综述 | Trends in Microbiology：生命最初十年的肠道微生物群
编译：yuan，编辑：十九、江舜尧。
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越来越多的人认识到肠道微生物群的重要性，确定针对肠道微生物群的预防和治疗方案也变得越来越受关注。目前对于婴幼儿(3岁以下)和成人的肠道微生物群组成和功能已有相对较好的描述，但学龄前(3-6岁)和小学(6-12岁)儿童以及青少年(12-18岁)却常常被忽视。早前研究发现婴儿的肠道微生物群在3岁时就达到类似成人的结构；但最近研究表明，肠道微生物群的发育可能需要更长的时间。这个发育时间是至关重要的，因为这个发育过程中的偏差可能会对以后的生活产生影响。这篇综述聚焦于来自世界各地不同人群的健康学龄前儿童和小学学龄儿童(长达12年)，概述了目前对于生命前十年的肠道微生物群及其进化、变异和对饮食反应的了解。这一综述应有助于确定针对这个年龄段人群的以饮食为基础的干预方法，以促进随后生命中健康微生物群的发展。
论文ID
原名：The Gut Microbiota in the First Decade of Life
译名：生命最初十年的肠道微生物群
期刊：Trends in Microbiology
IF：11.974
发表时间：2019.8
通讯作者：Willem M. de Vos
通讯作者单位：荷兰瓦赫宁根大学微生物学实验室&芬兰赫尔辛基大学医学院人类微生物组研究计划
综述内容
微生物群在终生健康中的作用
大多数微生物生活在复杂群落中，微生物群由细菌、古生菌和真菌组成，也包括病毒和噬菌体。人类肠道的微生物群也不例外，形成了以细菌为主的密集生态系统。近年来，肠道微生物群受到广泛关注，它参与了宿主多种途径的调控。从出生开始，肠道微生物群就与宿主以及宿主的代谢和神经系统共同进化；因此，这种微生物群落的发展对随后的健康至关重要。肠道微生物群的发育受宿主和环境因素(包括饮食和生活方式)之间复杂的相互作用的调控。因此，从出生到老年的肠道微生物群的动态变化可以揭示宿主体内微生物群变化以及其与疾病风险的关联。在过去的十年里，对于生命最初3年的婴儿-微生物群共生发展的研究有了巨大的进展，特别是联合了大型纵向队列与深度宏基因组或系统发育分析，促进了微生物群的组成、功能和起源的精准研究。
婴儿-肠道微生物群共生关系从出生就开始建立，并在生命的最初几年形成。在此期间，婴儿成长迅速，身高、体重、头围都有较大的增长，代谢器官、免疫系统、消化系统、神经和认知能力随着他们的发育和成熟而发生重大变化。这也是建立肠道微生物群和影响今后健康的关键时期。肠道微生物群影响免疫系统的成熟、营养吸收和代谢，并阻止病原体定植。几项研究和评论强调了这种共生关系的发展在婴儿生命早期及终身健康的关键作用。肠道微生物群组成的变化与短期和长期的疾病有关，如超重、肥胖、特异性反应、哮喘、代谢综合征和慢性炎症疾病。因此，早期生活时期为调节肠道微生物群以促进长期健康提供了一个独特的机会。
相比于儿童，世界不同地区的成年人肠道微生物群的研究详细很多。有研究表明，在没有极端外部压力(如饮食变化或抗生素治疗)的情况下，成人体内的微生物群相对稳定且具有弹性。这种巨大的恢复力使它能够在威胁停止时恢复到原来的状态。最近出现的大规模人群基础队列包括了从数千研究对象中收集的宿主和环境的多种类数据，这极大地增强了我们对微生物生态学的了解，并加速了与微生物群变化相关的外部因素的识别。最近有关老年人肠道微生物群进化的发现也为了解人类一生中微生物群的多种轨迹提供了新的视角。这些研究为了解健康个体中微生物群的变化和设计基于微生物群的干预措施铺平了道路。相比之下，我们仍然对3岁以上儿童体内微生物群的变化及其对威胁的反应知之甚少(图1)。
