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编译：卓求，编辑：小菌菌、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 中草药(HMs)因其具有治疗和预防疾病的作用从而对人类生存和繁衍作出了重大贡献而备受青睐。阐明HMs的科学依据将进一步证实其价值，并促进其现代化。越来越多的证据表明，肠道微生物群与HMs组分之间的复杂相互作用在HMs的治疗过程中起着至关重要的作用。这种相互作用包括： ① 肠道微生物群将HMs化学成分转化成具有不同生物利用度和生物活性/毒性的代谢物； ② HMs化学成分改善肠道微生物群组成，并最终改善其功能失调及相关的病理状态；以及肠道微生物群介导中草药多组分之间的协同和拮抗作用。 建议在未来的研究采用更加先进的实验设计如肠道微生物群代谢HMs后的整体化学特征、HMs靶向肠道菌群的直接微生物分析以及开发精确的肠道菌群研究模型。这些研究的结果可以进一步阐明HMs和肠道微生物群的相互作用，从而为定义HMs的科学基础和指导基于HMs的药物开发提供新的策略。 论文ID 原名：Understanding the Molecular Mechanisms of the Interplay Between Herbal Medicines and Gut Microbiota 译名：中草药与肠道微生物群相互作用的分子机制 期刊：Medicinal Research Reviews IF：8.763 发表时间：2017 通讯作者：李松林&陈虎彪 作者单位：中国中医科学院分院江苏省中医药研究院 综述大纲 第一部分：前言 第二部分：主要内容 第三部分：展望 前言 中草药（HMs）又称为植物药，为植物的原材料或经过炮制后，具有治疗和保健的功效。包括未加工或加工的植物部分，包含一种或多种植物的种子、浆果、根、根茎、叶子、树皮和/或花。从古至今，HMs通过预防和治疗疾病进而显著地促进了人类的生存和繁衍。HMs的临床应用支撑着传统医学体系，如传统中医学、印度吠陀医学和伊斯兰医学。根据世界卫生组织估计发展中国家约80%的人口将HMs作为主要的医疗保健。即使在欧洲和北美的发达国家，HMs也被大量消耗且日益为补充和代替医学所需要。然而，HMs临床疗效的科学依据，包括其有效化学成分和药理作用机制，在很大程度上都未被阐明。 在过去的半个世纪里，研究人员一直试图通过现代科学技术鉴定HMs中的生物活性成分来揭示HMs的治疗机制。尽管作出了许多努力，但进展有限。从HMs中发现新药的标准模式包括草药提取、初步分离、由疾病相关靶点（如蛋白质、基因或RNA）指导的体外高通量筛选、动物模型试验以及最终的人体试验。采用这种方法，从HMs中提取一些生物活性化合物，青蒿素属于一个典型的例子，但成功率非常低。从HMs中提取的大多数化学物质被证明没有或几乎没有生物活性和生物利用度，因此未被纳入候选新药。例如，口服HMs多糖后，人体通常既不能吸收也不能消化。因此，在HMs的科学研究和现代化工业生产中，多糖通常不被视为生物活性成分，而作为杂质被去除。目前的研究成果无法破译自古以来HMs在维持人类健康中的重要作用。因此，新的研究视角对进一步理解HMs具有重要意义。 近年来，大量实验陆续证明“多组分对抗多靶点”是HMs的治疗原则，尤其被之前视而不见的靶点即肠道微生物群所吸引。大量研究表明，肠道微生物群与哺乳动物宿主的健康和疾病有关。肠道微生物群与HMs的化学成分之间的相互作用也受到了广泛的研究。具体而言，肠道微生物群可以代谢HM化学成分，所产生的代谢物具有不同的（或多或少）生物利用度、生物活性和毒性。HMs化学成分还可以调节肠道微生物群的组成，以恢复其体内平衡，从而改善其功能障碍以及相关的病理状况。此外，基于这些双重作用，肠道菌群可以介导HMs中多组分之间的协同和拮抗作用。这些令人振奋的实验发现使得我们有理由相信肠道微生物群在HMs的治疗效果中起着关键作用。如果被证明是真的，这一观点将重新定义我们对HMs奏效的理解，并在基于HMs的药物发现领域引发一场新的革命。 主要内容 1 肠道微生物群与宿主健康 人体肠道内分布着大量微生物。约有100万亿个古生菌和细菌，种类超过1000种，其中90%以上肠道细菌属于拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门。大量临床和啮齿类动物实验已经充分地证明了肠道微生物群作为维持宿主健康的重要“器官”。