编者按：

国内著名英文学术期刊 Protein & Cell 与热心肠研究院于去年再次合作，推出以“微生物组：迈向转化”为主题的人类微生物组专刊，邀请国内外有突出学术贡献的微生物组研究者和团队撰写综述文章，围绕微生物组分析方法、心血管疾病、代谢疾病、炎症性肠病、癌症和中医药等微生物组研究的热点领域展开探讨，共话人类微生物组研究的前沿进展。

今天我们发出来自台湾长庚大学医学检验暨生物技术系赖信志教授及团队的综述的翻译稿，以飨读者。（点击文末的“阅读原文”可获取综述原文）

肠道菌群在鉴定新型中药活性代谢产物中的作用

Role of gut microbiota in identification of novel TCM-derived active metabolites

作者：Tzu-Lung Lin, Chia-Chen Lu, Wei-Fan Lai, Ting-Shu Wu, Jang-Jih Lu, Young-Mao Chen, Chi-Meng Tzeng, Hong-Tao Liu, Hong Wei, Hsin-Chih Lai

通讯作者：Hsin-Chih Lai（赖信志）

翻译：赖信志团队

校对：李丹宜

中医（TCM）在亚洲被广泛用于缓解疾病已有数千年的历史。但是，由于缺乏正式的科学验证及有关中药基础机制的信息，所以限制了它们的应用。口服中药后，中草药成分通常不会被宿主直接吸收，而是进入肠道，再通过肠道菌群转化。肠道菌群是生活在动物肠道中的微生物群落，具有维持宿主体内稳定和健康的功能。越来越多的证据表明，中草药会直接影响肠道菌群的组成，这与中草药成分转化为活性代谢产物有关。这些可能会显着地影响中草药的治疗活性。菌群分析与现代多组学平台相结合，可以共同鉴定新的功能性代谢产物，并构成未来中医研究的基础。

中医和草药配方

中医在中国已经使用了数个世纪，以减轻症状，治疗疾病和增进中国患者的福祉 （Zhao et al., 2014）。与现代西方医学相反，由于中草药作为药物其内在复杂性和相对缺乏现代科学验证，故中草药的研究进展常常受到阻碍。因此，必须通过符合科学方法使中医研究现代化。

在历史上，记录了来自具功能性的中草药成分，并针对治疗特定疾病，最终发展成特定的处方。这些配方经过进一步修订和组装，以创建中医版的《本草》。这些手册为中医临床治疗奠定了稳固的基础和参考价值。其中包括“神农本草经”  （Jin et al., 2013）、“黄帝内经”  （Ni, 1995）和“本草纲目”  （Li et al., 2014; Hao and Jiang, 2015; Gao et al., 2016; Ding et al., 2020） 。中草药衍生的药物学已快速的发展，并为临床应用创建了复杂的草药网络平台。每种药物都包含许多配方，每种配方都包含草药的组合。其中，复杂的成分包括碳水化合物/多醣（PS）、蛋白质/多肽、糖脂质/糖蛋白、脂质，以及它们的代谢衍生物，如糖苷、胺、脂肪酸、类黄酮、萜类、酚和生物碱之间发生相互作用并调节免疫细胞和宿主的生物学反应 （Li and Kan, 2017; Yu et al., 2018b; Zhang et al., 2020c） 。中草药成分之间存在差异性的激动性、兼容性或拮抗性的相互作用。例如，扶正化瘀（FZHY）主要由丹参、冬虫夏草、桃仁、绞股蓝、松花粉和五味子组成。通过调节许多器官中的多种信号途径，它被广泛施用以改善肝脏的慢性疾病和功能 （Chen et al., 2019） 。FZHY 有效调节免疫功能，优化系统的氨基酸代谢和内分泌功能，并降低门静脉高压症（Chen et al, 2019）。这些改变导致改善的肝功能和抗纤维化作用。而且，FZHY 也没有严重的不良反应（Chen et al., 2019）。此外，葛根芩连汤（GQD）由四种草药组成：葛根、黄芩、黄连和甘草（香煎甘草根），通常用于缓解 2 型糖尿病（Xu et al., 2015）。祛湿化瘀汤（QHD）由中药茵蔯蒿、虎杖、田基黄、姜黄与栀子花组成，可改善患者的非酒精性脂肪肝病（Feng et al., 2013）。 

