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

从免疫调节到药物代谢，肠道微生物群在宿主生理的各个方面都发挥着作用。肠道微生物群组成的变化与各种疾病及其对药物的反应有关。因此，了解不同的生活方式和环境因素如何塑造肠道微生物群的组成至关重要。除了一般认为的饮食因素外，小分子药物已被确定为微生物群组成的主要影响因素。其他外源性物质(如环境或化学污染物)也可以影响肠道细菌群落。本文综述了肠道细菌与抗生素、宿主靶向药物、天然食品化合物、食品添加剂和环境污染物的相互作用机制。虽然外源性物质可以影响细菌的生长和代谢，但细菌反过来可以对这些化合物进行生物积累或化学修饰。这些相互作用可以在复杂的外源性物质-微生物群-宿主关系中表现出来。本综述强调需要研究与污染物和食品添加剂相互作用的潜在机制，以破译肠道微生物群的动态和进化。

1 前言

肠道微生物群是人体大的微生物群落，其生理重要性在其形式和功能上都是显而易见的。一个典型的成年微生物群中估计有3.8×1013个细菌，超过了人类体细胞的数量，占总体重的比例约为200克。在遗传水平上，肠道微生物群包含的基因大约是人类基因组的30倍，代表着巨大的代谢能力。事实上，肠道微生物群参与多种宿主功能，包括食物消化、解毒、内分泌功能、神经信号、免疫调节和病原体防御。肠道细菌在这些功能中的重要作用反映在肠道微生物群组成与炎症性肠病、癌症、肥胖、2型糖尿病、心脏代谢疾病和神经系统疾病等疾病之间的联系上。肠道微生物群与生理和健康的紧密联系主张将肠道微生物群视为人体器官。

这个充满微生物的超器官与身体其他部位之间的相互作用在很大程度上取决于其微生物组成，主要是通过分泌的代谢物。近年来，各种综述描述了微生物代谢产物对宿主生理的影响，例如，显示了短链脂肪酸如何与2型糖尿病和神经障碍等疾病相关。大约68%的肠道代谢组可以用微生物组成来解释，在血液中检测到许多与细菌相关的代谢物。因此，了解各种内在和外在因素如何影响肠道细菌及其代谢至关重要。虽然已经查明了若干这样的因素，但对其影响的程度和机制基础了解甚少。已知的内在因素包括宿主基因组成、年龄、性别和排便；外部影响包括饮食、酒精消费、药物和其他环境因素。尽管在解释肠道微生物群变异方面，预计环境因素已超过了遗传差异，但由于许多混杂因素，影响程度大小的确定仍然很困难。然而，已证明药物对微生物群的变化有很大的影响。二甲双胍就是一个很好的例子，二甲双胍是一种广泛用于2型糖尿病治疗的药物；研究发现，与药物相关的微生物群变异比仅与疾病相关的微生物群变异更明显。此外，与大多数内在因素相比，外在因素(如饮食和药物)是可以改变和适应的。因此，了解环境和肠道微生物群之间的相互作用将对设计改善健康和医疗的策略至关重要。

环境因素(如饮食和药物)与肠道微生物群之间的相互作用是双向的。饮食和药物可以改变微生物组成，反过来，肠道细菌可以化学转化这些化合物 ；例如用于治疗心血管疾病的地高辛和用于治疗帕金森病的左旋多巴。一些研究还表明环境污染物和其他外源性物质(包括农药、重金属和亚硝胺)对肠道微生物的影响与这些化合物的活化、失活和毒性有关。

通过皮肤接触、吸入或摄入，每天都会发生外源性物质接触。我们可以通过补充剂或药物或通过受污染的食物和水不自觉地摄入外源性物质。肠道微生物群可以在吸收之前或之后与摄入的化合物相互作用。口服或摄入的物质要么被小肠吸收并在肝脏中代谢，要么通过小肠进入结肠，在那里它们可以被肠道微生物群代谢，相当于“第二个肝脏”。此外，之前吸收的物质或通过不同暴露途径进入体内的物质，可以通过胆道分泌循环回到肠道，并与肠道微生物群相互作用。许多不同种类的细菌都有可能与外源性物质相互作用，而特定化合物的影响和代谢程度往往取决于肠道微生物群的组成。考虑到肠道微生物群可能接触大量外源性物质(＞25,000)，了解外源性物质-微生物群相互作用的程度和性质对于揭示个体间和个体内微生物群变异、动态和进化的机制基础至关重要。

