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综述 | 婴儿肠道微生物群的发育及其对健康的影响(IF:11.02)

微生太2018-07-21 21:00:20

本文由蒋莉编译,董小橙、江舜尧编辑。

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导读

在人的一生中,肠道微生物具有重要的功能,如屏障功能、代谢反应、营养效应以及宿主先天和适应性免疫应答的成熟。婴儿肠道微生物区系的发展特点是微生物数量、多样性和组成迅速而巨大地变化。这些变化受到医疗、文化和环境因素的影响,如分娩方式、饮食、家庭环境、疾病和使用的疗法。因此,几乎不可能为肠道微生物的定植和发育确定一个普遍的标准。本文综述了微生物对肠道的早期定植、肠道微生物群的发育及其对健康的影响等方面的最新数据。



论文ID

原名Development of intestinal microbiota in infants and its impact on health

译名婴儿肠道微生物群的发育及其对健康的影响

期刊Trends in Microbiology

IF11.02

发表时间2013

通信作者de La Cochetiere, M.-F.

通信作者单位Universite´ de Nantes




综述结构



综述内容


1、人肠道微生物群

人类微生物群中最大的微生物群落位于消化道,更确切地说是位于大肠。据估计,它含有大约1014个细菌细胞,是人类基因组基因数量的100多倍。因此,它在主人的生活中起着非常重要的作用,与它的健康密切相关。在过去的10年里,大量使用分子微生物学技术使婴儿肠道微生物群的发展达到传统培养技术无法达到的水平,因为到目前为止,这个生态系统中只有25%的细菌已经被培养出来。大型项目,如人类微生物组项目,正在调查与人体有关的细菌种群的多样性、其人与人之间和人体内的变异性及其影响,内源和外源因素的影响及其主要成分的表征(方框1)。虽然它的许多特性仍有待揭示,但大多数作者一致认为,健康成年人的肠道微生物群具有很强的弹性,而且随着时间的推移非常稳定,略有波动。在宿主特定的平衡(稳态,方框2)的两侧轻微波动。然而,在它成熟之前,微生物必须从出生开始发展,并与宿主建立互利的共存关系。我们对婴儿微生物学发展的认识,得益于分子微生物学的最新技术。重要的细菌群(如双歧杆菌、肠杆菌科、硬壁菌门和拟杆菌)的精确变化可以用定量PCR(QPCR),通过下一代测序,可以绘制出更完整的微生物区系发育图。然而,PCR引物的选择或细菌DNA提取方法的选择等技术因素对培养无关方法的最终结果有很大的影响。患者肠道菌群的状态可能是个体化治疗设计的相关因素。我们迫切需要弄清楚肠道微生物群中所有这些新认识的元素的特征。本综述的目的是总结我们对肠道微生物群早期发展的认识,并考虑到环境因素,如产前参数,母亲的微生物群的影响,以及出生前后的治疗。最后,关于肠道微生物群发育之间相互关系的现有假说,我们将讨论特定类型的扰动,以及随后的疾病发生。

 

方框1

目前,成人肠道微生物群对成人健康肠道或正常肠道微生物群的组成没有共识。然而,最近的许多研究也给这个问题带来了一些启发。肠道中存在的两个主要门是硬壁菌门和拟杆菌。其他类群,如放线杆菌门、蛋白质杆菌或疣状杆菌,其数量可能较少,但对健康的重大影响。在这种非常广泛的核心微生物群中,在比例、多样性、物种和基因功能方面有许多变化的空间。然而,最近的一些证据表明,尽管这种多样性很高,但几乎每个人都可以保留主要的微生物遗传功能。最受研究者关注的参数之一是硬壁菌门与细菌比率以及这个比率在以以丰富的西式饮食为日常饮食的个体和在以乡村和蔬菜为基础的饮食的个体之间的变化。有趣的是,这一比率也与肥胖和代谢紊乱密切相关。这些系统发育变异可能起源于微生物区系的最初发展,并贯穿于个体的整个生命周期。

方框2

肠道微生物群动态平衡:在生物学背景下的定义,稳态是一种系统的状态(细胞、器官、有机体或生态系统)通过不断的调整来维持其内部参数的相对平衡。当专门应用于肠道微生物区系时,它指的是这个生态系统的特性,以保持不同细菌群、肠道的上皮组织,以及在一段时间内主机的免疫系统之间的平衡。控制参数为营养素摄入量,微生物细胞生长,微生物群体感应,上皮组织再生和免疫反应。当一个或多个控制参数受到干扰,导致微生物群发生变化时,就会观察到失调。干扰可能由多种原因引起,如异种药物(如抗生素或抗癌药物)、免疫失衡,压力,或营养摄入的变化。如果不更好地了解宿主与其微生物的复杂关系,失调通常与病理状态有关:肥胖,结肠炎,克罗恩病,腹泻。