鉴定中草药活性成分的最新进展

西医科学探索的基本原理，是发现细胞内特定信号通路中的功能性化合物及其相应靶标。为了达到这种认知，需要进行标准化的植物化学、药理学、药物代谢动力学（PK，吸收/分布/代谢/排泄，ADME）、药物效力学（PD，效果/作用/机制）和进行毒理学研究（Chen et al., 2020）。目前，用于化合物高通量筛选的平台，以及严格的功能和安全性验证，可用于更好地了解功能化合物的作用机制。同样地，为了从中药来源的草药开发新的治疗药物，建立了类似的方法（Martel et al., 2017a; Jiang et al., 2020）。通过这种方法，鉴定了中草药中许多活性成分。一个著名的例子是青蒿素的发现，青蒿素是一种具有抗疟疾和抗癌功能的植物衍生的化合物（Zhang et al., 2007; Carqueijeiro et al., 2019）。其他例子包括从小檗中提炼的小檗碱、辣椒中提炼的辣椒素、咖啡豆中提炼的咖啡因、麻黄中提炼的麻黄碱、蘑菇中提炼的几丁质、大豆中提炼的染料木黄酮、雷公藤中提取的雷公藤红素、绿茶中提取的表没食子儿茶素没食子酸酯、甘草根中的甘草甜素以及各种植物中的槲皮素和姜黄中的姜黄素（Martel et al., 2017b）。除了小型化学分子之外，从中药衍生特有的功能性多醣 （PS），例如灵芝菌丝体（Chang et al., 2015），冬虫夏草菌丝体（Chang et al., 2015; Wu et al., 2019）和茯苓（Sun et al., 2019）。

为了提高筛选新型功能性中草药成分的效率，已探索了使用现代技术的新方法。例如，基于荧光素酶的高通量筛选（HTS）分析已用于整合源自有效中药治愈配方中的多种化学信息。该流程可通过减少重复的线索来加快活性成分的发现过程（Y Yu et al., 2019a）。除了这种筛选之外，还建立了 TCM 系统药理数据库和分析平台（TCMSP）。TCMSP 是一个系统的药理数据库，可汇总先前草药实验的药物发现结果。该数据库包含药物化学、ADME 和毒性特性、药物相似性、标的物、相关疾病以及相互作用网络。重要的是，该数据库可用于阐明中药中的活性成分及其目标的细胞途径（Ru et al., 2014; Li et al., 2020）。该数据库的探索可以与其他系统结合使用，例如基因本体（GO）的预测和京都基因与基因组百科全书（KEGG）途径汇集分析，以识别关键分子的潜在改善机制（Yu et al., 2019a）。另外，可以通过 “分子对接” 和蛋白质-蛋白质相互作用网络，进一步预测活性分子与其预测的目标蛋白质之间的相互作用，这可以增强对潜在的相互作用的理解。最后，TCMSP 数据库可将鉴定出的化合物链接到其与疾病改善相关的相应靶标/途径。因此，通过这些分析，可以建立成分-标靶-疾病（C-T-D）轴和相应的标靶-途径（T-P）网络，通过特定的中药配方进一步剖析疾病治疗中的活性化合物、潜在靶标和核心途径 （Li et al., 2020） 。其后，LC 和/或 GC-MS/MS 可以用于实际监测中药的有效成分。这类管线可能为系统筛选治疗疾病的中药成分，提供一种新的、标准化的方法（Li et al.， 2020）。因此，可以在异质细胞信号传导途径的背景下评估中医中的功能分子，以预测其在免疫、代谢和分子水平上对疾病的影响（Zhang et al., 2016; Li and Kan, 2017）。

即使有许多基于体外测定的筛选系统可用于高通量筛选，但在动物或临床研究中，大多数直接来源于草药的纯化小化学成分仍存在边际效力、不利影响和低生物利用度的问题。（Belcher et al., 2019; Liu et al., 2019a; Teijaro et al., 2019）。例如，化合物大黄酸对糖尿病性肾病具有有益作用，这与转化生长因子 β1（TGF-β1） 水平降低、肾纤维化、代谢和氧化压力状态有关 （Hu et al., 2019）。但是，也强调了其不良反应，例如肝毒性、肾毒性和胚胎毒性 （Yuan et al., 2016）。此外，何首乌衍生的化合物对头发变黑、肝肾补肾、抗衰老以及神经元疾病的治疗显示出改善作用 （Lin et al., 2015）。然而，这些化合物可能诱导肝毒性、肾毒性和胚胎毒性 （Lin et al., 2015）。相比之下，从中草药中提取的PS毒性较低，并且在宿主中经常被修饰（Chen et al., 2016）。到目前为止，对PS效应的潜在分子机制仍然知之甚少。

