母婴健康系列六：婴儿饮食如何塑造肠道菌群
婴儿出生后的第一年里，肠道菌群是非常多变的，饮食似乎是影响婴儿菌群变化的主要因素之一。由于人类胎盘、羊水、脐带血和胎粪中都发现存在着多种微生物，因此在分娩以前，微生物就可能通过胎盘屏障进行转移并已经开始在胎儿肠道定植。随后，母体和环境细菌会迅速在新生儿肠道中播下种子，其组成受到分娩方式和分娩地点的强烈影响。一般情况下，由于新生儿肠道的有氧环境，兼性厌氧菌比如埃希氏菌属、链球菌属、葡萄球菌属和肠球菌属等，最先在新生儿肠道定植。最初定植的细菌开始消耗肠道中的氧气，然后很快就被厌氧菌超过，主要是放线菌门和厚壁菌门的细菌，比如双歧杆菌和乳杆菌。这一转变可以归因于母乳或婴儿配方奶粉的摄入，这是第一件饮食驱动的细菌定植事件。
母乳喂养和配方奶粉喂养婴儿的肠道菌群
世界卫生组织和联合国儿童基金会建议在婴儿出生后的头六个月进行纯母乳喂养。此后，为了满足其不断变化的营养需求，婴儿应接受适龄、营养充足和安全的辅食，而母乳喂养应持续两年甚至更长时间。
母乳喂养是一种无与伦比的喂养方式，为婴儿的健康生长和发育提供最佳的食物。除了营养成分，母乳还含有多种生物活性因子，能够促进婴儿肠道、代谢以及先天性和适应性免疫系统的发育和成熟。此外，它在婴儿自身菌群的建立中也起着至关重要的作用。母乳喂养的婴儿感染性疾病和一些非感染性疾病的发生率降低，这至少在一定程度上可以归因于母乳对婴儿菌群的有益影响。
纯母乳喂养的婴儿肠道菌群特征为多样性较低，双歧杆菌占绝对优势，可占婴儿粪便中细菌总数的70-80%。
通常，我们认为双歧杆菌是母乳喂养的婴儿菌群特征，而不是奶瓶喂养的婴儿菌群特征，这似乎有点误解。虽然许多研究发现纯配方奶粉喂养的婴儿肠道中双歧杆菌的丰度较低，但是确实也有很多研究发现配方奶粉喂养和母乳喂养的婴儿中双歧杆菌的数量没有明显差异。但是值得注意的是，虽然双歧杆菌总数相似，但是双歧杆菌在物种水平上的组成却因婴儿喂养方式的不同而不同。母乳喂养的婴儿肠道中主要是婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）、长双歧杆菌（Bifidobacterium longum）和短双歧杆菌（Bifidobacterium breve）；而另一方面，传统配方奶粉喂养的婴儿含有较多的链状双歧杆菌（Bifidobacterium catenulatum）和青春双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis），这两种细菌在成年人的肠道中更加常见。然而，在配方奶粉中添加益生元纤维低聚半乳糖和低聚果糖，似乎可以诱导婴儿粪便中的双歧杆菌种类与母乳喂养的婴儿非常相似。
在过去的几十年里，婴儿配方奶粉不断地被改良和强化，因此在不同的研究之间可能存在很大的差异。然而也存在着一些一致性的结果，配方奶粉喂养的婴儿肠道菌群表现为多样性较高，拟杆菌属、梭菌属和肠杆菌科细菌增多，其中包括机会性病原菌艰难梭菌和大肠杆菌。此外，一项研究发现，出生后的第一年里，配方奶粉喂养的婴儿表现出毗邻颗粒链菌（Granulicatella adiacens）、柠檬酸杆菌（Citrobacter spp）、阴沟肠杆菌（Enterobacter cloacae）和沃氏嗜胆菌（Bilophila wadsworthia）的数量增加，而母乳喂养的婴儿肠道中一些乳杆菌属细菌数量增加。即使在12月龄的婴儿中，双歧杆菌属和乳杆菌属细菌仍然在继续接受母乳喂养的婴儿中占主导地位。
