综述 | Cell Host & Microbe：精准医学：工程微生物改善药物疗效
编译：红霞，编辑：十九、江舜尧。
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为什么药物对一名患者有效，但对下一个患者无效或引发严重的副作用？答案是复杂和多方面的。近几十年，药物遗传学和药物基因组学取得了重要的进展，揭示了药物在体内被肝细胞、肠细胞和其他细胞类型代谢的基本机制，以及药物转运蛋白在介导药物和其他外来化合物的吸收、分布和排泄方面的重要性。这些研究还有助于阐明药物的作用机制，并有助于确定新的药物靶点。
相比之下，药物微生物领域仍处于初步研究阶段。尽管对致病菌中抗生素耐药机制的研究历史悠久而丰富，但药物如何与寄主微生物群落相互作用，以及微生物群如何影响药物药动学和药效学。存在一些疑问，有多少药物受到微生物群的影响？哪些微生物种类、基因和酶参与药物的直接生物转化？有些药物的作用部分是通过塑造微生物群来实现的吗？微生物定植如何改变宿主对药物代谢、吸收甚至作用机制的途径？鉴于微生物群的复杂性，是否有可能制定有针对性的方法来控制微生物的代谢活动和/或它们与宿主组织的相互作用？
论文ID
原名：Precision Medicine Goes Microscopic ：Engineering the Microbiome to Improve Drug Outcomes
译名：精准医学：工程微生物改善药物疗效
期刊：Cell Host & Microbe
IF：15.753
发表时间：2019年
通信作者：Peter J. Turnbaugh
通信作者单位：University of California San Francisco（加州大学旧金山分校）
文章结构
综述内容
1 从个案研究到微生物药物代谢的系统分析
微生物群落包含巨大的代谢多样性信息，例如，人类基因组编码大约20多种不同的酶，而由微生物群编码的一组碳水化合物活性酶家族则有数百个。与微生物群相关的酶代谢机制复杂。例如，细菌水解抗癌和抗炎药物中的葡萄糖醛酸残基，其中细菌b-葡萄糖醛酸酶结构的显著差异转化为底物范围上的差异。总共发现了279种独特的蛋白质，它们可以被组合成6个不同的结构类别，能够容纳小分子和大分子，比如多糖。由于精细结构被掩盖，肠道菌从不同的化学结构中清除糖的方法被大大降低。由于我们对非抗生素药物生物转化过程中所涉及的微生物酶的了解有限，许多研究人员选择对感兴趣的单一药物进行深入的机理分析。
作者最近发现并鉴定了一种酶（糖苷还原酶2[cgr2]），能够使某些菌株还原灭活心脏药物地高辛。使用比较基因组学方法确定一个单基因位点-一个8基因CGR相关的基因簇，该基因簇能够预测地高辛的减少。对细菌基因组和人类肠道微生物的同源还原酶的分析突出了酶的多样性，需要对这些新的还原酶亚家族进行系统的功能表征。相关研究表明，免疫抑制剂他克莫司、抗逆转录病毒药物替诺福韦、帕金森病药物左旋多巴等的代谢均与微生物相关。
总之，这些个案研究强调，细菌药物代谢是一种一般机制，通过该机制，胃肠道和生殖道中的微生物，甚至在疾病组织内的微生物，影响药物的反应。然而，这些研究很难预测直接微生物药物代谢的总体效应。为了解决此问题，多个研究小组已经开始开发互补的计算和实验方法，以系统地研究宿主相关微生物对药物的代谢（图1a）。
建立预测微生物药物代谢的计算工具方面已经取得了一些进展。利用这些研究进展评估FDA批准的整套化合物及其对肠道细菌代谢的潜在敏感性。验证这些预测的一个主要瓶颈是缺乏系统地量化大型药物面板及其微生物代谢物的可靠平台。最近，两个研究组在实验室条件下将人粪便样本与药物一起孵育，并随后对这些样品进行了药物和药物代谢物的高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）分析。结果显示，体外和/或体内外微生物药物代谢敏感的药物总数达到108（其中96种不被视为抗生素）。能够为机理研究提供参考依据。