肠道菌群可维持肠道稳态并促进健康

肠道菌群是定植在肠道中的微生物的集合（Lin et al., 2014; Tsai et al., 2019; Zmora et al., 2019）。超过 100 万亿（1014）种微生物存在于人类胃肠道（GI）中，其中细菌细胞的数量是人类细胞数量的约 10 倍，而遗传含量（微生物组）的数量是人类基因组的 100 倍以上 （Thursby and Juge, 2017）。在小肠的第一部分十二指肠中发现细菌的菌落形成单位（CFU）/ ml 介于 102-104 之间。通常，乳酸杆菌、链球菌、韦荣氏球菌、葡萄球菌、放线菌和酵母菌在十二指肠和空肠中占主导地位（Lin et al., 2014）。胃肠道微生物群从十二指肠到回肠明显改变，细菌负荷相应增加，达到 106–108 CFU / ml。在大肠中，共生细菌数量很高（107-1012 CFU / ml），并且种类极为多样。同时，结肠的环境严格厌氧。这意味着从发酵中获取能量的专性厌氧菌占主导地位。在人类结肠中已鉴定出 1,500 多种细菌（Lin et al., 2014; Chang et al., 2019）。但是，大部分的肠胃道微生物菌群细菌不易在体外分离和培养，因此需要使用培养组学（Lagier et al., 2018）。

在稳态情况下，肠道微环境为阻止病原体或有害物质（如内毒素 LPS）通过肠道上皮细胞（IEC）转移到周围淋巴系统和血液中，提供了屏障（Boyapati et al., 2016）。肠道菌群可以维持宿主的完整性并调节许多重要的生理功能，包括能量和代谢的动态平衡、异生物质的修饰、肠道动态平衡的调节、免疫力的调节和对病原体的保护，甚至正常的宿主神经行为和认知功能（Clemente et al., 2012; Schachter et al., 2018; Lin et al., 2019）。

在长期的高脂肪饮食、抗生素治疗或氧化应激增加等异常的物理、化学或生物性条件下，肠道菌群的组成发生变化，从而导致胃肠道菌群失调和肠粘膜破坏。这种菌群失调导致肠道屏障受损、肠通透性增加。肠道和血液中的促炎成分增加，例如病原体相关模式分子（PAMPS）（主要是内毒素，LPS）或损伤相关模式分子（DAMPS）（Tang et al., 2012），会导致局部肠道损伤和全身性慢性炎症（Yan, 2018; Alexandrov et al., 2019）。这种“肠漏”现象与慢性炎症相关疾病的发展密切相关。从广义上讲，肠道菌群对于维持宿主体内稳态和健康至关重要（Lin et al., 2014; Wang et al., 2017a; Gentile and Weir, 2018）。

中草药与肠道菌群之间的紧密相互作用可改善疾病

中草药与肠道菌群密切相互作用并影响其组成（Peng et al., 2020）。相反，在将碳水化合物、蛋白质、脂质和非营养性小型化学物质从中草药转化为可能对人体健康产生有利或不利影响的化学代谢物中，肠道菌群也起了重要的作用（Blaut and Clavel, 2007; Wang et al., 2013; Yu et al., 2018a; Feng et al., 2019; Lu et al., 2019; Qu et al., 2019; Yue et al., 2019; Zhang et al., 2019a; Zhang et al., 2019b; Zhang et al., 2020c）（图 1、表 1）。这些结果表明，调节肠道菌群的组成可能有助于中药治疗改善疾病。对于口服治疗，中药材大多是通过将成分浸泡在沸水/热水中以产生包含化学成分混合物的水提取物来制备的，这种提取物通常被称为 “汤剂”（ Zhou et al., 2016; Chi et al., 2019; Deng et al., 2019）。虽然某些中药保健品可能会直接影响消化道的上皮细胞和免疫细胞；其他食物，如不能消化的多醣、多酚和生物碱等，可能会通过胃到达小肠和大肠。许多草药成分经常被局部的肠道菌群发酵或转化，以形成具有生物活性、生物可利用的亦或者是有毒的代谢产物（Lyu et al., 2017; Liu et al., 2018b; Dey, 2019; Wu and Tan, 2019; Yang and Lao, 2019）。根据不同配方的使用，某些转化的代谢物可能在功能上是新颖的且未被明确定义的（图1）。改变的微生物群细菌和转化的中药代谢物，均可能有助于控制疾病发展的进程。使用中药对改善糖尿病的影响为例：大多数细菌菌群似乎都能受到中药治疗的影响，拟杆菌门、厚壁菌门 （以及厚壁菌/拟杆菌 （F/B） 的比值）、变形菌门、疣微菌门、蓝菌门、脱铁杆菌门以及放线菌门都已有广泛报道 （Dey, 2019; Zhang et al., 2019a） 。进一步地详细分析表明，大量潜在的有益细菌（例如有抗炎作用的或产SCFAs细菌）和有害细菌（促炎和致病菌），可能会因摄入不同的中草药而受到不同的影响（Chang et al., 2015; Lyu et al., 2017; Tong et al., 2018; Lin et al., 2019; Nie et al., 2019; Wu et al., 2019）。因此，肠道菌群组成的改变与宿主体内不同的免疫和代谢活动的发展相关密切。这些细菌在健康或疾病发展中的作用在不同疾病情况下取决于物种甚至是菌株，这正在深入研究中（Lin et al., 2019）。

