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基因組學應用范文1
1 藥物基因組學的發展現狀
藥物基因組學是建立在藥物遺傳學基礎上發展起 來 的 新 興 學 科 。 通 過 對 患 者 個 體 基 因 型（genotype）的識別預測藥物反應的表型（phenotype），從而達到個性化治療的目的。而新的疾病基因的發現將會提供新的藥物靶點。藥物基因組學通過研究影響藥物代謝等個體差異的基因特性，以及基因變異所導致的患者對藥物的反應，提高藥物的療效及安全性。為開發新藥、指導合理用藥、提高藥效、減少不良反應、降低開發成本提供信息平臺，進而提高各種疾病的臨床治療質量。
2 個體化治療的意義
任何藥物都具備兩重性，既能治病，也能致病。而且，在很多情況下，最佳用藥劑量對于每個個體也是不同的。由于用藥過量帶來的不良反應及用藥不足導致的療效欠佳都是治療失敗的重要原因。個體化用藥是要充分、全面地考慮每個患者的遺傳因素（藥物代謝基因類型）、身體因素（性別、年齡、體質量）、病情因素（病理生理特征、正在服用的其他藥物）等基礎上，綜合制定全面、安全、合理、有效、經濟的藥物治療方案。遵循以人為本、因人而異的原則，予以適當的患者，適當的給藥，適當的劑量和適當的時間，才能充分發揮藥物的效應，減少不良反應及降低醫療費用。據世界衛生組織統計結果顯示，全球約有三分之一的患者由于不合理用藥導致死亡。因而，推行個體化用藥不僅勢在必行，而且迫在眉睫。
3 藥物基因組學與個性化治療
合理用藥的核心是個體化給藥，目前最主要的方法是：測定藥物的體液濃度，以藥代動力學原理計算藥代動力學參數，設計個體化給藥方案，這對于血藥濃度與藥效相一致的藥物是可行的，但對于血藥濃度與藥效不一致的藥物，如何達到個體化給藥，目前并沒有比較可靠的方法。
藥物效應的差異與基因變異的關系，并不是提出藥物基因組學的概念以后才認識到的。一些臨床經常出現的現象，引起了臨床醫學工作者的重視。如兩個患者的診斷相同，一般狀況相同，同一藥物治療，血藥濃度相同，但療效卻相差甚遠，用傳統的藥代動力學、藥效學等原理無法解釋，這時應考慮到與藥物作用相關的靶點（如受體等）是否發生了變異，是什么水平的變異？藥物作用位點的變異可能發生在基因水平，也可能發生在轉錄、翻譯等水平，基因水平的變異相對比較容易鑒定，研究也表明基因的變異與藥物效應的差異更具相關，研究基因突變與藥效關系的藥物基因組學正是適應了這樣一個要求，因此藥物基因組學在臨床合理用藥中的應用前景是好的。
個體對藥物代謝和反應差異的15%~30%是由基因因素決定的，個別藥物基因因素的影響高達95%。藥物靶標的基因多態性、藥物代謝酶類和參與藥物代謝酶類調控的核受體基因多態性、轉運蛋白和結合蛋白的基因多態性等遺傳因素決定了藥物的療效和不良反應。如奧美拉唑聯合阿莫西林治療胃十二指腸潰瘍，對于基因型為CYP2C19PMS的治愈率為100%，而對于基因型為CYP2C129EMS的治愈率為60%（雜合子），20%（純合子）。又如，將高血壓和正常血壓有關的基因單核苷酸多態性系統進行分析和比較表明，不同患者的基因組序列是不同的，高血壓的發生以及對抗高血壓藥物的療效與多種基因表型相關，這些個體差異模型數據將為高血壓治療提供科學依據。
藥物相關基因的多態性及患者基因的變異是導致個體藥物反應差異的重要原因，而個體基因的差異又是一種普遍現象，所以需進行個體化用藥。藥物基因組學從基因水平詮釋了基因多態性與藥物效應的相關性，能幫助臨床人員在進行藥物治療時，根據患者所屬反應人群選擇療效最佳的藥物和最佳的劑量。如異煙肼、磺胺類藥物通過藥物乙酰化代謝發揮作用，因此掌握患者是慢乙?；硇瓦€是快乙?；硇秃苤匾舨捎孟嗤膭┝縿t可能產生中毒或藥物作用很弱甚至無效。
藥物基因組學是從基因組水平出發，研究基因序列的多態性與藥物效應多樣性之間的關系，從而確定個體遺傳基因差異對藥物效應的影響。藥物基因組學應用到臨床合理用藥，彌補了以往只根據血藥濃度進行個體化給藥的不足，也為過去無法解釋的藥效學現象找到了答案，為臨床個體化給藥開辟了一個新的途徑。
患者對許多藥物的反應性（包括藥效反應與藥物不良反應）與其基因亞型之間關系已被揭示，這種關系的確定能輔助臨床人員在預測某一特定藥物時，患者屬何種反應人群，使醫生為患者選擇療效最佳的藥物和確定最佳劑量成為可能。文獻表明藥物基因組學知識已應用干高血壓、哮喘、高血脂、內分泌、腫瘤等藥物治療中。高血壓藥物的不同藥效和高血壓患者的耐受性也與遺傳變異有關。這種關系能輔助臨床人員通過預先檢測患者基因類型，幫助醫生為患者選擇療效最佳、劑量最佳的藥物，即通過對患者的藥物相關基因檢測，開出基因合適的藥方，即基因處方。這種最恰當的藥方，可使患者獲得最佳的治療效果，從而達到真正用藥個體化的目的。
藥物基因組學的基因檢測對象包括藥物代謝酶、藥物轉運體和藥物靶點基因3大類。通過檢測以上3類基因的序列及表達變化，可以判斷藥物的有效性，代謝規律及毒副作用等。
藥物基因組學的研究不同于一般的基因學研究，不需要發現新的基因。影響藥物效應的基因經常是通過細胞生物學或生物化學研究已經發現了的基因，還可以使用藥物作為探針發現已知基因有意義的功能與藥物效應的關系，或者發現與藥效相關的有意義基因。藥物基因組學研究的主要策略包括選擇藥物起效、活化、排泄等過程相關的候選基因進行研究，鑒定基因序列的變異。這些變異既可以在生化水平進行研究，估計它們在藥物作用中的意義，也可以在人群中進行研究，用統計學原理分析基因突變與藥效的關系?；蚣夹g的發展已經給鑒定遺傳變異對藥物作用的影響提供了前提條件。已經有研究開始鑒定一些普通的基因變異，這些基因是藥物作用的靶子，或者一些與控制藥物作用、分布、排泄相關的基因。這些研究成果將有助于預測患者藥物治療的有效性與安全性，這種預測試驗也可能成為醫生在醫療實踐中一種常規檢查手段，去決定哪種藥物對某個患者最有效、最安全，同時可以避免潛在的藥物毒副作用，患者可以更快地得到有效的治療藥物處方，治療將更有效、更經濟。藥物基因組學需要高效的基因變異檢測方法，只花少量的費用就可獲得患者某個藥物相關基因的變異情況，這樣才能有實用價值。最簡單的方法是，檢查從大量個體擴增出來的某個基因產物，檢查是否有插入和缺失的變異，證明變異基因在序列中的位置和理想的特異堿基置換。更有意義的是，那種在一個基因中鑒定多個突變的相對位置，可以為每一個患者提供等位基因的單倍型，新的DNA芯片技術也有可能對藥物基因組學有較大的意義。
因此，藥物基因組學可以：（1）根據代謝酶、藥物作用受體或靶點的基因多態性情況，指導合適的用藥劑量。（2）確認具有某些基因特性的患者接受某種藥物治療更容易發生嚴重不良反應。（3）確認某些基因特性的患者采用某種治療方案更容易獲益，可以指導藥物選擇和劑量調整以達到最佳療效。（4）檢測病毒耐藥性并選擇合適的藥物。
基因組學應用范文2
細菌遺傳學的研究已經隨著基因組測序技術的發展而發生變革，這不僅使我們能夠獲得更多臨床和工業上重要細菌的基因信息，也開辟了比較基因組學研究。目前，細菌遺傳學的研究結果進一步加強了相關技術的發展，并能夠引發基因組中不同組成的功能和相互作用之間的討論。這些發展加速了對于定量深度測序技術的廣泛應用。同時，通過強大的技術以及細菌進化和適應性的多層面研究能夠將比較基因組學與功能基因組學提升到一個前所未有的規模。這本書還提出了通過基因組學技術檢測細菌的適應性，重點闡述了數據分析與詮釋。本書中涉及的大部分資料來自本領域最新的重要文獻，這也是在前沿及快速增長的細菌研究領域最強有力的工具。
