聚焦：近期母婴肠道研究4大热点
编者按
微生物组科学是一门年轻的学科，从认真开展研究至今仅有 15 年，但是我们已经发现了微生物与宿主健康间的诸多联系，而且这种联系从生命早期就已开始。
生命早期是一个令人惊讶的阶段，每一个宝宝在这个阶段指数级地成长着。从出生到 3 岁之间，宝宝变大了一倍，体重增加了数倍。太神奇了，不是吗？而在这惊人的过程中，营养和肠道菌群都扮演着重要的角色，它们对奠定健康基础具有关键作用。
更不可思议的是微生物组的这种影响可能是深远的。芬兰的一项研究发现婴儿肠道中双歧杆菌属的细菌越多，婴儿之后可能会更活泼开朗1。除此之外，早期肠道菌群的建立对免疫系统等发育都至关重要。
那么，微生物的定植究竟是从什么时候开始的呢？是怀孕期间还是出生时呢？肠道微生物在定植过程会发生什么变化呢？喂养方式对肠道微生物的定植会产生怎样的影响呢？
今天，让我们共同关注相关领域最值得关注的若干科学研究热点。
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热点1
胎盘是否无菌？
长期以来，大众公认，人类胎儿所处的环境是无菌的，新生儿的微生物组是在分娩期间和分娩后获得的。1900 年，法国儿科医生 Henry Tissier 就表示：“胎儿处于无菌环境中。”
然而，1982 年情况发生了变化，当时的一项研究在胎盘中发现了细菌2。而近年来，一些利用测序或培养方法的研究进一步表明健康怀孕的胎盘、羊水和胎粪中可能存在菌群3~5。
还有研究发现早产儿与相匹配的对照之间没有明显差异，这进一步支持健康怀孕过程中胎盘微生物组的存在。
实际上，像舌蝇、乌龟等物种似乎在出生前就继承了母亲的微生物6，因此，人类子宫内存在微生物其实也不是那么令人惊讶、不可接受。
但是，即便胎盘中存在微生物，依然有很多问题无法回答。例如，微生物如何进入子宫内腔？此外，微生物学家并无法明确这些微生物究竟是临时过客还是常驻民。
这些疑问让不少人对“胎盘中存在微生物”这一结论产生怀疑，有人认为这些被检测到的微生物来源于污染。
2018 年，Microbiome 杂志发表了一项关于胎盘微生物的研究。该研究对来自足月和自发性早产的胎盘样本进行了 16S rDNA 测序，发现这些胎盘样本与阴性对照均无区别，基于此，研究人员认为胎盘菌群可能并不存在。
2019 年 3 月，有研究使用宏基因组测序和 16S rDNA 测序法对相同样本进行测序，发现两种测序方法得到的结果无法匹配，难以支持胎盘中存在常驻菌群这一假设。
2019 年 9 月，Nature 杂志发表了一项纳入 537 例胎盘样本的研究，发现几乎全部的细菌信号都是源于污染，这些污染来自于取样、样本处理、建库等各个环节，甚至可能是同期其他测序项目样本在测序管道中的残留物质所造成的。
关于上述研究，《热心肠日报》做过相关报道：
Nature：健康人类胎盘可能没有菌群
Nature[IF:43.07]
① 收集不良妊娠和对照胎盘样本共537例，用严谨的试验设计分析胎盘微生物组，发现几乎全部的细菌信号是源于污染；② 样本中的细菌DNA污染主要来源：分娩和样本收集（取自胎盘内部的样本，也会在分娩过程中获得阴道和血源性污染）、样本处理（DNA提取、PCR试剂）、文库准备或测序（与其它同期测序项目发生交叉污染）；③ 致病菌无乳链球菌是唯一的非污染细菌信号，存在于约5%的胎盘中，但与子痫前期、小于胎龄儿和早产，均无显著关联。
Human placenta has no microbiome but can contain potential pathogens
2019-07-31, doi: 10.1038/s41586-019-1451-5
【主编评语】胎盘有无菌群是很有争议的话题，此前有研究显示胎盘中可能存在菌群，且菌群组成可能影响妊娠结局，但也有研究认为这些菌群可能是来自试验污染。Nature最新发表了来自剑桥大学的研究，用严格的实验设计（包括不同的分娩和取样方式、阴/阳性对照、多种DNA提取和测序方法等），对500多个胎盘样本进行检测，表明绝大多数胎盘在分娩前应该都是无菌的——几乎所有的胎盘细菌信号都能找到其污染来源。唯一例外的是一种叫做无乳链球菌的致病菌，确实存在于很小比例的胎盘中，但与不良妊娠结局没有显著关联。这些结果为“胎盘无菌群”添加了一枚很有分量的砝码，也提示正常情况下人肠道菌群的最初定植恐怕不是发生在子宫内。（@mildbreeze）
多方法验证胎盘中不存在菌群