目前关于肠道菌群对宿主健康和疾病的影响以及作用机制已经被很好地阐述过，这里是简要的总结。一般来说，肠道微生物群会通过多种途径影响宿主，例如肠-肝轴、肠-脑轴、肠-肌轴，或原位消化，发挥以下四大生理功能： （1）参与宿主代谢：肠道微生物组比宿主基因组含有更多的代谢酶，因此具有更强大的代谢能力。许多膳食和宿主来源的底物，如多糖、胆汁酸和胆碱，其中要么是被肠道菌群独立代谢的，要么是与宿主共代谢。这些代谢物分为必须的、有益的和有害的。其中研究最多的是短链脂肪酸（SCFAs）和脂多糖（LPS）。 （2）形成系统性免疫：肠道微生物群也能够塑造宿主的先天和适应性免疫反应，无菌模型的多方面免疫缺陷以及肠道微生物群定植后病理学上的改善直接证实了这一点。进一步的研究揭示了肠道菌群参与宿主系统免疫的一些机制，包括细胞免疫和淋巴器官形成。例如，无菌小鼠定殖脆弱类杆菌后产生了一种被树突状细胞识别的细菌多糖，导致CD4+T细胞增殖并恢复脾白髓中的淋巴细胞发育。在另一项研究中，来自革兰氏阴性菌的肽聚糖通过含1个信号的核苷酸结合寡聚结构域诱导孤立淋巴滤泡（ILFs）的形成，而ILFs成熟为大B细胞需要Toll样受体识别细菌。研究还表明，某些革兰氏阳性菌（如鼠乳杆菌）可被转移到次级淋巴器官（肠系膜淋巴结和脾细胞），在那里它们刺激“致病”辅助T17细胞的特定亚群的产生和记忆T(H)1免疫应答。 （3）维持胃肠道稳态：除了全身免疫外，肠道微生物群还参与黏膜免疫，这是保持肠道生态系统平衡所必需的。一方面，肠道菌群通过调节肠道树突状细胞的耐受性表型，即诱导宿主T细胞分化为T辅助细胞2和调节性T（Treg）亚群，抑制促炎性转录因子NF-ƙB的活性，防止过度免疫反应，保护自身。另一方面，肠道微生物群可以通过激活驻留的树突状细胞刺激免疫球蛋白A（IgA）的产生，从而抑制细菌种群的过度生长。共生菌通过竞争性排斥和诱导抗菌物质的产生，对肠道内的稳态起到了促进作用。此外，肠道微生物群通过促进血管生成、肠屏障功能稳态和粘膜糖基化，进而促进胃肠道结构成熟。 （4）影响大脑功能和行为：肠道微生物群通过脑-肠轴与中枢神经系统（CNS）相联系，这一过程涉及神经、内分泌和免疫途径，从而影响脑功能和宿主行为。肠道微生物群在下丘脑-垂体-肾上腺轴的发育过程中起着至关重要的作用，与正常和特定的无病原体小鼠相比，在无菌小鼠中，促肾上腺皮质激素和皮质激素的过度释放证明了这一点。肠道微生物群对大脑功能的影响已被证明依赖于迷走神经的激活；亦可以介导免疫系统作用于大脑，因为免疫系统直接联系肠道微生物群和中枢神经系统。除此之外，肠道微生物群还可以通过调节色氨酸代谢、产生神经活性代谢物（SCFAs）和神经代谢物（神经递质和神经调节剂）进而影响大脑功能和行为。肠道微生物群对宿主生理和心理功能的重要贡献，可以合理化其对宿主疾病的具有重要且复杂的参与过程。肠道微生物群的各种组成异常（失调）已被证明与某些疾病密切相关，典型的代谢紊乱类疾病，即肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝（NAFLD），以及癌症、炎症性肠病（IBD）和肠易激惹综合征（IBS）。有趣的是这些疾病可以通过恢复肠道稳态而被减轻甚至逆转。虽然这些联系已经被清楚地证明，但我们仍然不清楚肠道微生物群失调与病理状态之间的精确机制。即使没有对如何和为什么进行彻底的了解，这些暗示也提出了新的临床治疗策略，即使用特定的益生元、益生菌、合生元和粪便移植进行外源性干预，以恢复肠道微生物群的平衡从而预防和治疗相关疾病。 2.1. HM代谢涉及肠道微生物群 在临床实践中，HMs通常经水或乙醇提取，以生产汤剂、输液或口服酊剂。因此极性化合物广泛存在于HM提取物中。然而，由于这些化学物质的亲脂性差，它们的生物利用度通常很低。在这方面，肠道微生物群介导的生物催化可以转化这些分子成为较小极性和亲脂性更高的小单元。糖苷类化合物，如三萜苷和黄酮苷最具代表性，在许多HMs及其水/乙醇提取物中含量丰富（表一）。糖苷类化合物由于糖部份的氢键数、极性表面积和分子柔顺性的增加导致较差的肠道吸收，肠道微生物群催化的去糖基化是一种主要的水解方式，肠道中大多数糖苷的去结合过程是通过从主链上逐步裂解糖基或葡萄糖醛酸部分。由该过程产生的次生糖苷和/或苷元通常具有更好的肠道吸收，从而具有更好的生物利用度。肠道微生物群尤其具备水解糖苷的能力，因为许多以拟杆菌门和厚壁菌门为主的细菌都编码着丰富的糖苷水解酶基因。