Nature子刊：生命早期微生物群对健康的长远影响
知几Selection是知几未来研究院学术栏目
为您精选人体微生态领域的重磅文献
The microbiome in early life: implications for healthoutcomes
Sabrina Tamburini et al. Nature medicine (2016)
DOI 10.1038/nm.4142
Summary
Recentstudies have characterized how host genetics, prenatal environment and deliverymode can shape the newborn microbiome at birth. Following this, postnatalfactors, such as antibiotic treatment, diet or environmental exposure, furthermodulate the development of the infant’s microbiome and immune system, andexposure to a variety of microbial organisms during early life has long beenhypothesized to exert a protective effect in the newborn. Furthermore,epidemiological studies have shown that factors that alter bacterialcommunities in infants during childhood increase the risk for several diseases,highlighting the importance of understanding early-life microbiome composition.In this review, we describe how prenatal and postnatal factors shape thedevelopment of both the microbiome and the immune system. We also discuss theprospects of microbiome-mediated therapeutics and the need for more effectiveapproaches that can reconfigure bacterial communities from pathogenic tohomeostatic configurations.
关键词：肠道微生物；新生儿；免疫发育
综述内容框架
随着对微生物组的了解加深，人们发现生命早期的菌群异常可导致免疫系统发育异常，进而引发疾病。流行病学研究证实，幼年时期菌群的破坏因素与免疫和代谢状况相关（表1）。儿童期肠道菌群形成过程的破坏会导致疾病发生。最新研究报道了基于菌群的干预措施，显示避免幼年时期菌群失衡可作为一种潜在的预防性治疗手段。
本综述包括以下三方面的主要内容：
产前、围产期以及产后微生物组成的影响因素，包括分娩方式、抗生素、饮食和环境暴露等；
生命早期微生物组成在免疫系统发育中的作用、以及菌群失衡干扰免疫系统发育的机理；
早期微生物群与疾病的关系，以及菌群干预对疾病的治疗作用。
1 微生物群的影响因素
1.1 产前因素
长期以来，人们都认为子宫是完全无菌的，细菌在新生儿肠道的初次定植是出生时发生的。但是最新研究发现，胎儿的细菌定植在出生前就开始了，胎盘、羊水、胎膜、脐带血和胎便均存在微生物（图1）。脐带血和胎便样本中可分离出可培养细菌，这些细菌属于肠球菌属、链球菌属、葡萄球菌属和丙酸杆菌属，其含量分别为1-2 Lg CFU/100μL和3-9 Lg CFU/g。人胎盘样本可检出双歧杆菌和乳酸杆菌的DNA。