本書共分6章：1.引言：細菌基因組及基因表達；2.在Sanger測序時代的比較基因組學，分別介紹了細菌基因組的組裝與詮釋過程、個別案例介紹、基因組大小、編碼密度、基因順序的保留等；3.通過微陣列芯片研究細菌基因組變化， 主要由淺入深介紹DNA微陣列芯片技術的原理、應用以及數據的分析，并通過案例分析介紹比較基因組雜交技術；4.應用下一代測序技術的細菌基因組學研究，介紹了下一代測序技術的原理和數據處理過程，并通過五個細菌基因組測序案例來進行分析；5.細菌基因表達與調控的大規?；蚪M分析，本章通過介紹基因表達與調控的基本原理和技術，引入下一代測序技術在基因表達和調控中的作用與應用。同時，也通過七個案例詳細描述了此研究目前在細菌基因組中的應用；6.在細菌中的DNA甲基化：一例細菌表觀遺傳學案例，主要介紹了細菌中的DNA甲基轉移酶，在基因組中識別DNA甲基化，以及單細胞實時測序技術在檢測DNA甲基化中的應用。
本書詳細闡述了目前基因組技術在細菌適應性研究上的應用，提供了詳細的宏基因組技術方案和細菌基因表達工具。本書的寫作深入淺出、通俗易懂，不僅列舉了大量的研究實例，還囊括了大量清晰的圖片和注釋，力求既能涵蓋全面的細菌基因組學知識，又能反映現階段基因組學研究的進展。本書既滿足各高等學校微生物類、生物類、生物工程類學科本科教學的需求，同時也滿足不同層次和其他相關專業研究生的教學需要。
馬雪征，助理研究員
（中國檢驗檢疫科學研究院，衛生檢疫研究所）
基因組學應用范文3
【關鍵詞】 全基因組擴增;多重置換擴增;腫瘤
1 多重置換擴增原理及特點
多重置換擴增已被證明既可應用于環狀DNA模板擴增[4]也可被用于線性DNA模板[1]。多重轉換擴增是一種非PCR,等溫不需要經過熱循環的基因擴增技術。使用獨特的Phi 29 DNA聚合酶,對于模板有很強的模板結合能力,能連續擴增100 kb的DNA模板而不從模板上解離,平均片段長度>10 kb[2]。
多重置換擴增具有能直接分離樣本和純化樣本均適用[3]、產量高且有長度保證[4]和無位點擴增誤差等特點[5],保證了擴增產物的質量。
2 多重置換擴增應用于腫瘤研究及臨床應用
多重置換擴增最先被應用于人類全基因組擴增[6],此后被更多地應用于真核細胞的研究,包括基因組測序和人類及靈長類的基因分型[7]、法醫學中對低拷貝數DNA檢驗和混合斑中DNA擴增進行STR分型[8]等。以下將對多重置換擴增的腫瘤研究及臨床的最新應用進展作詳細說明。
2.1 腫瘤基因組學研究 MDA對于基因組或基因片段的均衡高效擴增用于癌癥基因組學研究非常合適。因為為克服癌癥細胞異質性,使實驗結果準確可靠,常利用顯微切割技術特異地選擇靶細胞,所以獲得的細胞數量有限。利用MDA對其進行擴增,即可得到足量DNA產物,從而滿足基因組學高能量分析折需要。目前應用激光捕獲顯微切割(laser capture Microdissection,LCM)、MDA和微陣列比較基因組雜交(array-comparative genomic hybridization,aCGH)三項技術聯合應用于癌癥基因組學的研究。如研究前列腺癌的染色體變化,致力于發現早期前列腺癌[10];家族性胰腺癌及其癌前病變的全基因組等位基因的測定[11];國內亦有對于胃癌[12]、賁門癌[13]的雜合性丟失(1oss of heterozygosity,LOH)和抑癌基因的研究。
2.2 腫瘤流行病學研究 多重置換擴增可直接從全血、口腔細胞、組織培養細胞、血沉棕黃層細胞均勻地擴增人類基因組[3],因此可利用簡單的樣本進行大規模的腫瘤流行病學研究,對于明確腫瘤分型、人群發病情況等流行學特征有意義。如擴增口腔試子細胞DNA研究用于種群的乳腺癌基因分型[14]。
2.3 腫瘤的臨床診斷應用 腫瘤基因組學中的LOH和微衛生不穩定性(microsatellite instability ,MSI)已經在多種惡性腫瘤中得到證實,如非小細胞肺癌、腎細胞癌、膀胱癌、乳腺癌、結腸癌、惡性黑色素瘤及口腔癌等[9]。目前,分析腫瘤細胞染色體上的LOH情況,已成為檢測抑癌基因失活和定位新的抑癌基因的重要手段之一。由此可成為特異的腫瘤基因標志,進而設計出相應的臨床診斷實驗。
如擴增分析血清中DNA通過多位點雜合丟失診斷頭頸部腫瘤[9];早期前列腺癌的診斷研究[10];對家族性胰腺癌及其癌前病變的診斷及預后研究[11];對臨床樣本線的粒體DNA進行擴增通過點突變進行癌癥的診斷[15]。
3 結論和展望
綜上所述,多重置換擴增作為一種高效、完整、均衡的全基因組擴增技術,其在腫瘤學研究和臨床的應用潛力已被人們發覺。而MDA本身也一直進行技術改進,如選擇MDA和填充片段MDA。通過與其他技術的聯合應用,可以獲得更優質的樣本,從而提升腫瘤基因學的研究水平。同時,MDA為腫瘤的初篩實驗和早期確診實驗提供了新希望,提高患者的生存率和生活質量。但目前利用MDA的臨床診斷實驗尚不多見,還有待于進一步研究。
參 考 文 獻
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基因組學應用范文4
藥物基因組學的研究涉及儲多藥物，本文僅以以下兩類藥物的基因組學研究成果來表述基因組學對指導臨床用藥的意義。
1.1氨基糖苷類藥物與耳聾
氨基糖苷類抗生素自1945年問世以來，因其殺菌作用強、抗菌譜較寬且價格低廉而在臨床上廣為應用，但其致耳聾的毒性反應也一直困擾著全世界的醫生。我國有聽力殘疾2000萬人，其中60%～80%為氨基糖苷類藥物中毒所致。
氨基糖苷類抗生素致聾可分為兩類，一類因接受了毒性劑量而致聾；另一類則與遺傳因素相關。國內外學者均證實：線粒體基因第1555位點A-G的均值性點突變和氨基糖苷類誘導的耳聾關系非常密切。[1]即帶有線粒體A1555G點突變基因，哪怕是僅接受常規劑量或僅一次接觸氨基糖苷類即可致不可逆的聽力損失。這類耳聾占全部氨基糖苷類抗生素致聾患者的30%左右。目前，我國已繪制出不同于西方國家的耳聾基因突變譜，也已開發出針對中國人的耳聾基因芯片檢測體系。如能在新生兒出生時或出生后3天內采集臍帶血或足跟血篩查聾病易感基因，[2]使易感基因攜帶者終生避免使用氨基糖苷類藥物，則可避免“一針致聾”的悲劇。
1.2抗高血壓藥物的選擇與劑量
原發性高血壓的發生與環境因素（生活習慣、煙酒嗜好等）和遺傳因素關系密切。目前，臨床常用的抗高血壓藥可分為五類：利尿藥、β-受體阻斷藥、血管緊張素轉化酶抑制劑、血管緊張素II受體阻斷藥和鈣通道阻滯藥，大多數情況下醫生制定治療方案主要根據病人的年齡、體重、高血壓程度、有無并發癥等，憑經驗、試驗性地選擇藥物和藥物劑量，較少考慮遺傳因素，很多高血壓病人雖已用藥，但并未能取得滿意療效。藥物基因組學的研究發現：抗高血壓藥物的療效與藥物遺傳多態性有密切關系，如能在用藥前測定病人的基因類型，有目的地選擇藥物和藥物劑量，既可使疾病得到及時有效的治療、減少不良反應的發生，也能減少醫療費用的支出。
1.2.1β-受體阻斷藥β-受體阻斷藥通過降低交感神經功能產生降壓作用。影響大部分β-受體阻斷藥代謝的酶是細胞色素P450酶(CYP)系中的CYP2D6，該酶具有遺傳多態性，其基因變異可高度影響CYP2D6的活性。[3]CYP2D6可分為弱代謝型(PM)、中間代謝型(IM)、強代謝型(EM)和超強代謝型(UEM)4種表型。PM的發生是由于CYP2D6基因突變造成酶活性的缺陷，此型患者代謝藥物的能力下降，可導致血藥濃度過高,易誘發嚴重的不良反應如支氣管哮喘、心血管疾病，甚至死亡，對此基因型病人，臨床用藥應減少藥量。IM型者屬于強代謝者中較弱的一部分，因基因突變導致酶活性略微降低，此類病人用藥也應適當減少劑量。EM是正常人群的代謝表型，故臨床上使用常規治療劑量有效。UEM則是由于出現CYP2D6的多基因拷貝，使酶蛋白高度表達，導致酶活性的顯著增高，此基因型代謝藥物能力強，從而使血藥濃度降低而達不到治療效果，故應適當增加藥量，[4]或改用其他藥物。