2、产前对肠道微生物群发育的影响

虽然人们普遍认为宫内环境和新生儿在分娩前是无菌的,一些证据显示宫内环境中存在细菌一些证据显示宫内环境中存在细菌。宫内环境中的细菌可导致胎粪的产前定植。胎粪中细菌的存在(如大肠杆菌、屎肠球菌及表皮葡萄球菌)可能是由于母亲的肠道细菌通过血液流动而产生的。事实上,从脐带血中分离出肠球菌、链球菌、葡萄球菌和丙酸杆菌,表示细菌移动了位置。在小鼠模型中,口服给母亲的屎肠球菌菌株后来在羊水中被检测到。阴道胎盘和剖宫产婴儿胎盘中检测到乳杆菌和双歧杆菌DNA,但是没有活的细胞可以被培养,这意味着从母亲的肠道转移过去的。在胎膜完整的早产妇女的羊水中,15%的患者(12)采用qPCR或培养法检测细菌或真菌的存在。然而,在收获胎粪之前,还存在着延迟的问题(在出生后几天内)。这是足够的时间让母亲的共生菌群(从阴道或皮肤)到婴儿的肠道和建立优势,意味着早期不是产前定植的细菌。此外,羊水中细菌的存在可能是一种未被发现的感染的迹象,并增加早产的风险。这些结果提出的问题比他们回答的要多。目前尚不清楚宫内环境中这种细菌的存在是系统的还是特殊的,这些细菌是否可以存活,是否能够对婴儿的肠道产生影响,它们对婴儿肠道微生物群后期的发育有什么影响。目前尚不清楚婴儿肠道的定植是否始于产前生长,这是一个积极的辩论,需要更多的研究才能正确地理解这一现象。

已知怀孕期间的外部因素,如药物、疾病、压力或重金属暴露,会影响婴儿的未来发展和行为。迄今为止,很少有研究来确定这些因素对婴儿肠道微生物定植的影响。在动物试验中,与对照组相比,母亲在怀孕期间所生的猴子双歧杆菌和乳酸菌的数量明显低于对照组,一项对一大批1月龄人类婴儿的研究表明,孕妇使用抗生素和/或益生菌对婴儿粪便微生物区系没有影响,如qPCR所揭示的。然而,在妊娠晚期,给母亲喂食益生菌(乳杆菌,鼠李糖)会增加其婴儿粪便中双歧杆菌的数量。总的来说,外部因素似乎可以影响婴儿肠道微生物区系的建立,尽管水平较低(1)。还需要做更多的工作来确定出生前的影响是否能被生命的最初几天的细菌定植事件所克服。


3、婴儿肠道微生物群的正常发育

婴幼儿肠道微生物群与成人相比有很大差异,表现出非常重要的个体间变异性。相似点出现在1岁左右,并向更常见的类似成年人微生物群趋同。虽然很难定义“正常”的人类肠道微生物区系,一般趋势可以从以前的研究中推断出来。婴儿肠道微生物群发育的经典模式是由兼性厌氧菌(如大肠杆菌和其它肠杆菌科)早期定植。当这些生物耗尽了最初的氧气供应(几天之内),肠道就变成了厌氧环境,有利于严格厌氧细菌的发展,如双歧杆菌、梭状芽孢杆菌和拟杆菌属,有时为反刍球菌属。从最初的低多样性和低复杂性,婴儿的肠道微生物群将慢慢发育和成熟,在3岁左右达到成人状态。双歧杆菌是婴儿肠道微生物的优势菌属。从15名婴儿粪便中分离出双歧杆菌(从第8天至第42),发现有6种不同的细菌:短双歧杆菌、长双歧杆菌、青春期双歧杆菌、假链状双歧杆菌、两岐双岐杆菌和齿双歧杆菌,短双歧杆菌、长双歧杆菌是最流行的。对欧洲和澳大利亚婴儿进行的几项基于文化或文化独立的研究显示,短双歧杆菌、长双歧杆菌作为优势种。脉冲场凝胶电泳显示,随着时间的推移,这些菌株的基因型在个体间和内部都存在差异。这表明,与成人相反,婴儿微生物中的双歧杆菌种群并不稳定,而且变化很快。对瑞典婴儿1周龄粪便微生物的qPCR分析证实了双歧杆菌的高存在率,尤其是长双歧杆菌、青春期双歧杆菌。尽管长双歧杆菌被分类描述为典型的成人肠道微生物群,基于独立培养的技术最近有证据表明长双歧杆菌在婴儿中的存在率也很高。妊娠期是影响婴儿肠道菌群建立的重要因素。比较足月婴儿和早产儿的粪便微生物区系差异有显着性。肠杆菌科和其他潜在致病菌,如艰难梭状芽胞杆菌或克雷白氏杆菌在早产儿中也有较多的发现。足月儿粪便微生物的多样性较高,常见的属有双歧杆菌、乳酸菌、链球菌等。与足月婴儿比较,从特定医院获得的微生物群中,通过变性梯度凝胶电泳(DGGE)检测粪便微生物区系分布的个体间相似性,早产儿明显高于足月儿。在本研究中,兼性厌氧菌的存在情况,如大肠杆菌、肠球菌属和克雷白氏杆菌,早产儿更高。在生命的最初几个月里,细菌种类的继承是非常复杂的。它涉及到许多暂时性的物种,一旦肠道的条件发生变化,它们就会消失,也包括在成年人中会出现的物种。虽然人们对婴儿肠道菌群正常发育的时间框架和细菌种类有很好的了解,但是影响它的参数更难理解。