总的来说，配方奶粉喂养可能更快地使婴儿肠道菌群接近成人水平，增加机会性病原体和促炎细菌的数量，减少特定产短链脂肪酸的细菌。这是因为母乳要复杂得多，母乳中有利于促进婴儿菌群发育的特定组分也很多。
母乳低聚糖
母乳低聚糖是一类存在于人乳中的复杂混合低聚糖，是母乳中的第三大营养物质，仅次于乳糖和脂肪，在婴幼儿生长发育中起到重要作用。初乳中的母乳低聚糖含量大约在22-23 g/L，成熟乳中大约在12-13 g/L之间。
人乳中含有200多种不同类型的母乳低聚糖。人类母乳中的母乳低聚糖单体共有5种基本结构：N-乙酰葡萄糖胺、L-岩藻糖、D-葡萄糖、D-半乳糖和唾液酸。这些单体以不同比例组合构成母乳低聚糖。除个别母乳低聚糖外，目前分离得到的大多数母乳低聚糖的还原端都有一个乳糖基。
此外，母乳低聚糖可以与母乳中的其它成分结合，比如脂肪和蛋白质，称之为母乳聚糖。相比之下，作为大多数婴儿配方奶粉基础成分的牛奶只含有微量的低聚糖。虽然，现在许多婴儿配方奶粉通过添加低聚糖以弥补这一不足，但是通常只包括一个或少数几个简单的低聚糖，比如低聚半乳糖、低聚果糖或菊粉。
母乳低聚糖及其相关的糖复合物是婴儿自身无法消化的，而是作为益生元，促进有益细菌的生长，比如双歧杆菌，它们能够利用这些成分作为营养。特别是婴儿双歧杆菌可以有效利用母乳低聚糖。在存在母乳低聚糖时，婴儿双歧杆菌上调多种糖苷水解酶和肠膜转运蛋白的表达，这对于母乳低聚糖的分解至关重要，这也表明母乳低聚糖会在该细菌的细胞质中完全水解成单糖。此外，与乳糖相比，在存在母乳低聚糖时，婴儿双歧杆菌可诱导肠道上皮细胞中抗炎细胞因子的表达增加。
除了双歧杆菌，拟杆菌属的细菌成员也能够利用一些类型的母乳低聚糖。双歧杆菌和拟杆菌都参与短链脂肪酸的产生，从而降低肠道pH值，进一步调节肠道菌群，发挥系统性作用。
母乳喂养的婴儿与配方奶喂养的婴儿的肠道菌群组成存在明显的差异，母乳喂养的婴儿的肠道菌群也存在相当大的个体间差异。其中一个可能的原因是母乳低聚糖组成的差异，因为母乳低聚糖的数量和组成不仅在哺乳期间不断变化，在哺乳期的妇女之间也不同。
母亲的基因型在一定程度上影响着母乳低聚糖的组成和含量。人分泌型基因FUT2编码α-1,2-岩藻糖基转移酶，受FUT2基因突变的影响，分泌型（secretor）母亲的母乳中母乳低聚糖的组成显著不同于非分泌型（non-secretor）。通过α-1,2键连接的岩藻糖基化母乳低聚糖，比如2’-岩藻糖基乳糖、乳酰-N-岩藻五糖、乳糖二岩藻四糖等，只存在于分泌型母亲的母乳中；非分泌型母亲由于缺乏功能性FUT2酶，母乳中不包含α-1,2-岩藻糖基化的母乳低聚糖。因此，分泌型母亲的母乳中总母乳低聚糖含量高于非分泌型。功能性FUT3基因编码α-1,3/4-岩藻糖基转移酶，使得母乳中母乳低聚糖的组成和数量变得更加复杂。非分泌型母亲喂养的婴儿，其双歧杆菌主导的菌群形成较晚，这可能是由于婴儿肠道难以定植那些利用特定母乳低聚糖的双歧杆菌物种造成的。