母体肠道菌群可通过血液转移至胎儿。给怀孕小鼠口服遗传标记的屎肠球菌菌株，可从剖宫产后代的胎粪中分离到此菌株。母体口腔菌群也可通过血液传递至胎盘。Aagaard等在人胎盘中发现低水平细菌生物量，其中包含与口腔类似的非致病性菌群，这些菌群隶属于厚壁菌门、柔膜菌门、变形菌门、拟杆菌门和梭杆菌门。
但是，细菌存在与怀孕风险相关，特别是霍尔德氏菌，以及来自放线菌门和变形菌门的微生物群。接近25%早产儿的母亲存在宫内感染和羊膜腔隐匿性微生物感染，其感染源多为阴道菌群，提示至少早产儿母亲的子宫菌群来自阴道感染。
1.2分娩方式
在分娩时，新生儿首次暴露在大量的微生物中，这种暴露高度依赖分娩方式。阴道分娩的婴儿，其皮肤、肠道、口腔和鼻咽腔最初富含乳酸杆菌属的细菌（图1），与母体阴道微生物群相近。剖宫产分娩的婴儿则缺乏这一接种过程，其皮肤、口腔和肠道被常见的皮肤和环境微生物定植，例如葡萄球菌、链球菌或丙酸杆菌。随着时间的推移，这一初始菌群逐步发展，适应身体各部位的理化和生物学特征，并受到可获得营养物质的影响。尽管阴道分娩婴儿和剖腹产婴儿间菌群差异逐渐减小，但直至12-24月龄，剖宫产分娩的婴儿仍存在其特有的菌群特征，表明与分娩方式相关的细菌群落通过早期定植获得了竞争性优势。此外，剖宫产会延迟特定类别细菌在肠道中的定植。虽然流行病学研究显示剖腹产与多种疾病之间存在相关性（表1），但这种相关的因果关系仍有待证明。
阴道菌群是顺产新生儿接受的第一类细菌接种物，因此对母体阴道菌群进行表征十分重要。在非妊娠妇女中，至少已经确定6种类型阴道菌群，并确定5种细菌群落状态类型（CST），其中有4种常存在于亚洲和白人女性，且以乳杆菌属物种为主，包括脆弱乳杆菌（CST I）、格氏乳杆菌（CST II）、惰性乳杆菌（CST III）和詹氏乳杆菌（CST V）。CST IV常见于黑人和西班牙裔女性，其特征是乳杆菌水平低，各种厌氧细菌多样性高。
妊娠导致阴道菌群发生许多变化，孕妇和非孕妇的阴道菌群之间存在显著差异。怀孕期间，阴道菌群具有较低的多样性和较高的细菌组成稳定性，且通常由乳杆菌属物种主导，例如脆乳杆菌或惰性乳杆菌。乳杆菌属的优势地位及其稳定性凸显了此类细菌在维持健康阴道生态系统中的重要性。
在美国妊娠期女性中，阴道菌群在以乳杆菌为主的CST之间变化，但很少转变为CST IV。欧洲妊娠期女性同样具有乳杆菌富集。如上所述，阴道菌群的结构和组成与种族相关，表明宿主遗传或环境因素在塑造阴道菌群中发挥作用。因此，新生儿可能在生命开始时就暴露于不同的细菌群落，从而凸显了表征不同人群微生物群的重要性
1.3 产后因素
1.3.1 抗生素
抗生素已广为普及，也是儿童最常用的处方药。然而，新生儿出生后使用抗生素会使其脆弱的微生物群生态系统遭到破坏（图1）。在生命早期连续使用抗生素也与各种疾病的风险增加有关（表1），如哮喘、2型糖尿病、炎症性肠病（IBD）或牛奶过敏等。但需要注意的是，相关性并不一定是因果关系。
据报道，生命早期使用过抗生素的儿童可能会比未使用过抗生素的儿童出现更严重的病毒感染，表明病毒免疫受损会增加抗生素使用和发生哮喘的风险。抗生素在微生物群中引起的变化，包括菌群组成以及“返回基线时间”，取决于身体部位、抗生素的类型和剂量。但是这些变化在婴儿中的影响尚未明了，研究抗生素在这个重要的发育窗口期中如何塑造微生物群具有重要意义。
小鼠模型有助于了解生命早期使用抗生素破坏微生物群如何导致疾病。模拟儿童期低剂量抗生素或脉冲式抗生素治疗影响的研究表明，肠道菌群受到严重破坏，随后小鼠总脂肪量增加。用抗生素治疗的新生小鼠显示出对食物过敏原的敏感性增强，这一表型部分归因于梭菌属成员的减少。梭菌属成员可诱导白细胞介素（IL）-22产生，阻止食物过敏原穿过肠上皮层。
抗生素治疗还可以改变细菌、病毒和真菌之间的微生物平衡（方框2）。例如，抗生素暴露可导致胃肠道真菌丰度增加（念珠菌），在小鼠中通过诱导肥大细胞、IL-5、IL-13与其他炎症介质发生过敏反应，在人体中通过损伤抗病毒免疫应答导致呼吸道疾病发生。