除了糖苷水解酶，肠道微生物群还包含许多其他类型的酶（氧化酶、还原酶、酯酶等），对HM中广泛相似的成分如三萜苷、黄酮、环烯醚萜苷类、生物碱、醌、木脂素和单宁进行广泛的其他催化反应，例如氧化（裂变、水合、氢化、羟化、甲基化、氧合）、还原（脱水、脱羟基、脱甲基化，脱羧，脱氢），异构化，重排，分子内环化，酯水解，酯化，缩合。多种肠道细菌主要包括拟杆菌属、双歧杆菌属、真杆菌属、梭菌属、乳酸杆菌属、消化链球菌属和梭杆菌属参与了HM主要成分的生物转化（图一）。 图1 肠道微生物群在哺乳动物肠道中生物转化人参皂苷Rb1的关键作用。 在单个HM组分的整个肠道代谢过程中，根据化合物的结构性质，肠道微生物群可以同时或连续地引发一系列代谢反应。例如，HMs中的糖苷通常首先通过逐渐水解（去糖基化和酯化）代谢，然后水解产物（二级糖苷和/或苷元）通过骨架保留修饰（如三萜苷）、骨架分裂（如黄酮苷）进一步转化，或通过骨架重排（如环烯醚萜苷）。为了实现生物转化，肠道中的不同细菌可以协同作用来驱动单一化合物的代谢，而单一的细菌菌株也能够转化不同的化合物。在人的肠道细菌对槲皮素的代谢过程中，FusobacteriumK-60具有去糖基化作用，而另外四种细菌即PediococcusQ-5、StreptococcusS-3、BacteroidesJY-6和BifidobacteriumB-9则参与了苷元的进一步分解。Clostridiumbutyricum通过脱糖基化、缩合、脱水、脱氢和/或分子内环化等多种反应机制转化了几种具有不同结构类型的化合物，如京尼平苷、乌头碱和紫草素（表一）。此外，由肠道微生物群驱动的不同的反应的代谢速率具有结构特异性。次级苷（S）和/或苷元总是被认作为肠道微生物群代谢三萜苷的主要代谢物，但在黄酮类化合物和环烯醚萜苷类代谢产物中这种优势似乎减弱或不存在。事实上，肠道微生物群的生物转化具有高度的特异性，即便对于同一类型的反应，在结构上也有不同的偏好。例如，不同类黄酮（即黄酮、黄酮醇和异黄酮）的主链杂环吡喃酮环被肠道微生物群选择性地切割，分别生成C6-C3酚酸、C6-C2酚酸和乙基酚衍生物。苷元类型、糖基类型和数目以及糖苷中的糖苷键位置和类型（C-或O-糖苷）也对去糖基化的程度、速度和优先顺序产生重要影响。生物转化的广度和特异性分别由肠道微生物群中所编码的代谢酶的多样性和选择性所决定。例如，从Eubacteriumsp.A-44中分离的一种β-D-葡萄糖苷酶具有广泛的底物特异性，能够水解芳基β-D-糖苷和烷基β-D-糖苷。相反，从真杆菌中分离到两种物理性质相似的β-D-葡萄糖醛酸酶。Eubacterium sp.GLH通过连续的脱糖基化作用，将甘草甜素代谢为甘草酸单葡萄糖醛酸，再代谢为甘草次酸。一种是专门水解甘草甜素制备甘草次酸，另一种是专门代谢甘草次酸单葡萄糖醛酸制备甘草次酸。除了酶催化作用外，肠道微生物内源性环境也构成了HM成分的代谢途径，例如某些环烯醚萜苷和双酯二萜生物碱在NH3（或NH4+）和脂肪酸存在情况下，分子内都分别发生了催化代谢反应。HMs的主要成分经过某些肠道菌群代谢后的产物具有活性或者减弱，亦或失活。例如，人参皂苷Rb1可以通过肠道微生物群逐步去糖基化代谢为化合物K和20（S）-原人参二醇，实验证明这两种物质都被比人参皂苷Rb1具有更好的生物利用度和生物活性（图1）。 鞣花丹宁，一组广泛存在于许多药用和食用植物中可水解的单宁，具有抗氧化、抗炎和抗癌等诸多健康益处。然而，由于分子量大和极性强，且药动学实验表明具有极低的生物利用度，进一步的研究表明，肠道微生物群通过将鞣花单宁转化为鞣花酸，并最终转化为最终产品尿石素（尿石素A、B、C和D），在鞣花单宁的生物活性中起着决定性的作用，尿石素更易吸收，并对人体健康有益。体内外实验均表明尿石素具有良好的生物活性，包括抗炎和抗前列腺癌，但具体机制尚未阐明。最近一项采用啮齿动物和秀丽隐杆线虫模型的研究表明口服尿石素A能够通过诱导有丝分裂改善线粒体和肌肉功能。因此，鞣花单宁对全身健康的益处更可能来自肠道微生物代谢产生的尿石素。小檗碱是一种季铵盐生物碱，可通过肠道微生物群中的硝基还原酶还原为一种易吸收但无活性的代谢物即氢化小檗碱，有趣的是，进一步实验发现氢化小檗碱经肠道吸收可被氧化为小檗碱，然后进入血液循环发挥药理作用，这项研究阐明了小檗碱吸收差但生物活性高的原因。 此外，先前研究也表明某些肠道菌群的代谢产物具有或多或少的毒性。乌头碱，一种二酯双萜生物碱，口服给药后能引起全身急性毒性。然而，人类肠道微生物群可以通过乙酰化和酯化分别将乌头碱代谢为苯甲酰乌头碱和脂乌头碱，且代谢产物的毒性显著降低。