4、外源性因素影响婴儿肠道定植

4.1 母亲对婴儿肠道定植的外在影响

母亲可能是婴儿微型生物群落发育最有影响的外部因素,由于出生、护理和早期喂养期间的亲密接触。在婴儿出生的第一年,母亲对婴儿微生物群的影响是可以清楚地看到的。通过鸟枪法测序,在一个月大的时候,婴儿的肠道微生物群在功能上和系统发育上都非常接近母亲,然而,在11个月时,系统发育出现了显著差异,而微生物区系基因功能在母亲和孩子之间仍然非常接近。用qPCR方法对分娩后前6个月的粪便微生物区系进行了定量PCR分析,发现母子间有较强的亲缘关系,并且主要与短双歧双歧杆菌和金黄色酿脓葡萄球菌有关。                                     

分娩方(阴道分娩或剖腹产)对早期肠道定植有很大的影响,特别是对双歧杆菌的数量有很大的影响。对新生儿胎粪进行焦测序分析,发现消化道第一微生物群落间有很强的相关性,在阴道分娩或母亲皮肤的情况下,母亲阴道的微生物群落在剖腹产。用焦磷酸测序法对新生儿胎粪进行分析,发现消化道第一种微生物群落与阴道分娩时的或剖腹产时的母亲皮肤

其中一种微生物群落有很强的相关性。出生后3天的粪便,温度梯度凝胶电泳(TtGE)DGGE分析显示剖宫产与阴道分娩婴儿的差异有显着性(P<0.05)。双歧杆菌数量在剖宫产儿童中显著降低,其微生物区系的总体多样性似乎较低。这一证据表明,肠道环境会首先被大量的微生物群落所占据,无论是皮肤还是阴道环境。然而,在早产儿中,分娩方式对肠道定植的影响似乎较小:对早产儿粪便样本进行传统或不依赖培养的方法分析,发现分娩方式与各种微生物的定植水平无关,包括双歧杆菌。用454焦测序法对6例极低出生体重儿进行胎粪分析,结果显示3例早产儿均有葡萄球菌强定植,剖腹产2例,阴道分娩1例。从长期来看,与剖腹产相比,阴道出生的7岁儿童的梭菌数量显著增加。然而,双歧杆菌、乳酸菌或类杆菌的数量没有其他差异。上一项研究的独特特征说明,需要更多关于第一种微生物对婴儿肠道的长期影响的数据。

