近年来,药物代谢酶和药物转运体的研究成为药代动力学研究领域的主流。不仅药物代谢酶和药 物转运体与治疗药物的药代动力学休戚相关,更重要的是药物代谢酶和药物转运体,特别是后者在疾病中的变化直接左右病情的发展和药物治疗的效果。因此,疾病状态下对转运体变化的研究对于临床合理用药、提高药物治疗效果以及促进疾病康复具有 十分重要的临床意义。本文主要综述了常见的肠道、肝脏、肾脏疾病以及糖尿病状态下转运体的变化及 其意义。

药物转运体是一种膜蛋白,在肠道、肝脏和肾脏有着广泛分布 (图 1),主要负责药物的吸收、分布以及排泄等过程^{[1, 2]}。通常人类转运体习惯用大写字母来表示,而相应的啮齿类动物转运体则用小写字母来表示^[3]。药物转运体根据转运底物跨膜转运方向的不同可分为摄取型转运体 (uptake transporters) 和外排型转运体 (efflux transporters)。摄取型转运体主要包括葡萄糖转运体中的Na⁺-依赖性继发性主动转运体 (sodium dependent secondary active transporter,SGLT) 和Na⁺-非依赖性易化扩散转运体 (sodium- independent facilitated diffusion transporter,GLUT)、寡肽转运体 (peptide transporter,PEPT)、氨基酸转运体(L-type amino transporter,LAT)、一元羧酸转运体 (monocarboxylate transporter,MCT)、Na⁺-牛磺胆酸共转运体 (Na⁺-taurocholate cotransporting polypeptide,NTCP) 以及有机离子转运体中的有机阴离子转运体 (organic anion transporter,OAT)、有机阴离子转运多肽 (organic anion transporting polypeptide,OATP)、有机阳离子转运体 (organic cation transporter,OCT) 以及新型有机阳离子转运体 (carnitine/organic cation transporter,OCTN) 等,该类转运体为易化扩散型或继发性主动转运型,属于可溶性载体 (solute carrier,SLC),主要介导药物的摄取。外排型转运体主要包 括P-糖蛋白 (P-glycoprotein,P-gp,亦作multidrug resistance 1,MDR1)、多药耐药相关蛋白 (multidrug resistance associated protein,MRP)、乳腺癌耐药蛋白 (breast cancer resistance protein,BCRP)、胆酸盐外排泵 (bile salt export pump,BSEP) 和多药及毒素外排蛋白 (multidrug and toxin extrusion protein,MATE) 等,该类转运体多为原发性主动转运型,属于ATP结合盒转运体 (ATP binding cassette,ABC),其中MATE为继发性主动转运体,属于SLC,这些转运体主要介导药物的外排。

Figure 1 Distribution of the major transporters located in intestine,liver and kidney

目前在人体肠道内已发现的转运体主要有摄取型转运体和外排型转运体。摄取型转运体有PEPT1、OCT1、OCT2、OCTN1、OCTN2、OATP2B1、OATP1A2和MCT1。其中,PEPT1、OCT1、OCT2、OATP2B1、OATP1A2和MCT1表达于小肠上皮细胞基顶侧膜,OCTN1、OCTN2表达于小肠上皮细胞基底侧膜,这些转运体负责药物的肠道吸收。外排型转运体有P-gp,MRP2和BCRP等,这些转运体高表达于肠细胞的基顶侧,限制沙坦类药物、抗生素、HIV蛋白酶抑制剂、免疫抑制剂、抗癌药以及强心药等药物的肠道吸收^[4]。