马兜铃属植物在HM临床实践中的应用受到很大限制，因为它们的主要成分马兜铃酸（AA）及其衍生物具有肾毒性和致癌作用。其中AAI是最有毒的，然而AAI经肠道微生物群代谢后的产物更加具有肾毒性。伊立替康是喜树碱的半合成衍生物，SN-38是伊立替康的生物活性代谢物，具有抑制拓扑异构酶I的作用，然后被UDP-葡萄糖醛酸转移酶失活成为葡萄糖醛酸结合物SN-38-G，之后进入胃肠道消除。然而，在胃肠道中，肠道细菌通过分泌β-葡萄糖醛酸酶进而将SN-38-G水解成有毒的SN-38，并引起胃肠道损伤和严重腹泻。 表1 HM代谢涉及肠道微生物群 碳水化合物，特别是多糖和低聚糖，作为另一种广泛分布于HMs及其提取物中的成分，许多知名的HMs如人参根和根茎、当归根、石斛茎和熟地黄根富含碳水化合物，且实验证明这些碳水化合物具有免疫调节、抗肿瘤、抗氧化、降血糖、抗炎等药理作用。然而，人类基因组编码的消化酶有限，因此不能消化大多数碳水化合物，相反，人类肠道微生物群编码数千个碳水化合物活性酶。例如拟杆菌门和厚壁菌门各自编码3976和4119种碳水化合物酶，由于具有大量的碳水化合物酶，人类的肠道微生物群非常擅长发酵由各种单糖和糖苷键组成的植物多聚糖和低聚糖，如菊粉、纤维素、抗性淀粉、果胶、低聚果糖以及纤维低聚糖。人类肠道微生物群编码的碳水化合物酶有四种，分别是糖苷水解酶、多糖裂解酶、糖酯酶和糖基转移酶。具备不同类型和数量的碳水化合物酶，肠道微生物群得以通过不同的策略及不同的分子机制消化碳水化合物，例如Bacteroides thetaiotaomicron利用SUs样系统分解淀粉，这套系统组装了由具有不同功能的碳水化合物酶基因簇（多糖利用位点）编码的一系列蛋白，具有识别、结合和初步降解（细胞外）、运输（细胞内外）、完全降解，和信号传输（细胞内）的功能。然而，即便在没有细胞外降解的情况下，Faecalibacterium prausnitzii依然擅长消化低聚糖和单糖，如低聚果糖、麦芽糖、果糖、葡萄糖和葡萄糖胺，这一过程涉及两种不同的转运机制，即ATP结合盒和磷酸转移酶系统，直接转运小分子糖进入胞内。鉴于它们的不同特性，肠道细菌在碳水化合物发酵过程中也可以发挥协同作用，例如在非碳水化合物小分子的情况下。一种由人类肠道细菌Eubacteriumrectale和/或B.thetaiotaomicron移植至无菌小鼠的简化模型表明，B.thetaiotaomicron上调了许多糖苷水解酶的表达，而E.rectale下调了其聚糖降解酶的产生，但有趣的是上调了寡糖和单糖转运蛋白的表达。这些结果表明，共定殖状态下，B.thetaiotaomicron专注于多糖降解，而E.rectale则进一步处理其聚糖降解产物。经过连续降解，肠道微生物群发酵HMs碳水化合物产生SCFAs（正丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐），且SCFAs已成为肠道菌群影响宿主心里和生理健康最重要的分子之一。肠道微生物群产生的SCFAs要么通过肠道上皮吸收进入循环，要么被肠上皮细胞利用，从而产生系统和局部影响。大多数SCFAs处于电离状态，因此需要特定的转运蛋白，如单羧酸（MCT）和slc5a8转运蛋白（SMCT）。 SCFAs的生物学效应涉及两个主要机制：组蛋白去乙酰酶（HDACs）和G蛋白偶联受体（GPCRs）信号传导的抑制作用。 (1) SCFAs诱导的HDAC抑制在很大程度上导致了抗炎免疫表型，包括巨噬细胞、外周血单核细胞、中性粒细胞和Treg细胞在内的多种免疫细胞的促炎细胞因子（IL-6、IL-8等）分泌的减少及转录因子（NF-ƙB）的失活。 (2) GPCRs在不同类型的细胞中都有表达，如脂肪细胞、免疫细胞和肠内分泌L细胞。 GPCRs（如GPR41和GPR43）感触到SCFA，然后触发一系列下游通路，例如，诱导肠内分泌L细胞释放酪酪肽（PYY）和胰高血糖素样肽1（GLP-1），刺激脂肪组织中瘦素的产生及调节结肠Treg细胞稳态。通过参与这些途径，SCFA可以发挥多方面的肠道和全身效应，即作为结肠细胞的能量来源、改善肠道通透性、调节能量稳态和代谢、调节免疫细胞趋化、发挥抗炎、抗癌和抗菌活性。 关于肠道菌群发酵HMs多糖的研究已被很好地进行归纳，几乎所有这些碳水化合物都是饮食和草药的常见成分，例如细胞壁多糖。到目前为止，各种HMs已报道了具有新化学结构的多种特异性杂多糖。其中许多具有药理作用，尽管在体内的分子机制尚不清楚，了解人类肠道微生物群是否以及如何处理这些“药用”多糖可能有助于阐明它们的生物活性机制，但这些问题仍然没有答案。