尽管小鼠模型使人们在抗生素对宿主微生物组和健康结果影响的理解向前迈进了一大步，但实验室小鼠具有明显不同于人类的免疫学特征，限制我们将小鼠研究得出的结论推广至人类疾病。但是，人类长期使用抗生素治疗并不常见，因此开发能够更好反映人类生理反应的人源化小鼠至关重要，以更好地表征抗生素对人类健康的影响。
1.3.2饮食
在生命最初的几个月中，婴儿主要从母乳或配方奶中获得营养。母乳喂养对儿童和母亲都有许多益处，可增加儿童对感染的抵抗力、降低儿童肥胖或过敏风险，对母亲而言，哺乳期持续时间与高血压、高脂血症、心血管疾病和2型糖尿病的风险降低有关。尽管母乳喂养对哮喘的积极影响仍存在争议，但最新证据表明，校正混杂因素后，无论母亲哮喘状况如何，延长母乳喂养时间都能改善肺功能。
母乳中的细菌含量可高达10⁷个细菌细胞/ 800毫升，包括葡萄球菌、链球菌、乳杆菌和双歧杆菌等细菌，可作为新生儿菌群接种物，但这些母体细菌的确切来源尚不确定。
在细菌多样性初步收缩后，成长中的婴儿摄入的膳食多样性逐渐增加，导致微生物组成转变、与碳水化合物利用和氨基酸及维生素生物合成相关的细菌出现富集。到3岁时，婴儿的微生物群基本上趋于成熟，与成年人相似。
1.3.3益生菌和膳食补充剂
益生菌是对宿主健康有益的活微生物，而益生元则是可促进有益微生物生长的物质。添加益生元、益生菌的婴儿配方奶粉越来越常见，但其功效缺乏数据支持。益生菌对过敏、肥胖、胃肠道感染或肠绞痛等儿科疾病的影响已被广泛研究，但其益处仍存在争议。一些Meta分析发现益生菌对特应性皮炎的治疗有积极作用，而其他研究则未发现对12个月龄以内的婴儿有任何显著影响。在一项Meta分析中，单独使用乳杆菌或与其他细菌联合使用，可降低特应性湿疹风险，但另一项研究发现该组合无效。
配方奶粉中最流行的益生菌补充剂是乳杆菌和双歧杆菌。牛奶中本身不含有低聚糖，低聚糖经常被作为益生元添加到配方奶粉中，不可消化的低聚糖可降低结肠pH并增加SCFA的产生，达到与母乳喂养类似的效果，这可能与双歧杆菌和乳杆菌的选择性激活相关。然而，迄今为止的大多数研究表明，益生元或益生菌所提供的益处既不是肠道菌群改变的直接结果，也不是益生菌在肠道中定植的直接结果。
营养补充剂的特征还在于它们对微生物组组成和宿主健康有影响。美国一项针对不同铁来源饮食的研究发现，食用铁强化谷物的12月龄婴儿肠道菌群组成在门水平上与食用肉泥和食用铁锌强化谷物显著不同。值得注意的是，在一项对6至14岁非洲儿童进行的研究中，与对照组相比，饮食补充铁可导致肠道菌群组成发生显著变化、肠杆菌数量增加、乳杆菌数量降低，且肠道炎症的一种替代性标志物粪便钙卫蛋白增加。这一结果强调，在确定膳食补充剂和饮食建议的影响之前，需要进行考虑到不同群体中肠道菌群组成差异的研究。
1.3.4环境暴露
环境是新生儿菌群的天然来源（图1）。共同居住可增加细菌交换的可能性，通过共用物品、接触公共物体表面以及室内空气。用嘴清洗婴儿奶嘴与婴儿独特的口腔菌群有关，并与过敏风险降低相关。在一项针对60个美国家庭的研究中发现，与不相关的受试者相比，家庭成员间具有更为相似的口腔菌群、肠道菌群和皮肤菌群。此外，共同居住但基因不相关的父母与其子女间的菌群相似度仍高于无关儿童。
家族成员的细菌基因组测序进一步证实了这些发现，家庭成员间具有共有菌株，这些菌株在不相关人群中并未发现，而且共有菌株的一部分存在于母亲及其成年女儿中，表明特定菌株的早期暴露可导致终身定植。
研究者认为，生命早期经常与宠物和动物接触会使微生物暴露增加，对婴儿有保护性效应，有助于免疫耐受的产生。出生后的第一年，接触室内犬（而非室外犬、猫或农场动物）与临床前I型糖尿病呈负相关。在生命早期接触宠物可降低过敏和哮喘的发生率，但其机制尚不清楚。为了研究这种相关性，一项研究将小鼠暴露于狗窝的灰尘中，发现这些小鼠肠道微生物群中约氏乳杆菌增加，表明肠道菌群的变化可能动物暴露所产生的保护作用的一种原因。
