【正確用藥基因解碼】藥物的葡萄糖醛酸化如何影響正確用藥基因檢測？

遺傳病、罕見病基因檢測導讀：

尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸轉移酶（UDP-glucuronosyltransferases，UGT）為Ⅱ相代謝酶，可催化某些藥物與葡萄糖醛酸的結合反應。腦組織UGT表達廣泛，但表達量與活性低于肝臟；腦內UGT同樣可被誘導或抑制，從而影響藥物腦組織的分布和水平；并與細胞色素P450（cytochrome P450，CYP）、轉運蛋白密切配合，共同參與、影響某些藥物的腦內代謝動力學過程；多種藥物以葡萄糖醛酸化產物形式跨越血腦屏障，或以原形在腦內直接生成葡萄糖醛酸化產物，從而發(fā)揮各自藥理作用。

Ⅱ相代謝又稱結合反應，是藥物在體內發(fā)生生物轉化的主要方式之一，也是自體內清除、解毒的主要形式。多種酶類參與內外源物的Ⅱ相代謝，包括尿苷二磷酸-葡萄糖醛酸轉移酶 (UDP-glucuronosyl-transferases，UGT)、磺基轉移酶 (sulfotransferase，SULT)、甲基轉移酶、乙?；D移酶和谷胱甘肽S轉移酶等。其中，UGT介導的葡萄糖醛酸化參與多種藥物的代謝過程。近年來，隨著新藥物理化學性質的改變，如分子量變大、親脂性增強、結構類型更為復雜以及含有更多的氫鍵供體與受體等，其通過葡萄糖醛酸化途徑發(fā)生Ⅱ相代謝的可能性增加。此外，越來越多的研究表明，某些葡糖醛酸化產物具有抗炎、抗氧化、抗腫瘤等藥理學活性，是藥物發(fā)揮藥效的物質基礎。在中樞神經系統，某些靶向于腦組織的藥物是UGT的底物如鎮(zhèn)痛藥嗎啡、抗癲癇藥拉莫三嗪、抗精神病藥三氟拉嗪等; 而腦組織中也存在某些UGT亞型，如UGT1A4、UGT1A6等，因此葡萄糖醛酸化將影響這些藥物的腦內代謝、分布及療效。

1 UGT的腦組織亞型、分布、誘導和抑制
1.1 UGT亞型

UGT為多基因酶家族，可催化多種類型化合物葡萄糖醛酸化，迄今為止，人體多達22種UGT亞型已被鑒定，分別屬于UGT1A、2A、2B、3A和8A亞家族，其中UGT1A、2A和2B在外源物的生物轉化中尤為活躍。已知肝臟涵蓋數量最多、種類最廣的UGT亞型，而腎臟和腸道只表達某些亞型，表現出明顯的組織專一性。目前人腦組織UGT亞型在mRNA水平表達的報道尚不一致。Ohno等認為，人腦組織中只存在UGT1A5和UGT2B17，而Court等則檢測到UGT1A1、1A3、1A4、1A6、1A7、1A10、2A2、2A3、2B7、2B11和2B17，Jones等發(fā)現存在UGT2B家族成員，如UGT2B4、2B10、2B11、2B15和2B17。提示人腦組織UGT的表達類型可能存在個體或種族差異，而mRNA的測定結果只能間接反映酶的表達水平，尚需蛋白水平的檢測加以確認。

1.2 UGT分布

嚙齒類動物腦組織研究表明，腦微血管內皮細胞、神經元、星型膠質細胞中均存在UGT，但表達量與活性遠低于肝臟及其他器官。雄性C57BL/6J小鼠不同腦區(qū)UGT的分布對比研究發(fā)現，UGT基因的總表達量嗅球最高，其次為腦橋、髓質、皮層、海馬等區(qū)域，紋狀體和丘腦的表達量較低。Ugt1a2和Ugt1a6a兩種亞型在皮層、嗅覺區(qū)、腦橋、丘腦和下丘腦的表達量占該區(qū)UGT總表達量的50%以上，為C57BL/6J小鼠腦組織的主要亞型。