除了分娩方式外,婴儿肠道微生物群发育的另一个重要影响是喂养方式。母乳样本的平板计数显示有链球菌和葡萄球菌属,与肠道早期定植细菌相对应。双歧杆菌和乳酸菌也被检测到,表明母乳作为益生菌的传递系统具有重要作用。事实上,母乳喂养的婴儿双歧杆菌和乳酸菌的数量明显高于母乳喂养的婴儿,而类杆菌、球状梭菌群、葡萄球菌和肠杆菌科的数量则较低,与配方奶喂养婴儿的比较。从母亲的母乳和婴儿粪便样本中分离出的细菌(乳杆菌、葡萄球菌和双歧杆菌)的基因分型表明存在相同的菌株,提示母乳作为婴儿早期肠道定植的一个重要来源。一项案例研究显示,婴儿从出生到2.5岁的肠道微生物群的发育表明,饮食对微生物群落的变化有很大的影响。母乳是寡糖的重要来源,对新生儿发育中的微生物区系有很强的益生作用。长歧双歧杆菌亚种婴儿具有多个基因簇,这些基因簇与这些人乳糖寡糖(HMOS)的代谢有关。HMOs还调节了长双歧杆菌几种途径的表达,特别是与碳水化合物降解和细胞遗传有关的基因。因此,最初的定植细菌,如硬壁菌门和放线菌门,非常适合吸收母乳,但也有一些基因促进了不可消化植物多糖的吸收:即使在引入固体食物之前,肠道微生物群也可用于简单的植物食物如米饭如米饭。随着更复杂的食用食品和婴儿配方奶粉的引入,细菌数量迅速增加,并丰富功能基因,负责碳水合物和异生物降解以及维生素生物合成。在断奶后不久,乳酸菌群落的变化也被报道了。

4.2 环境影响

除了母亲以外的环境影响,家庭环境也被描述为肠道微生物群发育的一个重要影响因素。例如,有年长兄弟姐妹的婴儿每克粪便中细菌总数较少,例如,有年长兄弟姐妹的婴儿每克粪便中细菌总数较少,所有这些变化的来源也受到地理位置和文化传统的强烈影响。比较三种不同环境的0~3岁儿童粪便微生物区系(来自委内瑞拉亚马孙河的30名美洲印第安人、来自农村地区的31名马拉维人和来自美国城市地区的31名美国人),结果表明,该菌在系统发育组成上存在显著差异。在比较美洲印第安人和马拉维儿童时,与非西方儿童和美国儿童相比,差异不显著。尽管存在这些差异,双歧杆菌仍占1岁前三组儿童粪便微生物的主导地位。在另一项研究中,芬兰和德国儿童之间存在着显著差异:芬兰婴儿双歧杆菌的存在率和计数均高于德国婴儿,而嗜粘液阿克曼氏菌、溶组织棱状芽胞杆菌和拟杆菌-普氏菌数量较低。

与成人相比,3岁以下儿童粪便微生物多样性指数较低。如果只考虑到01岁的儿童,这一点就更明显了。01岁儿童的最高操作分类单位(OTUS)数量约为1000个,而成年人普遍为10002000OTUS。然而,儿童之间的个体差异明显大于成年人:儿童的微生物区系主要由几个细菌属和类群组成,但这些优势群体在个体间是高度可变的。随着年龄的增长,这些个体间的差异逐渐复杂。母亲以及文化和地理因素对婴儿肠道微生物的发育有着巨大的影响。家庭环境是细菌的主要来源,在生命的最初几年里,细菌会在肠道中定居。需要进行更多的研究,以确定肠道微生物群或与微生物有关的疾病(如结肠炎、肠道疾病或过敏)中的不平衡是否的不平衡是否可以由其他家庭成员传播给新生儿。。

 

5、治疗对婴儿肠道微生物区系的影响

与母亲的接触、分娩方式、喂养方式以及与其他婴儿的接触对所有儿童来说都是常见的,被认为是正常发展的一部分。然而,肠道微生物区系也可以通过一种特定于某些个体的方式被人为地改变,主要发生在疾病和治疗过程中(1)


5.1 母亲或婴儿的治疗

大多数药物疗法在某种程度上影响患者的微生物群。婴儿也是如此,还有一个额外的因素:正如我们以前看到的,母亲对婴儿的微生物群有巨大的影响,母亲的治疗可以间接影响孩子。

婴儿的抗菌治疗与肠杆菌和肠球菌的比例较高,双歧杆菌比例较低有关。治疗结束后1个月仍可检测到其中一些差异。早期抗生素治疗对极低出生体重儿也显着降低了微生物粪便多样性和粪便微生物计数。抗菌药物治疗导致肠道微生物区系正常发育的改变,通常与生理遗传多样性的下降相一致。母亲(产前或哺乳期间)的抗菌治疗与多形杆状菌、阿托波菌属总检出细菌总数较低有关。应仔细监测婴儿系统发育多样性的减少,因为这与新生儿脓毒症的发生有关。如果这些数据被其他研究证实,它可以作为一种强有力的工具来检测新生儿早期脓毒症的风险。