家庭规模较大、室内灰尘内毒素水平较高会导致婴儿体内双歧杆菌种类增多，降低其过敏风险。一项关于儿童卧室灰尘的研究显示，生活在农场的儿童的细菌和真菌多样性高于那些只参观农场但未住在那里或从未到过农场的儿童。农场住宅中的微生物物种通常与动物棚中的微生物相关，进一步表明环境暴露可能是儿童期菌群定植的一个途径。
2 新生儿微生物组在免疫发育中的作用
宿主微生物群和免疫系统之间的平衡，对机体的稳态效应至关重要，同时可预防异常炎症反应（图2）。多项研究显示，婴儿菌群失调与成人期的肥胖症、IBD或牛皮癣中的慢性促炎状态相关。
新生儿的免疫系统极不成熟，在阴道分娩期间，新生儿首次从母体阴道、皮肤组织和粪便中获得菌群接种，使得其免疫系统暴露于大量细菌负荷之下。新生儿先天免疫系统偏向于Th2型，可分泌偏向于远离Th1细胞极化的细胞因子，以避免潜在的有害促炎反应，使微生物能够归巢和定植。但是，这种特殊的免疫反应使新生儿易受机会致病因子攻击。因此，在多次与致病因素接触后，往往会以时间和年龄依赖方式从Th2向Th1极化过渡（图2），使其在成年期不易发生过敏性和特应性疾病。
相反，处于菌群失调状态的婴儿肠道将触发强烈偏向于Th1型的免疫反应，推动免疫系统向促炎状态变化，分泌细胞因子IL-12和干扰素（IFN）-γ。这种炎症状态可诱发组织损伤，不利于感染消退和组织修复，还可能导致长期后果，如IBD、过敏和自身免疫性疾病。
免疫耐受是指机体对某些抗原的无应答状态，免疫耐受允许免疫系统区分“自我”和“非我”。最近一项在新生小鼠中的研究表明，阴道分娩的幼崽能够获得免疫耐受，而剖宫产分娩的幼崽则不能。阴道分娩小鼠的肠上皮细胞可自发激活，并在出生后短期内通过下调感染相关的免疫应答基因，获得对脂多糖（LPS）的耐受性。脂多糖是革兰氏阴性细菌细胞壁中的一种成分，能够在宿主中引起免疫应答。
3 新生儿微生物群与疾病
3.1 生命早期微生物群与疾病的联系
新生儿的异常微生物群组成与儿童期以及成年后的疾病有关（表1）。研究显示，健康儿童拟杆菌属、粪杆菌属或瘤胃球菌属丰度较高，而未经治疗的克罗恩病（CD）患儿韦荣氏球菌科、奈瑟氏球菌科和梭杆菌科丰度较高。
儿童哮喘发生也与异常微生物群相关。基于319名儿童肠道菌群的队列研究显示，虽然菌群多样性和组成在各组间无显著差异，但1岁时同时发生过敏和哮喘的儿童，其在3月龄时粪杆菌属、毛螺菌属、罗氏菌属和韦荣氏球菌属大量减少，LPS生物合成减少，SCFA乙酸盐水平明显降低。
一项基于226名牛奶过敏儿童的研究显示，8岁时牛奶过敏的缓解与3-6月龄时肠道菌群组成相关，但与7-12月龄或13-16月龄时的菌群组成无关。过敏缓解儿童在其6月龄之前出现梭菌门和厚壁菌门的富集，而持续过敏儿童则含有较高水平的肠杆菌属、特拉布斯氏菌属和沙门氏菌属。这种早期的菌群变化伴随着细菌脂肪酸代谢的改变，与健康婴儿相比，牛奶过敏婴儿肠道中支链短脂肪酸的含量较高。这些研究结果提示，在生命早期，即使微生物群发生短暂破坏，也可能在日后引发疾病。
基于无菌小鼠的研究有助于确定菌群失衡如何致病。例如，在过敏和喘息患儿的肠道中，粪杆菌属、毛螺菌属、韦荣氏球菌属和罗氏菌属明显减少，将这些细菌接种给患有呼吸道炎症的无菌小鼠，可改善其症状。同样，将来源于马拉维双胞胎的营养不良相关微生物组移植到无菌小鼠后，会导致小鼠体重显著减轻。Noval-Rivas等研究发现，食物过敏小鼠模型的肠道菌群不仅与野生型小鼠不同，当接种到野生型无菌小鼠后甚至可引起过敏反应。上述研究显示，至少在动物模型中，生命早期微生物组成异常与疾病之间存在因果关系。
3.2 菌群介导的治疗方法
菌群干预的方法通常可分为三大类：杀灭菌群、调节菌群和置换/修复菌群。
3.2.1 杀灭菌群
抗生素能够有效杀灭肠道菌群，用于治疗非特定病原体引起的病症（图3）。在儿科IBD中，单独使用抗生素或与其他药物联合常被用于控制病情，但幼儿长期使用抗生素具有很大风险。
3.2.2 调节菌群
饮食干预可调节菌群，通过抑制有害细菌或促进有益细菌生长（图3）。