图1.中草药成分的转化（以人参提取物为例）

肠道菌群和肝脏都促进了中草药成分在宿主体内转化为活性代谢产物。了解人参的药物代谢动力学对于为患者提供更好的药物治疗很重要。口服人参后，人参皂甙的生物利用度较低，肠道菌群转化的代谢产物可能具有生物活性。例如，人参皂苷 Rb1，Rb2 和 Rc 通过肠道菌群转化形成化合物K，然后被吸收到血液中（Qi et al., 2011）。与人参皂苷 Rb1 相比，化合物K的效能和活性更高。吸收到血液中的化合物 K 在肝脏中再次代谢形成硬脂化合物 K（Kim, 2018）。另一方面，人参皂苷 Rb1 也可以调节肠道菌群的组成（（Wan et al., 2017）。因此，肠道菌群会产生活性代谢产物，在口服人参后的药理作用中起了重要作用。

最近的研究表明，各种中草药成分会影响微生物的丰度和多样性，这与中草药的功效密切相关（表 1）。其中，研究最深入地似乎是 PS 治疗对肥胖、糖尿病和相关代谢综合征的影响。例如，用从灵芝和冬虫夏草菌丝体中纯化的 PS 进行处理，可通过增强共生细菌，包括戈氏副拟杆菌、罗斯氏菌、真细菌及梭状芽胞杆菌的组合，来显著降低肥胖症（Chang et al., 2015; Wu et al., 2019）。桑椹多醣也会影响肥胖和调节肠道菌群（Chen et al., 2018a），而灵芝多醣改善了 2 型糖尿病的肠粘膜功能障碍和肝功能（Zhu et al., 2016），玉米须多醣可通过改变肠道菌群和相关的发酵功能而改善 2 型糖尿病（Wang et al., 2016）。此外，人参、独参汤（DST）汤中所含的多醣和人参皂甙，可恢复疲劳和急性冷应激，并调节肠道菌群组成（Zhou et al., 2016）。还有许多其他例子显示出了肥胖、糖尿病和代谢综合征治疗过程中的微生物的变化（表 1）。这些例子包括能减轻肥胖并显著增加拟杆菌相对丰富度、F/B 比值、嗜黏液艾克曼菌、双歧杆菌属、乳杆菌属和降低厚壁菌水平的大寿汤（DSHT）（Hussain et al., 2016），而葛根芩连汤 （GQD）减轻了 2 型糖尿病并显著增加了普拉梭菌（Xu et al., 2015），而祛湿化瘀汤（QHD）减少了高脂饲料所诱发的非酒精性脂肪肝疾病（NAFLD），并显著增加了拟杆菌属的丰富度及降低了 Odoribacter、Rikenella、Tyzzerella、Intestinibacter、Romboutsia 及 2 个毛螺菌科成员的丰度（Leng et al., 2020）。其他与肠道菌群变化有关的例子包括（表 1）：20％的桑叶改善糖尿病（Zhang et al., 2019a）、泻心汤改善 2 型糖尿病（Wei et al., 2018）、二甲双胍和中草药配方 AMC 改善人类 2 型糖尿病（Tong et al., 2018）、黄连解毒汤治疗高血糖和胰岛素阻抗（Chen et al., 2018b）、芪健（Qijian）治疗改善 2 型糖尿病（Gao et al., 2018）、半夏泻心汤对糖尿病性胃轻瘫大鼠的治疗（Xu et al., 2018））、鱼腥草促进二甲双胍降低胰岛素抵抗（Wang et al., 2017b）、黄连的主要生物性生物碱——小蘗碱对糖尿病小鼠的糖脂代谢和胰岛素抵抗的作用（Han et al., 2016; Liu et al., 2018a），以及大黄酸对抗糖尿病作用的影响（Wang et al., 2018）。显然，中草药治疗的功效与其对肠道菌群组成的影响密切相关。因此，中草药成分不仅可以直接调节宿主细胞的活性，而且可以被肠道菌群代谢并影响其结构。中医与肠道菌群之间的紧密相互作用，有助于调节宿主的免疫和代谢活动。必须开发以肠道菌群相关特征为基础的临床适用中药成分的新研究方法（Zhao et al., 2014）。