2 非抗生素药物对人体微生物群的反应
药物是影响微生物结构变化的重要因素之一，由于宿主病理生理学、饮食结构、生活方式等其他因素的参与，使得药物对微生物因素的关系难以确定。一种测试药物对人体肠道微生物群落的直接影响的方法，利用人体粪便样本与药品进行体外培养。结果显示，抗生素在这些复杂的微生物群落中不断引起细菌细胞损伤。非抗生素药物对细菌生理无显著影响。最近的一项研究描述了针对38种肠道细菌对1000多种药物的大规模筛选（图2b）。令人惊讶的是，24%的非抗生素药物抑制了至少一个细菌株的生长。然而，考虑到药物不同、宿主和环境因素的影响，目前尚不清楚这种抗菌活性会如何改变。有研究表明在没有完全生长抑制或细胞溶解的情况下，非抗生素药物可能主要通过影响微生物群落基因表达、细胞生理和代谢活动来发挥作用。例如，患者服用二甲双胍后，移植其粪便到无菌小鼠体内，能够改善小鼠的糖耐量。同样，有研究表明，人体肠道微生物群对非抗生素药物的反应可以通过改变免疫状态来增强药物的应答。如：甲氨蝶呤（广泛用于类风湿关节炎）显著改变肠道细菌生长和转录活性，并倾向于抑制肠道微生物群中其他细菌生长。多药物-微生物相互作用对治疗结果有影响。许多疾病领域的研究人员开始更好地理解人类微生物群和与疾病治疗相关的宿主途径中的成分物种、基因、酶和代谢物之间的机制联系。
3 微生物对免疫反应的操纵作用
微生物群与宿主免疫系统之间的关系是研究微生物的主要方向之一。宿主与微生物的相互作用对于免疫调节药物的反应至关重要的。肠道微生物群的差异能够与癌症免疫治疗PD-1阻断的疗效联系起来，如皮肤癌（黑色素瘤）、肺癌（非小细胞肺癌）和肾癌（肾细胞癌）。
对应答者和非应答者肠道微生物的分析显示，多个细菌能够提高药物疗效，可增强系统免疫和抗癌免疫力。肠道微生物群可能通过形成免疫功能来协调对生物疗法的反应。如何找到微生物参与药物反应的生物标志物，其机理任有待确定。或许我们可以通过微生物、免疫调节、药物三者之间的相互作用与影响，找到一种新的治疗疾病的方法。
4 肠道微生物群的精准修饰
建立一个完整的药物-微生物群相互作用百科全书，有助于我们了解宿主相关微生物与体内分子相互作用的形式，从而对宿主产生相应的作用。我们能否以及如何将这些知识转化为改善或治疗疾病的方法。前临床上使用的方法需要进行进一步的验证。
抗生素对微生物群有深远、持久的影响。粪便微生物移植(FMT)是一种新的治疗疾病的方法。供体不同、采样时间不同，对粪便移植有很大的影响。开发用于治疗艰难梭菌感染或其他胃肠道感染的疾病，标志着在标准化方面取得了进展，能够提高粪便移植的精确度和控制能力，以及评估某一特定治疗方法可能存在的局限性的能力。粪便移植的四大类策略：(1)抑制肠道细菌酶所进行的代谢活动；(2)去除特定的细菌或菌株；(3)将工程菌引入肠道或移植到肠道中；(4)直接对胃肠道内存在的细菌细胞进行基因修饰。
目前，有研究开发微生物酶制剂，用于减少癌症、炎症和其他适应症的药物的胃肠道毒性。如，开发抗肠道细菌b-葡萄糖醛酸酶抑制剂。例如，发现一种抑制b-葡萄糖醛酸酶的抑制剂可以改善化疗药物CPT-11的细菌激活对小鼠的药物毒性，但发现仅对具有环状结构的b-葡萄糖醛酸酶有效 （图4b）。说明，对关键微生物转化的详细分子理解可以使广泛的蛋白质家族成员具有选择性的抑制作用。
随着对影响药物代谢的多个微生物基因的阐明，用于b-葡萄糖醛酸酶的方法正准备用于更广泛的微生物酶群。例如，药物左旋多巴在越过血脑屏障后转化为多巴胺；然而，在左旋多巴进入中枢神经系统之前，通过（1）外周神经系统细胞中存在的多巴脱羧酶的作用，或（2）小肠中发现的细菌酪氨酸脱羧酶，即左旋多巴吸收的部位的作用，可以将其转化为多巴胺。多巴脱羧酶的抑制剂，如卡比多巴，可以与左旋多巴联合使用，以降低其脱羧作用，但重要的是，这些抑制剂对细菌脱羧酶不起作用。开发广谱酶抑制剂或利用辅助因子破坏酶的活性，或有望对疾病进行精准的治疗。