American Journal of Obstetrics and Gynecology[IF:6.12]
① 分析29例足月剖宫产妇女胎盘的菌群，其中28例的未培养出微生物，培养阳性的样本很可能发生污染；② 胎盘组织中细菌16S rRNA基因丰度低于空白对照组，未显示胎盘中存在细菌；③ 16S扩增子测序发现胎盘样本与空白对照组在菌群结构上无显著差异；④ 宏基因组测序获得的细菌序列大多来自不太可能存在于人类胎盘中的蓝藻、水生细菌或植物病原体；⑤ 宏基因组测序信息无法与扩增组信息匹配，无法证明没有分娩的妇女胎盘中存在常驻菌群。
Does
the human placenta delivered at term have a microbiota? Results of
cultivation, quantitative real-time PCR, 16S rRNA gene sequencing, and
metagenomics
2019-03-01, doi: 10.1016/j.ajog.2018.10.018
【主编评语】近期有研究提出胎盘中可能存在共生菌群。《American Journal of Obstetrics and Gynecology》近期发表研究，通过微生物培养、定量PCR、扩增子测序和宏基因组测序等技术，证明胎盘组织中不存在常驻菌群，检测到的菌株或DNA序列更可能来自污染和测序背景噪音。（@周旸）
胎盘菌群可能并不存在
Microbiome[IF:10.465]
① 足月和自发性早产的人体胎盘样本各20个，分析胎盘和阴性对照样本（空气拭子、空白对照、水）的菌群组成，领取唾液和阴道拭子作为阳性对照；② 用定量PCR量化样本中的细菌16S rRNA基因序列，胎盘样本中的细菌DNA含量低，无法与阴性对照区分；③ 16S rRNA基因测序和鸟枪法宏基因组测序也表明，胎盘菌群与阴性对照无明显差异；④ 这些发现不支持存在胎盘菌群和子宫有菌的假说。
Lack of detection of a human placenta microbiome in samples from preterm and term deliveries
2018-10-30, doi: 10.1186/s40168-018-0575-4
【主编评语】一直以来人们以为子宫内是无菌环境，但近年来这一认知受到挑战，一些研究指出，胎盘中可能存在菌群——尽管含量很低。Microbiome近期发表的一项研究，通过多种方法分析早产和足月生产的人体胎盘样本，并设计了严格的阴性和阳性对照，发现胎盘菌群与阴性对照没有明显差异。（@mildbreeze）
上述这些研究似乎都在说胎盘中不存在微生物，但是不同人依然各执己见，针对 Nature 杂志发表的这篇文章许多人表达了不同的看法。
宾夕法尼亚大学的微生物学家 Frederic Bushman 评论道：“作者使用了非常大的样本量，进行了非常彻底的分析，并且非常具有说服力。”Frederic 的研究小组在 2016 年发表了一篇论文，论文提出胎盘样本中的微生物特征与实验室污染的微生物特征没有区别7。
他补充说：“我认为这一问题已经结束。”
布莱根妇女医院和哈佛医学院的微生物学家 Andrew Onderdonk 则对该研究持有不同观点：“他们所做的事情非常好，我只是不接受他们的结论。虽然他们认为是污染物，但是包括我在内的其他研究人员通过多种方法显示这不是污染物。”
Andrew 的研究小组利用分子技术和培养技术研究早产儿胎盘中的细菌。
贝勒医学院的微生物学家 Kjersti Aagaard 对这一结论也提出了质疑，他在 2014 年于 Science 杂志发表文章表征了胎盘微生物组3。Aagaard 说，测序深度不足会导致细菌被遗漏，因为胎盘中微生物的丰度如此之低。
华盛顿大学医学院的生物学家 Indira Mysorekar 则提出作者取样的位置可能会影响他们的发现，她认为无论是否存在微生物，这都不是一个完整的故事。
她解释道：“这一研究主要关注测序和污染，从技术上来说非常重要、至关重要也很必要，但是这些结果并未涉及生物学。”
虽然这一问题至今依然尚无定论，但是可以确定的一点是在产道中以及分娩后我们就会接触到许多微生物。那么在生命诞生的最初几个小时，我们的肠道微生物会发生什么样的变化呢？
图片来源：Pixabay
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生命最初几个小时肠道菌群如何发育？