1.3 UGT誘導和抑制

UGT的基因調控與CYP基因家族相似，誘導和抑制CYP的調節(jié)元件同樣存在于UGT基因。酶的誘導抑制是引起藥物代謝性相互作用的原因之一，然而對腦組織或中樞神經系統UGT誘導和抑制的相關研究十分有限。對UGT1人源化小鼠腦組織的mRNA水平定量測定發(fā)現，UGT1A1、1A3和1A6可在腦內表達，尼古丁可誘導腦UGT1A3的mRNA表達，腦微粒體生成鵝去氧膽酸葡萄糖醛酸苷的活性增加，但對肝臟UGT1A3無影響。另有研究發(fā)現，β-萘黃酮可使大鼠小腦和海馬Ugt1a6和Ugt1a7 mRNA水平升高，對底物的葡萄糖醛酸化活性也相應增加，這與β-萘黃酮激活大鼠腦內芳烴受體 (aryl hydrocarbon receptor，AhR) 信號通路有 關; 苯巴比妥也可提高大鼠紋狀體和丘腦Ugt1a6和Ugt1a7 mRNA水平及酶活性，誘導機制涉及相應腦區(qū)的氧化應激和組蛋白甲基化水平的改變，從而促進Ugt1a6和Ugt1a7基因的轉錄激活。

此外，也有研究報道腦內UGT存在抑制作用。長期給予低劑量雌二醇可引起ACI小鼠海馬區(qū)UGT活性降低，而SULT1A1活性升高，因此研究者認為UGT對雌二醇慢性刺激的響應機制應不同于SULT。在一項體外研究中發(fā)現，甲萘醌造成的氧化應激可導致大鼠星型膠質細胞UGT酶活性快速降低，且可被N-乙酰-L-半胱氨酸所抑制，因此推測UGT酶活性的降低由活性氧直接作用于酶蛋白所引起。

以上研究初步證實腦組織中的UGT可被誘導或抑制，但這種改變能否影響中樞神經系統藥物的腦內代謝動力學過程及臨床意義有待證實，藥物代謝酶某些亞型的腦組織選擇性誘導或抑制機制也需要進一步闡明。

2 UGT與CYP和轉運蛋白的相互作用

中樞神經系統是治療癲癇、神經退行性疾病、神經膠質瘤等腦部疾病的主要靶位，而血腦屏障是藥物進入中樞神經系統的主要屏障。促進藥物有效跨越血腦屏障進入腦組織發(fā)揮治療作用，或阻止外周藥物跨越血腦屏障進入腦組織產生不良反應一直是有待解決的問題。已知多種轉運蛋白位于血腦屏障，如多藥耐藥蛋白1 (multidrug resistance protein 1，MDR1)、乳腺癌耐藥蛋白 (breast cancer-resistance protein，BCRP)、多藥耐藥相關蛋白4 (multidrug resistance-associated protein4，MRP4)、L型氨基酸轉運體 (large neutral amino acid transporter 1，LAT1) 和有機陰離子轉運多肽 (organic anion transporting polypeptides，OATPs) 等。以往的研究主要集中于轉運蛋白對血腦屏障的影響，認為外排轉運蛋白在限制藥物進入腦組織的過程中發(fā)揮作用，并試圖通過干預外排轉運蛋白而改變藥物的腦內分布。雖然 該嘗試在動物實驗中取得了良好效果，但在人體，由于臨床可用的轉運體抑制劑在中樞神經系統的濃度不能達到有效的Ki值，因此藥物在腦組織的增加幅度并不顯著。有研究者提出血腦屏障上也存在CYPs，與轉運蛋白協同作用，共同調節(jié)藥物的滲透性以及腦組織分布。加之UGT在血腦屏障上的發(fā)現及逐步認識使得研究者可以初步建立起三者之間的相互關系。

已知UGT、CYP和轉運蛋白均為膜結合蛋白，存在于血腦屏障和腦實質細胞的膜結構上。轉運蛋白是跨膜蛋白，CYP和UGT則分別位于內質網膜的胞質側和腔內側，這種結構的空間聯系是三者產生相互作用的結構基礎。CYP和UGT是體內最重要的Ⅰ相與Ⅱ相酶，二者存在明顯的底物交叉性，CYP介導的Ⅰ相反應產物也多是UGT的底物，如鎮(zhèn)痛藥可待因由CYP2D6代謝生成嗎啡，嗎啡進一步由UGT2B7代謝為嗎啡-6-葡萄糖醛酸苷 (morphine- 6-glucuronide，M6G)，在上述依次進行的代謝過程中鎮(zhèn)痛活性逐步增強。除藥物代謝酶外，某些藥物的葡萄糖醛酸化產物也是轉運蛋白的底物，如M6G是葡萄糖轉運蛋白 (glucose transporter 1，GLUT-1) 和OATP2的底物，依達拉奉的葡萄糖醛酸化產物是MRP4的底物，17β-雌二醇的葡萄糖醛酸化產物是OATP2的底物等。盡管對UGT與轉運蛋白相關性研究的報道很少，但對于MDR1和CYP3A4的研究較多。目前認為，CYP3A4和MDR1有共同的底物、抑制劑和誘導劑，MDR1可通過控制底物與CYP的接觸共同影響藥物代謝。