全肠内营养（EEN）是一个典型的例子。EEN由液体营养组成的配方代替正常饮食，通过口服或饲管摄入。EEN是儿科克罗恩病的一线治疗方法，可产生临床缓解，并使炎症标志物恢复正常。在最新一项队列研究中，纳入了23名患有活动性克罗恩病的儿童，年龄小于16岁，其中15名患儿接受8周EEN治疗。研究发现EEN可改善疾病状况，但是却增加了与健康对照组肠道菌群间的差异。
另一个极端的例子是关于营养不良的研究。童年饮食缺乏会影响肠道菌群。Smith等人招募了317对马拉维双胞胎进行队列研究，以探索3岁之前营养不良对菌群的影响。研究发现，队列中43%的双胞胎的一方出现营养不良，另外一方健康。这些营养不良儿童的肠道菌群并未像其健康双生子一样逐渐成熟，即使摄入用于治疗营养不良的治疗性食物后也是如此。
以上结果表明：目前的饮食干预可能无法有效地将菌群重塑为非致病状态，迫切需要进一步研究不同饮食对菌群和健康的影响。
3.2.3 置换/修复菌群
对于微生物群高度失调的患者来说，可能需要更剧烈的方法来改变其菌群。粪菌移植（FMT）旨在用外源性菌群替代局部肠道菌群（图3）。FMT在难治性艰难梭菌感染（CDI）的治疗中非常有效，并且在治疗儿童和青年人（7至21岁）溃疡性结肠炎方面有所探究。然而，该疗法在其他疾病中的疗效低于CDI，需要进一步研究优化提高FMT疗效的因素，如剂量、给药途径和剂型。在婴幼儿的粪菌移植研究中，设计和实施都十分具有挑战性，但是鉴于儿科IBD等疾病的治疗选择有限，这将是一个有前景的应用领域。
鉴于生命早期微生物群对健康的长远影响，旨在恢复肠道菌群平衡的预防性治疗非常有必要。最新研究显示，分娩前一小时将纱布置入阴道，待剖宫产婴儿出生后，用该纱布擦拭剖宫产新生儿，可在皮肤、口腔和肛门微生物群中观察到乳杆菌或拟杆菌的显著增多，这与阴道分娩婴儿的微生物群更为相似，提示剖宫产婴儿的异常微生物群可以部分恢复到类似于顺产新生儿的微生物群状态。这表明将阴道菌群转移到剖宫产新生儿是可行的，但是此过程对健康的长远影响尚不明确。
结论与展望
生命早期的异常肠道菌群与疾病风险增加相关，但是目前仍缺乏确凿证据证明这些异常的细菌群落实际是病原体。机理研究能够提供可转化至人类受试者更有价值的信息。然而，目前对菌群早期与晚期定植的影响仅有部分了解，未来需进一步研究不同的微生物群落在生命早期调节机体发育的机制。
Figure 1 Factors shaping the neonatalmicrobiome. Maternal vaginal infections or periodontitis can result inbacteria invading the uterine environment. Gut and oral microbiota could betransported through the bloodstream from the mother to the fetus. Delivery modeshapes the initial bacterial inoculum of the newborn. Postnatal factors such asantibiotic use, diet (such as breast-feeding versus formula, and introductionof solid food), genetics of the infant and environmental exposure furtherconfigure the microbiome during early life. As diet diversifies with age, themicrobiome gradually shifts toward an adult-like configuration, which isusually reached by age 3. Bacteria associated with the different processes areindicated.