母乳低聚糖除了具有促进有益菌生长的作用外，还具有预防胃肠道感染的保护作用。病原微生物首先要结合到其所要侵入的细胞表面，然后侵入细胞，释放毒素和摄取营养，导致一系列临床症状的发生。病原微生物与细胞的结合过程是由病原微生物通过其表面的糖链末端与肠道上皮细胞表面受体结合完成的。母乳低聚糖具有直接封闭肠道上皮细胞表面受体的功能。一些母乳低聚糖由于含有与肠道上皮细胞表面受体类似的结构，可以作为一种受体诱饵，直接结合于病原微生物表面，阻止其与肠道上皮细胞的结合。另一些母乳低聚糖则直接结合到肠道上皮细胞表面受体上，阻止病原菌的结合，从而防止感染的发生。母乳低聚糖组成的差异也会影响母乳的保护作用。母乳中含有较高水平的α-1,2-岩藻糖基化聚糖，可降低母乳喂养婴儿中度至重度腹泻的风险。非分泌型母亲的母乳中缺少α-1,2-岩藻糖基化的母乳低聚糖，因此无法抵御一些结合α-1,2-岩藻糖上的肠道病原体，比如弯曲杆菌、产肠毒素大肠杆菌等等。
蛋白质：溶菌酶、乳铁蛋白和免疫球蛋白
母乳含有数百种不同的蛋白质，具有多种功能，包括提供营养、抗菌特性和免疫调节活性。糖基化的母乳蛋白，比如乳铁蛋白、溶菌酶、免疫球蛋白等，具有抵抗感染性微生物的作用，避免它们附着到肠道黏膜，促进共生菌的发育。乳铁蛋白和溶菌酶都是重要的抗菌蛋白，在人乳中含量较高，但在动物乳制品中含量不高。
乳铁蛋白是一种铁结合蛋白。乳铁蛋白通过将铁与致病菌隔离，为肠细胞保存了这种重要的营养物质。溶菌酶水解细菌的肽聚糖层，最终导致细菌细胞的裂解。目前缺乏这些单独的母乳成分在婴儿菌群中的作用的人体研究。然而，在仔猪模型中进行的研究显示，仅仅溶菌酶水平的变化就足以改变肠道菌群。研究人员给仔猪喂养表达人类溶菌酶的转基因山羊奶，其溶菌酶含量与人类母乳中的含量相当，结果发现仔猪肠道厚壁菌门的水平随着时间的推移而下降，而拟杆菌门的水平随着时间的推移而上升，与对照组的仔猪截然不同。随着含有溶菌酶的山羊奶的摄入，双歧杆菌科和乳杆菌科的有益细菌丰度增加，而与疾病相关的分枝杆菌科、链球菌科、弯曲杆菌科等细菌的丰度减少。
人体内源性免疫球蛋白A（IgA）的产生是在出生后的几个月才开始。因此，母乳中来自母体的分泌型IgA（sIgA）是新生儿体内IgA的唯一来源。IgA缺乏是人类最常见的原发性免疫缺陷。接受了母体sIgA的断奶小鼠与未接受sIgA的小鼠相比，肠道菌群存在显著差异，而且这些差异在小鼠成年后会被放大，这表明母乳中的IgA也可以塑造婴儿的肠道菌群组成。
脂肪
脂肪是母乳中最大的能量来源，主要由甘油三酯组成，约占脂肪组分的98%。剩余的脂肪主要包含二酰基甘油酯、单酰基甘油酯、游离脂肪酸、磷脂和胆固醇。
母乳也被证明具有一种脂质依赖的抗菌活性。婴儿肠道中的脂肪酶将母乳中的甘油三酯转化为脂肪酸和单甘油酯。特别是中链饱和脂肪酸和长链不饱和脂肪酸及其各自的单甘油酯似乎具有抗菌特性。
配方奶粉中添加的脂质也被证明能够灭活多种病原体，包括呼吸道合胞病毒、单纯疱疹病毒、流感嗜血杆菌和B组链球菌。
与婴儿配方奶粉相比，母乳喂养后在婴儿肠道内形成的脂肪水解产物的一个主要区别是中链脂肪酸浓度相对较高。研究表明，中链脂肪酸浓度的增加可导致乳杆菌和双歧杆菌属细菌相对丰度的显著增加。这表明，母乳脂肪水解产生的高浓度的中链脂肪酸可能对生命早期肠道菌群的建立有重要影响。