本综述概述了关于生命最初十年的肠道微生物群变化和进化的现有知识。还讨论了环境因素 (特别是饮食)与微生物群变化的关系，以及微生物群对饮食干预的可塑性。这些知识可能有助于我们为促进日后健康或预防疾病设计以微生物为基础的干预措施。
图1按年龄分类的宏基因组鸟枪法测序序列进行肠道微生物群分析的比例。
婴幼儿-肠道微生物群共生关系的建立:饮食作为肠道微生物群发育的一种调节剂
肠道微生物群的发育和成熟是一个高度动态的过程，受到各种围产期因素的影响，包括外界因素(如分娩方式、喂养方式、抗生素使用、生活方式和地理因素)和宿主因素。许多研究监测了健康和疾病婴幼儿前3年的肠道微生物群的动态发展，并揭示了各国共通的发展模式(图2)。
作者简要讨论在生命的最初几年里微生物群的发育主要是受几个因素影响(尤其是饮食)，而这些因素倾向于选择最适应肠道动态状况的肠道微生物。几项研究表明母乳可以保护婴儿不受感染，主要是由于免疫效应器的存在，如IgA。此外，这种自然喂养方式有助于婴儿免疫系统的成熟，并调节其肠道微生物群的发育。事实上，配方奶喂养的婴儿和母乳喂养的婴儿的肠道微生物群是不同的。母乳喂养的婴儿的肠道微生物群多样化较低，但Bifidobacterium水平高(包括Bifidobacterium breve, Bifidobacterium bifidum 和Bifidobacterium longum)，这些物种可在母乳寡糖(HMOs)下茁壮成长。HMO的组成受遗传因素的影响，如分泌因子基因型，为母亲的基因组对婴儿肠道微生物群的影响提供了理论依据。最近有报道称，B. breve, B. longum和B. bifidum菌株对不同的糖反应不同，表明婴儿之间营养可及性的差异可以促进特定Bifidobacterium的定植。在HMO代谢过程中，B. longum susbp infantis的特化是特定生态环境适应的一个例子。这种细菌含有大量导入和细胞内代谢的基因。HMO代谢簇中包含了四种糖基糖苷酶基因(唾液酸酶、岩藻糖苷酶、n -乙酰基-β-己糖苷酶、β-半乳糖苷酶)和运输相关基因(溶液结合蛋白和ABC转运体)。不同的人群的B. longum susbp infantis流行程度是不同的，在芬兰婴儿中是10%，爱沙尼亚20%和俄罗斯23%。配方奶中添加半乳糖-寡糖(GOS)和果糖-寡糖(FOS)的比例为9:1，在一定程度上模拟了配方奶中HMO对肠道微生物群的影响，包括对Bifidobacterium的刺激。哺乳过程中，肠道微生物群有能力对乳酸和植物源性多糖(包括淀粉)进行代谢，表明微生物群落在代谢上已经为简单植物源性食品的引入和代谢做好了准备。据报道，停止母乳喂养而不是引入固体食物，是影响微生物群的主要事件。固体食物的引入与更高的细菌负荷和多样性、更高的总短链脂肪酸水平、以及代表更能分解复杂的碳水化合物的Bacteroides/Firmicutes优势有关。
对98对瑞典母子进行为期1年的微生物群发育的密切监测显示，在婴儿4个月大时其产生氨基酸和维生素的能力有所提高。12个月大时，参与降解复杂的糖类和淀粉的基因表达增加，这与Bacteroides thetaiotaomicron丰度较高有关。而Bacteroides thetaiotaomicron已知含有大量的糖降解酶，并且能够降解HMOs。在引入固体食物后，与维生素生物合成和异种代谢相关的其他代谢途径也得到了表达，这反映了成人饮食中底物的多样性。不同人群的婴儿(最大3岁)肠道微生物组已被证明均富含叶酸(维生素B9)从头合成的基因，而成年人中负责代谢膳食来源叶酸的蛋白质的编码基因比例更高。随着年龄的增长，编码钴胺素(维生素B12)的基因变得更加丰富。