藥效學機制對β-受體阻斷藥反應的影響較藥動學機制更為重要。體內β-受體的數量和受體對藥物敏感性的變化是造成個體對β-受體阻斷藥反應差異的主要原因之一。[5]目前已知β1-受體存在兩種突變,一種位于受體蛋白N端49位，由甘氨酸取代絲氨酸(Ser49Gly)，另一種位于C端389位，由甘氨酸取代精氨酸(Arg389Gly)。研究表明：突變型純合子(Gly49及Gly389)對β-受體阻斷藥反應都不及野生型。[4]也就是說，由于基因突變，導致患者對β-受體阻斷藥的敏感性下降；另一方面，遺傳背景不同的種族對β-受體阻斷藥或激動藥的敏感性也存在著差異，[5]這些差異都影響到β-受體阻斷藥臨床應用時的劑量選擇。
1.2.2噻嗪類利尿藥噻嗪類利尿藥是最常用
的基礎降壓藥物，其降壓原理是促進鈉水排出，減少有效血容量，并擴張外周血管使血壓下降。與噻嗪類利尿藥降壓作用個體差異相關的基因有：α-內收蛋白（α-adducin）、血管緊張素轉換酶（ACE）的基因、G蛋白基因、編碼WNK酶的基因，此外,NO酶、E298D突變也與噻嗪類利尿藥的降壓效果有關。[4]
目前發現α-Adducin具功能意義的突變為G460T,大量的研究表明,含至少1個460T突變基因的患者使用利尿藥的近期效應是血壓(包括平均動脈壓)下降幅度更大,而遠期效應則表現為相對其他降壓藥物而言更明顯的降低心肌梗死和中風的發生率。[4]國內有學者[6]報道：ACE基因I/D多態性和氫氯噻嗪的降壓作用密切相關，但目前研究結果還不太一致。有報道說：對同時攜帶ACE的I型等位基因及adducin的Trp460等位基因的患者氫氯噻嗪的療效最好，而攜帶ACE的D/D等位基因及adducin的Gly/Trp等位基因的患者用氫氯噻嗪治療后血壓下降最少，[7]所以臨床用藥時如能聯合分析ACE和α-adducin兩方面的基因多態性，則有助于預測利尿劑的療效。
1.2.3血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEI)ACEI的降壓作用主要通過抑制周圍和組織中的ACE，使血管緊張素II生成減少，同時抑制緩激肽酶使緩激肽降解減少，而達到降壓目的。ACEI與基因多態性關系的研究主要集中在RAAS，多態位點包括ACE基因I/D、AGT基因M235T和血管緊張素II-I型受體（AT1R）基因A1166C。[8]其中研究最廣泛的是ACE基因I/D多態性，用卡托普利、依那普利、賴諾普利和培垛普利研究ACEI抗高血壓的療效，研究結果并不一致，說明：原發性高血壓患者對ACEI類藥物反應的差異部分由遺傳因素決定。有人發現AT1基因多態性(A1166C)與ACEI類藥物的降壓療效相關，且此相關性在老年患者和超體重患者中尤為明顯。[7]
1.2.4血管緊張素Ⅱ受體阻滯藥沙坦類降壓藥主要通過阻滯血管緊張素Ⅱ受體，降低外周血管阻力，產生降壓作用。沙坦類藥物在體內主要依靠CYP2C9代謝,該基因突變使酶活性明顯下降，毒性增加,療效降低。另外,CYP11B2的多態性被證實與血管緊張素Ⅱ受體阻滯藥的降壓效果相關，該基因突變引起機體對血管緊張素Ⅱ受體阻滯藥敏感性增加,表現為收縮壓下降較無突變型明顯。[4]
1.2.5鈣通道阻滯藥(CCI)鈣通道阻滯藥是近30年來廣泛應用于臨床的一類治療心血管疾病的藥物,通過阻滯鈣離子L通道,抑制血管平滑肌及心肌鈣離子內流,從而使血管平滑肌松弛心肌收縮力降低,使血壓下降。鈣通道阻滯藥在體內的代謝主要依靠CYP3A,該基因突變可引起CYP3A酶活性下降，可導致體內血藥濃度增加,藥物的毒性也相應增加,故應適當減少藥物的用量。[4]
2藥物基因組學的概念
藥物基因組學是基因功能學與分子藥理學的有機結合，是研究基因序列變異及其藥物不同反應的科學，以藥物效應及安全性為目標，運用已知的基因理論研究各種基因突變與藥效及安全性的關系，藥物基因組學強調個體化；通過它可為患者或者特定人群尋找合適的藥物及恰當的劑量，改善病人的治療效果。
3展望
藥物基因組學經過十幾年的發展，在藥物代謝、轉運和藥理作用的基因多態性的研究有很大的進展。在有些藥物上有重大突破，如氨基糖苷類的耳聾問題，但更多的藥物研究還都處在起步階段，有待于更加深入的研究。相信隨著病理、藥理機制研究的深入、藥物基因組學研究方法及新技術的不斷的完善，以及個體化用藥基因芯片的研發，不久的將來，很多藥物都可以實現以基因為導向、“量體裁衣”式的個體化用藥治療模式，使臨床用藥更具針對性、高效性和安全性，實現治療學上按基因選藥的個體化用藥的飛躍。
參考文獻
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摘要:目的介紹藥物基因組學對臨床個體化用藥的指導作用。方法閱讀并分析近年國內公開發表的有關藥物基因組學的相關文章，對藥物基因組學在指導臨床個體化用藥方面的作用加以歸納、總結。結果及討論藥物基因組學經過十幾年的發展，在藥物代謝、轉運和藥理作用的基因多態性研究方面有很大的進展，有些藥物有重大突破，如預防氨基糖苷類的耳聾問題，但更多的藥物研究還都處在起步階段，有待于更深入的研究。隨著藥物基因組學研究方法及新技術的不斷完善，以及個體化用藥基因芯片的研發，不久的將來就可以實現治療學上按基因選藥的個體化用藥醫療模式。
基因組學應用范文5
關鍵詞 藥物；微生物；放線菌；基因組學；研究；研發
中圖分類號 Q939.93 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2014）21-0284-02
在臨床藥物學研發中，針對中藥、化學藥物及生物技術藥物研究較多，而微生物藥物方面的研究并不多。隨著微生物次級代謝產物研究的增多，有關微生物新藥的開發也越來越多，而且微生物藥物還具有條件溫和、易工業化生產及污染小等優點，加強微生物類藥物研究和開發具有現實意義。
1 微生物藥物的發展歷程
人類認識微生物的歷史悠久，但研究微生物藥物的歷史并不長，尤其是對微生物次生代謝產物方面的藥物研究歷史更短，至今不過70年。微生物藥物中的青霉素是由英國的細菌學家在1929年發現的，20世紀40年代初學者Chain與Florey將青霉素應用到了臨床治療中。隨后，從微生物次生代謝產物中發現了慶大霉素、紅霉素、螺旋霉素及林可霉素等藥物。隨著醫藥學的發展，人們對疾病分子基礎與藥物作用機制越來越了解，還能在體外構建各類藥物篩選的模型，極大地提升了微生物藥物研制。微生物所篩選的生理活性物質中，除了抗生素外，在抗腫瘤用藥、免疫抑制劑及酶抑制劑等領域也具有很大的藥物開發價值。在近70年的微生物藥物研究中，科學家從土壤、動物、植物、海洋中獲取微生物，還有些微生物來自高寒、高溫及高壓等極端環境，而人類對微生物的了解仍然較少，還不到3%，在微生物代謝的產物當中，還存在著大量待開發的藥物，需要人們進一步研究與開發。
2 微生物藥物的特點
