综述 | 生命早期微生物对健康的意义（第一部分）
原文题目：The microbiome in early life: implications for health outcomes
期刊：Nature Medicine
IF：29.886
发表时间：2016年
通讯作者：Jose C Clemente
摘 要 最近的研究已经表明了宿主遗传、产前环境和分娩方式如何塑造新生儿出生时的微生物菌群。在此之后，抗生素治疗、饮食或环境接触等产后因素将进一步影响婴幼儿微生物菌群的演变和免疫系统的发育，新生儿早期接触各种微生物有机体一直以来被猜测对其有保护作用。此外，流行病学研究表明，能够改变婴儿时期细菌群落的因素，将会增加婴儿在儿童时期患病的风险，强调了早期微生物组成的重要性。在这篇综述中，我们阐述了产前和产后因素如何影响微生物组成和免疫系统的构建，同时讨论了微生物介导疗法的前景和更为有效的方法去重新调整细菌群落，使其从致病性恢复到自我平衡状态。
综述结构
引言
在过去的几年里，我们对微生物组的了解大大增加了，越来越多的证据表明，早期的异常细菌群落可能通过改变免疫系统的构建而导致疾病。流行病学研究已经证实，破坏婴儿时期微生物群的因素、免疫和代谢条件之间有明确的相关性。然而，直到最近，我们才了解了婴儿时期微生物群落的组成，以及打乱群落分布可能如何导致疾病。最近的研究也描述了改变微生物组成的干预措施，开辟了克服婴儿时期微生物失衡作为一种预防性治疗方法的可能性。
我们将阐述新生儿多个身体部位的微生物群落，但是本文中的主要重点在肠道中发现的微生物群落。在整个论述过程中，使用“生命早期”来表示生命前2年的时期。年龄小于4周龄的孩子将称为“新生儿”，4周龄以上的孩子称为“婴儿”或“小孩”，一般来说，青春期年龄以下的称“儿童”。首先概述影响婴儿出生时及刚出生后微生物组成的主要因素，包括分娩方式，抗生素，饮食和周围环境，然后描述早期生命微生物的组成是如何在免疫系统的建立过程中起决定性作用的，以及如何失衡可能在生命后期诱发疾病。最后，总结目前早期生命微生物与疾病之间关系的论证，讨论干预改变微生物组成的治疗前景。
1 新生儿出生时的微生物
1.1 产前因素
基于培养法和不依赖于培养法的研究质疑子宫是否无菌，他们认为胎盘，羊水，胎膜，脐带血和胎粪中存在微生物。一些研究已经将可培养的肠球菌属，链球菌属，葡萄球菌和丙酸杆菌从脐带（1～2 log 10（（CFU/ 100µL样品）和胎粪样品（3-9log10（CFU / g组织））中分离出来了，同时从人体胎盘样品中获得了双歧杆菌和乳酸杆菌的DNA。研究表明宫内样品中含有细菌DNA，但不一定是可培养的细菌。 母亲的肠道微生物可以通过血液转移至胎儿，这一假说已经通过检测羊水和灌胃小鼠粪便中标记的屎肠球菌得到证实。最近的一项研究也报道了人胎盘中存在少量的细菌，且已经证明其为非致病菌，与口腔内的微生物群（主要包括厚壁菌门、柔膜菌门、变形菌门、拟杆菌和梭杆菌门）非常相似。研究者推测血液流动可能是将母体口腔内细菌传递给胎儿的途径。然而，细菌（特别是伯克霍尔德氏菌，放线菌和变形菌）的存在与怀孕风险相关，并且接近25％的早产儿是由于母亲宫内感染和隐匿性微生物侵入羊膜腔而造成的。在子宫内检测到的细菌是常见的阴道寄生菌，这表明至少在早产时，子宫微生物群来自阴道感染。
