第二章、 文獻探討
二、 生物轉換酵素系統(biotransformation enzyme system)
當脂溶性內生性物質(例如固醇類荷爾蒙、膽紅素)或外來物質(xenobiotics)例 如藥物等，進入生物體內將藉由生物轉換酵素進行代謝，加速其排泄速率。生物轉 換系統成員依功能可分為三大類：第一期作用(phase I reaction)主要透過分布於細胞 平滑內質網上的 cytochrome P450 (CYP450)進行催化，對親脂性物化合物進行氧化 (oxidation)、還原(reduction)以及水解(hydrolysis)作用，使其轉變為更具極性（親水 性或親電子性）的代謝產物；第二期作用(phase II reaction)主要由分布於細胞質中(少 數則分部於內質網上)的多種結合酵素負責，例如 glutathione S-transferases (GSTs)、
sulfotransferases (SULTs)、NAD(P)H:quinone oxidoreductase 1 (NQO-1)以及
UDP-glucuronosyltransferases (UGTs)（主要位於內質網），透過與胞內水溶性小分子 的結合作用(conjugation)，增加產物的水溶性，因而促進其排除；最後再藉由藉由第 三期作用(phase III reaction)，成員屬細胞膜上的多種膜運送蛋白(membrane
transpoters)，例如 P-glycoprotein 和其它 mutidrug-resistance-associated proteins (MRPs) 等，負責將經 phase I 和 II 酵素作用後生成的產物由胞內送至胞外(Bock, 2003)。在 哺乳動物中，肝臟為最大的代謝器官，其他如腎臟、肺臟、小腸等也具有藥物代謝 酵素。
圖二、細胞內或外來物質之生物轉換系統 modified from (Bock, 2003)
(二) 第一期藥物代謝作用(Phase I drug metabolism)
許多藥理活性分子在正常生理酸鹼值下，為脂溶性或非離子性。phase I 酵素系 統中包含多種代謝酵素，其中以細胞色素 P450 (cytochrome P450, CYP) 最為重要，
屬單氧化酶(monooxygenase)，主要分布於細胞內平滑內質網上。進行催化反應時，
同時需要 NADPH-CYP reductase 及細胞膜上磷脂質(phospholipids)的共同參與，電子 主要透過 NADPH-CYP reductase 將 NADPH 轉移到 CYP 上，並藉由 cytochrome b5 reductase 將 NADH 轉移至 cytochrome b5 以增強代謝活性(Sole and Livingstone, 2005)。CYPs 由許多同功異構酵素(isozymes)所組成，已知人類至少表現有 59 種 isozymes，大鼠體內至少也有 47 種。主要負責代謝內生性(endogenous)與外源性 外亦具有許多重要的基因多形性(genetic polymorphisms)；(3) CYP 4 家族主要代謝脂 肪酸、外來物質及其相關代謝受質(Ingelman-Sundberg, 2004)。目前已知，臨床常見 藥物中有 70~80%種類可被 CYP 1-3 家族所代謝(Bertz and Granneman, 1997; Evans and Relling, 1999)，其胞內分佈位置整理如表二所示。
大部分的 CYPs 存在肝臟中，亦存在小腸黏膜、肺、腎、腦、鼻黏膜和皮膚等 組織。肝臟中 CYP 家族含量多寡依次為 CYP3A＞CYP2C＞CYP1A2＞CYP2E。Lin (2001) 指出小腸黏膜則是肝外組織中最重要的藥物代謝轉換的部位，與肝臟一樣小 腸中含量最多的也是 CYP3A，約佔 50~70% (Paine et al., 1997; Watkins et al., 1987)。
肝臟與小腸中 CYPs 主要分布比例如圖三所示(Shimada et al., 1994)。至於大鼠體內 CYPs 分布情形，也與人類相似(Guengerich, 2004)。
表二、Cytochrome P450 家族的基本特性(Ingelman-Sundberg, 2004)
圖三、人類肝臟與小腸中 CYPs 之平均分佈比例 modified from (Paine et al., 2006; Shimada et al., 1994)
(三) 第二期解毒作用(Phase II detoxification)