今年 4 月，费城儿童医院（CHOP）的研究人员探究了婴儿的肠道菌群在生命最初的几个小时是如何发育的，该研究为环境变化如何影响生命后期的健康提供了关键的基线。
虽然研究人员已经了解了肠道菌群中多种细菌与人类健康之间的重要联系，但是这些细菌在婴儿期是如何出现的，以及它们的功能是什么，人们还没有完全了解。
“最终，儿童的肠道将容纳数百种不同的细菌，但是在出生时，可能只有 10 种或更少的细菌，”CHOP 微生物组中心的主任、该研究的第一作者 Kyle Bittinger 博士说，“我们想知道为什么这些特定的细菌是最先出现的，以及它们在生命的最初几个小时里做了什么。”
该研究小组重点研究了 3 种细菌：大肠杆菌（Escherichia coli）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和拟杆菌（Bacteroides vulgatus）。因为迄今为止，在婴儿中观察到这三种细菌的数量最多。
研究小组分析了这些细菌的基因组，以探究它们在婴儿体内生长的原因。
关于该研究，热心肠日报做过相关报道：
Nature子刊：细菌定殖重组新生儿肠道代谢组
Nature Microbiology[IF:14.3]
① 纳入88名非裔美国新生儿，发现其出生16h内的胎粪含大量人体DNA，16h后人体DNA含量减少，细菌DNA含量增多；② 新生儿肠道无特征性定殖菌群，常见的大肠杆菌、粪肠球菌和普通拟杆菌并未在多数胎粪样本中稳定出现；③ 胎粪出现细菌与53种人类蛋白丰度降低、游离氨基酸（如丝氨酸和苏氨酸）水平降低和细菌发酵产物（如乙酸和琥珀酸）增多相关；④ 作为肠道早期定殖者，大肠杆菌在厌氧条件下可利用氨基酸进行初始生长，如大量利用丝氨酸产乙酸。
Bacterial colonization reprograms the neonatal gut metabolome
04-13, doi: 10.1038/s41564-020-0694-0
【主编评语】Nature Microbiology的这篇文章介绍了非裔美国新生儿在生命初期肠道菌群定殖及相关代谢物的变化特点。该研究的亮点包括使用了包括基因组、蛋白组和代谢组在内的多组学研究，认为大肠杆菌虽是兼性厌氧菌，但在新生儿出生后仍处于厌氧环境中生长，暗示新生儿的大肠环境本就是无氧的，而非通常认为的通过兼性厌氧菌消耗氧气促进严格厌氧菌的后续定殖。（@潇洒小姐陈）
在收集的过程中研究人员发现，在婴儿出生后的最初几个小时内，从粪便样本中收集到的 DNA 都不是来自细菌，而是来自婴儿自身。直到婴儿出生后大约 16 小时才能够检测到细菌。
进一步，对婴儿携带的三种细菌进行分析，结果表明，每种细菌都出现了多个菌株，也就意味着新生儿肠道微生物的定植没有明显的基因组特征。
此外，研究小组还鉴定了蛋白质和代谢物。发现这些细菌的定植与多种人类蛋白质、游离氨基酸的降低有关，与细菌发酵产物的增加有关。
基于氨基酸消耗的顺序，研究人员提出肠道微生物的初始环境可能就是厌氧的。然而，过去主流模型认为，只有细菌在肠道中生长并逐渐消耗氧气后，肠道才会变成无氧环境。
Bittinger 说：“我们将继续追踪这些婴儿，看看这些早期菌株能存活多久。而且我们可以在之后的样本中分析这种初始活动的后果，并有望查明可能影响儿童后期健康的早期变化。”
研究人员希望利用研究结果来确定肠道菌群的发育如何影响体重的变化，因为在美国，儿童肥胖问题日益受到关注。
此外，该研究纳入的样本都是非裔美国人。
人类表型科学项目的副主任 Babette Zemel 说：“很少有研究关注非裔美国人的成长历程。而这个研究将成为这个拼图中重要的第一块，有了这一块拼图，我们可以跟踪这些健康的足月婴儿，了解正常的生长模式是什么样的，这样，在未来，当微生物组的变化可能对儿童产生不利影响时，我们就可以进行干预。”
这一研究提供了人类肠道中第一批细菌的深入描述，那么肠道中的病毒在早期又是如何定植变化的呢？这些微生物的定植是否会受到喂养方式的影响呢？
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母乳如何影响婴儿肠道病毒组？
母乳作为连接母婴健康的纽带，被发现对新生儿的健康水平和生存率存在一定的影响。此外，母乳中除了宏量或微量的营养素以外，还包括细胞、微生物、mRNA、抗体等活性成分，这些成分对新生儿的肠道微生物具有一定作用。