微生物藥物是指微生物在生命活動過程中，產生的具有生理活性的次生代謝產物及其衍生物。近些年，隨著其微生物次生代謝產物生理活性的研究，微生物中靶位確切的多糖及蛋白分子等活性物質被發現[1-2]。次級代謝產物難以用化學法進行合成，即使能合成也無法有效實現工業生產，若把小分子的物質進行化學修飾之后，可獲得含有使用價值更高的微生物藥物。與化學藥物相比，微生物藥物具有以下特點：一是微生物的生長周期較短，易選育菌種，易控制，可經大規模發酵進行工業化生產；二是微生物的來源非常豐富，篩選時不用特別考慮先導化合物，篩選幾率也比較大；三是通過微生物藥物合成改造，微生物藥物生產能力得到很大提升，便于新微生物藥物合成。微生物多樣性使得臨床醫藥的應用前景更為廣闊。
3 微生物藥物資源的研究
3.1 海洋微生物藥物
在整個地球，面積最大的是海洋，海洋具有高壓、高鹽、高溫及無陽光等自然特點。海洋中的微生物具有較特殊的遺傳背景與代謝方式，可能產生功能及結構特殊的活性物質[3]。研究表明，海洋微生物中，近27%可產生抗菌類的活性物質，其分離出的代謝產物大多數含有生物活性。例如，Koyama等學者從海洋真菌中獲得了新二萜藥物。當前，從海洋微生物代謝產物當中，發現了很多結構特殊、新穎的活性物質，這些活性物質在陸地微生物中未發現過，因此海洋微生物藥物是非常具有開發潛能的天然藥物。
3.2 稀有放線菌微生物藥物
多數活性物質源于普通的放線菌，但從普通放線菌當中獲取新的活性物質幾率下降，研究范圍逐步拓展至稀有放線菌中。自20世紀50年代開始，有些稀有放線菌的代謝產物已應用到臨床中，例如，慶大霉素、紅霉素與安莎類等物質。目前，人類認知的放線菌種類不到實際種類的10%，放線菌微生物藥物的研發還具有很大發展空間。
3.3 極端環境下的微生物藥物
在高溫、高酸、高鹽及嚴寒等極端環境下，長期生長的微生物，其生理機制及基因類型均較為獨特，代謝產物也比較特殊。現代所知的微生物藥物資源種類占實際種類資源不到10%，而極端環境下的微生物更少，在極端環境中，更能發現未知的微生物藥物資源。如近些年云南大學對青海及新疆等地區中極端環境下的微生物進行了系統研究，并獲得了很多未知微生物，有效推進了微生物藥物的研究和開發。
4 基因組學研究下的微生物藥物開發
隨著人類和微生物基因組學的深入研究，近5 000種蛋白或功能基因被認成潛在藥物的靶標，這給微生物藥物篩選及發現打下了基礎，其藥物靶標和基因組學研究發展緊密相關。根據統計可知，在2009年之前，整個世界有2 500余種病毒，其中，完成基因測序的真菌有100余種，細菌約600種。隨著微生物基因組學計劃和蛋白基因組學研究的不斷深入，建起了相應的蛋白質數據庫，對一些重大疾病的蛋白質結構進行了系統測定，剖析了蛋白質三維結構，并發現了一些具有藥物作用的靶標[1]。從病原微生物看，功能性基因組的研究為致病基因及必需基因的確定奠定了基礎，尤其是一般性病毒，整個基因組能編碼約10個蛋白基因，而功能蛋白中4～6個是藥物靶標。從細菌方面看，細菌基因組要比病毒基因多，細菌基因組多在4 Mbp左右，編碼蛋白基因約數千個，獨特必需基因有數百個，為潛在藥物的靶標奠定了基礎，對于真菌來說，有些致病真菌基因組已完全測序出來，因此具有真菌生長的基因為人類非同源基因預測提供了可能性，如假絲酵母基因組的序列當中，就發現了200余個基因，但人的基因組當中有些沒有同源性，運用其潛在靶標可尋找到藥物的靶點[4-5]。
5 我國微生物藥物研發思考與展望
隨著我國生命科技不斷發展，醫學領域對微生物資源越來越重視，微生物藥物研發不斷增多，其藥物靶點不斷被發現，在現代化學實體當中，超過10%為微生物藥物，并且屬于新衍生物研發。我國微生物資源非常豐富，但對微生物認識有限，尤其是海洋、植物及極端環境下的微生物研究較少，運用基因組學技術獲取微生物衍生物中的藥物，這已成為微生物新藥獲得的重要方式[6-8]。與發達國家比較，我國在微生物藥物方面的研究比較欠缺，政府部門也應給予重視與支持，加強我國微生物藥物方面的研究與開發，為人類的生命安全做出貢獻。
6 參考文獻
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[6] 陸茂林，司飛.微生物新藥創制的思路與方法[J].中國天然藥物，2006（3）：17-20.
基因組學應用范文6
[關鍵詞] 中藥； 體內代謝； 中藥基因組學； 腸道宏基因組學； 個體化醫療
Genomic research of traditional Chinese medicines in vivo metabolism
XIAO Shuiming1*， BAI Rui2， ZHANG Xiaoyan3
（1. Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences，
Beijing 100700， China；
2.College of Pharmacy and Chemistry， Dali University， Dali 671000， China；
3. College of Life Science， Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）
[Abstract] Gene is the base of in vivo metabolism and effectiveness for traditional Chinese medicines （TCM）， and the gene expression， regulation and modification are used as the research directions to perform the TCM multicomponent， multilink and multitarget in vivo metabolism studies， which will improve the research on TCM metabolic proecess， effect target and molecular mechanism. Humans are superorganisms with 1% genes inherited from parents and 99% genes from various parts of the human body， mainly coming from the microorganisms in intestinal flora. These indicate that genetically inherited human genome and "second genome" could affect the TCM in vivo metabolism from inheritance and "environmental" aspects respectively. In the present paper， typical case study was used to discuss related TCM in vivo metabolic genomics research， mainly including TCM genomics research and gut metagenomics research， as well as the personalized medicine evoked from the individual difference of above genomics （metagenomics）.