肠道菌群在中药多醣发酵中的作用

中草药多醣以及蔬菜、水果和全谷物等其他植物来源的多醣，在免疫调节和疾病改善中发挥着重要的作用（Chang, 2002; Yang et al., 2009; Li et al., 2013; Yu et al., 2018b; Sun et al., 2019）。例如，从人参制备的高分子量（> 100 kDa）和低分子量（<100 kDa）以及中性和酸性多醣，均表现出影响细胞和宿主生理的不同功能（Sun, 2011; Kim et al., 2020），就是众多例子之一。由于人类基因组编码的消化酶有限，多醣在到达结肠前通常是不被消化的（Baumann and Bisping, 1995）。在结肠中，肠道微生物通过其糖酵解机制将可发酵的多醣（例如 β-葡聚糖）分解，从而产生重要的天然生物活性产物。多醣的连续消化导致产生了许多短链寡糖，包括不同的链长、结构组成和分支数（Tzianabos, 2000; Santa et al., 201）。这些变化的寡糖可以增强益生菌如双歧杆菌属和拟杆菌属的生长的作用 （Bouhnik et al., 2004 ）。较短的多醣可以进一步消化形成单糖，如甘露糖（Man）、葡萄糖（Glc）、半乳糖（Gal）、鼠李糖（Rha）、阿拉伯糖（Ara）和岩藻糖（Fuc），它们可以增强细菌的生长（Koropatkin et al., 2012; Tremaroli and Backhed, 2012）。单糖可以连续分解代谢形成代谢产物，例如短链脂肪酸（SCFA）（甲酸盐、乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐）、乳酸盐、氢和二氧化碳，这可能直接影响宿主生理（Schwiertz et al., 2010; Simpson and Campbell, 2015; Burokas et al., 2017; Martel et al., 2017a）。另一方面，降解产物如D-甘露糖可能充当信号分子，对宿主细胞和组织表现出不同的免疫调节作用和功能（Zhang et al., 2017; Zhang et al., 2018）。

肠道菌群参与来自中药的多醣降解。例如，丁酸盐的生产涉及许多细菌物种，包括普拉梭菌、直肠真细菌、罗斯氏菌、梭状芽胞杆菌以及其他许多属于拟杆菌科的菌种（Zhang et al., 2018）。这些功能性细菌的特征是展示了数种至数十种用于针对特定糖苷键或化学取代基的降解多醣的酶（Martens et al., 2011）。参与各种多醣结合、降解和导入的遗传簇包括拟杆菌属中的杂多糖利用位点（PUL）或淀粉利用系统（Sus）样系统（Bayer et al., 2008; Ravcheev et al., 2013）。相比之下，对碳水化合物活性酶（CAZymes）而言，拟杆菌属降解相对广泛的多糖，而厚壁门菌属则倾向于分解代谢选定的多糖（Cockburn and Koropatkin, 2016; Zhang et al., 2018）。许多不同的细菌可能涉及多醣的分解代谢顺序，并且目前正在深入研究参与多醣代谢的细菌联合体的功能宏基因组学。

中药影响产生功能性氨基酸代谢产物的肠道菌群

膳食蛋白质包括来自中草药、膳食食品和其他营养食品的蛋白质，均可被宿主和肠道菌群消化，这可能会进一步影响肠道菌群的结构（Conlon and Bird, 2014; Madsen et al., 2017; Amaretti et al., 2019）。同时，远端结肠中的某些肠道细菌也通过特定的生化途径代谢氨基酸，形成独特的功能性代谢产物（Baumann and Bisping, 1995; Neis et al., 2015; Liu et al., 2016）。产生的代谢中间产物可能涉及能量平衡、营养代谢、肠道健康、免疫的最佳调节，或引起炎症和疾病。（Neis et al., 2015; Portune et al., 2016; Lin et al., 2017）。基本上，氨基酸的脱氨基导致氨的产生，而脱羧导致胺的产生（Baumann and Bisping, 1995）。根据摄取的蛋白质数量，会改变结肠中产生的细胞毒素、基因毒素物质和致癌物相关的氨、微量胺和气体（甲烷、氢、硫）的浓度（Ma et al., 2017）。这些有害的代谢物可能会穿过肠道屏障，并进入血液进行系统性循环，从而导致疾病发展。

细菌对半胱氨酸和甲硫氨酸的厌氧发酵导致 H2S 的形成。结肠中长期增加的硫化物和氨浓度可促进结肠炎和肿瘤发生（Baumann and Bisping, 1995; Magee et al., 2000）。此外，芳香族氨基酸的代谢也可能产生一组尿毒症毒素，包括硫酸吲哚酚、对甲酚硫酸盐、马尿酸、硫酸苯酯、硫酸邻苯二酚、4-乙基苯基硫酸盐、对甲酚葡糖醛酸苷和牛尿酚 7-葡糖醛酸苷（Velenosi et al., 2016）。这些化合物与建立肠道-血浆-肾脏代谢轴的慢性肾脏病（CKD）的发展密切相关（Mishima et al., 2017; Liu et al., 2018b）。此外，“酪氨酸”的降解会产生儿茶酚胺和苯酚，据称对甲酚、对亚硝基苯酚和对重氮醌显示出致癌作用（Bone et al., 1976; Kikugawa and Kato, 1988），酪胺与高血压有关，多巴、多巴胺和去甲肾上腺素可调节多种生理功能（Mazzoli and Pessione, 2016）。另一方面， “色氨酸” 的厌氧转化也产生与肠-脑轴（GBA）有关的功能性代谢产物。这些包括神经活性代谢物，例如 5-羟色胺、褪黑激素、犬尿氨酸、喹啉酸酯、吲哚、IAA、IPA 和色胺酸（Mazzoli and Pessione, 2016; Kaur et al., 2019）。由于宿主和菌群之间的紧密相互作用，还合成了其他神经活性分子，包括组胺酸、谷氨酸和 GABA（Sharon et al., 2014; Mazzoli and Pessione, 2016）。参与这种代谢过程的肠道细菌被广泛地分为五个门，包括放线菌、厚壁菌、拟杆菌、变形菌和梭杆菌，其中梭菌属、伯克霍尔德菌属、链霉菌属、假单胞菌属和芽孢杆菌属进一步富集，参与了许多色氨酸代谢途径。（Kaur et al., 2019）。