炎症性肠病是一种病因尚不十分明确的慢性非特异性肠道炎症性疾病,近年来,炎症 性肠病的患病率有上升的趋势。有文献^[5]报道,炎症性结肠疾病如克罗恩病和溃疡性结肠炎会使结肠上皮细胞内PEPT1的表达升高。肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-α,TNF-α)、干扰素γ (interferon-γ,IFN-γ) 可以上调小鼠近端结肠和末端结肠内Pept1的蛋白表达并增加Pept1的活性,而白介素1β (interleukin-1β,IL-1β) 可以上调小鼠近端结肠和末端结肠内Pept1的蛋白表达但不提高Pept1的活性。TNF-α、IFN-γ和IL-1β三种细胞因子对小肠内Pept1的蛋白表达 均没有影响,TNF-α和IFN-γ不增加肠道中Pept1的mRNA的表达,但是IL-1β增加小鼠近端和末端结肠中Pept1的mRNA的表达,降低空肠和结肠中Pept1的mRNA的表达^[6]。小肠中很少存在原核生物,很少有细菌存在,细菌主要存在于结肠,因此正常情况下,细菌分泌的肽类几乎不能通过Pept1摄取进入细胞内,例如胞壁酰二肽 (muramyl dipeptide,MDP)、L-丙氨酰-γ-D-谷氨酰基-内消旋-二氨基庚二酸 (tripeptide L-Ala-γ-D-Glu-meso-DAP,Tri-DAP)^[7]和N-甲酰-L-甲硫氨酰-L-亮氨酰-L-苯丙氨酸 (N-formylmethionyl- leucyl-phenylalanine,fMLP)^[8]。然而在炎症性肠病患者体内,结肠中的PEPT1蛋白表达增加、活性上调,可能会引起细菌分泌的肽类在细胞内蓄积,触发下游的炎症反应。溃疡性结肠炎患者的OCTN1和OCTN2的表达下调^[9],炎症性肠病患者的空肠末端和结肠中PEPT1、OATP2B1和OATP4A1的mRNA表达水平升高,炎症性肠病患者的肠道SLC家族转运体的mRNA水平异常可能与组织的炎症状态有联系^[10]。尽管mRNA水平的变化与相应的蛋白水平改变不是完全一一对应,但是SLC家族转运体的表达水平有助于评估疾病的严重程度,或者作为药物治疗炎症性肠病的一个判断预后因素。除此之外,药物诱导的疾病也会引起转运体的变化^[11]。研究发现单剂 量给予大鼠吲哚美辛10 mg·kg^-1后,可以引起大鼠腹泻和小肠溃疡病变,Pept1的mRNA和蛋白表达水平分别降低至对照组的45% 和49%,经过25 mg·kg^-1 JBP485治疗后,Pept1的mRNA和蛋白表达水平较 吲哚美辛处理组提高了45% 和49%^[12]。Pept1活性升高会使细菌产生的肽类MDP和fMLP的转运增加,激活炎症结肠的宿主反应; 同时,也会引起其底物JBP485^[13]、头孢克肟^[14]的吸收增加。因此,PEPT1可以作为治疗炎症性肠病的一个潜在作用靶点,开发新的口服药物。

肝脏转运体分为位于肝细胞血窦侧膜的摄取型转运体和位于肝细胞胆管侧膜的外排型转运体,其中摄取型转运体主要有OATP1B1、OATP2B1、OATP1B3、OAT2和OCT1等,其底物范围广泛,介导内源性物质及外源性药物从血液侧向肝细胞内的转运; 外排型转运体主要有P-gp、MRP、BCRP以及BSEP等,介导多种内源性物质及外源性药物由肝细胞内向胆汁排泄的过程。肝脏发生疾病时,这些转运体的表达和功能改变可能会增加药物发生不良反应的风险。

