BBR可降低高脂饮食(high-fat diet,HFD)大鼠的普拉梭杆菌、粪杆菌水平,上调拟杆菌水平,改善肠屏障功能。另肠内毛螺旋科和S24-7科中菌属的生长受到抑制也对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对HFD诱发的NASH的影响后发现,每日200 mg/kg的给药组肠道细菌中双歧杆菌相对水平、拟杆菌门/厚壁菌门比值均得到恢复。BBR也可以通过调节肠道菌群平衡来缓解慢性或急性肝损伤来发挥保肝作用。也有学者认为,BBR可以改善粪便微生物群落移植所造成的受体大鼠肠道菌群失调症状,降低急性肝毒性[26]。以上研究提示,BBR具有改善由肠道微生态失衡所致肝部病变的生物活性,未来的研究可以此为基深入探究。

同受影响的还有代谢性疾病,如糖尿病。熊红萍等[27]实验显示,每日三次500 mg/kg给药BBR干预的2型糖尿病(diabetes mellitus,type 2,T2DM)患者治疗前厚壁菌门明显高于治疗后,进而推测BBR是通过对肠道菌群紊乱的纠正来改善糖代谢紊乱。另有Ming等[28]通过对高血糖人群进行随机对照试验,首次确定了双歧杆菌和BBR对糖尿病前期或糖尿病患者的降糖效果和安全性,也为BBR和双歧杆菌治疗糖尿病提供了数据支持。实际上,已有文献报道肠道微生物可成为BBR治疗胰岛素抵抗相关T2DM的新靶点[29]。贺娅莎[30]经实验发现每日200 mg/kg的BBR干预可以显著改善宿主肠道菌群结构,增加T2DM模型大鼠肠内的乳酸菌属、双歧菌属丰度,同时也对降低大肠杆菌属丰度起到了重要作用,维持肠内的微生态平衡。同时胰岛素抵抗也是多囊卵巢综合征(polycystic ovarian syndrome,PCOS)的发病基础。有研究认为,BBR可能通过调节PCOS患者的肠道菌群乳酸菌、瘤胃球菌属、梭状芽胞杆菌和普氏菌属的比例来改善胰岛素抵抗,从而治疗PCOS[31-32]。经由以上文献的发现,有理由认为机体的代谢异常多与肠道微生态环境相关,即肠道菌群可成为一般代谢类疾病的治疗靶点。

BBR通过肠道微生物群的调节也对HFD所诱导的动脉粥样硬化具有一定程度的修复作用,有研究表明,BBR可以有效提升肠道微生物特别是艾克曼菌的丰度,可助于抗动脉粥样硬化[33]。因此,且该发现进一步验证了通过操纵肠道微生物治疗动脉粥样硬化的治疗价值。

慢性应激和抑郁症由于缺乏临床有效药物而成为目前极具挑战性的疾病之一。但也有研究人员发现,每日给药200 mg/kg的BBR能通过改变胃肠道菌群分布显著保护大鼠免受各种慢性应激和抑郁症状的影响,极具促经临床治疗的潜力[34]。另每日给药BBR量100 mg/kg可对万古霉素治疗后的难辨梭状芽胞杆菌感染(Clostridium difficile infection,CDI)复发具有显著改善作用,通过抑制肠杆菌科细菌的扩张,抵消万古霉素治疗的副作用,以促进肠道菌群的恢复[35]。以上研究拓宽了BBR单体的应用范围,并为未来新型BBR药物的开发提供了新思路。

3.2 产生生物活性物质

BBR单体发挥调节肠道菌群的作用除改变肠道菌群的原有结构外,通过其代谢所产生的生物活性物质进行调节也是方式之一。丁酸盐、短链脂肪酸及硝基还原酶是其常见的具有活性的代谢产物。下文将以三种代谢物质进行展开,深入剖析其对肠道菌群的调节作用。

3.2.1 产生丁酸盐 BBR单体经肠道菌群的代谢可产生丁酸盐,在人体中具有抗炎、免疫调节的生理功能,同时也是BBR发挥抗炎等药理活性的重要指标。Yue等[36]研究表明每日给药200 mg/kg BBR的14 d后,CIA大鼠肠道菌群中变形杆菌的指标显著下降,肠道菌群中产生丁酸盐的菌属及丁酰辅酶A和乙酰辅酶A转移酶(BUT)的活性均有显著提升,从而成为类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,RA)的治疗剂。另外,也有不少学者通过定量丁酸盐的生成,深入探求了BBR调节肠道微生态平衡发挥的治疗价值。如,经连续灌胃给药7周120 mg/kg/d BBR的实验性牙周炎去卵巢(ovariectomized,OVX)模型大鼠,相较其他组而言,其肠道微生物区系含量更高,丁酸生成率更高,可由此治疗雌激素缺乏而加重的牙周骨丧失[37]。Wang等[38]的研究表明,口服BBR可通过抑制细菌ATP和NADH的水平,导致丁基辅酶A增加并最终通过上调细菌中磷酸丁基基酶/丁酸激酶和丁基辅酶A:醋酸辅酶A转移酶来提高丁酸盐的产生。

