肠道菌群在器官移植免疫抑制剂个体化治疗中的作用

缪丽燕，张彦（苏州大学附属第一医院，江苏 苏州 215006）

器官移植是迄今治疗终末期器官功能衰竭最为理想的手段，移植后应用他克莫司、环孢素、霉酚酸、雷帕霉素等免疫抑制剂(immunosuppressant，IMS)是预防移植排斥反应的主要策略［1-3］。IMS 治疗窗较窄、个体差异大［4］。在探索IMS 个体化治疗的过程中，大多数研究集中在遗传变异如何调控其对IMS 的治疗反应上。基于血药浓度监测、 药物基因监测的个体化治疗以及临床症状的早期识别有助于大大减少不良事件的发生［5-6］，然而， 尽管一些证据明确表明代谢酶(CYP3A4/3A5、UGT1A9)或药物转运蛋白(ABCB1、ABCC2、SLCO1B1) 等相关基因多态性与一些IMS 药动学或不良反应相关，在众多的遗传标志物中，仅有CYP3A5*3突变在他克莫司的剂量预测方面得到广泛的 认可［7］。

越来越多的证据表明，肠道菌群不仅参与了宿主代谢、免疫调节等多种生理过程，而且参与调节宿主对药物的治疗反应，成为药物疗效和毒性个体差异的潜在关键点之一［8-10］。由于肠道菌群与宿主免疫系统复杂的相互作用，肠道菌群引起药物个体差异的潜在途径有很多［11］， 对于IMS，影响途径可能包括：肠道菌群对IMS或生物转化，调节宿主对IMS 的代谢或转运， 肠道菌群的免疫调控，肠道菌群对IMS 作用的反馈等，所有这些都会影响IMS 治疗反应，导致IMS 疗效和毒性的个体差异。本文通过阐述肠道菌群与器官移植常用IMS，如他克莫司或环孢素、 霉酚酸、雷帕霉素等个体化治疗中的相关研究报道，旨在为器官移植IMS 个体化治疗及研究提供新的 思路。

1 肠道菌群对IMS 药动学/药效学的影响

1.1 直接作用

1.1.1 肠道菌群直接代谢：肠道菌群共编码的基因比人类基因组多150 倍，其中包括丰富的酶库，这些酶具有代谢药物的潜力，从而影响药物的药理作用。他克莫司具有较强的脂溶性，难溶于水， 口服吸收快，生物利用度低且存在较大的个体差异（生物利用度5% ～ 67%，平均为25%）。在临床实践中很早就发现持续性腹泻［12］或合并使用抗菌药 物时［13-14］，他克莫司谷浓度会显著增加。考虑持续性腹泻和合并使用抗菌药物都可能会不同程度地引起肠道菌群紊乱，由此推测肠道菌群可能是导致他克莫司药动学差异的一个重要因素。 Lee 等［15］学者首先证实了这一点：在他克莫司剂量需求较高的肾移植患者中F. prausnitzii 的丰度明显高于剂量较低的患者（11.8%比0.8%），并且 F. prausnitzii 丰度与他克莫司剂量需求呈现正相关（R ＝0.57）。来自同一研究团队的学者为阐述相关机制，检测了F.prausnitzii 和其他肠道中丰富的细菌是否能够代谢他克莫司，结果表明： 他克莫司与F. prausnitzii 孵育可产生两种化合物(M1/M2，主要为M1)，而与肝微粒体孵育时未观察到这两种化合物［16］。利用液相质谱核磁共振进行分离、纯化和结构解析，表明M1 是他克莫司的C-9 酮还原产物。利用人外周血单核细胞进行的药理活性测试表明，M1 免疫抑制效力比他克莫司低 15 倍。为了确定其他肠道细菌是否能将他克莫司转化为M1，作者在体外检测了已知人类肠道中丰度较高的四种菌目（梭菌目、丹毒菌目、拟杆菌目和双歧杆菌目）［17］中22 种人肠道细菌。结果表明，梭菌目可广泛代谢他克莫司为M1，拟杆菌目细菌可少量代谢他克莫司为M1，双歧杆菌目细菌不能将他克莫司代谢为M1，在健康成人和肾移植受者的粪便中均证实了他克莫司向M1 的转化。以上研究结果显示，肠道细菌直接代谢作为他克莫司以前未被确认的消除途径，是导致他克莫司口服生物利用度降低且个体差异较大的潜在原因。