总的来说，这些研究表明微生物群是逐渐专门化来处理肠道中可用的底物。Bifidobacterium spp.主要负责HMO的代谢，但不同的细菌共同作用来分解蛋白质、植物来源的复杂碳水化合物和抗性淀粉。许多研究强调，婴儿的肠道细菌多样性较低、功能复杂性较低，以及婴儿间肠道细菌多样性差异高于成人。根据一个个体相对于一个相似年龄参照组的微生物群成熟状态的特征开发了专用指标(“相对微生物群成熟度”和“年龄对应微生物群Z评分”)。这些指标首次应用于患有严重急性营养不良的婴儿，得到的结果表明这些婴儿的微生物群不如同龄健康婴儿成熟。配方奶喂养的婴儿的微生物群年龄比母乳喂养的婴儿大，剖宫产婴儿的微生物群年龄比经阴道分娩的婴儿大。其他生命事件，包括免疫反应和肠道上皮细胞的成熟，可能解释了不同婴儿肠道微生物群的定殖模式。
图2出生后3年内微生物群的发展概况。
细菌α多样性和功能复杂性随年龄增长而增加，而个体间变异(β多样性)减少。
跨越早期生活和成年之间的鸿沟:健康学龄前儿童和小学学龄儿童的例子
几项研究报告显示，出生后3年的肠道微生物群像成年人一样稳定。迄今为止，规模最大、内容最全面的肠道微生物群发育分析包含了来自四个国家的903名婴儿(德国、芬兰、瑞典、美国)，在出生前3年每月进行粪便取样。本研究基于相对丰度最高的细菌门(Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria和Verrucomicrobia)的动力学和α多样性的改变，揭示出肠道微生物群演化分为三个不同的阶段：发育阶段(3-14个月)，细菌门被检测和α多样性逐渐改变；过渡阶段(15-30个月)，只有Bacteroidetes和Proteobacteria继续发育并且α多样性继续改变；稳定阶段(≥31个月)，此时细菌门和α多样性保持不变。发育阶段中Bifidobacterium spp.占主要地位，而稳定阶段的细菌多样性较高，此时Firmicutes占优势。这些结果表明，肠道微生物群的组成和功能的发育大多发生在3年的采样期内。然而，最近的长期取样纵向研究表明，肠道微生物群的完全成熟可能需要更长的时间，尤其是对某些成员而言。在本节中，作者将重点放在肠道微生物监测延长到3岁以上的研究上，并将早期和晚期的儿童与成人进行比较(图3)。
在一项针对美国1到4岁儿童和成人的肠道微生物群组成的研究中，他们发现Actinobacteria, Bacilli, Clostridium cluster IV (Ruminococcaceae), 和Bacteroidetes在儿童中比在成人中更普遍。相比之下，Clostridium cluster XIVa (Butyrivibrio crossotus和相关细菌)的成员在成年人中比在儿童中更丰富。这些发现表明，一些微生物群成员可能已经在幼儿中形成，而另一些则在继续进化。在本研究中，年龄较大儿童(3-4岁)的微生物多样性仍然较低、Bifidobacterium的相对丰度高于成年人。在另一项研究中，对28名儿童肠道菌群的监测延长到了5岁。有趣的是，5岁时的微生物多样性仍然明显低于成年人。其发现与之前的研究一致，同样是Actinobacteria, Bacilli, Clostridium cluster IV (Ruminococcaceae)丰度与婴儿相似，而其他细菌，如Clostridium cluster XIVa (Lachnospiraceae)丰度与成人相似。在最近的一项研究中，Hollister et al.调查了年龄较大儿童(7-12岁)的肠道微生物群并进行分类和功能分析。儿童Bifidobacterium和Faecalibacterium spp.的丰度明显高于成年人，而成年人的Bacteroides (i.e., Bacteroides vulgatus and Bacteroides xylanisolvens)更高。参与维生素(B9和B12)合成、氨基酸降解、氧化磷酸化和粘膜炎症等功能的基因的相对丰度在儿童和成人之间存在差异。总的来说，这些发现表明，3岁左右健康儿童的肠道菌群与成年人相比，在功能和分类上仍存在差异，这表明肠道菌群的发育可能比之前认为的要慢。