对微生物调节的另一策略是利用活性菌株，如，利用现有的细菌病毒（噬菌体或噬菌体）选择性地从肠道中清除细菌，类似于对病原体使用噬菌体疗法。另一方面，有证据支持噬菌体可以调节肠道细菌数量的观点。研究表明，尽管存在抗噬菌体捕食的细菌防御机制，但在某些情况下，噬菌体可能被用来修饰肠道微生物群。另一种途径不是使用自然形式的噬菌体，而是让它们比自然进化的更好或更具体地杀死细菌。例如，使用噬菌体来传递用于对动物宿主中的病原体进行序列特异性杀伤。
与去除菌株不同的是，有人努力将工程菌株作为活细菌治疗剂引入宿主体内，这一应用类似于益生菌的使用，其目的是赋予有益的功能。如，苯丙酮尿症(PKU)、高氨血症等疾病的治疗。新的微生物靶向疗法的发展面临的一个挑战是如何理解植入。
有研究表明，从引入工程菌株转向直接从基因上编辑细菌，这些细菌能够在胃肠道上定居。这是一种将基因结构引入肠道微生物区系的方法，当然在技术上可能也会面临更大的挑战。通过菌株移植或基因工程，操纵不同的肠道菌群，使肠道微生物群的精确修饰以及细菌对宿主健康影响的分子机制研究取得进一步进展。
5 未来研究设想
尽管在新出现的药物微生物学领域已经取得了显著进展，但一些重要的问题尚需要解决，如who谁、what什么、when何时、where何地、why为什么、以及how如何（图5），目的是制定一套基本原则（或规则），通过这些原则（或规则）微生物群可以影响疾病的治疗，从而设计出更精确的干预措施。
谁?预测复杂的人体肠道微生物中的哪些成员参与药物的药代动力学和药效学，以及改进的原位定量测定其绝对丰度和活性的方法。
什么和怎么做？整合元组学、元基因组学、元蛋白质组学和代谢组学相结合的“多体”数据，评估在适当的生理背景下机制的相关性，为深入研究提供理论依据。
哪里?宿主与微生物相互作用的场所发生在什么地方。之前认为微生物体只能影响远端肠道小分子，最近关于左旋多巴的研究提供了证据，证明微生物体甚至可以影响小肠内迅速吸收的药物代谢。
什么时候?很明显，微生物群及其与宿主病理生理学的相互作用是令人难以置信的动态，确定关键过程的执行时间至关重要。在药理学方面，至关重要的是确定微生物组对药物动力学的影响（分钟至小时），同时考虑治疗过程中微生物组的动态性。这一研究领域将重新审视导致药物反应随时间推移发生变化的机制提供依据。例如，广泛存在的肿瘤化疗耐药现象。
为什么？微生物在人体内发生的直接或间接的影响是最令人困惑的问题之一。微生物的酶对药物的影响机制尚需进行研究。未来的研究挑战是巨大的，我们需要一个跨多个传统学科的协作科学家群体来保持前进的势头。积极开展研究工作，精确操纵人类微生物群的疗法。
结论
本文对药物与微生物之间的相互作用进行了研究，并讨论了微生物学在工程上令人兴奋的新进展，以及如何利用它来设计基于微生物组的治疗学。这些创新的新方法除了微生物药物代谢外，还具有广泛的意义，开辟了新的机会，使微生物组分成为靶点，甚至可以利用微生物组分生产新药。总之，这些研究提供了一个原则的证明，即有可能从机理上理解微生物组在药理学中的作用，并为这种假设提供强有力的支持，即微生物组是一个被忽视但临床相关的药物反应贡献者。他们还强调了跨学科方法的效用，这种方法借鉴了生物化学、化学生物学、计算机科学、遗传学和基因组学等方面的概念和方法。
点评
本综述讨论通过微生物药理学理解药物作用与副作用在个体间的差异。多种细菌、基因和酶参与药物的直接生物转化，包括靶向案例研究和系统的计算和实验分析。间接机制也在发挥作用；例如，微生物与宿主免疫系统的相互作用可以对免疫调节药物产生广泛的影响。最后，我们讨论了多种新出现的策略，精确操作复杂的微生物群落，以提高治疗效果。在未来的几年里，我们预计将转向更全面的精确医学观点，包括人类基因组和微生物基因组，以及它们的结合代谢活动。
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