人类肠道菌群中编码的多功能酶应该能够消化HMs中的特征多糖，但这需要进一步的研究来证实。 2.2. HM治疗靶向肠道微生物群 HMs在代谢过程中可以改变肠道微生物群落的组成，许多基于实验室实验或临床试验都清楚地证明了这一点（表2）。各种HMs，包括单个化合物、单个HM和复方，能够逆转或减轻病理条件相关的肠道微生物群的各种组成异常（失调），包括代谢类疾病（肥胖、糖尿病、非酒精性肝病）、溃疡性结肠炎、肠道易激惹综合征、癌症、慢性肾病和阿尔茨海默病。胃肠道吸收后，除了对靶组织和/或器官具有直接的作用，肠道菌群的调节也是口服HMs治疗疾病的一种机制。多项实验设计使用无菌或粪便移植模型来证明HM疗法是以肠道微生物群为靶点。例如，十全大补汤（当归、川芎、白芍、熟地黄、人参、白术、茯苓、炙甘草、黄芪、肉桂）可以改变热休克蛋白在小鼠肝脏和肠道中的表达水平。这项研究同时也表明，这种变化水平的变化需要肠道菌群的参与，因为在无菌小鼠中没有观察到这种变化。第二个例子是移植经灵芝处理的小鼠粪便至肥胖受体，结果表明灵芝具有减肥的作用。第三个例子为葛根芩连汤（葛根、黄芩、黄连、甘草）在临床治疗2型糖尿病期间，肠道微生物群的变化发生在血糖改善之前，这表明调控肠道共生菌群有助于改善2型糖尿病的症状。以上结果表明肠道微生物群对于HMs的治疗具有决定性作用，如表2所示，肠道微生物群的调节在HMs治疗相关疾病的过程中是复杂和多方面的，基于目前的研究进展，我们从促进和抑制肠道微生物群这两方面讨论HMs治疗过程中潜在的分子机制。 表2 HMs治疗靶向肠道微生物群 致病性肠道细菌通过产生毒力因子如胞内侵袭和外毒素引起严重的肠内和肠外疾病，如肠胃炎（腹泻）、伤寒、菌血症和尿路感染。例如，大肠杆菌的肠道病理类型大致分为腹泻性大肠杆菌和肠外致病性大肠杆菌（ExPEC）。腹泻性大肠杆菌通常会引起胃肠炎，而ExPEC能够穿过肠道上皮，然后定植其他宿主部位（如泌尿道），促进发病。腹泻性大肠杆菌对肠微绒毛的实质性粘附导致这些微绒毛的消失，从而导致吸收表面的减少，这种损伤反过来通过干扰肠上皮水和离子的吸收通道而导致腹泻。尿路致病性大肠埃希菌（ExPEC的一种）可释放各种毒素（溶血素和细胞毒性坏死因子1），加重宿主组织损伤，并调节信号传导，影响宿主细胞存活、炎症反应和细胞骨架动力学。许多抗菌药物（抗生素）已被开发为主要的治疗方案，通过靶向细胞壁合成、蛋白质合成、RNA合成、DNA合成或中间代谢来抑制或杀死病原体。然而，随着新病原菌的出现和多重耐药病原菌的增多，有必要开发出新的抗菌药物。近年来，通过体外实验，世界范围内的各种HMs提取物对肠上皮细胞粘附、细胞内侵袭以及某些潜在或条件致病菌的肠道定植具有很好的抑制作用，典型的有大肠杆菌、幽门螺杆菌、空肠弯曲菌、粪肠球菌、鼠伤寒沙门菌、枯草杆菌、肺炎杆菌、痢疾志贺氏菌、铜绿假单胞菌。相关的疾病模型也表明HMs对体内潜在或机会性病原体的抑制作用。溃疡性结肠炎和慢性肾脏病模型中大肠杆菌均增加。用于治疗的HMs，即红参和大黄素，可显著降低病理模型中大肠杆菌的相对丰度（表2）。在某些情况下产气荚膜梭菌还可通过产生多种毒素（毒素α、β、ε等）和酶（脲酶和神经氨酸酶等）进而致病，而大黄素可显著降低与慢性肾脏疾病相关的产气荚膜梭菌的相对丰度。这种抗菌作用可能部分地解释了HMs治疗疾病的作用机制（图2）。 肠道菌群中的革兰氏阴性菌释放其细胞壁的主要成分LPS，即所谓的内毒素。稳态肠腔是外源性LPS的贮存器。然而，受干扰的肠道微生态增加了肠道的通透性，允许脂多糖进入肝肠循环。低浓度LPS激活TLR4和CD14信号，释放TNF-α和促炎细胞因子（如IL-1和IL-6），导致慢性炎症和代谢紊乱。因此，代谢性疾病，如肥胖症、2型糖尿病和非酒精性脂肪肝，总是表现出明显的炎症（TNF-α、IL-1和IL-6的表达增加）、脂多糖增加、肠屏障完整性受损（ZO-1、occluding和Cb-1的蛋白表达受抑制）和肠道菌群失调。多种HMs通过重新平衡紊乱的肠道菌群，对肥胖症、2型糖尿病和NAFLD显示出良好的治疗效果。例如，在不同的疾病模型中，厚壁菌门/拟杆菌门被广泛认为是肠道微生物群稳态的标志，这一比例在疾病模型中上升，然而，通过HMs治疗显著降低，且接近正常水平，相似的研究中也发现HMs抑制变形菌门的主要LPS产生菌如大肠埃希菌和脱硫弧菌。随着肠道菌群的改善，HMs也减轻了代谢紊乱以及相关的全身性和靶向性炎症。除了内毒素外，某些革兰氏阴性菌称为硫酸盐还原菌，也可以产生硫化氢作为呼吸的副产物。硫化氢通过诱导氯化物分泌、抑制平滑肌收缩和调节伤害感受在结肠生理中起着至关重要的作用，其机制包括反应物的中和ATP敏感性钾通道的激活。然而，高浓度的硫化氢具有潜在的毒性。有明确的临床证据表明过量硫化氢与IBD和结直肠癌有关，但相关的病因仍不清楚。硫酸盐还原菌是主要的外源性致病菌，可增加结肠内硫化氢的含量，过量时可导致疾病的发生。来自绞股蓝的三萜皂苷对ApcMin/+小鼠具有良好的抗癌作用。有趣的是，这些皂苷显著耗尽了硫酸盐还原菌Deltaproteobacteria及其决定性基因dsrA，而这个基因与硫化氢介导的病因学有关。