支链氨基酸（BCAA），例如亮氨酸（Leu）、异亮氨酸（Ile）和缬氨酸（Val），既是含氮化合物合成代谢的基质，又是通过多种信号网络调节能量稳定的信号分子，包括磷酸肌醇 3-激酶/蛋白激酶 B /雷帕霉素的哺乳动物靶标（PI3K / AKT / mTOR）途径（Nie et al., 2018）。肠道菌群也参与BCAA的发酵，并生成代谢产物的复杂混合物，包括氨、SCFA 和支链脂肪酸（戊酸酯、异丁酸酯和异戊酸酯）。这些细菌代谢物已显示可影响宿主的正常粘膜免疫（Blachier et al., 2007）。

通常，参与氨基酸代谢的肠道菌群的丰富度经常受所使用的中草药影响（Chang et al., 2015; Lyu et al., 2017; Tong et al., 2018; Feng et al., 2019; Lin et al., 2019; Nie et al., 2019; Wu et al., 2019; Yue et al., 2019; Zhang et al., 2019a）。这些包括人类小肠中的梭状芽胞杆菌簇、芽孢杆菌、乳杆菌、链球菌和变形菌，以及健康人大肠中的梭状芽胞杆菌和肽链球菌（Neis et al., 2015）。预计会有越来越多的细菌被发现与蛋白质代谢有关。因此，在揭示蛋白质/氨基酸发酵途径，由肠道菌群产生的潜在新的相应代谢产物以及通过中草药调节菌群组成方面的进展至关重要（Zhang et al., 2019b）。

受中药影响的肠道菌群在脂质代谢中产生功能性代谢产物

脂质及其衍生的功能代谢产物在宿主中发挥多种生理作用。中草药和日常食物摄入的脂质，还会影响肠道微生物的生长和组成，而肠道菌群细菌也是宿主脂质代谢的重要参与者（Marques et al., 2015; Di et al., 2019; Schoeler and Caesar, 2019; Yu et al., 2019b）（表1）。除 SCFA 外，肠道中的细菌还会产生许多其他源自脂质代谢的功能性代谢产物。例如，包括罗斯氏菌、乳杆菌、丁酸弧菌和巨球形菌在内的共生细菌参与脂肪酸代谢，产生一系列复杂影响宿主生理的共轭必需脂肪酸（例如共轭亚油酸）（Devillard et al., 2007）。另一方面，乳脂会增加牛磺酸与胆汁酸的结合，从而导致沃氏嗜胆菌进一步生长，然后利用氨基酸来源的硫增加利用来产生与结肠炎的发病率密切相关的 H2S（Devkota et al., 2012）。

利用三甲胺（TMA）合成途径的关键酶成分，例如胆碱 TMA 裂解酶（CutC）途径和肉碱加氧酶（CntA）途径，肠道细菌例如梭状芽孢杆菌 XIVa 菌株和真细菌，能将胆碱和L-肉碱分解代谢生产 TMA。TMA 在肝脏中转化为氧化三甲胺（TMAO）（Rath et al., 2017; Janeiro et al., 2018）。许多研究表明TMAO血浆水平与动脉粥样硬化性心血管疾病（CVD）的风险密切相关（Canyelles et al., 2018）。

先前的研究强调了肠道细菌，例如阿克曼氏菌、Butyricimonas、Christensenellaceceae、Eggerthella、Teneercutes 和 Pasteurellaceae，在影响脂质代谢和/或不同类别的脂蛋白的特定方面的作用（Ghazalpour et al., 2016）。同时，在阐明中医介导的脂质代谢调节和疾病缓解的潜在机制方面，也已取得了迅速的进展。例如，有研究显示 TCMs 抑制脂质的肠道吸收，减少其从头生物合成，增加分解代谢和分泌（Bei 等人，2012）。中草药给药后改变的肠道菌群组成可能有助于改善脂类代谢异常（Huang et al., 2019; Zhang et al., 2019a）。另一方面，人参提取物可增加粪肠球菌，从而产生不饱和长链脂肪酸肉豆蔻酸（MA），从而通过刺激棕色脂肪组织（BAT）和形成米色脂肪而减少肥胖（Quan et al., 2019）。因此，中草药对肠道菌群的调节可能产生最佳量的有益脂质代谢产物，这是促进宿主健康的有效策略。