由多種負責催化結合反應(conjugation)的酵素所組成，主要催化的反應有 glucuronidation、sulfation、methylation、acetylation、glutationation 以及 amino acid conjugation 等。Phase II 酵素大部分為轉移酶(transferases)，比如 glutathione (GSH) S-transferases (GSTs)、sulfotransferases (SULTs)、UDP-glucuronosyltransferases (UGTs)、amino acid conjugases 等，另外，N-Acetyltransferases (NATs) 和 NAD (P) H:quinone oxidoreductase (NQO)也是 Phase II 酵素成員。Phase II 轉移酶可直接催化 外來物質或間接代謝 phase I 的代謝產物與胞內具高水溶性之 GSH、sulfate、
glucuronic acid、taurine 和 glycine 等分子結合，生成更具親水性之產物而有利於藉
酵素 代表性受質反應 Probe drugs 主要存在位置
CYP1A2 Ethoxyresorufin O-deethylation Acetaminphen、 Caffeine 肝臟 CYP2C9 Diclofenac 4-hydroxylation Diclofenac、Tobutamide 肝臟 CYP2D6 Dextromrthorphan O-deethylation Detromethorphan、Debrisoquine 肝臟 CYP2E1 Chlorzoxazone 6-hydroxylation Clorzoxazone、Enflurane 肝臟
CYP3A4
由尿液或膽汁排出體外(Rushmore and Kong, 2002)。
1. UDP-glucuronosyltransferases (UGTs；EC 2.4.1.17)
UGTs 主要存在細胞的內質網(endoplasmic reticulum)與核膜上(Mackenzie et al., 1997)，催化受質與 glucuronic acid 結合後，將使得脂溶性化合物的親水性大為增加，
因此有利於由膽汁與尿液排出體外，參與許多藥物、植化素和內生性物質例如膽紅 素、甲狀腺荷爾蒙及固醇性荷爾蒙的代謝。人體內，將近 40～70%臨床用藥可透過 UGTs 行醣醛酸作用。哺乳動物的 UGTs 超過 117 種，在人類中，依其基因同源性可 分為 UGT1、UGT2，可分為兩個 subfamily A、B 以及 UGT3 與 UGT8 四個家族。
大部分的 UGTs 存在肝臟中(Congiu et al., 2002)，其它如 UGT1A7、1A8 和 1A10 並 不存在肝臟中，主要分布於腸胃道中(Mojarrabi and Mackenzie, 1998; Tukey and Strassburg, 2001)。不同 UGT 酵素的受質親合力也不儘相同，比如膽紅素為 UGT1A1 的專一受質(Tukey and Strassburg, 2001)，因此降低 UGT1A1 的表現時將增加體內膽 紅素的濃度，造成膽黃症及腦損傷(Meech and Mackenzie, 1997)。UGT 利用
uridine-5’-diphospho-α-D-glucuronic acid (UDPGA)作為 glucuronic acid 的提供者，將 之結合在內生性與外源性受質上(Jancova et al., 2010) (圖四)。
圖四、UDPGA 與親和性受質透過 UGT 代謝(Jancova et al., 2010)
2. Glutathione S-transferases (GSTs；EC 2.5.1.18)
GSTs 是 phase II 反應中重要的酵素之一，為複合型酵素家族(mutienzyme family)，多數 isozymes 存在細胞質(cytosol)中，僅少部分則存在微粒體(microsome) 中。哺乳動物之 GST 可分為八大類，分別是存在細胞質的α、μ、ο、π、σ、τ、ζ 和 微粒體中的κ form (Hayes et al., 2005; Pool-Zobel et al., 2005; van Iersel et al., 1999)；
廣泛分布於各組織中。
GSTs 藉由催化 GSH 與外來物質或致癌物結合，GSTs 受質包括親核性芳香物質 (nucleophilic aromatic substitutions)、氫過氧化物以及疏水性和親電子性的化合物 等，所以胞內如有過多這些化合物發生 GSH 結合反應時，將使得胞內 GSH 含量減 少，此時 GSH 如未能及時補充，將增加氧化傷害的機會(圖五) (Jancova et al., 2010)。
GSTs 除行解毒反應外，同時也具有過氧化酵素活性(selenium-independent GSH peroxidase)，可將有機過氧化物(organic hydroperoxides)還原為醇類(alcohols)，因此 GSTs 除參與解毒反應外，同時也是抗氧化酵素之一。