肝脏作为人体中最重要的药物代谢器官,极易受到环境中毒性物质的侵害。非酒精性脂肪性肝脏疾病 (nonalcoholic fatty liver diseases,NAFLD) 是一种从单纯的肝脂肪变性发展为非酒精性肝炎最终导致肝硬化的慢性肝脏临床病理综合征。NAFLD根据肝细胞的损害程度不同分为很多阶段,从脂肪变性到非酒精性脂肪性肝炎 (nonalcoholic steatohepatitis,NASH),NAFLD可能 进展为肝硬化和晚期肝衰竭。Lickteig等^[15]研究表明饮食诱导的NAFLD大鼠动物模型中,NASH大鼠的Mrp3、Mrp4和Bcrp2的mRNA表达水平升高,而脂肪变性模型大鼠则不产生此变化。同时,NASH大鼠的Mrp2-4和Bcrp2的蛋白表达水平升高。肝脏ABC转运体的表达改变会引起肝脏对药物代谢处置的功能改变^[16]。给予大鼠对乙酰氨基酚后,NASH大鼠 通过胆汁排泄对乙酰氨基酚的葡萄糖醛酸结合物、 磺酸化物和谷胱甘肽结合物减少,而转向排泄至血窦侧^[15]。与大鼠NAFLD模型相似,在NASH患者 中MRP4和BCRP的表达升高。另外,在疾病进展期,MRP1、MRP5和MDR1的表达升高。总体上,当疾病从单纯的脂肪变性进展为晚期NASH时,大多数ABC家族转运体的mRNA表达表现为增加的趋势,这些外排型转运体的蛋白水平增加表明NASH患者肝细胞排出游离型药物和结合型药物的能力增加^[17]。然而,由于这些转运体的底物有部分重叠,以及它们与底物的亲和力不同,可能对肝脏清除外源性物质产生不同的影响。当胆汁淤积时,OCT1的表达会发生改变^[18],肝细胞癌、胆管癌以及肝母细胞癌等原发性肝癌患者的OCT1表达下降^[19]。OCT1的表达水平下降与晚期肿瘤如肝细胞癌^[20]和胆管癌^[21]患者的整体生存率较低有关。OCT1在肝细胞癌中的下调可能与SLC22A1启动子甲基化有关^[22]。摄取型转运体OCT1的表达降低,会导致其底物的药代动力学改变。例如,二甲双胍在OCT1表达较低的大鼠体内的药代动力学显著改变,从而降低其降血糖的药理作用^[23]。异硫氰酸α萘酯 (alpha-naphthylisothiocyanate,ANIT) 诱导的肝外胆汁淤积可以使大鼠的肾脏转运体发生变化。在ANIT诱导的肝外胆汁淤积状态下,肾脏Oat1和Oat3的mRNA与对照组相比分别下降了22% 和21%,Mrp2的mRNA表达提高了1.2倍; Oat1和Oat3的蛋白表达分别下降了29% 和14%,Mrp2的蛋白表达提高了1.3倍。经过JBP485治疗后,与模型组相比,Oat1、Oat3和Mrp2的mRNA表达分别提高了21%、19% 和30%; Oat1和Mrp2的蛋白表达分别提高了1.2和1.3倍^[24]。转运体的表达与疾病的进展密切相关,在肝损伤情况下,肝脏摄取型和外排型转运体的表达和功能发生显著改变,主要表现为摄取型转运体表达的降低和外排型转运体表达的升高,使得进入肝脏的胆汁酸和其他毒物减少从而降低肝损伤,并且促进胆汁酸、结合型胆红素、谷胱甘肽结合物等毒物从肝脏排出从而缓解肝损伤,有利于肝细胞功能的恢复^[25]。

肾小管转运体也主要分为外排型转运体和摄取型转运体。前者包括MRP和P-gp,这些表达在刷状缘膜基顶侧的外排型转运体主要负责将药物排泄至尿中,表达在基底侧膜的外排型转运体主要负责药物的重吸收。摄取型转运体包括钠依 赖性磷酸转运蛋白1 (sodium-dependent phosphate cotransporter 1,NPT1)、OAT、OATP、OCT和尿酸转运体 (urea transporters,URAT),它们负责将血中或者尿中的药物摄取进肾小管细胞中。