中药小化学分子的肠道菌群转化

不同的中药配方包含一系列具有许多生物学功能的小化学分子，包括类黄酮、皂苷、生物碱和蒽醌等。（Xu et al., 2013; Yan et al., 2013; Chen et al., 2015; Zhang et al., 2020b）（表 1）。肠道菌群和肝脏都涉及与异生物质成分进入后续的代谢转化（图 1）。在肠道中，这些成分可以通过肠道菌群进行修饰/结合。或者它们也可以被吸收并运输到肝脏，在那里它们也会被修饰/结合以增加其水溶性并促进排泄。从肝脏排泄到肠道后，这些代谢物可能会进一步通过肠道菌群进行修饰/早期解离以形成次级代谢物（Wahlstrom et al., 2016; Kim, 2018）。许多转化的代谢物经常充当功能性化合物，直接影响中医治疗的疗效。例如，中药成分中经常鉴定出的草药皂苷如皂角苷、子苷、环烯醚酮苷和黄酮苷被细菌 β-葡萄糖苷酶（GUS）代谢为次级糖苷或糖苷配基（Dabek et al., 2008; Yang et al., 2011）（图 1）。此类转化可能会影响这些分子的生物利用度和生物活性（Yang et al., 2011）。此外，由多种属于厚壁菌门（60％）和拟杆菌门（21％）的肠道细菌编码的肠道微生物 GUS 酶（Humblot et al., 2007; Creekmore et al., 2019）也催化 β-D-葡萄糖醛酸从它们的结合化合物中分离出来，影响药物的效力和毒性。以人参提取物的转化为例（图 1）。口服后，人参提取物中的人参皂甙 Rb1，Rb2 和 Rc 通过肠道菌群转化而形成 20-O-β-D-吡喃葡萄糖基 20（S）-原托那沙糖醇（化合物K），其被吸收到血液中以达到药理作用。与人参皂苷 Rb1 相比，化合物 K 表现出更强的抗肿瘤、抗炎和抗过敏活性（Wang et al., 2011; Kim et al., 2013）。因此，肠道菌群在口服人参的药理作用中起重要作用。

另一个例子是 CPT-11，它是一种有效抗癌剂，在体内被代谢为活性化合物 SN-38。患者体内平衡的 SN-38 浓度对于维持最佳的癌症治疗效果同时降低毒性至关重要。有趣的是，中药成分和肠道菌群都参与了 SN-38 活性的调节。为了排毒，SN-38 通过 UDP-葡糖醛酸糖基转移酶（UGT）被接合为 SN-38-葡糖醛酸。然而，去除糖苷糖基的纯化草药苷元抑制了 UGT 活性（Yokoi et al., 1995; Ramesh et al., 2010; Bailly, 2019），导致肠肝循环中的毒性 SN-38 浓度增加。另一方面，肠道菌群细菌也使用 gus 编码的 β-葡糖醛酸苷酶对 SN-38-葡糖醛酸苷进行解偶联。因此，潜在的调节活动形成了一个复杂的监管网络（Dabek et al., 2008）。如何在具有最大癌症治疗功效的患者中实现平衡的 SN-38 活性，同时降低毒性是一个重要的问题。

肠道菌群还可以转化胆汁酸和胆固醇，产生各种功能性代谢产物（Gerard, 2013）。其中，胆汁酸以甘氨酸、牛磺酸或硫酸盐结合物的形式在肝脏中产生，并在分泌入肠道后被肠道细菌解离和修饰。通过与胆汁酸核受体 FXR 和 G 蛋白偶联胆汁酸受体 1（TGR5）相互作用，胆汁酸信号传导控制了多种重要的生理行为并维持了肠道的稳态和健康的环境（Jia et al., 2018）。细菌，如拟杆菌、双歧杆菌、梭菌、埃克氏菌、大肠埃希菌、真细菌、梭杆菌、乳杆菌、李斯特菌、肽球菌、肽链球菌、假单胞菌和鲁米诺球菌，将其酶用于胆汁酸的解离、氧化和差向异构化、7-脱羟基化、酯化和脱硫（Gerard，2013）。因此，在肠道细菌发酵后会产生或有肿瘤促进作用的次级胆汁酸（Wahlstrom et al., 2016; Ramirez-Perez et al., 2017; Jia et al., 2018）。因此，有必要开发使用中草药的疾病治疗策略或使用代谢工程细菌修饰化学物质以维持健康（van Duynhoven et al., 2011; Lee et al., 2012; Anlu et al., 2019）。