许多研究通过定量PCR和16S rRNA测序来鉴定不可培养的细菌。然而，这些方法不能准确量化细菌细胞的数量，尤其是不能区分游离DNA，死细胞，活细胞和代谢活跃的细胞。这使得明确胎盘中微生物的存在和评估宫内环境中的细菌数量是否是怀孕期间的风险因素较为困难。此外，这些研究中缺少真正的对照（如孕妇外周血）和绝对的细菌定量，这是一个严重的限制，因为顺产和剖腹产与轻度败血症相关。所用试剂和提取试剂盒也可能含有污染性DNA，在细菌量较低的样品中，这是一个特别严重的问题。需要进一步的研究来确认宫内存在的微生物并定量分析，确定其可能如何影响新生儿的发育。
1.2 分娩
新生儿第一次接触微生物环境主要发生在分娩过程，并且高度依赖于分娩方式。顺产婴儿的皮肤，肠道和口腔及鼻咽腔最初含有乳杆菌属，类似于母亲阴道微生物群。相反，剖腹产婴儿的皮肤，口腔和肠道缺乏这种物种，而是常见的皮肤和环境微生物，如葡萄球菌，链球菌或丙酸杆菌。这种初始微生物随时间的推移，适应每个身体部位的理化和生物学特性，并且根据不同可用的营养物质发生改变。尽管顺产婴儿和剖腹产婴儿之间的这些差异逐渐缩小，但是细菌信号仍然与剖腹产婴儿相关，直到12～24个月龄。这表明早期的定植为与每种分娩方式相关的细菌群落提供了竞争优势。此外，剖宫产婴儿已经显示特定的细菌类群延缓菌群在肠道的定植。尽管流行病学研究显示剖宫产分娩与各种疾病之间存在关系，但这种关系仍有待证明。
明确顺产新生儿出生时获得的第一种细菌，最重要的是鉴定母亲阴道微生物群落。在非妊娠妇女中，至少已经确定了六种类型的阴道微生物群，并且其中五种细菌群落类型（CST）是已知的。这些类型中有四种在亚洲和白人女性中发现，被认为是乳酸杆菌菌种（卷曲乳杆菌（CST I），加氏乳杆菌（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妇女中，其特征为低水平的乳酸杆菌属，增加了各种厌氧菌的多样性。
怀孕导致阴道微生物组成发生许多变化，这在孕妇和非孕妇之间有着显著性差异。在怀孕期间，微生物群的多样性较低，菌群组成类别的稳定性较高，并且一般乳杆菌菌种占优势，例如卷曲乳杆菌或惰性乳杆菌，乳酸杆菌属的优势和其稳定性突出了这些细菌物种维持阴道生态系统健康的重要性。在怀孕的美国妇女中，阴道微生物群在乳杆菌属主导的种群之间转变，尽管很少转变为CST IV。已经证实欧洲妇女怀孕期间阴道富含乳杆菌属，厌氧菌富集的乳杆菌阴性菌群也有报道。如上所述，阴道微生物群落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微生物群中发挥作用。因此，新生儿可能会在不同的微生物环境中开始他们的生活，从而强调了研究不同人群微生物群落特点的重要性。
2 影响生命早期微生物的因素
2.1 抗生素
抗生素已经广泛应用，并且是婴儿最常用的药物之一。然而，使用产后抗生素会破坏新生儿肠道微生物群的微妙生态系统。在生命早期持续使用抗生素也与增加患有各种疾病的风险有关，强调了了解新生儿微生物群与哮喘，2型糖尿病，炎性肠病（IBD）或乳过敏症之间关系的重要性。早期使用抗生素与哮喘病发展之间的关系，在瑞典研究团队最近的研究中被质疑，该研究表明，共同的家族因素和呼吸道感染是替代风险因素。