图2 HMs靶向治疗肠道菌群的一些潜在机制 HMs促进肠道细菌生长的主要方法是发挥益生元样作用，选择性地刺激共生有益细菌（益生菌）的生长，例如乳酸杆菌属、双歧杆菌属和拟杆菌属。哺乳动物肠道微生物具有很强的利用外源和内源碳水化合物作为营养物质的能力。因此，人们普遍认为HMs的益生元样作用来源于其碳水化合物和糖苷成分。几种植物性碳水化合物，即菊糖、低聚果糖和低聚半乳糖已被广泛用作益生元。此外，实验还证明了HMs多糖的益生元样作用，由于HM碳水化合物的结构和肠道细菌发酵碳水化合物的策略都是特定的，因此不同的HMs可以产生不同的益生元样作用。例如，在治疗溃疡性结肠炎方面，八味锡类散增加了拟杆菌和乳酸菌，而红参增加了乳酸菌，但减少了双歧杆菌的相对丰度。肠道微生物群对碳水化合物的发酵产生大量的SCFAs，为宿主提供多种系统性和靶向性益处（图2）。但是，HMs刺激SCFAs的产生除了发酵HMs化学物质外，还应涉及其他机制。微生物分析表明，小檗碱选择性地富集了两株SCFAs产生菌Blautia和allobaculam。此外，在小鼠模型中，还发现小檗碱显著增加了粪便中的SCFAs。考虑到小檗碱的强抗菌活性，我们假设小檗碱通过抑制肠道内某些竞争性细菌间接富集了SCFAs产生菌。然后，富集的SCFAs产生菌促进肠道微生物群获取膳食和内源碳水化合物，从而促进SCFAs的产生。益生菌可以激活不同的信号通路，在这里，我们介绍几个与HMs治疗有关的例子。通过对肥胖模型进行益生元治疗，发现富集的双歧杆菌以GLP-2依赖的形式与改善的肠屏障功能、系统性及肝脏炎症相关，因为GLP-2抑制剂可抵消益生元作用，且经GLP-2治疗可恢复。食用婴儿双歧杆菌对感染和LPS诱导的NF-ƙB活性有明显抑制作用，同时显著增加了喂养小鼠黏膜和脾脏中CD4+CD25+Foxp3+T细胞的数量。有趣的是，CD4+CD25+T细胞的过继转移也抑制了NF-ƙB的活性。同样，Treg细胞的诱导分化也介导了双歧杆菌（CD8+T细胞）肿瘤免疫的增强（增强的树突状细胞功能）以及阿克曼氏菌（Foxp3+T细胞）介导的2型糖尿病病理状态的改善（杯状细胞增多、葡萄糖耐量改善和脂肪组织炎症减轻）。此外，生酸拟杆菌在无菌小鼠体内的定殖导致大肠内产生了丰富的IgA，通过诱导生发中心的形成和增加IgA+B细胞的数量进而维持粘膜免疫。值得注意的是SCFA的“信使”身份可介导这些通路，具体来说，双歧杆菌、阿克曼氏菌、和拟杆菌属中的某些细菌擅长产生SCFAs，从而能够刺激肠内分泌L细胞产生GLP-2、调节Treg细胞的稳态并促进肠IgA的产生。因此，SCFA作为上游信号分子是否和如何参与这些途径值得进一步研究（图2）。由于HM成分和肠道微生物的多样性，HMs对肠道细菌的抑制和促进作用总是同时发生的，如表2所示，它们共同有助于恢复肠道微生态。另一个值得注意的问题就是所谓的HMs的有益和有害调节不是一定的，而是取决于宿主和肠道微生物的状态（基因型和表型）。例如硫化氢，中等浓度管腔硫化氢支持适当的生理功能，而高浓度硫化氢有助于发病；另一个例子是Akkermansiamuciniphila，它已被证明不仅对治疗代谢紊乱有积极作用，而且还加剧了鼠伤寒沙门氏菌引起的感染；B.fragilis通过产生免疫调节分子来预防IBD，但它特异性地需要两种IBD相关的人类基因Atg16l1和Nod2。随着肠道微生物群及其相关物质（如SCFAs）的生理和病理作用的逐步揭示，基于肠道微生物群的靶向治疗可以更加精确和个性化，使得HM的治疗在未来更加有效。 2.3. 肠道菌群介导HMs中的多组分相互作用 （1）协同作用 中药多糖已被认作为选择性刺激益生菌子集生长的益生元，从而恢复肠道微生物群落的稳态。此外，天然糖苷可以由某些益生菌转化为次生糖苷和/或苷元，它们通常比其前体具有更大的吸收度和生物活性。