本篇综述讨论了广泛接触的外源性物质对肠道微生物群组成的影响，并重点介绍了已知的外源性物质-肠道细菌相互作用模式。这些化合物可分为四类：(1)抗生素，(2)宿主靶向药物，(3)天然食品化合物和食品添加剂，(4)环境污染物和化学品。通过多种实验方法揭示的相互作用涵盖了体内相关性以及机制见解。我们尽可能关注直接相互作用和分子机制，并涵盖比之前综述范围更广的外源性化合物。

a 影响肠道微生物群组成的内在因素包括宿主胃肠道生理、性别、年龄和宿主遗传等。b影响肠道微生物群组成的外部因素包括酒精摄入、药物、饮食和其他环境因素。c摄入的外源性抗生素可以通过抑制或促进细菌的生长来影响肠道微生物群的组成。反过来，细菌可能代谢外源性物质，从而改变它们在宿主中的活性。d二甲双胍是治疗2型糖尿病的一种常用药物，它会影响肠道微生物群的组成。这种组成的改变至少在一定程度上与二甲双胍治疗的抗糖尿病作用有关。e由于食品污染而摄入的农药草甘膦会改变肠道微生物群的组成。

2 外源性物质和肠道微生物组成

2.1 抗生素的附带损害

抗生素对肠道微生物群有很强的短期影响，并导致多种细菌菌株的细胞损伤。对广谱抗生素利福昔明、环丙沙星、甲硝唑和万古霉素的体外和人体研究表明，它们在减少总微生物量以及α多样性和丰富度方面具有深远的短期影响。此外，这些研究表明，肠道微生物群的组成发生了巨大的变化，拟杆菌门(Bacteroidetes)减少，厚壁菌门(Firmicutes)增加，包括拟杆菌属(Bacteroides)和粪杆菌属(Faecalibacterium)在内的几个属的丰度减少，产生短链脂肪酸丁酸的属也大幅减少(相对丰度从27%下降到0.3%)，这表明抗生素可能会破坏肠道微生物群的规模。

除了短期影响外，抗生素还与肠道微生物组成的长期变化有关。环丙沙星和克林霉素可减少物种丰富度并改变微生物组成，包括拟杆菌属的减少和粪杆菌属与Alistipes的增加，持续时间可达12个月。因此，肠道微生物群恢复到干预前水平取决于抗生素化合物和宿主特异性因素，如基线微生物群组成。抗生素对共生生物的负面影响可以为低丰度物种(有时甚至是病原体)打开一个生态位。一项在接受美罗培南、庆大霉素和万古霉素混合物治疗的健康男性中进行的研究发现，肠道细菌和其他致病菌大量繁殖，双歧杆菌(Bifidobacterium)和其他产丁酸菌减少，这被认为可以抵御病原菌。这些研究强调，抗生素治疗对微生物群的损害可能会通过减少有益代谢物的产生或通过打开病原菌的生态位进一步对宿主产生负面影响。

2.2 人类靶向药物引起的特异性改变

与抗生素相比，人类靶向药物是一个更大、更多样化的药物组。一些药物，如抗糖尿病药和抗抑郁药的使用时间往往比抗生素长得多，甚至是终生使用。由于在宿主靶向药物的开发过程中很少考虑与细菌的相互作用，因此它们对肠道微生物群组成的影响比抗生素更出人意料，研究也更少。二甲双胍是为数不多的例子之一(图1d)，已证明二甲双胍可能通过调节金属稳态影响肠道微生物群中的微生物物种丰度和代谢通路。事实上，与未经治疗的患者相比，接受二甲双胍治疗的2型糖尿病患者的肠道微生物群组成不同，大肠杆菌属(Escherichia spp.)增加，Intestinibacter spp.减少，这一差异之前被错误地与疾病状态联系在一起。此外，已证明这种改变的微生物群组成在一定程度上有助于二甲双胍的抗糖尿病作用。例如，与二甲双胍治疗前接受2型糖尿病患者粪便移植的小鼠相比，接受二甲双胍治疗的患者粪便移植的无菌小鼠的糖耐量有所改善，但机制尚不清楚。除了这个众所周知的例子，一项me[x]ta分析显示，17种药物与单个微生物类群的水平相关，其中质子泵抑制剂、抗糖尿病药物(二甲双胍)和泻药与微生物类群的相对丰度相关性强。其他宿主靶向药物对肠道微生物的影响也被注意到，如抗精神病药、他汀类药物、受体阻滞剂和血管紧张素转换酶(ACE)抑制剂。越来越多的证据表明，多种宿主靶向药物可以以药物依赖性方式改变肠道微生物群的组成，因此，需要考虑这些相互作用在微生物群动态和药物反应中的作用。