这些相关性不一定是因果关系，据报道，早期接触过抗生素的婴儿可能会比不服用抗生素的婴儿更容易受到病毒感染，这表明，病毒免疫力受损会增加抗生素时效和患哮喘病的风险。抗生素导致微生物的变化，无论是在组成还是回到基线的时间上，都取决于身体部位，或者是使用抗生素的类型和剂量。这些变化对于婴儿的影响还不是特别清楚，让我们对抗生素如何在这个重要的发育时期影响肠道微生物的认识上，留下了空缺。
在生命早期如何通过抗生素破坏微生态系统导致疾病的研究中，小鼠模型有助于人体研究并提供进一步的见解。研究表明，模拟试验中，在老鼠幼龄时期使用低剂量抗生素或脉冲抗生素治疗的结果均显示肠道微生态被显著破坏了，随后老鼠体内的总脂肪量增加。抗生素介导的治疗，使乳杆菌，肠杆菌和酵母菌的丰度降低，并且节丝状菌会导致辅助细胞T17（TH 17）在结肠中反应钝化。使用抗生素治疗的新生小鼠对食物过敏原致敏性增强。出现这种现象的原因部分归于梭菌属，其能够诱导产生白细胞介素（IL）-22，这种物质能够防止食物过敏原穿过肠上皮细胞层。
抗生素治疗也可以改变细菌、病毒和真菌之间的微生物平衡。例如，抗生素的出现使胃肠道真菌（白色念珠菌）的丰度增加，从而使由过敏反应引起的气道疾病发展，这是由于小鼠体内肥大细胞、IL-5，IL-13和其他炎症介质被诱导，以及人类抗病毒免疫应答的损害而造成的。
尽管小鼠模型大大促进了我们对抗生素如何改变宿主微生物组成和健康状况的认识，但是实验小鼠与人类的免疫学特征明显不同，从而限制了我们从小鼠研究得出的结论推断到人类疾病。然而，长期使用抗生素治疗是不常见的，因此，发展反映人类生理反应的人源化小鼠，从而更好地表征抗生素对人类健康的影响至关重要。
2.2 饮食
在生命的最初几个月里，婴儿主要从母乳或配方乳中获得营养。尤其母乳喂养与婴儿有许多益处相关（如增加抗感染，降低肥胖风险或降低过敏风险），对于母亲而言，哺乳期间与患有高血压、高血脂、心血管疾病和2型糖尿病的风险降低相关。尽管母乳喂养对哮喘的积极影响仍存在争议，但最近的研究表明，当调整干扰因素时，无论母亲哮喘状况如何，长时间的母乳喂养可以改善肺功能。母乳喂养产生的益处部分被认为是通过母乳中分泌的因子介导的，包括免疫球蛋白（IgA），乳铁蛋白和防御素。双歧杆菌和乳杆菌在母乳喂养的婴儿中比纯配方粉喂养的婴儿含量更丰富，这导致肠道内含有较多的短链脂肪酸(SCFAs)，酸性更强。肠道pH值降低可作为防治常见病原微生物的防御机制。在新生儿中，短链脂肪酸通过细菌发酵母乳中的低聚糖产生。人乳寡糖（HMOs）不直接被宿主消化，而是作为结肠细菌的能源。
值得注意的是，仅在婴儿中发现的双歧杆菌菌株（例如，长双歧杆菌婴儿亚种）可以代谢乳低聚糖，而成年人肠道中的物种（长双歧杆菌长亚种）具有维持发酵复合碳水化合物的能力，但不能发酵人乳寡糖。母乳中含有多达
10 7个细菌细胞/ 800mL，包括葡萄球菌、链球菌、乳杆菌、双歧杆菌等细菌，作为新生儿的播种物，尽管这些母系细菌的确切起源还有待阐明。细菌多样性初始缩减之后，随着饮食多样性的不断增加，婴儿能够消化的物质逐渐增多，导致微生物的组成改变，细菌利用碳水化合物、合成氨基酸和维生素的相关功能改善。到3岁时，婴儿的微生物基本上趋于类似于其成年时的状态。