5.2 益生菌和益生元补充

如前所述,不同细菌群的继承对婴儿肠道微生物群的成熟至关重要。在这些群体中,双歧杆菌和其他乳酸菌被认为是必需的和有益的。那么,为了有利于这些细菌的实施,是否有可能修改婴儿的饮食?益生菌是因其有益的特性而消耗的活微生物。在成人中,他们以短暂的方式在肠道中定居,在停止摄入后2周的粪便样本中很少检测到。然而,在婴儿中,微生物区系还不成熟,细菌群的浓度和多样性可能不足以反对新引入的成员的定植。在这一节中,我们将简要回顾最近的证据,有关婴儿肠道菌群通过食用益生菌素或益生菌素的调节。

由于细菌是从母亲传染给婴儿的,母亲对益生菌的消耗可能会影响其子女的微生物区系的发育。芬兰母亲在分娩前和哺乳期间食用益生菌素,导致了对其婴儿双歧杆菌群的定植和发育的调节,特别是通过增加双歧杆菌物种的多样性。然而,在另一项研究中,婴儿的双歧杆菌数量低于补充剂组,但乳酸菌数量明显增加。在分娩前2个月和分娩后2个月给予母亲的其他益生菌组合增加了母婴微生物群的相似性,但婴儿的定植率和双歧杆菌多样性没有明显改变。

微生物和免疫系统在新生儿中发展迅速,安全性是益生菌喂养时的一个主要问题。对132名出生后6个月内接受益生菌鼠李糖GG菌株的婴儿在治疗后随访2年,长期而言,粪便微生物区系表现出良好的耐受性和无明显变化。对极低出生体重儿的研究表明,在补充营养鼠长双歧杆菌BB536和李糖乳杆菌GG期间,对肠内喂养的胃肠耐受性没有改善。接受双歧杆菌强化配方的早产儿双歧杆菌计数显著高于安慰剂组,但其他细菌群,包括乳酸菌、革兰阴性肠道细菌或葡萄球菌,则无差异。婴儿配方中含有益生菌(半乳糖和长链低聚果糖)的婴儿在足月出生时耐受性很好,导致体细胞的生长,肠道内梭菌和大肠杆菌的数量减少,同时略有增加双歧杆菌。益生菌和益生元似乎可以很好地耐受婴儿和他们的母亲。关于次要影响的报告很少,并且微生物群落的稳态在很大程度上被保留。它们在婴儿身上显示出了预防感染,腹泻,坏死性小肠结肠炎,湿疹,特应性皮炎的有益效果。因此,建议使用众所周知和广泛测试的益生菌来改善婴儿的特殊情况似乎是安全的。

5.3 特定微生物定植的长期效应

很明显,最初的微生物定植和由此产生的免疫和代谢规划对疾病的风险有着持久的影响。例如,剖宫产术似乎增加了乳糜泻的风险,1型糖尿病和哮喘,通常与过度或异常的T辅助反应有关。出生后三周,发育不良的婴儿和未发育的婴儿粪便样品中细菌细胞脂肪酸的分布有显著差异。此外,婴儿早期(6个月和12个月)双歧杆菌数量的减少与婴儿7岁时超重和肥胖有关。



实验结论


细菌的组成和系统发育会随着时间的推移而保持非常稳定。现在人们普遍认为,微生物区系影响宿主新陈代谢的某些方面。尽管大多数因果关系尚未完全被理解,但微生物区系的变化与疾病易感性之间的关系已被描述得很详细。一些研究已经证明了微生物在肠道疾病中的预测能力。下一步将是确定婴儿肠道微生物区系的早期变化是否与以后的生活中的代谢或全身状况有关。第一个例子是最近提出的,对来自英国的11532名儿童进行回顾性研究表明婴儿在出生后6个月内接触抗生素的体重明显高于未接触抗生素的婴儿。随着数据的不断增加,其他类似的关系很可能在未来几年出现。举几个例子,这种方法背后的希望是找出微生物群中的风险因素,例如肥胖、糖尿病和过敏性疾病。目前还没有证明针对微生物区系的干预措施(包括益生菌、益生素或靶向抗生素)是否有助于抑制这些危险因素,并增加婴儿和成人的健康。近年来,在了解婴儿肠道微生物发育的动态和不同参数的影响方面取得了巨大的进展。早期微生物群变异与成人疾病(如过敏或肥胖)之间的确切关系应进一步研究。作为回报,它将允许在有针对性地改变婴儿的微生物区系的基础上开发新的治疗方法,以减少他们以后患上疾病的风险。


点评


婴儿肠道微生物的情况一直是人类肠道微生物研究的热点,此篇综述为我们介绍了婴儿肠道微生物的大概情况,并且罗列了一些影响婴儿肠道微生物的因素,为我们梳理了一个大致的框架。读者若想要具体了解这一方面的知识,仍需阅读相关的文献。






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