慢性肾脏疾病 (chronic kidney disease,CKD)、肾功能急性改变或者是肾功能不全等肾脏疾病会改变外源性物质的肾脏清除率。CKD患者的肾小球滤过率下降的同时通常伴随着其他失常,包括药物转运体的表达减少,代谢酶活性降低以及可能阻碍药物排泄的尿毒素蓄积^[26]。许多大鼠动物模型实验表明CKD与Oct2、Oatp4c1、Mate1和Bcrp的mRNA表达水平降低以及Mrp2和Mrp4的mRNA表达水平增加有关^[27]。另外,由于肾脏是清除药物的主要器官之一,CKD可以影响肝脏对肾清除和非肾清除药物的摄取、代谢以及胆汁排泄^{[26, 28]}。慢性肾衰可导致大鼠Npt1、Oat1、Oat2、Oat3、OatK1/K2、Oatp1、Oatp4c1、P-gp和URAT1的mRNA表达降低,而Mrp2、Mrp3、Mrp4、Oatp2、Oatp3的mRNA表达水平显著上调。摄取型转运体Oat1、Oat2和Oat3的下调,双向转 运体OatK1/K2、Oatp1、Oatp4c1和URAT1的下调以及外排型转运体Mrp2、Mrp3和Mrp4的上调,双向转运体Oatp2、Oatp3的上调,这可能是对尿毒症毒素和肾毒性的一种适应性和保护性反应^[29]。Naud等^{[30, 31]}报道慢性肾衰除了可以影响肾脏转运体外,还可以影响大鼠肠道P-gp和Mrp2以及肝脏P-gp和Oatp2的表达,因此可以增加多种药物的生物利用度并减少药物的胆汁排泄。肾衰时产生的尿毒症毒素 硫酸吲哚酚、对氨基马尿酸等会降低P-gp的蛋白表达和活性^[29]。研究^{[32, 33]}发现,在庆大霉素/顺铂诱导的大鼠急性肾衰模型中,大鼠的肾脏Oat1和Oat3的mRNA表达水平和蛋白水平均降低,功能受损。在顺铂诱导的大鼠急性肾衰模型中,大鼠肾脏除了Oat1和Oat3的表达有改变外,Mrp2的mRNA和蛋白表达水平升高^[33]。在庆大霉素诱导的大鼠急性肾衰模型中,用JBP485治疗后,实验组Oat1和Oat3的mRNA相对急性肾衰组升高了25.0% 和19.0%,Oat1和Oat3的蛋白表达水平相对急性肾衰组明显升高,分别升高了36.3% 和33.6%,庆大霉素诱导的肾损伤得以改善,表明Oat1和Oat3在急性肾衰中起到了不可忽视的作用^[32]。肾衰时,摄取型转运体下调、外排型转运体上调是机体对体内一些毒性物质的一种保护性反应。通过药物治疗可以改善转运体功能,从而加快毒性物质排出体外,改善肾功能。肾衰时,肾脏转运体的改变会影响一些主要从肾脏消除的药物的药代动力学,肠道和肝脏转运体的改变则会影响一些非肾脏消除的药物的药代动力学,这些改变可能会引起药物的不良反应,临床用药需要谨慎。

糖尿病是一种涉及全身系统的代谢性疾病,合并并发症可累及多种器官,因此糖尿病可以影响位于肠肝脑肾组织多种转运体的表达与功能,其累及的转运体主要包括摄取型GLUT、PEPT1、OAT、OCT,以及外排型的P-gp、BCRP以及MRP等。