4 月 15 日，宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院的研究人员在 Nature 杂志上发表了最新研究。这项新研究对数百名来自美国和博茨瓦纳的婴儿的第一次排便和随后数次排便中的病毒丰度和类型进行了检测。
该研究表明即使是少量的母乳也会对婴儿肠道中的病毒产生强烈的影响，并且对潜在的致病性病毒产生抑制作用。
关于该研究，热心肠日报做过相关报道：
Nature：婴儿肠道病毒组定植分两步，母乳喂养保护作用显著
Nature[IF:43.07]
① 婴儿肠道病毒组的定植和组装可分为2个阶段；② 胎粪和早期粪便样本中基本不存在病毒样颗粒（VLP），但1月龄时每克粪便中的VLP数量增长至10亿（与成人接近），主要是早期定植的“先锋”细菌所诱导的原噬菌体（即细菌自带的温和噬菌体）；③ 至4月龄时，婴儿肠道中具有感染性的病毒开始增多，该阶段的病毒和噬菌体组成主要受喂养方式影响，母乳喂养对多种病毒有明显的抑制作用，并能增加双歧杆菌属和乳杆菌属的温和噬菌体。
The stepwise assembly of the neonatal virome is modulated by breastfeeding
04-15, doi: 10.1038/s41586-020-2192-1
【主编评语】建立正常的肠道菌群对于婴儿的健康发育有重要意义，目前相关研究大多聚焦肠道细菌，人们对婴儿肠道病毒组还所知有限。Nature发表的一项最新研究，分析了20名婴儿出生、1月龄和4月龄时的粪便病毒组及其影响因素，并在另外2个超过百人的婴儿队列中进行验证。该研究发现，婴儿肠道病毒组的定植可分为2个阶段：早期以先锋细菌诱导的温和噬菌体为主，之后逐渐出现可感染人体细胞的病毒，而这些病毒在母乳喂养的婴儿中明显较少。这项研究不仅揭示了生命早期肠道病毒组的发展规律，也为母乳喂养的积极作用提供了新的见解。（@mildbreeze）
通常，我们认为健康的人类新生儿在出生时没有病毒存在于肠道，但是很快会定植。研究发现出生后，婴儿确实很少或者没有病毒定植，但在出生后的 1 个月里，病毒和细菌都得到了很好的发展。
通过病毒样颗粒荧光染色，研究人员发现 1 个月时，病毒颗粒数量达到了 109/克。这是第一批病毒，大多数是“捕食者”，是“先锋”细菌所诱导的温和噬菌体。
随后可在人类细胞中复制并可能导致疾病的病毒逐渐增加，在 4 个月大的时候，相比温和噬菌体，这些病毒在婴儿粪便中更为突出。不过，母乳喂养可以起到很强的保护作用，因为母乳可以抑制这些病毒的生长。
此外，该研究还发现与只食用配方奶相比，母乳与配方奶混合也能起到保护作用。
该研究的作者 Frederic Bushman 说：“这些发现可以帮助我们更好地理解为什么有些婴儿在出生后头几个月就会生病，并出现威胁生命的感染。”
另外，地理位置也会产生一定的影响。与来自美国的婴儿相比，来自博茨瓦纳的婴儿在 4 个月大时更有可能携带那些潜在的有害病毒。
该研究的第一作者梁冠翔博士说：“母亲和婴儿的地理位置似乎产生了影响，可能是由于环境中的微生物种类和数量不同。尽管如此，博茨瓦纳出生的婴儿似乎依然受益于母乳喂养，无论是单纯母乳喂养还是配合奶粉。”
这些结果可能会影响我们预防早期胃肠道疾病的策略，并会鼓励母亲用母乳喂养婴儿，即使混合了配方奶粉。
（关于肠道病毒组的更多内容推荐阅读：热点：3个故事概览突飞猛进的肠道病毒组研究）
热点4
干预之路在何方？
实际上，不仅是在学术界，近年来，工业界、普通人也越来越关注早期菌群。人们日益认识到在生命早期维持健康的肠道菌群具有重要意义，同时也认识到喂养方式对建立健康肠道菌群的重要性。
因此，越来越多的制造商开始寻找可以建立健康肠道菌群的干预手段，很多企业将目光转向奶粉，希望通过改变奶粉配方，来支持肠道菌群的健康。
近期，日本森永乳业株式会社宣布，其专利益生菌株长期双歧杆菌 BB536 获得用于足月儿配方奶粉的 GRAS（公认安全）认证。
（更多详细信息推荐阅读：益生菌株 BB536 获 FDA 批文用于婴幼儿奶粉）
4 月，欧盟委员会批准 Glycom 公司的乳糖-N-四糖（Lacto-N-Tetraose，LNT）可用于一系列奶制品、婴幼儿配方奶粉和特医食品，为用于婴儿配方奶粉的母乳低聚糖（HMOs）再添新成员。此前，该公司的 2’-岩藻糖半乳糖（2’-fucosyllactose，2’FL）和乳糖-N-新四糖（Lacto-N-neotetraose，LNnT）两种 HMO 已经获批。
（更多详细信息推荐阅读：用于婴幼儿配方奶粉的 HMOs 增添新成员）