前瞻性出生队列随访为全面分析儿童随年龄增长的肠道微生物群情况提供了机会。KOALA出生队列研究收集了大量宿主和环境数据，包括来自受试者子集的肠道微生物群数据。最近，将来自这一出生队列的281名学龄儿童(6-9岁)的肠道微生物群与来自成年人的数据进行了比较，进行了有史以来最全面的横断面分析。这项研究表明，由β多样性指标评估的微生物群的总体结构与成年人相似。总的来说，学龄儿童的肠道菌群富含Bacteroidetes 和Actinobacteria (Bifidobacterium) (图4)，其功能组成与健康成年人相似。这些发现与之前报道的7-12岁健康儿童的Bacteroidetes丰度明显低于健康成人和1-4岁儿童的报道相反。儿童的组内相似度高于成人，表明正如之前报道的儿童的微生物群比成人的更相似。
据报道，成年人的肠道微生物群分层并聚集形成肠型，由Bacteroides, Prevotella和Ruminococcus之一驱动。最近对欧洲婴儿的微生物群进行的一项研究预测，Prevotella和Bacteroides的肠型将在9至36个月之间发育。一项针对亚洲学龄儿童的研究表明，存在Bifidobacterium/Bacteroides和Prevotella肠型样集群，其流行程度取决于地理区域。近年来，在荷兰学龄儿童的肠道菌群中发现了三种肠道类群(Bacteroides, Prevotella和Bifidobacterium)。肠道Bifidobacterium样集群富集的儿童(22%)，其微生物群的丰富度和多样性较低。在功能上，他们的单糖代谢相关的途径(包括糖酵解和戊糖-磷酸途径)富集，而与复杂碳水化合物的利用相关的途径(如果胶、尿酸和糖胺聚糖)则较少。这表明Bifidobacterium肠型样集群的儿童微生物群不如Prevotella和Bacteroides肠型儿童的成熟，但尚不清楚哪些因素与成人样肠型的出现有关。这项研究还表明，早期生活和学前活动，特别是母乳喂养的时间，与学龄儿童的微生物群组成有关。
肠道的其他居住者，包括古生菌、真菌、原生动物和病毒，受到的关注要少得多。产甲烷杆菌(Methanobacteriales)是最丰富的古细菌目，其成员可以以H2为主要的电子供体产生甲烷，降低CO2或甲醇。肠道微生物群中主要的产甲烷菌是Methanobrevibacter smithii 和Methanosphaera stadtmanae。一些研究已经通过目或物种特异性定量PCR方法在学龄前儿童或学龄儿童中检测到产甲烷菌。在一项研究中发现，儿童(8-14岁)中Methanobacteriales检测比例为65%，低于成人(89%)。相反，另一项研究报告显示88%的儿童(0-10岁)有M. smithii，11%有M. stadtmanae。迄今为止规模最大的一项探索性研究对KOALA出生队列中的472名儿童(6-10岁)进行了研究，报告称78.2%的儿童定植了M. smithii，8.3%的儿童定植了M. stadtmanae。鸟枪宏基因组学证实，儿童Methanobacteriales的患病率低于成年人，在98%的成年人和85%的儿童中检测到M. smithii并且43%的成年人和19%的儿童检测到M. stadtmanae。
迄今为止，真菌多样性在大多数研究中被忽视。虽然真菌细胞的数量远远少于细菌(每克粪便中有105-106个真菌细胞)，但真菌细胞的体积可达到细菌的100倍，因此对微生物群的质量和代谢做出了重要贡献。一项研究分析了真菌丰度和患病率随年龄的变化，报告婴儿和10岁以下儿童的真菌菌群比成年人丰富，儿童Aspergillus和Tremellomycetes比成年人更普遍。此外，肠道微生物群的其他组成部分，如噬菌体，尽管具有临床意义，却鲜有研究。