2.3 天然食品成分和食品添加剂的作用

大量营养素和微量营养素都会影响肠道微生物群的组成。除此之外，食物中天然存在的化合物的数量是巨大的。FooDB是大的食品成分、化学和生物学资源库，列出了超过55,000种天然化合物。已显示影响肠道微生物群组成的天然存在的外源性物质包括植物化学物质；已证明橄榄、甘菊、肉桂和生姜的草本提取物会影响肠道微生物组成。这些提取物的共同作用是抑制大肠杆菌属(Escherichia)和志贺菌属(Shigella)，这与胃肠道失调有关，并有利于产生丁酸的粪球菌属(Coprococcus)和丁酸单胞菌属(Butyricimonas)的生长。此外，单一的天然外源性化合物，如姜黄素，也被证明可以改变几种肠道细菌的丰度。姜黄素是姜黄中的一种主要成分，其消费量与梭菌属(Clostridium)和拟杆菌(Bacteroides)的增加以及Blautia和瘤胃球菌属(Ruminococcus)的减少有关。茶多酚增加了与益生菌功能相关的双歧杆菌物种，减少了拟杆菌和普雷沃氏菌(Prevotella)，而在一些植物中发现的生物碱小檗碱则减少了单形拟杆菌(Bacteroides uniformis)的丰度。

除了天然食品成分外，食品添加剂也可能与肠道微生物组成相互作用并形成肠道微生物群。人工甜味剂和乳化剂是使用广泛的食品添加剂。商业上可获得的甜味剂代糖、糖精和三氯蔗糖以及乳化剂羧甲基纤维素和聚山梨醇酯-80已被证明能促进小鼠肠道微生物群组成的变化和失调。这些变化包括三氯蔗糖导致的厚壁菌门减少和双歧杆菌属增加，代糖导致的变形菌门增加和大肠杆菌过度生长，以及糖精导致的拟杆菌门增加和梭菌目减少，这与2型糖尿病有关。此外，羧甲基纤维素和聚山梨醇酯-80均能促进炎症反应，降低微生物群落多样性，并与拟杆菌目相对丰度的增加和梭菌目相对丰度的减少有关。

2.4 农药和其他污染物的影响

人类在无意中消耗了大量的环境污染物，如农药、环境化学品、加工污染物、霉菌毒素和重金属。迄今为止，这些污染物对人类微生物群的影响尚未得到的研究。然而，暴露于各种环境污染物与肠道微生物群组成的变化有关。

农药，包括杀虫剂、杀菌剂和除草剂，在食品生产中广泛使用，因此是食品污染物的主要类别。2018年，美国食品和药物管理局(FDA)和欧洲食品安全局(EFSA)分别在食品中检测出212种和358种不同的农药残留。此外，2020年，英国食品农药残留问题专家委员会在2460份食品样本中检测出123种农药残留，42%的样本中至少含有一种农药残留。一项研究在英国双胞胎队列(n=130)中筛查了186种农药，在所有尿液样本中检测到拟除虫菊酯和/或有机磷杀虫剂。例如，>96%的样品中检测到拟除虫菊酯氯氰菊酯和氯菊酯，75%的样品中检测到有机磷酸二乙酯。草甘膦是检测到的除草剂，存在于53%的样本中，这突显出人类暴露于污染物的情况普遍存在，因此肠道微生物群也可能接触污染物，应进行系统调查。各种类型的农药已被证明会影响肠道微生物群的组成和与微生物群相关的代谢物，如短链脂肪酸、胆汁酸和三甲胺。一项对小鼠的研究报告称，与肠道微生物群的相互作用可能会导致有机磷酸盐的不良反应，如糖耐量降低。