尽管多糖不易消化，且对宿主没有直接作用，但它可作为益生元发挥作用，通过促进益生菌的生长而导致肠道微生物群的有利变化。改善后的肠道菌群可促进HM中生物活性糖苷的代谢和吸收（图3）。以人参提取物独参汤为例，人参多糖改善了某些初级人参皂苷（人参皂苷Re和Rc）的代谢及次级人参皂苷（20（S）-Rg2、Rd和20（S）-Rg3）的AUC和Cmax。同时恢复肠道生态系统的平衡，特别是提高两种主要的人参皂苷代谢菌（乳酸杆菌和拟杆菌）的生长。这项研究不仅证实了人参多糖的益生元样作用，而且赋予了它们在肠道微生物介导的HM治疗中新的间接作用。除碳水化合物外，糖类物质还可以被肠道微生物群发酵产生益生元样效应，从而导致HMs中非碳水化合物小分子之间的协同作用。例如大黄中的主要成分番泻苷被肠道细菌代谢为大黄酸蒽酮，与单用番泻苷相比，大黄提取物中番泻苷的代谢得到显著促进，研究也发现大黄提取物中的8-O-β-D-吡喃葡糖苷的存在是加速作用的原因。这些结果表明大黄提取物中的不同成分可以协同作用，而不是单独作用，证实了“多组分对抗多靶点”这一观点。中药配伍可发挥减毒增效的作用，但具体机制不清，肠道微生物群介导的HMs内的化学相互作用也是一种潜在的机制，可以解释中药复方的功效和配伍的原理。例如长期口服大建中汤（花椒、干姜和人参）改变了肠道菌群，并增加了梭菌和乳酸乳球菌属。进一步的实验发现，大建中汤能显著提高粪便微生物代谢人参皂苷的能力。同样的，黄芩、甘草和芍药配伍后（黄芩汤）可增强肠道菌群对大多数糖苷类成分催化去糖基化的能力。雄黄是牛黄解毒片的主要成分，可治疗急性扁桃体炎、咽炎、牙周炎和口腔溃疡，单独使用时毒性大，损害全身和肠道新陈代谢，但有趣的是，与牛黄解毒片的其他药物联合使用，毒性明显减轻。乌头子根用于治疗心力衰竭和风湿病，由于有毒成分（主要是乌头碱、次乌头碱和新乌头碱）必须谨慎使用，但临床和甘草配伍可以减毒。初步探讨其作用机制为甘草改变了双酯二萜生物碱的肠吸收和肝代谢。配伍减毒的例子尚有甘草和黄芩，具有多种糖苷和多糖，可以有利地调节肠道微生物群组成，从而改变有毒成分的肠道代谢。因此肠道微生物介导的是否以及如何发生的解毒效应值得进一步研究，有助于科学地破译HM配伍的奥秘。 （2）拮抗 除了协同作用，肠道微生物群介导的HMs多组分之间的拮抗作用也存在于单味药及复方。例如桔梗或桔梗-甘草配伍可抑制肠道菌群对桔梗皂苷D的代谢。两种因素构成了这种拮抗，一种为多组分竞争代谢酶，另一种是由于某些HM化学成分的杀菌或抑菌作用而导致肠道细菌代谢能力的减弱。甘草以1:1与芍药配伍时可抑制肠道细菌对芍药中单萜苷类成分的代谢，而甘草的用量减到1/5时，抑制作用明显改善，而对甘草中三萜苷类化合物的代谢则明显减弱，原因可能为单萜苷和三萜苷共代谢（去糖基化）竞争了代谢酶（β-葡萄糖苷酶），这也解释了临床遣药中芍药与甘草配伍时占主导地位。小檗碱作为黄连的主要成分，已被证明具有广泛的体内外抗菌活性，而其中某些细菌（如双歧杆菌属）擅长代谢HMs化学成分，因此这种抗菌活性至少部分解释了黄连拮抗其它中药。这些关于HMs化学成分之间的拮抗作用的研究结果也暴露出HMs的另一面，从而有助于HMs及其复方的进一步改进和现代化。 展望 目前对HMs与肠道微生物群相互作用的研究尚处于起步阶段，但初步的研究成果已对HMs的科学基础有了进一步的认识。肠道菌群对HMs化学成分的生物转化、HMs对肠道细菌的促进和抑制以及肠道菌群介导的HMs多组分相互作用共同表明肠道菌群是HMs潜在的治疗靶点（图3）。中药口服不可避免地与肠道细菌接触，肠道微生物群介导的多组分协同作用证实了HM提取物及其复方的“多组分对抗多靶点”原理。 了解肠道微生物群和HMs之间的相互作用也将彻底改变基于HMs的药物发现。基于HMs的候选药物通常需要较佳的吸收度以及依据疾病相关靶点（蛋白质、基因或RNA）进行体外高通量筛选是HMs药物发现的主要途径。然而，现有研究清楚地证明，即便没有吸收（例如多糖），HM化学物质仍然能够通过与肠道微生物群的相互作用影响宿主的生理和病理条件。因此，在未来的药物发现研究中，除了采用传统方法方法进行常规的疾病相关靶点筛选外，还应充分考虑HMs与肠道菌群的相互作用。例如，HMs中的多糖对肠道菌群有益生元样作用，必须引起重视；HMs中的混合提取物尤其是水提取物（既含多糖又含小分子）也应引起重视，考虑到肠道微生物群介导的提取物中多组分的协同作用。例如，我们必须重视多糖的益生元样作用，此外，考虑到肠道微生物群介导的提取物中多组分的协同作用，HMs混合提取物尤其水提物（既含多糖又含小分子）应更加值得重视。