[Key words] traditional Chinese medicines（TCM）； in vivo metabolism； TCM genomics； gut metagenomics； personalized medicine
doi：10.4268/cjcmm20162204
中藥體內代謝研究是闡明中藥作用機制的重要途徑，也一直是中藥現代化研究的難點。雖然同是用于疾病治療的藥效物質，中藥是與化學藥物迥然有別的復雜生物體系，它作用于人體時響應的是多維非線性的復雜效應[1]。很多中藥的療效經過長期臨床實踐已經得到證實，但進入體內發揮藥效的化學成分及其體內過程并不清楚。研究中藥體內代謝可以了解中藥在體內的代謝途徑、存在形式、影響因素以及藥效物質基礎。中藥體內代謝及藥效發揮的基本環節是藥物分子與機體生物分子之間的直接或間接的相互作用，引起從遺傳信息到整體功能實現中的多個層面的結構與功能狀態的改變，而決定這些層面的結構與功能的基礎是基因。因此，以基因表達、調控及修飾為研究方向，進行中藥多組分、多環節、多靶點的體內研究，可能有助于闡明中藥體內代謝過程、作用靶點和分子機制[2]。同時，人作為一個超級生物體，只有1%的基因遺傳自父母，其余99%的基因都來自分布人體各部位的微生物，其中腸道是微生物定植數目最高的器官[34]。因而，腸道微生物基因組被譽為“人類的第二個基因組（our other genome）”[5]。
近年來，基于“基因組學”的技術在中藥體內代謝領域進行了有益的探索。本文將以典型研究案例為線索，探討中藥體內代謝基因組相關研究，主要包括中藥基因組學和腸道宏基因組學研究。
1 中藥基因組研究
王升啟[6]于2000年提出了中藥基因組學（TCM genomics）的概念，即以藥物基因組學（pharmacogenomics）理論為基礎，將中藥的藥性、功能及主治與其在人體內代謝/疾病相關基因表達調控相關聯，在分子水平研究中藥在人體基因組介導下的代謝轉化、作用靶點、毒副反應、藥效機制和中藥整體化作用的規律。中藥基因組學的核心內容是應用基因組信息和方法在人類基因組水平研究中藥體內代謝和反應的遺傳學本質。陳士林等[7]關于中藥基因組學的理解，則側重于中藥本身，主要包括中藥轉錄組學、結構基因組學、基因組標記解析和功能基因組學等，屬于本草基因組學（herbgenomics）的研究范疇[8]，旨在通過對中藥原物種遺傳信息的揭示，解析重要活性產物的生物合成途徑，發掘參與生物合成的功能基因，推動對中藥合成生物學、基因組輔助分子鑒定和分子育種及中藥道地性遺傳機制闡釋的深入研究。
藥物基因組學是基于藥物反應的遺傳多態性提出來的，表現為藥物代謝酶、受體和靶標的多態性等。這些多態性的存在可能導致許多藥物治療中藥效和不良反應的個體差異，這種情況在中藥體內代謝過程中將更為復雜。傳統中藥以口服用藥為主，中藥成分在體內發生代謝的部位主要有胃腸道、肝臟、腎臟和肺等組織器官，其中腸道和肝臟是多數藥物的主要代謝器官。除中藥原型成分外，還可能有大量代謝產物的存在，其中的藥效成分作用于受體、酶、離子通道等靶點，最終產生藥效。中藥體內的反應和代謝涉及多基因的相互作用，基因多態性導致藥物體內代謝反應多樣性，從而為從基因組水平研究中藥體內代謝和藥物反應奠定了基礎。相比于遺傳藥理學（pharmacogenectics）著重于藥物在代謝動力學和藥物效應動力學方面單個或少量基因的研究，中藥基因組學的研究范疇更廣，包括全基因組上決定中藥藥物效應的所有基因，系統性地評價基因的相互作用及其如何影響疾病的易感性、藥理學功能、藥物處置和治療反應，并以此為平臺指導中藥新藥的開發及合理用藥。
遺傳藥理學是藥物基因組學的一種雛形，它從單基因的角度研究遺傳因素對藥物代謝和藥物反應的影響，特別是遺傳因素引起的異常藥物反應?？傮w而言，個體對藥物代謝和反應差異的15%～30%是由基因因素決定的，個別藥物基因因素的影響可以占到95%[9]。中藥基因組學目前主要關注中藥作用機制、毒副作用、有效成分和藥物靶點等研究[10]，進一步從表型到基因型的中藥反應個體多樣性研究相對較少。Lee等[11]發現由芍藥根誘導的肝細胞凋亡早期其BNIP3基因表達上調，而ZKl，RAD23B及HSPDl基因表達下調，提示芍藥根抗腫瘤活性的機制可能與促進細胞凋亡相關；Watanabe等[12]通過觀察服用銀杏葉提取物（GBE）小鼠皮層及海馬組織的基因表達變化，發現皮層內微管相關蛋白、鈣離子通道及催乳素等多種與腦功能相關的基因表達的上調，而海馬組織內則僅有甲狀腺轉運蛋白上調，表明GBE可能通過對淀粉樣蛋白清除而發揮神經保護作用；Zhang等[1314]構建了梔子苷治療缺血性模型大鼠的基因表達譜芯片，結果表明梔子苷對局灶性腦缺血大鼠腦組織基因表達具有調控作用，從分子水平闡述了中藥清開靈注射液成分梔子苷的藥理作用機制；張立平等[15]篩選肝腎陰虛型晚期結直腸癌（CRC）患者使用六味地黃顆粒前后的顯著差異表達的基因，干預后129個差異基因，其中128個上調，1個下調?；蚬δ埽℅O）富集分析結果顯示，干預前后共254個基因GO存在顯著差異。在生物過程中，凝血功能相關的基因占41.5%；在細胞組成中，45.5%的差異基因與細胞質膜有關；在分子功能方面，64.9%的差異基因與結合有關。上述結果表明六味地黃顆粒可增強患者凝血功能，增加鈣離子結合。
此外，隨著中西藥聯用在我國臨床上日趨廣泛的應用，中藥通過影響藥物代謝酶或轉運體基因表達和功能改變其底物藥物的血藥濃度，可能導致臨床上藥物毒副反應或治療失敗的發生，產生有重要臨床意義的中藥藥物相互作用。高立臣等[16]對藥物代謝相關基因介導的中藥藥物相互作用研究進行了系統的總結。Wang等[17]發現貫葉連翹Hypericum perforatum誘導細胞色素CYP2C19對奧美拉唑的羥化活性和CYP3A4對奧美拉唑的磺化作用，且這種影響具有CYP2C19和CYP3A4基因型依賴性；同時貫葉連翹可誘導CYP2C9對降糖藥格列齊特的代謝活性，但這種影響不具有CYP2C9基因型依賴性。
下列3個案例分別從青蒿琥酯抗腫瘤效應，莨菪亭抗藥性以及銀杏葉提取物對藥物代謝酶CYP的影響以及對其他藥物藥效學的影響等方面，對中藥基因組相關研究展開介紹。
1.1 青蒿琥酯抗腫瘤的作用機制研究 研發新的藥物及治療策略以克服腫瘤藥物抗性是目前臨床腫瘤學最緊迫的任務之一。Sertel等[18]在過去幾十年里，系統分析了中藥里的藥用植物中具有對腫瘤細胞毒性活性的次級植物代謝產物。在諸多的天然產物中，青蒿素及其衍生物青蒿琥酯（artesunate，ART）表現出明顯的體內外抗腫瘤活性[19]，但其抗腫瘤的分子機制并不明確。Sertel等[20]采用了基因芯片技術，在轉錄水平解析青蒿琥酯抗腫瘤機制相關的基因。再將表達譜數據導入信號通路分析和轉錄因子分析，結果表明cMyc/Max可能是作為腫瘤細胞應對青蒿琥酯效應基因的轉錄調控因子。
在確定青蒿琥酯對具有順鉑（cisplatin）、阿霉素（adriamycin）和紫杉醇（paclitaxel）抗性的卵巢癌細胞的細胞毒性后，采用基于基因芯片的轉錄組mRNA表達譜和COMPARE分析的基因捕獲技術，鑒定出一系列表達量與ART高/低半抑制濃度（IC50）相關的基因。這些基因涉及的生物學功能包括核糖體結構組成（RPL29），ATP結合級聯轉運（ABCC3），激酶（PRKCSH， ITPK1， IKBKG， DDR2），細胞抗氧化防御和致癌性（ATOX1），肌動蛋白細胞骨架（RRAS），致癌性（SMAD3， WNT7A），細胞黏附及惡性細胞增殖（ST8SIA1），細胞增殖與凋亡（CSE1L），細胞循環、分化（S100A10）和轉移（HMGA1， RPSA）等，上述可能是腫瘤細胞應對ART的抗性或增敏因子作用途徑。針對信號傳導的通路分析表明，ART處理與腫瘤壞死因子（TNF）和腫瘤抑制因子p53信號通路相關，其網絡結構涉及細胞形態、抗原呈遞和細胞介導的免疫反應相關（圖1 A），以及神經系統發育與功能、細胞組裝和架構（圖1 B）。