GLUT4在促进葡萄糖转运到胰岛素敏感的脂肪细胞和肌肉组织内利用的过程中起着重要作用^[34]。2型糖尿病患者和胰岛素抵抗患者的GLUT4的mRNA表达水平降低,导致组织对葡萄糖的摄取降低,血糖升高,这可能与GLUT4转录复合物的改变有关^[35]。糖尿病还会改变许多药物的药代动力学行为^[36],这通常与参与药物吸收、分布、代谢和排泄的药物代谢酶和转运体的功能改变相关。据文献^[37]报道,链脲霉素诱导的糖尿病大鼠较正常大鼠对5种原小檗碱有更高的有效渗透率,且P-gp的蛋白水平较低,表明在糖尿病状态下,P-gp的功能有损伤且表达量降低。在糖尿病大鼠中P-gp的表达具有组织特异性,mRNA的表达也具有特异性。糖尿病大鼠大脑皮质和肠黏膜的Mdr1a的mRNA水平下调,肾脏和海马的Mdr1a的mRNA水平上调。然而,肝脏的Mdr1a的mRNA水平随着患病时间不同而不同,在患糖尿病5周的大鼠肝内升高,而在患糖尿病8周的大鼠肝内降低。P-gp的表达水平在大脑皮质、肝脏和肠黏膜组织内降低,在海马和肾脏升高。同时,静脉注射罗丹明123 (Rho123) 后,糖尿病大鼠Rho123的组织血浆浓度比值升高,表明P-gp的功能有损伤。该结果证实糖尿病状态下,P-gp的表达和功能具有组织特异性和糖尿病持续时间依赖性^[38]。在链脲霉素诱导的2型糖尿病大鼠体内,肾脏的摄取型转运体Oat2的蛋白表达增加至对照组的2.3倍,Oct2的蛋白表达降低至对照组的50%; 外排型转运体Mrp2、Mrp4和Bcrp分别增加至对照组的5.4倍、2倍和1.6倍,而Mrp1、Mrp5和P-gp的蛋白水平不变。肝脏转运体Mrp5的蛋白水平降低至对照组的4%,Bcrp、Mrp1、Mrp2、Mrp4、Ntcp和Pgp的蛋白水平没有变化^[39]。糖尿病还可以引起Pept1的变化,糖尿病大鼠的肠道和肾脏中Pept1的mRNA水平和蛋白表达水平均显著升高^[40]。治疗糖尿病的药物罗格列酮可以上调Pept1的mRNA和蛋白表达水平,而二甲双胍可以下调Pept1的mRNA和蛋白表达水平。罗格列酮通过激活S6核糖体蛋白而不改变转录抑制剂4E-BP1的活性,从而增加Pept1的mRNA的翻译,上调Pept1的mRNA和蛋白表达水平^[41]。这些都说明糖尿病的病情发展和药物治疗中,大鼠肠肝脑肾转运体发生了不同程度的改变,从而影响口服降糖药的药代动力学,可能增加药物的毒性和不良反应。为了获得更好的治疗效果,可能需要通过药物来改变转运体的表达和功能,从而促进糖尿病的治疗。

综上所述,肠道疾病、肝脏疾病、肾脏疾病以及全身代谢性疾病糖尿病均对转运体的表达和功能产生一定的影响,因此转运体的表达状态可以作为疾病预后以及药物治疗效果的一个评价指标。同时,转运体的改变或者功能受到抑制会影响药物在体内的药代动力学,降低药物的治疗作用或者增加药物的不良反应^{[23, 42, 43, 44]},尤其是高毒性或者治疗窗窄的药物可发生严重不良反应,甚至可能威胁生命。因此,在转运体功能发生变化时,该转运体底物的临床剂量可能需要调整。当促进药物吸收的转运体功能降低时,应该考虑适当增加药物的给药剂量或者缩短给药时间,从而达到治疗效果。当促进药物排泄的转运体功能降低时,应该考虑降低药物给药量或者延长给药时间,避免由于药物蓄积引起的不良反应。但是,疾病是一个复杂的过程,调整药物给药剂量不能单一地取决于转运体的变化,还要考虑到代谢酶活性以及其他影响药物药代动力学过程的因素^{[45, 46]}。转运体影响药物的同时,药物也可以改善疾病对转运体表达产生的影响,并可根据转运体的表达状态选择治疗疾病的合适药物。