然而，尽管我们已经获得了许多关于早期菌群的新发现，但是当前我们依然不明确早期菌群的变化与后期健康发展的具体联系。要想探究疾病（如过敏、肥胖）与早期菌群之间的关系，无疑，我们还需要进行更多的纵向研究和因果研究。
而在探明这些具体的联系之前，我们显然无法作出准确、合适的干预手段。
就像我们知道母乳能够抑制潜在致病性病毒的定植，但是具体是母乳中哪一种或者是哪几种成分在发挥作用呢？我们是否有可能在配方奶粉中添加这些成分呢？
又比如过敏儿童的早期肠道菌群显示缺乏丁酸发酵功能8，那么丁酸与过敏之间有什么因果联系？是否补充丁酸就可以减少过敏呢？
对于这些问题，虽然目前我们尚无答案，但是相信答案很快就会到来。
参考文献及链接：
1.Aatsinki A K, Lahti L, Uusitupa H M, et al. Gut microbiotacomposition is associated with temperament traits in infants[J]. Brain,behavior, and immunity, 2019, 80: 849-858.
2.Kovalovszki L,Villanyi Z, Pataki I, et al. Isolation of aerobic bacteria from the placenta[J].Acta paediatrica Academiae Scientiarum Hungaricae, 1982, 23(3): 357-360.
3.Aagaard K, Ma J,Antony K M, et al. The placenta harbors a unique microbiome[J]. Sciencetranslational medicine, 2014, 6(237): 237ra65-237ra65.
4.Collado M C,Rautava S, Aakko J, et al. Human gut colonisation may be initiated in utero bydistinct microbial communities in the placenta and amniotic fluid[J].Scientific reports, 2016, 6: 23129.
5.Jiménez E, Marín ML, Martín R, et al. Is meconium from healthy newborns actually sterile?[J].Research in microbiology, 2008, 159(3): 187-193.
6.Funkhouser L J,Bordenstein S R. Mom knows best: the universality of maternal microbialtransmission[J]. PLoS biology, 2013, 11(8).
7.Lauder A P, RocheA M, Sherrill-Mix S, et al. Comparison of placenta samples with contaminationcontrols does not provide evidence for a distinct placenta microbiota[J].Microbiome, 2016, 4(1): 29.
8.Cait A, CardenasE, Dimitriu P A, et al. Reduced genetic potential for butyrate fermentation inthe gut microbiome of infants who develop allergic sensitization[J]. Journal ofAllergy and Clinical Immunology, 2019, 144(6): 1638-1647. e3.
9.https://www.the-scientist.com/news-opinion/placental-microbiomes-existence-challenged-66215
10.https://www.chop.edu/news/researchers-get-important-glimpse-microbiome-development-early-life
作者｜617
编辑｜笑咲