另一方面，實驗結果也發現與ART作用后細胞應激無明顯功能相關性的基因，如耳蝸內外毛細胞相關基因。Sertel等認為ART影響轉錄因子活性，進而調節涉及腫瘤細胞應對ART的下游基因的表達。在之前的研究中，作者發現cMyc的表達量與ART藥物敏感性相關[21]，表明cMyc轉錄調節在介導ART細胞毒性效應中可能起作用。通過ConSite檢測轉錄因子結合位點，56個基因中，大部分分別具有1～12個潛在的cMyc結合位點；只有3個基因啟動子不具有cMyc結合位點，這提示cMyc可能是ART細胞反應重要的轉錄調節因子。Max基因作為cMyc二聚體伴侶分子，作者以關聯分析驗證了cMyc/Max的mRNA表達量與ART作用于細胞株的IC50的關聯性。
綜上，cMyc/Max介導的基因表達轉錄調控，可能有助于提高ART對癌細胞的細胞毒性作用以及對腫瘤的治療效果，同樣也避免因為療效無關基因表達差異導致的不必要的毒副作用。
1.2 莨菪亭在腫瘤細胞中的抗藥性研究 抗藥性和不良/副反應是抗腫瘤藥物新藥研發中必須面對的問題。莨菪亭（scopoletin），來自艾屬植物以其他植物的香豆素類化合物，其化學名為6羥基7甲氧基香豆素。香豆素類化合物具有廣泛的藥理活性，如抗炎、抗菌、擴張血管、抗凝血、抗血栓、退熱、鎮靜等，特別是抗腫瘤及防治尿酸血癥方面活性，已引起廣泛的關注。戴岳等[22]發現東莨菪素具有抑制體內外血管生成作用，其機制主要是通過抑制內皮細胞的增殖這一環節起效。此外莨菪亭可引起細胞膜完整性缺失和細胞凋亡，具有細胞毒性作用，可誘導腫瘤細胞凋亡[23]。上述結果表明，莨菪亭是一個潛在的用于癌癥治療的抗腫瘤化合物。
Seo等[24]采用基于NCI細胞系的基因芯片RNA表達譜技術探究莨菪亭在腫瘤細胞中的藥物基因組學反應。結果表明，細胞對于莨菪亭的反應與經典藥物抗性機制（ABCB1，ABCB5，ABCC1和ABCG2）的ATP結合盒（ATPbinding cassette， ABC）轉運蛋白的表達并不相關。同樣不相關的還包括致癌基因EGFR的表達和抑癌基因TP53的突變狀態。然而，致癌基因RAS的突變和以細胞倍增時間表征的增殖活性與莨菪亭抗性顯著相關?；谵D錄組水平的mRNA表達數據經COMPARE和等級聚類分析鑒定出一組40個基因（圖2），這些基因在其啟動子序列上均有轉錄因子NFκB的結合基序（binding motifs），而NFκB已知和藥物抗性相關。致癌基因RAS突變，低增殖活性和NFκB的表達可能妨礙了莨菪亭的藥效。基于計算機模擬的分子對接研究發現莨菪亭與NFκB及其調控子IκB相結合。莨菪亭激活SEAP驅動的NFκB報告細胞株中的NFκB基因，提示NFκB可能是莨菪亭抗性因素之一。
綜上，因其良好的抗腫瘤細胞活性，莨菪亭將成為腫瘤藥物研發的關鍵化合物，哪怕NFκB信號通路的活化可能成為其抗性因素。目前需要更多的證據以探究莨菪亭的治療潛力。
1.3 銀杏提取物對不同CYP基因型的代謝影響 銀杏葉提取物（Ginkgo biloba extract）含有160多種成分，主要為黃酮苷、萜內酯和有機酸等，具有調節血管、增強認知力、緩解壓力等藥理作用[25]。隨著銀杏制劑的廣泛應用，與其他藥物合用的機會越來越多，因此研究銀杏葉提取物對藥物代謝酶的影響以及對其他藥物藥效學的影響在臨床應用中具有實踐意義。中藥對細胞色素P450酶（cytochrome P450， CYP450）及其藥物轉運體的誘導和抑制是介導中草藥藥物相互作用和產生藥物臨床毒副反應的主要機制。中草藥能夠通過影響藥物代謝酶或轉運體基因表達和功能改變其底物藥物的血藥濃度，可能導致臨床上藥物毒副反應或治療失敗的發生，產生有重要臨床意義的中草藥藥物相互作用[16]。CYP2C19是CYP450酶第二亞家族中的重要成員，對藥物的Ι相代謝反應起著關鍵性作用，而研究表明銀杏葉提取物引起具有顯著的誘導CYP2C19活性效應[26]。
Yin等[27]研究了不同CYP2C19基因型個體服用銀杏葉提取物片劑與奧美拉唑（omeprazole，廣泛使用的CYP2C19底物，適用于胃潰瘍、十二指腸潰瘍，應激性潰瘍等）后潛在的中草藥藥物互作關系。18位經過CYP2C19基因分型的健康志愿者納入研究。在基線和為期12 d的銀杏用藥（140 mg）后分別服用奧美拉唑（40 mg），采集服用奧美拉唑12 h血樣和24 h尿樣。HPLC測定血樣與尿樣中奧美拉唑及其代謝物濃度，包括5羥基奧美拉唑和奧美拉唑砜，并計算非房室藥代動力學參數。
相比于基線水平，服用銀杏后，奧美拉唑和奧美拉唑砜血藥濃度顯著降低，3種CYP2C19基因型[純合子強代謝型（HomoEM），雜合子強代謝型（HetEM）和弱代謝型（PM）]的奧美拉唑AUC0∞平均下降41.5%，27.2%，40.4%。相應地，奧美拉唑砜下降41.2%，36.0%，36.0%，兩者AUC0∞無顯著變化。同時，AUCOPZ和AUCOPZSUL在服用銀杏提取物前后均顯著相關（Spearman相關系數分別為rs=0.88，P
2 腸道宏基因組研究
然而，遺傳多態性無法單獨解釋相同劑量的同種藥物在遺傳背景一致的實驗動物中不同的藥代學和毒理學反應[28]。除遺傳外，年齡、疾病、營養狀況、生活習慣、腸道菌群均可能影響或參與藥物體內代謝[2931]。正常成年人腸道內1×1013～1×1014個細菌，約1 000種不同種類，編碼基因數為人體基因的100倍以上[3233]。腸道菌群基因組總和，即腸道宏基因組（gut microbiome）提供了宿主自身不具備的酶和生化代謝途徑，參與外源異生物質的體內代謝，使腸道成為藥物轉化獨特而重要的場所[28]。而腸道宏基因組學（gut metagenomics）利用分子生物學研究方法，借助高通量測序并結合生物信息學方法繞過純培養技術研究腸道微生物多樣性及功能，發掘微生物多樣性結構和功能基因組、尋找新基因及其產物[34]。
中藥進入消化道后主要存在以下幾種情況：以原型形式被宿主直接吸收；經腸道細菌和/或內源性酶生物轉化后以代謝物形式吸收；調節腸內微生態結構；作為廢物隨糞便直接排出體外[35]。不同類型細菌產生不同代謝酶，催化包括水解、還原、合成、雜環裂解和C葡萄糖苷CC裂解等不同的藥物代謝反應，因此腸道菌群被視為藥物肝臟代謝的補充或拮抗[36]。約60%的藥物反應與腸道菌群相關：腸道菌群與宿主肝臟和免疫系統相互作用，通過直接生物轉化或間接調節宿主藥物吸收與代謝酶活性影響藥物療效與毒性（圖3）[37]。中藥大多數為口服藥物，少則幾十多則上千種的化學成分在進入體內后既有互相促進也會有拮抗作用，其在體內的藥效活性成分既可能是原型成分也可能是代謝產物。通常認為，藥物必須吸收入血，分布到靶器官，而且在相應的靶器官處在一定時間段內維持一定的濃度水平才可能發揮藥效作用。然而很多中藥成分難以被人體直接吸收，進入胃腸道與腸道菌群相互作用，進行生物轉化或者調節腸道菌群結構與功能，從而影響甚至決定中藥的療效與毒性（圖4）[38]。