总之，尽管只有数量有限的研究并且队列大小和随访时间有相当大的差异，目前为止获得的数据表明，学龄前和学龄儿童的肠道微生物群的整体组成上与成人相似，但是一些功能还没有发育完全(图3)。这些差异与肠道菌群在3岁后继续发育的观点是一致的。一些儿童的微生物群发育可能比其他处于中间微生物群状态的儿童慢。一直有报道称学龄前和小学学龄儿童的Bifidobacterium比成人中更丰富，甚至年龄较大的儿童中也是如此。这些发现表明，Bifidobacterium的水平可能会逐渐下降，直到成年。
图3 从主要临床研究中总结出的学龄前儿童和学龄儿童与成人肠道微生物群比较的汇总结果。
图4 儿童和成人肠道微生物群差异。
281名荷兰学龄儿童(6-9岁)的基于物种水平上的宏基因组猎枪测序数据。图中所示为儿童和成人间主要的丰度差异的属。
来自不同人群的儿童的人类肠道微生物群
目前正在努力对群体内部和群体之间肠道微生物群的变化进行分类。这些研究对影响肠道微生物群结构和功能形成的环境因素产生了实质性的了解。基于16S rRNA基因测序，对来自几个国家(委内瑞拉、马拉维和美国)的531名健康个体(3岁以下)、儿童(3-17岁)和成年人进行了首次大规模的肠道微生物群研究。这项研究强调了在生命最初3年内肠道微生物群已经显著成熟，这在所有人群中存在高度的主体间差异。美国儿童的α多样性(表示为OTUs数目)低于非美国儿童，但仅表现在3岁以上的儿童中。这种差异可以解释为与美国相比，马拉维和亚马逊地区农村生活方式更普遍、以及环境暴露或饮食习惯不同。研究证实与意大利同龄儿童相比，布基纳法索（非洲国家）1-6岁儿童肠道微生物群的物种丰富度较高，且具有对顽固纤维代谢的特殊性。一些针对3岁以上儿童的研究比较了西方化对肠道微生物群的影响。比较孟加拉国城市贫民窟的健康儿童和同龄美国儿童粪便微生物群的多样性、结构和时间稳定性，发现两者肠道菌群显著不同，孟加拉国儿童的整体多样性更高，Prevotella、Butyrivibrio和Oscillospira更丰富。亚洲的微生物项目致力于探索亚洲不同国家以及同一地区不同城市的学龄儿童肠道微生物群的多样性。该项目调查了生活在五个亚洲(中国、日本、台湾、印度尼西亚和泰国)城市或农村地区的303名学龄儿童的肠道微生物群。其后续研究探索了泰国和菲律宾的特定地点城市化的影响。这两项儿童研究的结果都与成年人的研究结果相似，相比于人们转向现代生活方式的城市，农村地区的肠道微生物群丰富度和Prevotella肠型更高。因此，生活方式的差异，特别是西方化，强烈影响了儿童肠道微生物群的组成，与已经报道的成人结果一致。
填补营养缺口来维持肠道微生物群功能
世界各地的饮食习惯差异很大。每个国家都有自己的生活方式、文化和饮食习惯，这些都与社会经济状况有着内在的联系。最近在全球范围内出现了这样一种总体趋势：饮食中脂肪和加工食品的含量相对较高，而纤维、新鲜水果和蔬菜以及碳水化合物的含量较低。因此，这种饮食的脂肪和糖含量较高，而植物多糖含量较低。WHO已经认识到，在许多西方国家，无论是成年人还是儿童，都存在纤维摄入不足的情况。一些组织建议成年女性每天应摄入25克纤维，成年男性每天应摄入30-40克，这几乎是目前摄入量的两倍。除了增加纤维摄入量来填补这一纤维缺口外，增加纤维来源的多样性也很重要。婴儿和儿童中进行的相关研究太少，无法确定适当的每日纤维摄入量和纤维缺口。通常是基于对成人数据的推断。一般来说，根据年龄、性别、能量摄入和国家的不同，儿童的膳食纤维推荐摄入量为每天10至40克。