毒死蜱和草甘膦是广泛使用的有机磷酸盐之一，它们都与啮齿类动物肠道微生物群组成的变化有关。即使在与膳食暴露相关的低浓度(1-3.5 mg/kg/天)下，毒死蜱和草甘膦暴露也会导致大鼠肠道微生物群组成的改变。另一项研究采用多组学方法研究了草甘膦对大鼠肠道微生物群和代谢组的影响，结果显示草甘膦暴露不仅导致Eggerthella spp.、Shinella zoogleoides、Acinetobacter johnsonii和Akkermansia muciniphila的相对丰度增加，还导致肠道代谢物水平的变化，表明肠道细菌中的莽草酸途径受到抑制，这是草甘膦作为除草剂的主要机制。由于莽草酸途径不存在于人和动物细胞中，草甘膦通常被认为是安全的。然而，人类肠道微生物群中这一途径的抑制对宿主健康的影响尚不清楚。然而，这些发现表明，在评估农药和其他环境化学品对健康的不利影响时，需要考虑肠道微生物群中的生化途径。

N-亚硝胺因其致癌和毒性被认为是一类重要的环境污染物。N-亚硝胺是一种多样的化学物质，包括300多种不同的化合物。据估计，每人每天接触N-亚硝胺的总剂量在1900-25,000 ng之间，具体取决于生活方式的选择，烟草制品的消费造成的接触剂量高(~22,000 ng/天)，其次是食物(~1,900 ng/天)、酒精饮料(~1,000 ng/天)和饮用水(~120 ng/天)。此外，近年来，药物中的N-亚硝胺含量超过每日26.5 ng的可接受摄入量，导致FDA召回超过1,400种产品，例如二甲双胍和降压药缬沙坦。虽然饮用水中高浓度的各种N-亚硝胺(mg/L)已被证明在啮齿类动物模型中具有致癌性，但人类对单一N-亚硝胺的暴露通常要低几个数量级(ng/L)，因此尚未进行广泛的研究。一项在雄性大鼠中以环境相关剂量补充N-亚硝胺混合物的研究显示，微生物群的组成明显向致肥胖模式转变。这一转变包括厚壁菌门与拟杆菌门的比例增加，以及Alistipes和Ruminococcus属的富集。此外，补充亚硝胺二氯乙腈会影响微生物群落组成和微生物代谢物丰度，包括参与鞘脂信号通路和脂肪酸生物合成的代谢物。这些结果表明，N-亚硝胺在与人体接触相关的浓度(ng/L)下可能会影响微生物群组成和宿主健康。

霉菌毒素是有毒的真菌次级代谢物，是食物中的污染物。已经确定了300多种不同的霉菌毒素，其中一些经常在食物中发现，如黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、伏马菌素、棒曲霉素、玉米赤霉烯酮和单端孢霉烯。对EFSA和其他大型全球调查数据的文献回顾和分析估计，超过60%的食品样品中含有霉菌毒素，其中20%的霉菌毒素水平超过了欧盟的监管限制水平。一项对小鼠的研究表明，赭曲霉毒素处理(210 μg/kg体重)导致微生物群落多样性减少和乳杆菌属(Lactobacillus)丰度增加，这已被证明在赭曲霉毒素解毒中发挥作用。此外，一项将小鼠暴露于与人体估计摄入量(10 μg/kg体重)相关的剂量下9个月的研究也显示，几个细菌门、科和属的丰度发生了变化，包括双歧杆菌属减少和臭杆菌属(Odoribacter)增加，这与肠道炎症有关。这些研究结果表明，需要考虑霉菌毒素与肠道微生物群的相互作用及其对宿主健康的影响。

重金属也是食品和饮用水中常见的污染物。人体肠道微生物群有助于控制和吸收这些有毒金属。例如，肠道微生物群已被证明可以保护老鼠免受砷中毒。与抗生素处理或无菌小鼠相比，具有天然肠道微生物群的小鼠在器官中积累的砷更少，在粪便中排泄的砷更多，这表明肠道微生物群在介导重金属毒性方面可能至关重要。反过来，重金属暴露也会影响肠道微生物群的多样性和组成。镉、砷、铜、铅和铝暴露都与肠道微生物群在门和属水平上的组成改变有关，并导致多样性降低。此外，锌暴露不仅会影响小鼠肠道微生物群的组成，还会增加艰难梭菌(Clostridioides difficile)感染的易感性和疾病的严重程度，这凸显了了解重金属对肠道微生物群影响的重要性。