因此，Nicholson等人提出“系統生物學”（global systems biology）概念，將腸道菌群的代謝作用納入宿主整體代謝系統，視宿主、腸道菌群和其他環境因素為一個整體，通過基因組學、轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學方法等來闡明藥物或其他異源性物質在體內的代謝過程[41]，發現能夠反映宿主遺傳、代謝和環境因素變化的生物信息（標記物）譜系（bioinformatics profile）對患者分類并為其提供個性醫療服務。
腸道菌群作為“內化”了的環境因素，提供人體本身不具備的酶和生化代謝途徑，催化包括中藥在內的異源生物質體內代謝反應，因此腸道菌群被視為藥物肝臟代謝的重要補充或拮抗，而人體全身的整體代謝，包括藥物代謝實際上是其體內自身的基因組和其腸道內共生的微生物組活動的整合[42]。一方面，腸道菌群可以作為天然的生物轉化器，影響中藥療效的發揮與毒性的改變。黃芩、葛根和豆豉中所含的黃芩苷、葛根素、異黃酮苷普遍存在于中藥方劑和營養品中，體外研究表明，葛根素和異黃酮苷能被腸道菌群代謝為比前體物更加有效的大豆黃素和毛蕊異黃酮[43]。黃芩苷在腸道內難以被直接吸收，只有被腸道菌群水解為黃芩素后才能被吸收入血液而發揮作用，而口服黃芩苷的無菌小鼠與常規小鼠相比，腸道內的黃芩苷則幾乎沒有被代謝[44]。人參的主要活性成分人參皂苷存在類似的情況，在體外實驗中人參皂苷的原始成分的生物活性很低，在血漿中的濃度未能達到藥效濃度[45]；其在肝臟內基本不被代謝，主要是在腸道菌群的作用下降解。研究表明，腸道中的雙歧桿菌、擬桿菌、梭菌等能夠代謝人參皂苷[46]。另一方面，腸道菌群還可以作為中醫藥的作用靶點，實現中醫藥對機體多靶點的治療作用[42]。含有多糖成分的補益類中藥對益生微生物和致病微生物均具有扶植效應，但對益生微生物的扶植效果明顯優于致病微生物。因此，長勢良好的益生微生物所產的代謝產物又間接抑制了致病微生物的生長[47]。例如，黨參多糖在體外可促進雙歧桿菌的生長，從而增加乙酸的代謝，增強雙歧桿菌的定植抗力[48]。用黨參、茯苓、白術等補氣類中藥制成的復方合劑灌服小鼠發現，與灌服前比較，乳桿菌、雙歧桿菌數量明顯增加，腸球菌數量明顯減少[49]。此外中藥含有的黃酮類、萜類、蒽醌類、生物堿類、甾體類等生物活性成分，以及蛋白質、維生素等多種營養成分，對腸道微生態系統的平衡有很好的保護作用，能直接或間接地調節腸道菌群失調。
作為了解微生物群落結構組成與代謝功能金標準的測序技術，在近幾年來，二代高通量測序技術（如454焦磷酸測序和illumina測序）朝著快速、高通量、低成本方向迅速發展，同時也促進了宏基因組學的研究。宏基因組（metagenome）是指一個微生物群落內所有成員的基因組的總和[50]。宏基因組學是一種不需要分離培養微生物而直接發現和利用其基因的新的技術策略，能夠更加全面而深入的解析微生物群落的結構和組成，挖掘更多未知的功能基因和功能菌。研究策略上，全微生物組關聯分析（microbiomewide association study， MiWAS）通過對腸道菌群結構的變化與中藥體內代謝/生理病理指征的變化進行全局性相關性分析。MiWAS策略已廣泛應用于解析腸道菌群在代謝性疾病，如肥胖、2型糖尿病等中的作用研究[51]，在菌群參與中藥有效成分體內生物轉化和代謝活性方面將是有益的借鑒。腸道菌群的結構變化用二代高通量測序技術對進化標記16S rRNA基因進行測序或者全微生物組的測序（宏基因組）來測量。中藥體內代謝指征的變化以血液/尿液原型和代謝物含量、體外代謝活性和代謝酶活等來表征，輔以疾病相關生理指標。多元統計學方法（主成分分析PCA、冗余分析RDA、偏最小二乘法判別分析PLSDA和UniFrac等）以對腸道菌群種類組成、功能基因/通路組成和中藥體內代謝的變化進行關聯分析。
下列案例將從中藥口服進入體內后與腸道菌群相互作用，即腸道菌群參與中藥體內代謝和中藥成分對菌群結構與功能調節方面展開論述。
2.1 腸道菌群代謝增強人參皂苷體內吸收 人參皂苷具有提高免疫力、抗腫瘤、抗疲勞、抗衰老、降血糖和保護心血管/中樞神經系統等藥理作用。然而，人參皂苷口服后其原型藥在腸道中的吸收程度低，如人參皂苷Rb1的吸收率僅約為1.0%，Rb2為3.4%，Rg1為1.9%，血藥濃度難以達到充分發揮藥理活性所需濃度[52]?？诜锢枚鹊偷膯栴}同樣廣泛存在于其他皂苷類、黃酮類（如大豆黃酮）、異黃酮類（如葛根素）、生物堿類（如小檗堿）和單萜類（如芍藥苷）等中藥有效成分中，成為制約相關中藥制劑發展和臨床應用的瓶頸問題[53]。作為“天然活性前體”的人參皂苷在腸道菌群分泌的各類糖苷酶（如β葡萄糖苷酶、α阿拉伯糖苷酶等）作用下逐級水解脫去糖基，轉化成為藥理作用更強的少糖基皂苷或苷元后吸收率大大增加，且體內分布廣泛，在肝臟被酯化后發揮更長久、強勁的藥效[54]。目前，人參皂苷Rbl的代謝途徑研究較為清楚，即在C20，C3和C3位順次水解1分子葡萄糖，依次生成人參皂苷Rd、人參皂苷F2，最終形成人參皂苷化合物K（compound K， CK），該化合物也是其他原人參二醇型皂苷在腸道內的主要代謝產物[45]。體外實驗證實該過程由腸道細菌分泌的βD葡萄糖苷酶階梯式地斷開糖苷連接完成，Prevotella oris，Eubacterium A44，Bifidobacterium K506，Bacteroides JY6和Fusobacterium K60等腸道微生物協同參與了人參皂苷Rb1的代謝[55]。通過連續過度疲勞和急性冷應激（suffering successive overfatigue and acute cold stress， OACS）建立腸道菌群失調Qi缺陷型的小鼠模型，Zhou等[56]研究了人參多糖對人參皂苷腸代謝和吸收的影響，以及腸道菌群作為中介的作用機制。
HPGPC發現人參多糖具有1.00～1 308.98 kDa的相對分子質量分布，并鑒定出11種主要的皂苷成分，包括人參皂苷Re，Rg1，Rf，Rb1，20（S）Rg2，Rc，Rb2，Rd，F2，20（S）Rg3和CK等。結果表明，人參多糖可有效調節色氨酸、苯丙氨酸、溶血卵磷脂、膽酸、硫酸甲酚、氧化三甲胺（TMAO）、異檸檬酸和4甲基苯酚等內源性代謝物，改善OACS誘導的內源性代謝失調。對腸道菌群結構的影響，主要表現為在門水平上逆轉OACS導致的菌群失調，增加厚壁菌門和減少擬桿菌門相對豐度。PCoA結果進一步證實：人參多糖，低聚果糖和空白組的聚集相互交織在一起，但模型組與之分離；與模型組相比，給予人參多糖或低聚果糖的小鼠體內擬桿菌屬和乳桿菌屬豐度增加（具有明顯差異P
獨參湯中的多糖成分使失衡的腸道菌群得以恢復，菌群的作用促進湯劑中人參皂苷的溶出與吸收。中藥中的多糖成分一直以來被輕視甚至被忽視，現代工業化的中藥制劑生產中將多糖作為雜質去除以達到符合要求的純度；對中藥湯劑的科學研究中也把多糖從主要的化學成分中排除。該研究有助于改變這種偏離傳統中藥的使用方法，也缺乏科學證據的做法，通過研究多糖和藥效成分的協同作用，為中藥湯劑的科學化和合理化使用提供指導。
2.2 腸道菌群介導靈芝提取物的減重效應 在我國，靈芝的使用已有2 000多年的歷史，大量藥理研究表明，靈芝具有調節免疫、保肝、抗腫瘤、抗衰老、提高機體耐缺氧能力等活性[57]。靈芝的化學成分復雜，從該屬真菌中已分離得到靈芝多糖、三萜類化合物、核苷、氨基酸、甾醇、生物堿等多種成分。其中靈芝多糖和三萜類化合物可抑制糖尿病小鼠的脂肪細胞分化及降低血糖[58]；而蛋白聚糖則表現出抗血脂、抗氧化等活性[59]。血糖血脂代謝紊亂的核心，即肥胖已經逐漸成為全球性的公共健康問題，促進包括糖尿病，心血管疾病，高血壓和癌癥等并發癥的發生。研究已經證明肥胖的發生常伴隨慢性低度炎癥以及腸道菌群生態紊亂，因此如何改善炎癥，恢復腸道生態平衡成為肥胖研究的重要課題。