西方化造成的低纤维摄入与成年人的细菌多样性下降和某些特定细菌丰度下降有关，如Prevotella、Oxalobacter、Succinivibrionaceae、Paraprevotellaceae和Spirochaetaceae丰度下降明显。在工业化国家，从不同来源摄入的纤维量与成年人肠道菌群的多样性或稳定性有关。增加纤维含量和多样性被认为是促进微生物群的多样性和与宿主共生的一种方法，因为细菌多样性水平低与各种疾病有关。
一项研究揭示了4-8岁健康儿童的长期饮食习惯与6个月间肠道微生物群的组成和稳定性之间的联系。研究表明，饮食中高纤维食物(如蔬菜、水果和谷物)丰富与微生物群稳定性高有关。在KOALA的出生队列研究中，学龄儿童摄入植物性蛋白和膳食纤维与微生物群变异有关，但植物性蛋白主要由Prevotella肠型驱动，膳食纤维由Bacteroides 和Prevotella肠型所驱动。亚洲微生物群研究项目对学龄儿童的研究表明，饮食脂肪的摄入与Bacteroides相对丰度相关，与Prevotella和Succinivibrio相对丰度相反；特别地，饮食脂肪的摄入在向现代生活方式转变和向西方饮食转变的城市中更高(接近30%的脂肪，是WHO推荐的最高水平)。但是总的来说，饮食结构和微生物群组成之间的关系在儿童中研究的很少。
儿童肠道微生物群的可塑性，以及对饮食干预的反应
从长期来看，成人肠道菌群是相对稳定的。目前已有几项针对儿童的研究评估了微生物群在没有任何威胁或在应对外部变化时的稳定性。学者研究了儿童接触两类抗生素(大环内酯类和青霉素)后的肠道微生物群。暴露于大环内酯的儿童肠道微生物群经历了一个长期(长达2年)的变化，表现为Bifidobacterium减少，Enterobacteriaceae和Bacteroidetes增加，物种丰富度下降。微生物群的破坏进一步与哮喘风险和抗生素相关体重增加的易感性增加有关。每日摄入含有益生菌的牛奶7个月减小了青霉素治疗后微生物群的变化，而对大环内酯治疗则没有影响。3-6岁儿童服用菊粉6个月后抑制了抗生素引起的肠道微生物群变化，特别是Bifidobacterium。未接触抗生素的儿童食用一株Lactobacillus rhamnosus后，其肠道微生物群也发生了一些变化(表1)，表明食用该菌后的健康受试者的肠道微生物群只发生了微小的变化，这与之前在成人中发现的结果相反。儿童每天摄入14g杏仁导致的肠道微生物群变化大于成人每天摄入42克的。另一项研究监测了7名城市受试者在热带雨林的印第安人村庄里生活了16天之后的肠道微生物群反应，其中包括两名3岁和7岁的儿童。在他们逗留期间，他们遵循当地的饮食(低脂/高纤维的未经加工饮食)和生活方式。有趣的是，尽管所有受试者的肠道微生物群都发生了变化，但其对环境变化的反应在儿童中更为明显，表现为儿童肠道微生物群的α多样性增加但成人中则没有。这项研究和之前的一项研究提供了额外的证据，表明儿童的微生物群可能比成年人更容易通过改变环境(包括饮食)来改变。近年来，对健康儿童进行了几项干预临床试验，并对其粪便微生物群进行了分析(表1)。干预措施主要包括膳食纤维和益生菌摄入。总的来说，肠道微生物群的反应集中于内源性Bifidobacterium刺激、菌群丰富或菌群稳定。将干预目标设定为类似于成年人的生态标记(丰富度和多样性更高、有益微生物的刺激)很有吸引力，但目前尚不清楚儿童应该偏向哪种微生物群响应：推迟还是加速向成人微生物群的过渡。
本文没有讨论目前对于有肠道症状、代谢性疾病和营养不良儿童的微生物群变化，以及饮食干预对这些微生物群变化的影响的研究，但是这些研究的结果将与相对于健康对照组的肠道微生物偏差程度高度相关。
表1 健康儿童肠道微生物群对饮食干预反应的临床研究综述
结论
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