3.2.2 产生短链脂肪酸 越来越多的证据表明,肠道菌群是介导肥胖相关代谢紊乱发展的重要因素。Zhang等[39]通过分析134个与肥胖表型变化有着密切联系的操作分类单元(Operational Taxonomic Unit,OTUs)后发现,BBR和二甲双胍可明显降低134个OTU中的60个OTU,增加SCFA产生菌的数量并降低微生物的多样性来调节HFD引起的肠道菌群结构改变,且给药量200 mg/kg对体重增加的负性作用高于给药量100 mg/kg,存在一定程度的剂量依赖性。

经由BBR调控生成的SCFA可通过降低肠道pH,减少有毒代谢产物的生成来改变肠道菌群结构进而调节机体代谢,是BBR调控肠道菌群的另一种方式。也有研究认为,BBR可以通过抑制肠内疣微菌门、艾克曼菌属的数量,提升SCFAs的产出,抑制结直肠癌(colorectal cancer,CRC)Apc min/+小鼠的肠肿瘤生长[40]。另有学者认为BBR也可能通过调节微生物-内脏-脑轴来改善HFD引起的代谢紊乱[41]。

3.2.3 产生硝基还原酶 NRs是一种能够还原含氮化合物的细菌酶。有学者研究认为,肠道细菌NRs是促进BBR肠道吸收的关键因素,肠内NRs产生菌数量的增加和肠内NRs产生菌活性的增加是HFD法提高粪便NRs的主要原因,而粪便NRs活性可作为使用BBR治疗高脂血症的生物标志物[42],以上文献同时也提供了BBR个性化治疗高脂血症的新思路。

3.3 抑制或激活相关信号通路

BBR的摄取可以增加某些肠道菌群来激活某些信号通路来发挥保肝作用。在肝脏中,前体胆固醇被代谢成胆汁酸(bile acid,BAs),即胆汁的重要组成成分,随胆汁进入肠道,在脂质的消化吸收及胆固醇的稳态代谢中扮演着重要角色。据研究报道,BBR可以直接减少梭状芽胞杆菌等表达胆盐水解酶(bile salt hydrolase,BSH)的细菌来导致牛磺胆酸(taurocholate acid,TCA)的积累,激活法尼酯衍生物X受体(farnesoid X receptor,FXR)信号继而介导胆汁酸、脂质和葡萄糖的代谢[43]。另有研究认为,BBR在改善胆汁酸代谢及相关基因的同时,也增加了小鼠肠内的拟杆菌的数量[44]。由此提示,经由影响肠道菌群而激活或抑制某些信号通路来治疗疾病可成为下一步BBR的研究重点。

高脂高糖的饮食习惯很容易引起肠道菌群的结构改变[45],大量的体内外试验证实,高脂高糖饮食的习惯会改变原有的肠道菌群结构,会给予某些细菌特定的选择性生长优势进而替换原有的优势菌群[46-48],例如长时间高脂高糖的饮食习惯很容易导致机体对胰岛素的不敏感,进而产生胰岛素抵抗。研究发现,长时间的HFD通过减少双歧杆菌等保护性细菌和增加大肠杆菌等革兰氏阴性菌来改变肠道菌群的组成,而BBR可以通过调节肠道菌群并抑制脂多糖/Toll样受体4/肿瘤坏死因子-α信号通路来改善胰岛素抵抗[49]。而对于此类的肠道菌群失调,现有的大多数研究证明,BBR对肠道菌群的调节潜力或对高脂高糖饮食习惯所导致的肥胖、糖脂代谢紊乱等症状存在一定程度的治疗作用。并且随着现代人生活水平的不断提高,肥胖等相关的代谢类疾病也越来越普遍,所以通过BBR调节患者肠道菌群结构有望成为治疗该类疾病的常用途径。

另有学者发现BBR对梭杆菌、链球菌、肠球菌等条件致病菌的抑制作用也可以阻断肿瘤相关通路的激活,降低肿瘤风险,防止肠肿瘤的发生[50]。

4 结论

肠道微生物群不仅可以在正常情况下参与机体的一系列生命活动,也在许多疾病的发病机制中产生重要作用,即当机体的这种平衡被打破,肠道菌群失调,进而参与疾病的发生发展。随着科研人员对此重视程度的不断提高,肠道菌群现已成为治疗某些疾病的潜在靶点。BBR作为一种较为常用的传统中药活性成分,具有调控肠道菌群维持体内微生物平衡的较高药理活性。近年来,许多研究人员对BBR对肠道菌群的调控及其对机体的影响进行更为深入的研究,为实现BBR进一步的挖掘开发提供理论与数据上的支持,但仍有许多问题亟待解决,比如现有的一些BBR调节肠道菌群的新用途尚未完全明确,大部分仍停留在实验阶段,是否可以真正用于临床治疗也缺乏进一步的医学验证。此外,BBR为草药中的一种有效单体可否应用于除医药领域外的食品方面也值得探究,在欧洲国家BBR已应用于糖尿病、血脂异常、肿瘤患者和心血管疾病绝对风险较低的年轻人的膳食补充剂中[51-52],但其鲜见于国内,特别是在国内严查其在保健食品中的滥用情况下,对其研究必须对潜在副作用进行新的准确的安全审查和评估,因此BBR单体作为膳食补充剂在我国仍具有较大的发展空间。