Chang等[60]向高脂飲食飼養誘導的肥胖小鼠食物中添加靈芝的水提取物（WEGL），發現肥胖小鼠表現出體重下降/脂肪積累減少（體重、附睪脂肪墊和皮下脂肪墊），炎癥改善（TNFα，IL1β，IL6，IL10和PAI1），胰島素敏感性增加等獲益表型。PCoA分析和聚類分析表明高脂飲食和WEGL分別顯著改變了健康/肥胖小鼠的菌群結構，WEGL降低由高脂肪飲食誘導的厚壁菌門/擬桿菌門（Firmicutes/Bacteroidetes）的比例升高以及產內毒素的蛋白菌（Proteobacteria）水平。而且通過恢復緊密連接蛋白ZO1和Occludin的表達，并保持腸屏障的完整性，進一步研究發現WEGL降低肥胖小鼠血清內毒素水平及Toll樣受體4（TLR4）介導的內毒素體內信號通路，最終減少內毒素血癥發生；同時還觀察到，將處理過的小鼠糞便移植給其他肥胖的小鼠，可重現由WEGL所造成的減重等有益代謝效應。進一步地，從WEGL分離純化得到大分子多糖物質（相對分子質量>300），同樣表現出抗肥胖以及腸道菌群結構調節作用。
綜上，這項研究首次發現靈芝及靈芝多糖具有降低體重和調節腸道生態平衡的作用，可作為預防菌群失衡和肥胖相關的代謝失調的益生元加以應用，同時表明靈芝補品對于肥胖和相關疾病的潛在治療作用，但還需要深入研究其作用機制并進一步證明在人身上是否也有類似效應。同上一個案例相似地，中藥中的多糖成分，人參多糖和靈芝多糖，都表現出對腸道菌群結構平衡的促進以及對相關癥狀的改善作用。
2.3 腸道菌群參與葛根芩連湯治療2型糖尿病 腸道菌群通過調節宿主脂肪代謝和誘發代謝性內毒素血癥引起慢性炎癥等機制參與宿主肥胖、胰島素抵抗等代謝性疾病的發生、發展[61]。以中心性肥胖和胰島素抵抗為核心的代謝綜合征是2型糖尿?。═2DM）、心腦血管疾病和動脈粥樣硬化等的高危因素[62]。中藥復方葛根芩連湯（GQD）出自張仲景的《傷寒論》，由葛根、黃芩、黃連和甘草等組成，是含有小檗堿，并長期用于治療急性腸炎、細菌性痢疾和腸傷寒等的經典方劑。近年的動物實驗或臨床觀察研究表明，GQD具有顯著的降糖、降血脂的效果，在2型糖尿病等代謝性疾病的治療上具有巨大的應用潛力。但是，已有的研究都是動物實驗或者是開放、無安慰劑對照、樣本量較小的臨床觀察，而且GQD的降糖機制目前也并不清楚。研究表明GQD在改善糖尿病大鼠血糖、血脂代謝的同時，顯著調節了腸道菌群產生的代謝物。但是，究竟GQD能否調節腸道菌群，以及菌群是否參與了GQD的降糖作用等問題仍有待回答。
Xu等[63]基于隨機、雙盲與安慰劑對照等臨床試驗規范，將187例T2DM患者隨機分為4組，分別接受高（N=44）、中（N=52）、低劑量（N=50）GQD和安慰劑（N=41）治療12周，并對治療前后患者糞便樣品中細菌的DNA進行基于16S rRNA基因可變區V3區的454焦磷酸測序和多元統計分析。結果表明，安慰劑組和低劑量GQD治療組患者臨床癥狀未顯著改善，Unweighted Unifrac PCoA和MANOVA分析結果相互印證，表明菌群結構也未發生明顯變化。隨著GQD劑量的提高，患者治療后的菌群結構與治療前的差異不斷增加，即菌群結構樣本點偏離得越遠；T2DM診斷指標空腹血糖（FBG）和糖化血紅蛋白（HbAlc）改善也更顯著，表現出明顯的劑量效應。此外，用藥4周后高劑量組患者的菌群已顯著不同于用藥前，并在此后的8周維持不變，但是血糖水平一直持續改善。冗余分析（RDA）從4 000多種腸道細菌中找到了146種響應GQD治療的細菌種類，其中47個OTU被顯著富集，且17個OTU與FBG顯著負相關，9個OTU與HbA1c顯著負相關。特別是產丁酸鹽的Faecalibacterium prausnitzii，高通量測序及定量PCR結果都證實其豐度變化與T2DM癥狀指標（FBG，HbAlc和2hPBG等）改善顯著負相關，與HOMAβ顯著正相關。
研究表明，中藥復方GQD可以有效地調節腸道菌群結構，特別是增加有益菌如Faecalibacterium spp.等的含量，且菌群改變與血糖代謝改善顯著相關，提示腸道菌群可能參與了GQD降糖作用，也提示中藥可作為以腸道菌群為靶點治療T2DM的新藥來源。該研究首次在人群試驗中觀察了GQD在治療T2DM過程中患者腸道菌群的變化及其與糖尿病改善的關系，也表明嚴格質量控制的復方中藥也可以做RCT試驗驗證其療效，而且基于宏基因組學的腸道菌群結構變化監測為理解中藥的作用機制提供了新的途徑。
3 研究方法
由于中藥的復雜性，多種交叉學科技術被引入到中藥體內代謝研究?；趶膯我换衔锏綇碗s體系的代謝研究思路與策略，對中藥體內代謝的生化過程以及代謝物本身的研究，化學半合成及生物催化合成用于代謝產物的制備；體外代謝模型能更好地對不同組分的體內處置進行模擬并給出解釋，常用的體外模型如細胞水平的Caco2模型、血腦屏障模型、酶水平的P450酶系、UGT/SULT酶系。此外，動物或人群試驗，以及基于血清中含有的成分才是中藥的體內直接作用物質的學說而建立的血清藥物化學，是研究中藥體內代謝過程的有效方法。
在上述體內外模型基礎上開展的中藥體內代謝基因組研究，本質上同樣基于基因組學技術，主要為微陣列芯片技術和測序技術。以基因芯片為代表的微陣列芯片是研究分析基因的一種強有力的分子生物學技術，是進行中藥基因組研究的主要工具。在基因芯片的表面，以微陣列的方式固定大量并行的寡核苷酸或cDNA探針，對生物體整個基因組的基因表達進行測定。基因芯片以高通量、多因素、微型化和快速靈敏的特點而見長，能夠針對中藥的多成分、多途徑、多系統、多靶點的作用特點而進行系統深入的研究。
除常規的微生物分子生態學技術，包括細菌16S rRNA基因克隆文庫技術、PCRDGGE/TGGE和TRFLP等DNA指紋圖譜技術外，近年來迅猛發展的454，illumina等二代高通量測序技術使得對腸道宏基因組的高通量、大規模深度測序成為可能，極大促進了腸道宏基因組學的發展。同時結合多變量統計方法，如主成分分析（PCA）、偏最小二乘判別分析（PLSDA）等，可直接地獲得腸道微生物的組成和功能信息，鑒定出與中藥體內代謝密切相關的特定的細菌類群和生物轉化基因功能，從而為中藥體內代謝研究提供更多的信息[34]。
綜上，中藥基因組學和腸道宏基因組學從不同角度對中藥體內代謝進行研究，但從藥物研究和毒理學評價層面來看，基因組學研究的是生物體受外源性物質刺激后基因表達的改變，而基因表達調控與系統的整體功能之間的關系并不清楚。中藥作用于人體，一方面自身會被肝藥酶或腸道菌群代謝，產生活化或者失活的代謝產物；另一方面中藥及其代謝產物會導致機體內源性物質應答的變化，引起全身水平復雜的代謝網絡變化，體現在體液內/外源性代謝物的成分構成或相對濃度的變化，從而提供了藥物作用機制和作用靶點的信息[34]。隨著色譜質譜聯用儀法、核磁共振波譜法、色譜核磁質譜聯用等分析技術的發展，代謝產物鑒定及多成分藥代動力學研究已有較成熟的平臺。代謝組學（metabonomics）表征生物體整體功能狀態的特點，與中藥的“多組分、多靶點、整體調節，協同作用”的特點相吻合，因此是研究系列中藥現代化關鍵科學問題的重要手段。張旭等[34]認為綜合運用中藥基因組學、腸道宏基因組學、代謝組學以及生物信息學等技術對中藥體內代謝進行系統而深入的研究，有望為中藥現代化研究打開新局面。
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