图3 HMs与哺乳动物肠道菌群的交互网络图 实验方法和实验建议 1. HMs的整体化学表征 众所周知，各种化学成分共同促进了HMs治疗，然而，到目前为止，“单一化合物”的研究已经在涉及肠道微生物群的HMs研究领域中占主导地位；也就是说，研究人员注重单个HMs化合物是如何被肠道微生物群代谢以及单个HM化合物对肠道微生物群的影响。如上所述，最近的研究表明，“单一组分”模型并不代表实际情况，因此基于该模型的结论可能是矛盾的。在相关的比较研究中，除了不同的代谢程度和速度外，还发现了不同的代谢途径。 例如肠道菌群的氧化作用被认为是人参皂苷单体代谢的主要途径，但在整个人参提取物的实验中未被发现。因此，为了描述肠道微生物群和HMs成分之间的整体相互作用，需要对整个HMs提取物进行研究。为了实现这一目标，必须采用高选择性和高灵敏度的技术对各种HMs组分进行全面的化学分析。事实上，这样的化学表征有助于了解HMs诱导的肠道微生物群调节。人们意识到缺乏标准化是HMs研究不一致的主要原因之一。因此，强烈建议使用化学标准化的HMs提取物来研究与肠道微生物群的相互作用。中药制剂标准化的关键是对其进行全面的定量和定性测定，这对口服后肠道菌群的影响具有决定性的意义。例如，发酵金银花通过调节肠道通透性和肠道微生物群，比未发酵的金银花具有更好的抗代谢性内毒素血症和肥胖作用。作者将这种差异归因于用于发酵的植物乳杆菌的益生菌作用，而不是由于发酵过程中金银花的化学组成发生了变化，因为通过反相液相色谱没有发现发酵前后存在显著的化学差异。然而，一般的反相液相色谱法实际上不能检测出高分子量物质中的许多极性化合物，如多糖，因此不能对高分子量物质进行全面的化学表征。这还需要进一步的化学解释。此外，由于不同类型的HM化学物质可以通过不同的机制影响肠道菌群，因此建议将HMs化学分割成多个组分，例如多糖（以不同的分子分布）和小分子（以不同的化学类型），以随机组合的方式进行生物试验，以测试哪个组分有助于HMs发挥效应，以及多化学成分间是否和如何协同工作。 2. 肠道菌群的直接微生物分析 近年来，代谢组学作为间接研究HMs对肠道菌群影响的利器被广泛应用。在这些研究中，某些与肠道菌群相关的代谢产物被广泛认为是HMs干预肠道微生物群紊乱的生物标志物。但这种因果关系实际上是有问题的，因为大多数哺乳动物的代谢物是由宿主基因组和微生物群通过各种代谢途径的联合活动产生的。举两个例子，马尿酸和氧化三甲胺分别是由氨基酸和胆碱代谢产生的尿和血浆中的内源性代谢物。它们的变异通常被认为是肠道生态系统改变的标志，因为肠道微生物群大力参与了它们的生成。但马尿酸是由甘氨酸和苯甲酸（由肠道微生物代谢产生的外来酚类化合物）在甘氨酸N-酰基转移酶的帮助下结合而成，而胆碱在肠道内通过微生物区系代谢产生三甲胺，三甲胺在肝内进一步代谢为氧化三甲胺。也就是说，肠道微生物群并不是这两种代谢物最终数量的唯一贡献者，其它代谢阶段，如肝代谢和肾排泄，也会影响它们的产生。因此，为了得到一个有效的结论，需要用微生物法直接检测肠道细菌。此外，为了进一步确认HMs干预在改善肠道菌群与病理表型之间的因果关系，采用移植和无菌模型的先进研究设计是必要的。肠道微生物分析的下一步目标是定义具有活性、非活性及有毒转化HMs组分的特定细菌，和HMs给药所改变的特定细菌。研究结果为通过改变HMs组分的化学结构或肠道微生物群的组成来有力调节HMs的治疗提供了一种新颖的临床策略。百里酚作为一种植物精油，在体外对致病性弯曲杆菌具有抗菌活性，但是百里香体内的应用是有限的，因为它很容易被近端消化道所吸收，这就阻止了它向远端肠道的传递，即弯曲杆菌的定植部位。在最近的一项研究中，百里香酚被化学修饰为百里香酚-β-D-葡萄糖苷，具有抗吸收能力，糖基化的百里酚被成功地传递到远端肠道，之后被具有β-糖苷水解能力的肠道细菌，例如，狄氏拟杆菌将其代谢回百里酚，从而发挥其抗菌活性。大豆黄酮和异黄腐酚，两种HMs衍生黄酮类化合物可分别被肠道微生物群转化为雌马酚和8-异戊烯基柚皮素，并发现两种肠道细菌，即EPC4（大豆黄酮）和粘真杆菌（异黄腐酚）驱动了这种生物转化。进一步的研究表明，即使在没有化合物代谢能力的个体模型中，共给予上述两种代谢菌株也能显著改善大豆黄酮和异黄腐酚的肠道代谢。事实上，在多项研究中发现联合使用益生菌和益生元或抗生素可增强/减弱生物HMs的生物活性，但其潜在的肠道微生物作用机制尚未被探索。 3. 精确肠道微生物群研究模型
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