兽用抗生素和药物的残留也可能污染食品，特别是动物产品。2018年，EFSA发现，354,517个肉类、鸡蛋、牛奶和蜂蜜样品中有0.3%不符合欧盟规定，并且超出了外源性物质残留允许限度。这些不合格的样品含有兽药，如抗菌剂和具有合成代谢作用的物质。尽管这些残留物的摄入浓度远低于用于治疗的药物，但它们也可能影响肠道微生物群的组成，这需要进一步研究。

其他几种食品污染物，包括食品接触材料、植物毒素或工业化学品，在食品生产、包装或制备过程中都可能进入我们的食品。正如上述示例所强调的，不同种类的污染物有可能改变体内肠道微生物群的组成，这强调了在其安全性评估中需要考虑微生物群介导的对健康的影响。

通过我们的饮食，我们消耗了大量的天然化合物。FooDB是食品成分、化学和生物学的大资源库，列出了797种不同的食品，其中含有15,750种已检测到的天然化合物，以及55,176种预测的化合物。除了食物中存在的天然化合物外，我们每天还会摄入许多其他的外源性物质，其中许多还不为人知。图表并不全面，旨在概述可能定期摄入的各种外源性物质的范围。所示信息来自多个不同的数据库，可在补充表1中找到。此外，并不是每个人在其一生中都将接触到上述所有的外源性物质，接触情况因生活方式、职业和地理位置而异。

3 外源性物质-细菌相互作用机制

人类队列和动物研究已经证明了外源性物质的摄入与微生物群组成和功能之间的众多关联。然而，了解其潜在机制对于将这些发现应用于健康环境至关重要，需要在物种和菌株水平上进行深入调查。目前为止，已经描述了六种主要的外源性物质-肠道细菌相互作用模式，并进行了概述。

已知外源性物质与肠道微生物群之间有六种相互作用模式：外源性物质抑制细菌生长、外源性物质促进细菌生长、外源性物质引起细菌自身代谢的变化、外源性物质对细菌病毒组和毒力的影响、细菌的外源性代谢和细菌的外源性生物积累。通过抑制或促进某些细菌的生长或干扰细菌的自身代谢，外源性物质直接有助于塑造肠道微生物群的组成及其代谢功能。此外，肠道细菌可以代谢或生物积累外源性物质，从而改变其活性或毒性。这种代谢或生物积累取决于肠道微生物群的组成，而产生的外源性物质代谢物反过来又会影响肠道微生物群的组成。所有的相互作用都可能以各种组合发生，并取决于肠道微生物群的组成。

3.1 外源性物质抑制生长

常报道的相互作用模式是外源性物质对细菌生长的抑制。在一项大规模的体外实验中，144种抗生素中有78%对40种被测肠道细菌菌株中的至少一种显示出抗菌活性，其中许多菌株是人类肠道的常见成员，如普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)和单形拟杆菌(B. uniformis)。大多数抗生素影响几种菌株，没有确定的特异性模式。同一项研究发现，在835种人类靶向药物中，24%对40种测试菌株中的至少1种有效。与抗生素相比，这些人类靶向药物影响的菌株数量都更少，这凸显了它们的特异性作用，而不是抗生素的广泛附带损害。这一发现表明，人类靶向药物比抗生素更能靶向细菌细胞内的特定途径，而抗生素可能只存在于特定的菌株中。但这项体外筛选发现，人类靶向药物会影响健康人类肠道中常见的几种物种，这支持了队列研究中观察到的群落规模影响。例如，二甲双胍通过抑制叶酸代谢来影响大肠杆菌的生长。此外，抗精神病药氯丙嗪和抗抑郁药阿米替林已被证明可以抑制由ArcB转运体介导的外排，这是一种常见的耐药介质。

与食物有关的外源性物质也被证明可以抑制细菌的生长。人工甜味剂三氯蔗糖、糖精和安赛蜜对大肠杆菌HB101和K-12的生长有抑制作用。此外，一项体外研究观察了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种不同菌株的影响，发现至少部分受试香料抑制了所有4种受试瘤胃球菌(Ruminococcus)和一些Fusobacterium和Clostridium的生长。

其他对肠道细菌生长有不良影响的食品污染物包括染料、霉菌毒素和持久性有机污染物。染料苏丹红I、II、III、IV和Para Red对11种肠道菌株中至少1种具有生长抑制作用。一项研究表明，链格孢霉毒素(一种有毒的真菌代谢物)的复合提取物能够抑制多种细菌菌株的生长，如丰富的B. vulgatus菌株。此外，4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噁英(TCDD)、多氯联苯PCB-123