1.1.2 肠道菌群生物活化：霉酚酸（mycophenolic acid，MPA）是吗替麦考酚酯（mycophenolate mofetil， MMF）在体内的活性成分。MPA 代谢的主要途径是在肝脏中由尿苷二磷酸葡萄糖醛酸转移酶(uridine diphosphate glucuronosyltransferase，UGT)转化为无活性的酚类葡萄糖醛酸酯(phenolic glucuronide of mycophenolic acid，MPAG)［18］。 部分MPAG 通过有机阴离子转运多肽(organic anion transporting polypeptide，OATP)及多重耐药相关 蛋白2 （multidrug resistance-associated p r o t e i n 2，MRP2）转运至肠道，在肠道中被表达β-葡萄糖醛酸酶（β-glucuronidase，GUS）的肠 道菌解离为MPA，MPA 重吸收入血，形成MPA 肠肝 循 环（enterohepatic circulation，EHR），EHR 可使MPA 血浆药物浓度-时间曲线下面积(area underconcentration-time curve，AUC)增加10%～ 60%。口服不同抗菌药物可使MPA 的AUC0～12h降低 10% ～ 30%［19-20］，MPA 给药前浓度降低为50%［21］， 这种相互作用被认为是通过减少编码GUS 的肠道菌群，从而降低GUS 活性、减少EHR 程度实现的。Kodawara 等［22］学者在体外证明了这一观点，环丙沙星可抑制GUS 介导的MPAG 早期解离，进而减少MPA 的EHR，降低MPA 浓度。

1.2 间接作用

1.2.1 肠道菌群调节宿主代谢或转运：代谢酶(CYP3A4/3A5、UGT1A9) 或药物转运蛋白(ABCB1、ABCC2、SLCO1B1) 等相关基因多态性参与了IMS药动学过程。如CYP3A4 是肝脏和肠道中表达较多的CYP 酶，并且个体差异很大，肝脏中个体间差异在10 ～ 100 倍，小肠中表达差异在30 倍。除了 基因突变，酶表达受到多种调控机制的综合影响，近年来肠道菌群被报道对宿主代谢酶和转运体的调控起到重要作用［23］。报道显示无菌小鼠相比于正常小鼠，与药物代谢和转运相关的肝脏CYP1A2、CYP4A14 等表达升高，而CYP2B10 和CYP3A11 表达则降低［24］，无菌小鼠在正常环境下生长2 个月 后CYP3A 和CYP4A 表 达 与 正 常 小 鼠 类 似［25］。 F. prausnitzii 作为一种潜在的益生菌［26］，是肠道中产生丁酸的主要细菌之一，在Caco-2 细胞水平上观察到4 mmol/L 丁酸盐可以促进P-糖蛋白(P-glycoprotein，P-gp)表达量增加一倍，促进 CYP3A4 表达量增加10 倍［27］。在 不 同株型的肺癌细胞上也观察到3 mmol/L 丁酸盐可促进ABCB1 mRNA 量增加6 ～ 40 倍，使P-gp 表达增加显著［28］。肠道菌群具有潜在调节宿主代谢或转运IMS 的能力，但具体调控机制尚不明确，有待研究。

1.2.2 肠道菌群的免疫调控：实体器官移植受者在急性排斥反应的发生和时间上存在差异。许多动物和人的研究表明肠道菌群与器官移植后排异反应的发生相关［29-32］。例如，Kato 等［30］在肝移植患者中发现，在门水平上，急性排斥反应患者粪便中的厚壁菌门减少，变形杆菌和放线菌增多。McIntosh等［33］在小鼠皮肤移植模型上开展了肠道菌群对移植预后的影响，结果表明个体肠道定植菌的差异会导致移植物排斥反应动力学的变化。因此，肠道菌群可望用于预测器官移植后的排异反应。另有研究表明［34］，他克莫司的最佳剂量可诱导大鼠肝移植后适宜的免疫抑制，移植物功能正常，肠道菌群稳定，致使包括F.prausnitzii 和双歧杆菌的益生菌增加，拟杆菌、肠杆菌等有害减少。以上研究有望提供一种新的策略，使用肠道菌群来评估IMS 的剂量及其共同对移植免疫的影响。

1.2.3 肠道菌群对IMS 作用的反馈：IMS 不仅通过影响宿主免疫功能而间接影响肠道菌群，同时可直接影响肠道菌群结构和功能，双重影响可能引起肠道菌群对IMS 作用的反馈。Zhang 等［35］研究表明：他克莫司引起的肠道菌群变化可能影响免疫功能和移植器官的存活率。研究中发现，小鼠接受大剂量他克莫司治疗14 d，粪便中阿洛巴菌属、拟杆菌属和乳杆菌属和结肠黏膜及循环中的CD4+CD25hiFoxP3+调节性T 细胞明显改变。无论是他克莫司治疗后，还是来自他克莫司治疗的供体粪便移植治疗后，这些都显著增加。此外，在皮肤移植模型中，低剂量他克莫司联合高剂量他克莫司治疗小鼠的粪便移植可提高同种异体皮肤移植存活率。此研究将IMS 与肠道菌群移植结合起来，展示了一种新的控制同种异体移植排斥反应的 策略。