基于菌群的整合多元组学研究——下一代中草药研究

由于中药研究中遇到的困难，必须考虑开发新颖的策略来表征中药相关的活性成分。对于未来的中草药来源的草药研究，使用基于微生物群的整合多组学平台似乎至关重要（图 2）。其基本原理如下：不是直接从草药提取物中筛选功能成分，而是使用多组学方法通过肠道菌群发酵转化后鉴定功能成分（图 2）。首先将准备好的中药草药产品（例如粗提取物/汤剂或散剂）喂给动物，以评估其改善疾病的功效。如果获得阳性结果，则随后对肠/粪便/血液样本中细菌的分类和丰度及其衍生代谢产物（包括含有潜在类生元的细菌结构成分）进行定量。在对照组和实验组之间显示出统计学差异的细菌和代谢物可能与所讨论疾病的治疗功效有关，因此将成为关注的目标。然后，将对这些细菌（潜在的益生菌）或化合物（潜在的后生元或类生元）单独或在一个联合体中进行功能和机制的系统评估。为此，将使用例如二代测序（NGS）、蛋白质组学和代谢组学之类的尖端分析平台。

图2. 基于菌群的整合多组学平台，用于中药衍生的草药研究。

基本原理是通过肠道菌群发酵转化后，鉴定与中草药相关的活性成分。将使用表观遗传学、16S 宏基因组学、鸟枪法宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等多组学平台，然后进行综合分析。这样的策略可以识别新型中药益生元、细菌（益生菌）和代谢产物（后生元）以及细菌结构成分（类生元），以调节宿主的局部肠道和系统靶器官，从而改善疾病。

基于菌群的中药组学研究的实验设计描述如下（图 2）：（i）在制备中药汤等中草药产品时，请严格遵循说明进行操作。（ii）对动物和人类进行分组，然后观察疾病的进程及发展，最后通过统计学评估结果。（iii）分别通过 16S rRNA 基因测序或鸟枪法宏基因组学，对肠道菌群的组成和/或其预测的肠道微生物组功能进行分析，然后对操作分类单位（OTU）和其他功能性 DNA 片段进行生物信息学分析。（iv）将通过代谢组学结合其他分析方法对代谢产物进行分析，例如宏代谢组学（针对肠道菌群）和表观遗传学、转录组学/单细胞 RNA 测序（scRNA seq）和蛋白质组学（针对宿主）。这种多组学方法将与传统的免疫学、生理学和病理学分析协同工作，以获得整体结果。（v）分析从对照组和实验组获得的数据集之间的关联，以识别具有显著差异的参数。通过 GO 和 KEGG 途径分析可以建立潜在的增加或减少的生化途径。此外，一些与中医和肠道菌群研究有关的数据库，包括中医网、中医综合症、中药综合数据库（TCMID）、化合物参考数据库（CRD）和 HIT，以及病原体宿主数据库（PHI-base 和 EHFPI）可用以作为中药药理网络分析系统的参考（Zhang et al., 2020a; Zhang et al., 2020b）。（vi）分离选定的微生物菌群并纯化或合成新的功能性代谢物，以进一步评估或验证其安全性和有效性。（vii）根据获得的结果，评估进一步临床试验的可能性。

更重要的是，在菌群发酵中药成分后，只有参与信号传导途径调节和疾病改善的重要元素会被突出出来。然后选择这些要素以开发新的治疗策略。当前，有许多基于多组学的模板可以作为中医药和微生物群相关研究的参考。例如，对肠道菌群生态系统进行功能分析以更好地了解炎症性肠病（IBD）（Lloyd-Price et al., 2019），而改进的 ColPortal 平台（Esteban-Gil et al., 2019）则将多组学研究整合到了了解炎症性肠病（IBS）疾病模型中的菌群与代谢组学之间的关系（Liu et al., 2019b）。此处描述的管线流程具有识别基于新型 TCM 的草药益生元、益生菌和益生元来治疗疾病的潜力。

观点

最近的研究表明，肠道菌群参与食物和营养物质的代谢，并在将原始中草药成分转化为功能性代谢产物中发挥核心作用。越来越多的研究表明，在施用各种中药和肠道菌群转化后表征代谢产物，结合尖端的多组学研究工具（如 NGS 和代谢组学平台）以及先进的生物信息学分析、数据库和算法的帮助，有可能鉴定出用于安全治疗的新型有效代谢物。最终，更好地了解中医药功能的分子机制将为有效治疗慢性炎症相关疾病做出巨大贡献。

（翻译全文结束，参考文献请见综述原文，可点击“Role of gut microbiota in identification of novel TCM-derived active metabolites”跳转至论文页面获取。）