2.3 益生菌和膳食补充剂
益生菌是为宿主提供健康益处的活性微生物，而益生元是有利于有益微生物生长的物质。补充添加了益生菌或益生元的婴幼儿配方粉越来越普遍，尽管缺乏支持其功效的数据。益生菌对儿科疾病（包括过敏，肥胖，胃肠道感染或结肠）的作用已经被广泛研究，但是它们的益处仍然存在争议。一些元分析发现，益生菌在治疗特应性皮炎方面有积极的作用，而对于小于12月龄的婴儿并没有发现其他方面的重大影响。在一项元分析中发现单独使用乳杆菌或与其他细菌联合使用降低了患特应性湿疹的风险，但是这种组合在另一项元分析中没有效果。在益生菌对致敏和哮喘作用的元分析研究中，发现IgE和特应性致敏总体降低，但不能直接减弱哮喘。
配方中最受欢迎的益生菌补充剂是乳酸杆菌和双歧杆菌属。有研究已经探究了罗伊氏乳杆菌DSM 17938对婴儿绞痛的影响。给予16周龄新生儿药物21天后，与对照组相比，肠道乳杆菌显着增加，大肠杆菌和氨降低。与给予安慰剂的对照组相比，约氏乳杆菌La1在给药后增加了总乳酸杆菌的数量，并且在给药停止至少2周时，新生儿体内17％的活菌被排泄。在生命最初的六个月期间给患有过敏性疾病风险的婴儿补充长双歧杆菌BB 536和鼠李糖乳杆菌GG，发现其并未影响婴儿肠道微生物的总体组成，停止补给，益生菌在肠道中并没有长期存在。给6月龄婴儿补充加有低聚半乳糖的发酵乳杆菌CECT5716配方食品，得到类似的结果。不考虑胃肠道和上呼吸道的感染降低，给婴儿补充6个月益生菌后，仅导致双歧杆菌和乳杆菌的数量增加，而短链脂肪酸并没有明显的变化。人乳寡糖虽然不存在于牛乳中，但也经常作为益生元添加在婴幼儿配方食品中。添加到配方食品中不易被消化的低聚糖导致结肠pH降低，短链脂肪酸增加，这与母乳喂养产生的结果类似，这可能与选择性刺激双歧杆菌和乳杆菌属相关。然而，迄今为止的大多数研究表明，益生菌或益生元带来的益处，既不是肠道菌群的改变，也不是益生菌在肠道长期定植模式的建立。
营养补充剂的特征是其对微生物的组成和宿主健康的影响。一项对12个月龄美国婴儿肠道微生物组成的研究中，给予婴儿不同的饮食（纯肉作为主补充食物，铁强化谷类食品，或铁和锌强化谷类食品），研究发现，铁强化谷类食品组婴儿与其他两组相比，肠道菌群在门的水平上存在显著性差异，并且乳杆菌种群数量显著减少。鱼油是另一种常见的膳食补充剂，其对婴儿肠道微生物的影响比向日葵油更显著，但这种影响仅对于9个月前断奶的婴儿。这表明大量存在于鱼油中且被推测对婴儿发育有益的长链多不饱和脂肪酸（LCPUFA）可能仅在没有母乳的条件下才能发挥它的益处。值得注意的是，在一项对6～14岁非洲儿童的研究中，发现与对照组相比，儿童饮食中添加铁导致了肠道菌群组成发生显著变化，肠杆菌数量增加，乳酸杆菌的数量减少，粪便钙卫蛋白增加，这些变化都是判定肠道炎症发生的替代指标。这个结果强调，在确定膳食补充和饮食建议对人体的影响之前，需要考虑不同人群肠道微生物组成的差异。
2.4 环境接触