圖五、GST 催化的結合反應(Jancova et al., 2010)
由於 GST 的特性，它有廣泛的受質選擇性，比如 1-chloro-2,4-dinitrobenzene (CDNB)即是其中之一，而 CDNB 也常作為測量 GST 酵素活性的受質。Manson 等 人證實十字花科蔬菜的萃取物與葡萄柚萃取物具有誘發 GST 的現象，被當作 GST 的 inducer (Manson et al., 1997)。
(四) 第三期膜轉運作用(Phase III membrane transportation)
轉運蛋白主要的角色是降低內生性物質及外來物質的吸收或增加排除，所以藥 物轉運蛋白(drug transporter proteins)的角色於許多醫學領域中受到不少注意，尤其 是藥理學(pharmacology)和腫瘤學(oncology)，其調節作用無論在藥物之動力學性質 (吸收、分布以及排除)和細胞抗藥性之發展上皆為重要。膜轉運蛋白主要分為三大 類：ATP-binding cassette transporters (ABC)、mutidrug resistance-associated protein (MRP)和 organic anion transporting polypeptide (OATP)，目前已有 400 種獨立的轉運 蛋白質被發現，且遍布身體各部位。近幾年雖對這些轉運蛋白在體內的遺傳變異雖 有不少研究，但對它們在藥物的轉運作用機轉上，仍有相當多的地方有待釐清 (Franke et al., 2010)。
1. ATP-binding cassette transporters (ABC)
ABC transporters 家族約有 48 種基因，最廣為研究的是 ABCB1 和 ABCG2 兩者，
與跨膜蛋白結合，水解 ATP 產生能量，驅動許多分子穿透細胞膜(Franke et al., 2010)。ABC 轉運蛋白被認為具有高度的受質依賴性(substrate-dependent)，在解毒和 防禦抵抗外來物質上扮演著重要的角色(Lin and Yamazaki, 2003)，已知 ABC
transpoter 基因剔除的 mdr1a/1b (-/-)小鼠，將有血腦障壁功能改變(Schinkel et al., 1997;
Schinkel et al., 1994)，小腸之藥物吸收受到影響(Jonker et al., 2002; Sparreboom et al., 1997)，胎兒的藥物暴露(Smit et al., 1999)及藥物對輸精管的損傷(Wijnholds et al., 2000)增加等現象。
ABCB1 是第一個被分離鑑定出來的膜轉運蛋白，又稱為 MDR1 (muti-drug resistant)或 P-gp (p-glycoprotein) (Gottesman and Pastan, 1993)。已知 ABCB1 表現在 許多正常的組織中，主要目的是將有毒物質從細胞內排出，避免殘留在胞內，造成 傷害。ABCB1 在血腦障壁中高度表現，所以有助於排出腦部的有毒化合物，減少這
些化合物在腦內的濃度(van Tellingen, 2001)。除此之外，ABCB1 也存在於許多具分 泌功能的細胞(excretory cells)中，例如腎小管上皮細胞、肝細胞、小腸上皮細胞，
以小腸上皮細胞為例，ABCB1 即主要表現在上皮細胞的頂面(apical surface)，已有 研究指出 ABCB1 表現的多寡與功能正常與否將影響下消化道(迴腸、空腸和結腸) 對藥物的吸收及口服藥物的生物可利用率(bioavalibility)。
2. Mutidrug resistance-associated protein (MRP)
MRP 共有 MRP1 (ABCC1)、MRP2 (ABCC2)、MRP3 (ABCC3)等共 9 個家族，
MRP1 和 MRP3 位於肝細胞小管(canalicular)的基底膜上，負責將代謝後的藥物運送 至血液中，透過尿液排除；MRP2 則位於肝細胞膜表面，負責將藥物運送至膽汁中 (Xu et al., 2005)。
3. Organic anion transporting polypeptides (OATP)
OATP 家族包含至少 300 種以上蛋白質，分成 47 個家族(Hediger et al., 2004)，
此膜蛋白利用被動運輸和離子交換方式協助運送、穿透細胞膜。OATP 調節廣泛的 兩性有機化合物(amphipathic organic compounds)，並以 sodium-和 ATP-independent 方式運送多種內生性與外源性化合物，包括結合與未結合的膽紅素、類固醇結合物、