UGT、CYP和轉運蛋白的表達調控也存在密切 聯系。Sakakibara等發(fā)現，作為AhR配體的β-萘 黃酮在誘導大鼠腦組織Ugt1a6和Ugt1a7的同時，也 上調腦內Cyp1a1、Cyp1a2和Cyp1b1的mRNA水平。由于以上基因均受AhR調控，且腦中也有AhR表達，因此腦內UGT與CYP存在被同一信號通路調控的 可能性。另有報道，CYP1A1表達和酶活性的增加可導致細胞內的氧化應激，使核轉錄因子e2相關因子 2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2) 激活，從胞漿轉位至細胞核，激活Ugt1a6的轉錄，導致UGT1A6的表達改變。腦內也有Nrf2表達，因此腦內UGT表達的改變也可能是CYP改變的連鎖 反應。此外，在外周組織如肝臟和腸道中，CYP3A4和MDR1在轉錄水平被共同調節(jié)。采用免疫熒光技術也可檢測到癲癇患者腦血管內皮細胞和神經元上CYP3A4和MDR1的共定位與過表達，存在于腦微血管上的孕烷X受體可能介導該誘導過程。

作為血腦屏障的重要組成部分，UGT、CYP和轉運蛋白結構空間與功能的相關性能夠確保有效而逐步地完成藥物的生物轉化和轉運，共同抵御外源物的入侵，并通過協同與拮抗作用之間的平衡保持腦內微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，影響藥物的腦內動力學過程，從而影響藥物對疾病的療效。

3 腦內藥物的葡萄糖醛酸化產物3.1 進入中樞神經系統的方式

與母藥相比，葡萄糖醛酸化產物極性增加，被動擴散能力下降，在理論上不易進入腦組織。但目前已在腦組織中發(fā)現部分 已上市藥物和潛在藥物如嗎啡、槲皮素的葡萄糖醛酸化產物，其進入中樞神經系統的方式可分為兩種，即以原形透過血腦屏障，于腦內發(fā)生葡萄糖醛酸化反應; 或在外周系統發(fā)生葡萄糖醛酸化反應，以Ⅱ相結合物的形式在轉運體的參與下透過血腦屏障，進入腦組織。

3.2 生物學效應

腦組織中的葡萄糖醛酸化產物可產生不同的生物學效應: 因極性變大滲透性下降而滯留于細胞間隙，持續(xù)作用于受體而發(fā)揮較為持久的生物學效應; 被分解為原形藥，發(fā)揮藥理學活性; 因葡萄糖醛酸化而失活，使藥效降低或毒性下降; 或因葡萄糖醛酸化而產生毒性等。

3.3 病理狀態(tài)下的改變

在病理狀態(tài)下，藥物在中樞神經系統的葡萄糖醛酸化過程也將發(fā)生改變。在 產生藥物抵抗的頭與頸部癌細胞系中，利巴韋林和阿糖胞苷的葡萄糖醛酸化作用加強，這一新的藥物抵抗形式由音猬因子神經膠質瘤相關蛋白1通過穩(wěn)定UGT蛋白所介導。在體外培養(yǎng)的大鼠星型膠質細胞中加入脂多糖導致炎癥反應，可誘導細胞UGT1A6的表達上調，對羥甲香豆素的葡萄糖醛酸化作用加強。氧化應激狀態(tài)也可引起大鼠星型膠質細胞對1-萘酚葡萄糖醛酸化活性的改變，呈現先下降后上升的現象，以及氧化應激后期UGT1A6、1A7表達的上調[6]?？傊?，病理狀態(tài)藥物的葡萄糖醛酸化水平、分布以及效應將發(fā)生改變，因此在病理模型上考察藥物的代謝過程有助于了解中樞神經系統藥物藥效的發(fā)揮。

4 腦內葡萄糖醛酸化產物檢測示例4.1 嗎啡

嗎啡是強效鎮(zhèn)痛藥，可通過作用于腦內的阿片受體而產生鎮(zhèn)痛作用。嗎啡在體內主要在肝 臟以葡萄糖醛酸化方式代謝，生成兩種代謝產物，即嗎啡-3-葡萄糖醛酸苷 (morphine-3-glucuronide，M3G) 和M6G。M3G為主要代謝產物，無止痛活性; 而M6G的生成量雖相對較小，但作為阿片受體的強效激動劑參與嗎啡的鎮(zhèn)痛過程。