新生儿周围的环境也是微生物的自然来源，可以在不同的身体部位定植。例如，同居可以通过共用物体、接触物质表面和室内空气增加细菌交换的可能性。通过吸吮清洁婴儿奶嘴的做法也与婴儿独特的口腔微生物群及发生过敏风险较低相关。在对60个美国家庭的研究中，发现家庭成员之间比不相关人之间的口腔、肠道、特别是皮肤微生物群更相似。此外，同居但基因不相关的父母与其子女的微生物菌群相似度高于不相关孩子。家族成员的细菌基因组测序结果进一步证实了这些发现，且家庭成员中共有的菌株在不相关人中并未发现。值得注意的是，这些共有菌株中的一部分存在于母亲及其成年女儿的身体中，表明早期接触特定菌株可导致其终身定植。
猜测生命早期经常接触宠物和动物对婴儿有保护作用，这是通过增加接触有助于增强免疫耐受性的微生物而实现的。在一项针对3143名婴儿的研究中，让婴儿在生命的第一年接触室内狗（但不包括室外狗，猫或农场动物），据报道其与临床I型糖尿病呈负相关性。研究已经表明早期接触宠物会降低过敏和哮喘的频率，尽管这种诊断机制尚不清楚。为了探究这种关联，一项研究用养狗人家房子中的灰尘进行了小鼠试验，发现这些小鼠肠道微生物群中的约氏乳杆菌增加了，肠道微生物群的变化可能部分解释了接触动物带来保护作用的原因。在生命的最初两个月接触家庭尘埃中的内毒素及在较大的家庭空间中生活使双歧杆菌的数量达到高峰，乳杆菌、青春双歧杆菌和艰难梭菌的丰度降低，这种变化与过敏症相关。在对芬兰和俄罗斯卡累利阿婴儿的研究中，也表明了生命早期接触环境的重要性。这些地区地理位置接近，但社会经济地位差异显著。虽然在20世纪40年代对花粉和宠物的敏感程度相似，但是30年后的芬兰儿童过敏更常见。这些差异中的一部分归因于环境尘埃与饮用水中的细菌，需要进一步的研究对这些微生物进行全面地评估。一项关于婴儿卧室灰尘的研究显示，生活在农场的婴儿肠道细菌和真菌的多样性高于那些只参观农场但没有住在那里或从未去过农场的婴儿。农场住宅中的微生物通常与动物棚舍中的微生物相关，进一步表明接触环境是幼年时期细菌定植的潜在途径。
2.5 宿主遗传
宿主遗传对人类疾病非常重要，但是直到最近我们才开始了解微生物如何与宿主基因相互作用。例如，已知具有遗传因素的代谢紊乱与不同的肠道微生物群组成有关，表明宿主的细菌调节受损是发病的潜在机制。确定宿主遗传与微生物群之间如何相互作用相当复杂，其归因于数以千计的细菌群与数以百万计的遗传多态性之间的指数数量的相互作用。Goodrich及其同事已经证明，遗传可以部分改变细菌组成，Chrisrysnellaceae 家族成员是可遗传的，而瘤胃菌科，毛螺菌科和拟杆菌门成员的定植主要是环境决定的。需要进一步的研究来确定这些可遗传的菌群在生活中是什么时候被获得的，以及与其他因素相比，在形成早期微生物组成时与宿主遗传之间的相关影响是什么。
图1 塑造新生儿微生物群的因素。
母亲阴道感染或牙周炎可导致细菌侵入子宫环境。肠道和口腔微生物可以通过血液从母体输送到胎儿。分娩模式塑造新生儿的初始细菌接种。出生后的因素如抗生素的使用、饮食(如母乳喂养与配方、固体食物的摄入)、婴儿的遗传和环境暴露在早期生活中进一步影响了微生物群。随着饮食与年龄的变化，微生物群落逐渐向类似成人的形态转变，通常在3岁时达到成人水平。
3 新生儿微生物群在免疫系统构建中的作用
4 新生儿微生物与疾病
4.1 早期生命微生物与疾病之间的关系
4.2 微生物介导的疗法
5 结论与展望
3-5将于第二篇微文中分享。
本文由王瑞编译，江舜尧编辑。