图1影响新生儿微生物组的因素。母体阴道感染或牙周炎可导致细菌侵入子宫环境。肠道和口腔菌群可以通过血液从母体转移至胎儿。分娩方式影响新生儿的初始细菌接种。产后因素进一步影响了生命早期的微生物组，如抗生素使用、饮食（如母乳喂养与配方奶粉，以及食用固体食物）、婴儿的遗传和环境暴露等。由于饮食随着年龄增长而变化，微生物组也逐渐向成人模式转变，通常在3岁时完成这一转变过程。图中展示了不同过程中关联的细菌。
Figure 2 Long-lasting effects of early-lifeinteractions between the microbiome and the gut immune system.
图2在生命早期微生物组和肠道免疫系统之间相互作用的长期影响。
Figure 3 Microbialtherapeutics throughout the course of disease. During preclinical stagesthe disease has not yet manifested, and symptoms are not apparent, yet subtlebiological changes might be already occurring. Approaches such as the use of aninoculum of defined bacterial communities might be most effective at the earlystages of disease to prevent the development of disease resulting from earlydysbiosis. As the disease progresses, disruption of a homeostatic microbiotaresults in enrichment of pathobionts (as shown in red), production ofpro-inflammatory metabolites and activation of inflammatory pathways (Fig. 2).The mucus layer, which protects the epithelium, becomes thinner as damageaccumulates owing to an increase in the severity of the disease. Dietaryinterventions and antibiotics might be used at this stage to manipulatebacterial content more drastically. At late stages, continuous damage leads tofurther thinning of the mucus layer, allowing for bacteria to break through theepithelial barrier. Aggressive antibiotic therapy combined with fecal microbiotatransplantation could restore microbial balance at this point
图3在疾病进程中进行的微生物治疗。在临床前阶段，疾病尚未出现，症状不明显，但可能微小生物学已发生变化。诸如使用细菌群落接种的方法可能在疾病早期阶段最有效，防止早期菌群失调引起疾病发展。随着疾病进展，稳态微生物群的破坏导致病态生物富集（如红色所示）、促炎代谢物产生和炎症通路激活（图2）。由于疾病严重程度逐渐增加，保护上皮的粘液层随着损伤的累积而变得更薄。在这个阶段可以使用膳食干预和抗生素来更大程度的改变细菌含量。在晚期阶段，持续的损伤导致粘液层进一步变薄，使细菌能够穿透上皮屏障。积极的抗生素治疗结合粪便微生物群移植可以在这一阶段恢复微生物平衡。
【声明】
本译文的原文作者以及其他相关信息已经在相关位置明确说明。
原文以及本译文的全部知识产权仅归原作者以及原文出版机构所有。
知几未来研究院仅为自身学习、研究、交流为目的进行试翻译，仅供科研使用，不用于任何商业用途。若本译文侵犯任何主体的知识产权或其他权益，请速通过公众号留言联系我们，我们将尽快处理。
任何主体使用本译文，应仔细阅读并知晓上述事宜，我方对任何主体使用本译文的行为不承担任何责任。
知几未来研究院正在搭建一个“疾病-肠道菌群”知识库。
你可以在公众号菜单栏“学术工具“版块直接查阅疾病和肠道菌群的相关信息；
也可以在公众号对话框回复疾病名称，如“IBD”或“肠易激综合征”，查看与疾病相关的菌群；
或回复菌种名称，如“双歧杆菌”或“Hp”，查看与细菌相关的疾病。
👇👇👇点击阅读原文，了解更多人体微生态研究。