M6G在血腦屏障的透過性顯著低于嗎啡，針對M6G如何跨越血腦屏障在中樞神經系統發(fā)揮作用這一問題，相關深入研究發(fā)現，大鼠皮下分別注射嗎啡和M6G后，嗎啡主要分布于腦實質細胞內，而M6G則滯留于細胞外液中，其濃度是細胞內的125倍，從而可以比嗎啡更加持久地作用于細胞膜上的阿片受體。M6G轉運機制的研究提示，M6G可通過與攝取轉運蛋白GLUT-1相結合從而透過血腦屏障。Bourasset等的研究不僅支持上述觀點，同時發(fā)現一種地高辛敏感性轉運體 (可能是OATP2) 也參與M6G的主動轉運。除經血腦屏障進入中樞外，嗎啡在人腦組織勻漿和大鼠原代小膠質細胞中均可生成納摩爾水平的M3G和M6G ，表明嗎啡可在中樞神經系統中直接生成葡萄糖醛酸苷，導致局部M6G濃度的升高。雖然肝臟UGT2B參與嗎啡代謝的作用已經明確，但此亞型的腦內分布和作用鮮有報道，因此嗎啡在腦組織中的代謝特性以及代謝酶的亞型都有待繼續(xù)研究。

4.2 拉莫三嗪

拉莫三嗪為廣譜抗癲癇藥，易透過血腦屏障。動物與臨床實驗均顯示，給藥后其腦組織濃度高于血藥濃度。拉莫三嗪主要作用于中樞 神經系統的神經元膜受體，通過阻斷電壓依賴性鈉通道發(fā)揮抗癲癇作用。該藥物主要經肝臟UGT1A4和UGT2B7代謝，代謝產物為2-N-拉莫三嗪葡萄糖醛酸苷 (2-N-lamotrigine glucuronide，MET-1)。

針對癲癇病人的臨床實驗發(fā)現，患者血腦屏障的內皮細胞和神經元中也有UGT1A4的表達，給予拉莫三嗪后腦內可檢測到MET-1。同時，體外正常人腦微血管內皮細胞和產生藥物抵抗的癲癇患者腦內皮細胞中均可檢測到UGT1A4的表達，加入拉莫三嗪后可生成MET-1。與正常人腦微血管內皮細胞相比，UGT1A4在癲癇患者腦內皮細胞中的表達較高，MET-1的生成也呈比例增加。上述研究提示，腦內UGT1A4參與拉莫三嗪的代謝，藥物在到達靶組織之前即可在血腦屏障被代謝或在靶組織中被神經元本身代謝，從而影響其在腦組織的分布和藥效的發(fā)揮，也提示癲癇病人腦內的葡萄糖醛酸酶過表達可能是產生耐藥的原因之一。此外，拉莫三嗪的代謝產物是否有活性或者神經毒性，是否對藥效產生影響尚有待揭示。由此可見，雖然肝臟是藥物的Ⅰ相與Ⅱ代謝的主要場所，但藥物在靶器官的原位代謝亦不可忽視。

4.3 白藜蘆醇

白藜蘆醇屬于多酚類化合物，富含于葡萄、虎杖等植物。以往研究報道，白藜蘆醇可透過血腦屏障進入中樞神經系統，發(fā)揮神經保護作用。動物與臨床實驗顯示，該化合物可在體內經Ⅱ相代謝酶生成3-和4'-葡萄糖醛酸苷、3-和4'-硫酸酯等多個代謝產物。代謝場所主要為腸道、肝臟和腎臟。Sabolovic等發(fā)現，白藜蘆醇也可在腦組織中發(fā)生Ⅱ相代謝，但代謝速率顯著低于肝臟。在腦微粒體中加入白藜蘆醇，可檢測到3-O-葡萄糖醛酸苷的生成，其中反式白藜蘆醇的葡萄糖醛酸化速率是順式異構體的6倍，表現出酶對底物的立體選擇性。由于未檢測到4'-葡萄糖醛酸苷，推測參與白藜蘆醇葡萄糖醛酸化的腦內UGT亞型應與肝腎有所不同。體外培養(yǎng)的原代大鼠星形膠質細胞也可將白藜蘆醇代謝為3-葡萄糖醛酸苷，并在脂多糖導致的炎性刺激下，加強對反式白藜蘆醇的葡萄糖醛酸化作用，表現出病理狀態(tài)下藥物代謝水平的改變。