2 肠道菌群对IMS 临床安全性的影响

器官移植受者术后长期服用IMS，诸如胃肠道毒性、血糖升高、感染、肝毒性风险增加，目前的研究表明肠道菌群可能对IMS 临床安全性产生潜在影响。

2.1 胃肠道毒性：腹泻是MMF 最常见的胃肠道副反应。近期发表的一项动物研究表明［36］，小鼠食用含有MMF 的食物，导致体重快速显著减轻、 脂肪和肌肉损失，并有明显的结肠炎症，而MMF 在无菌小鼠中不诱导体重减轻或结肠炎症，且广谱抗菌药物可预防并逆转MMF 诱导的体重减轻和结肠炎症。MMF 暴露造成肠道菌群组成改变：整体多样性降低，变形菌门增加（尤其是埃希氏菌属/志贺 氏菌属），提示MMF 相关的胃肠道毒性依赖于肠道菌群。近期一项研究进一步揭示了肠道菌群介导的肠毒性，服用MMF 使小鼠肠道菌群组成改变，表达GUS 的细菌增多，肠道中GUS 活性上升，导致结肠中MPA 浓度上升，引起体重减轻和结肠炎症［37］。人体数据也表明，粪便GUS 活性增加与MMF 暴露引发的毒性相关，小鼠中，用万古霉素清除表达GUS 的肠道菌，可预防和逆转MMF 诱导的体重减轻和结肠炎症，同时不会降低血液中MPA 的治疗水平。

2.2 血糖升高风险：目前为止，糖尿病与肠道菌群相关性已很明确，而IMS 引起高血糖的机制尚不完全明确。研究报道［38］，雷帕霉素处理的大鼠细菌多样性显著下降，包括罗斯氏菌（Roseburia），颤螺 菌（Oscillospira），柔膜细菌（Mollicutes），罗氏菌（Rothia）， 微 球 菌（Micrococcaceae）， 放 线 菌（Actinomycetales）和葡萄球菌（Staphylococcus） 9 个类群显著减少。在使用益生菌后，这些变化被逆转到基线水平。在宏基因组水平，类似于糖尿病，代谢平衡向分解代谢转移，参与蔗糖降解的基因增加，相反，对照组大鼠有更多的合成代谢过程和参与淀粉降解的基因。免疫抑制导致更多的分解代谢的肠道菌，这可能会影响实体器官移植后糖尿病的发展。用益生菌调节肠道菌群可能有助于将IMS 致血糖升高的风险降到最低。

2.3 感染风险：器官移植后的患者肠道菌群较移植前均发生了显著变化［30-31，39］，随着新的优势菌群的出现，基础优势菌群的减少和多样性的丧失，移植后感染的风险增加。另外，IMS 可降低宿主的免疫功能，增加对病原体的敏感性。但目前尚不清楚IMS 引起的敏感性增加是否与肠道菌群的变化有关。

2.4 肝损伤风险：肠道菌群已被证明可以调节许多肝脏疾病，包括肝损伤。然而，肠道菌群与药物引起的肝损伤相关报道较少。Gong 等［40］研究表明肠道菌群介导大剂量乙酰氨基酚（paracetamol，APAP）致小鼠急性肝损伤的昼夜变化，APAP 在小鼠活动期造成的肝损伤显著高于休息期，广谱抗菌药物或口服酿酒酵母菌可减少APAP 在活动期诱导的肝损伤。目前尚无肠道菌群介导IMS 肝损伤的相关报道，但考虑IMS 本身对肠道菌群结构或功能的影响，以及个体间IMS 肝损伤的发生差异，肠道菌群有可能参与了IMS 肝损伤发生发展过程，具体机制有待研究。

3 结论与展望

IMS 治疗指数窄，个体差异大，在探索个体化治疗的过程中，近20 年的研究集中在遗传变异如何调控IMS 治疗的反应上。随着人类微生物组计划和人类肠道宏基因组学计划的启动和深入研究， 宿主、肠道菌群、药物三者之间错综复杂的关系越来越受到关注。目前，精准药疗走向微观化，势必带来对于药物疗效和安全性差异机制的全新认知，通过改造肠道菌群以改善药物疗效和毒性［41］。