陰離子 oligopeptides、二價陽離子、甲狀腺素(T3、T4)、膽鹽、外來物質以及藥物 等(Hagenbuch and Meier, 2003; Reichel et al., 1999)。
OATP1B1 主要表現在肝細胞的基底膜上，可將血液中的藥物吃入(uptake)肝細 胞內(Abe et al., 1999)，進入細胞後，再由 Phase I 及 Phase II 藥物代謝酵素接手作用 (圖六)。
圖六、ABC 和 OATP 對口服與靜脈注射藥物的作用(Franke et al., 2010)
(五)
大蒜與藥物交互作用
近年來，已有不少研究指出大蒜或大蒜硫化物可改變生物體內多種藥物代謝酵 素的活性及基因轉錄作用，此外深入了解保健食品消費市場後，可發現慢性病患者 或高齡者常是購買這些食品補充劑最大之族群，由於慢性病患者或高齡者同時也是 慢性處方藥物高度使用者，因此保健食品和藥物共同服用後，如果引起 herb-drug interaction，將是使得藥效減弱或是使得藥物累積於體內產生毒性之重要關鍵。
Gurley 等人即證實大蒜精油會影響人類的藥物代謝酵素 CYP2E1 活性，他們給 予受測者大蒜精油每天 1500 mg，為期 28 天，結果發現大蒜精油可顯著抑制了血液 中6-hydroxychlorzoxazone/chlorzoxazone的比值，指出大蒜精油可抑制 CYP2E1 的酵素 活性(Gurley et al., 2002, 2005)。在另一有九位自願者參與的實驗中，每人每日服用 1200 mg 大蒜萃取物，分三次給予，持續 21 天，結果發現大蒜萃取物將降低血漿中 蛋白質酶抑制劑－saquinavir 曲線下面積(area under the curve, AUC)，同時也使得血 漿最大濃度(Cmax)減少 51～54%(Piscitelli et al., 2002)。Saquinavir 已知是 CYP3A4 和
P-GP 的受質，而 CYP3A4 與 P-GP 的活性會被大蒜萃取物所誘發(Plosker and Scott, 2003)。然而 Markowitz 等人卻證實每天投與大蒜萃取物 1800 mg，14 天後並不會改 變 dextromethorphan (CYP2D6)和 alprazolam (3A4)之血漿藥物濃度(Markowitz et al., 2003)。近年來針對大蒜和藥物交互作用的研究報告整理如下表(表三)：
表三、大蒜與藥物之交互作用
Preparation Dose Model Effects Reference
Garlic extract 1200 mg/day for 21 days
9 health adults ↓ saquinavir 51% AUC
↓ Cmax 54%
(Piscitelli et al., 2002) Garlic extract 1800 mg /day
(600 μg allicin /600 mg tablet)
14 healthy volunteers
Did not significantly affect the activity of CYP2D6 or CYP3A4
(Markowitz zone serum ratios
↓ CYP2E1 activity
(Gurley et al., 2005)
Garlic extract 600mg /day (3.6 mg allicin / tablet), for 17 days
10 Patients tablte), for 2 weeks
12 health males No changes on pharmacokinectics of warfarin
(Mohamme d Abdul et al., 2008) Garlic extract 600 mg taplets (含 12
mg γ-glutamylcysteine 及 4.8 mg alliin), for 21 days
10 health males ↑ p-glycoprotein
Independent of CYP 3A4
↓ saquinavir
8 Wistar Albino rats
↑ bioavalibility
↑ half-life of hydrochlorthiazide
↓ clearance rate
(Asdaq and Inamdar, 2009)
(六)
食用大蒜之副作用及安全性評估
雖然大部分的人服用大蒜似乎是安全的，然而也有報告發現有些人在食用大蒜 後，可能會有呼吸困難、口腔或胃灼熱、心灼熱、產氣、噁心、嘔吐和腹瀉等副作 用，亦有研究指出在術後服用可能增加出血的機率，大蒜也不適合塗抹在皮膚上，
可能造成皮膚灼傷(Ackermann et al., 2001)。
許多研究已證實大蒜可能對部分藥物在體內的作用產生影響，因此改變了這些
許多研究已證實大蒜可能對部分藥物在體內的作用產生影響，因此改變了這些