4.4 槲皮素

槲皮素是一種廣泛存在于中藥材中的黃酮類化合物，在防治心血管疾病、腫瘤、神經退行性疾病方面具有潛在價值。槲皮素在血液循環(huán)中主要以Ⅱ相結合產物的形式存在，其中槲皮素-3-葡萄糖苷酸 (quercetin-3-O-β-D-glucuronide，Q3GA) 是人和大鼠血液中主要的代謝產物之一，具有抗氧化、抑制癌細胞浸潤、神經保護等多種藥理活性。

Ishisaka等報道，大鼠口服槲皮素后其代謝產物Q3GA可透過血腦屏障，改善腦內氧化應激，發(fā)揮神經保護作用。采用Q3GA單克隆抗體腦組織定位研究發(fā)現，正常人腦組織中Q3GA主要分布于血-腦脊液屏障的脈絡叢上皮細胞，而腦缺血病人的腦組織中Q3GA主要在壞死中心區(qū)域的泡沫狀巨噬細胞中堆積。Q3GA可在體外培養(yǎng)的巨噬細胞樣細胞中被水解為槲皮素，也可進一步代謝為甲基槲皮素。其代謝機制可具體解釋為，β-葡萄糖醛酸水解酶在巨噬細胞的溶酶體中大量表達，在病理條件所致酸性環(huán)境的刺激下可釋放于細胞外液中，水解結合于細胞膜表面蛋白的Q3GA。體外實驗還顯示，Q3GA本身并無抗炎活性，而槲皮素和甲基化槲皮素有抗炎活性。以上研究提示，巨噬細胞介導的Q3GA水解反應在槲皮素腦組織抗炎過程中發(fā)揮作用。因此認為，槲皮素葡萄糖醛酸苷 (可能包括其他代謝產物如硫酸結合物) 在血液中以類似前藥的形式存在。

4.5 依法韋侖

依法韋侖是抗艾滋病病毒感染的有效藥物，屬于非核苷逆轉錄酶抑制劑。以往對其代謝產物的研究主要集中于Ⅰ相代謝，即依法韋侖主要由CYP2B6代謝為8-羥基-依法韋侖，少量由CYP2A6代謝為7-羥基-依法韋侖，此外還有微量的依法韋侖- N-葡萄糖醛酸苷的生成。近期臨床研究發(fā)現，患者血液循環(huán)中Ⅰ相代謝產物的含量較低，而Ⅱ相代謝產物8-羥基-依法韋侖葡萄糖醛酸苷、7-羥基-依法韋侖葡萄糖醛酸苷、8-羥基-依法韋侖硫酸酯與依法韋侖的水平相當或更高。腦脊液中亦可檢測到依法韋侖及其代謝產物，且以Ⅱ相代謝物為主，其中8-羥基-依法韋侖葡萄糖醛酸苷含量高于依法韋侖。依法韋侖的Ⅱ相代謝產物如何跨越血腦屏障進入中樞神經系統，是否有轉運蛋白和原位代謝的參與以及代謝物在腦組織不同區(qū)域的分布情況有待進一步闡明。

依法韋侖常因中樞神經系統不良反應而中斷治療。采用原代神經元進行的體外研究顯示，0.1 μmol·L-1依法韋侖和7-羥基依法韋侖、0.01 μmol·L-1 8-羥基 依法韋侖具有神經毒性。采用依法韋侖治療的艾滋 病毒感染者腦脊液中，8-羥基依法韋侖的濃度已達到上述毒性水平。因此，相關研究人員提出依法韋侖的Ⅱ相代謝產物對中樞神經系統是否具有毒性也應予以研究。

5 結語

藥物的腦內代謝過程正被逐步認識。腦組織中存在UGT的表達，雖然表達量與活性較低，但其參與藥物腦內分布與代謝的功能不容忽視。藥物的葡萄糖醛酸化產物也可通過血腦屏障進入中樞發(fā)揮生物學活性，或增強療效、或終止藥理效應、或產生毒性，在局部對腦內微環(huán)境的平衡狀態(tài)進行精細調控，從而影響藥物對疾病的療效。目前這一領域的研究仍有待深入進行，如UGT亞型在腦組織的正確定位及定性定量評價，其腦組織分布特異性與肝、腎、胃腸道等組織的差異，內外源物、遺傳變異以及病理狀態(tài)對腦組織UGT含量和活性的影響以及腦組織UGT能 否引起神經系統藥物相互作用等。值得注意的是，由于血腦屏障的低通透性和代謝酶的弱表達，單一因素可能很難產生有臨床意義的腦內藥物動力學改變，對各種代謝酶和轉運體之間相互作用的深入認識，應是設計靶向于中樞神經系統理想藥物的前提。

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