母乳菌群
母乳对婴儿菌群也有直接的影响，因为每毫升母乳中本身就含有约102-104个活性细菌。因此，纯母乳喂养的婴儿在哺乳期间每天可以摄入大量的细菌。
20世纪50年代和70年代进行的研究已经注意到母乳中存在活菌。随后，研究人员在母乳中培养出兼性厌氧的皮肤细菌，比如葡萄球菌属和链球菌属细菌，还培养出乳杆菌、肠球菌、肠杆菌以及专性厌氧的双歧杆菌等等。
随着测序技术的引入，人们发现人类母乳中的微生物多样性远远超出了预期，包括肠道相关专性厌氧菌，比如拟杆菌属和梭菌纲的细菌，其中栖粪杆菌属和罗斯氏菌属等产丁酸的细菌就是梭菌纲细菌，它们对于结肠健康非常重要。母乳菌群在哺乳过程中会逐渐发生变化，来源于乳管和皮肤的葡萄球菌属、链球菌属和乳杆菌属细菌在初乳中占主导地位，而六个月后在母乳中发现了更多的来自口腔的菌群，包括韦荣球菌属和普氏菌属细菌。母亲的肠道细菌可以通过上皮屏障进行易位，迁移到乳腺，然后在母乳喂养的新生儿肠道中定植。
因此，母乳可能直接促进了婴儿肠道菌群的发育，它们首先在婴儿肠道中播下细菌的种子，这些细菌随后进一步塑造婴儿肠道菌群。
辅食添加和断奶
断奶被认为是婴儿菌群发育的下一个关键时期，因为婴儿从完全以母乳为基础的饮食转向多种食物成分，从而使结肠微生物暴露在多种植物和动物来源的营养中。断奶的开始通常与肠道菌群多样性的增加有关，以双歧杆菌为主的肠道菌群逐渐被更复杂的微生物生态系统所取代，获得了更多能够降解植物和动物来源的碳水化合物的细菌。为此，能够降解植物纤维的细菌，比如瘤胃球菌，开始发挥独特的生态作用，因为这些关键物种产生大量的简单碳水化合物，从而促进许多其它微生物的生长。
对不同地域的人群的肠道菌群进行比较研究发现，富含植物纤维的饮食对肠道菌群有着显著的影响。与以高糖高脂高动物蛋白饮食为主的西方人群相比，以富含植物来源的碳水化合物的饮食为主的非西方人群的肠道菌群更加多样化。
有趣的是，一项比较生活在欧洲和非洲农村地区儿童肠道菌群的研究显示，这两个群体之间存在显著差异。然而，在仍然接受母乳喂养的儿童中，这些组间差异还并不明显，因此，停止母乳喂养和断奶后的饮食模式导致了肠道菌群的地域差异。
一项研究对14名婴儿出生后一年内的菌群发育进行了监测，发现随着婴儿年龄的增长，他们的菌群特征彼此之间越来越相似，且越来越接近成人的水平。虽然没有共同的发育模式，但是菌群结构往往在添加辅食以后发生剧烈的变化，这可能是导致婴儿菌群向成人菌群转变的原因。辅食的添加会显著降低双歧杆菌、肠杆菌、艰难梭菌和产气荚膜梭菌的比例，而球形梭菌和柔嫩梭菌的比例显著增加。
那么，停止母乳喂养和添加辅食到底哪个对婴儿菌群演替的影响更大呢？事实上，停止母乳喂养可能和添加辅食同样重要，甚至更加重要。一项双盲安慰剂对照试验比较了鱼油和葵花籽油的补充效果，以检验ω-3多不饱和脂肪酸对9-18月龄的婴儿粪便菌群的影响。结果发现，补充鱼油可以导致肠道菌群的变化，但是仅限于那些干预开始时已经停止母乳喂养的儿童。
婴儿在出生后的第一年，其肠道内的能量利用情况也截然不同。新生儿和4月龄的婴儿的肠道菌群富含降解母乳中的糖类所需的基因，而12月龄的婴儿肠道菌群富含降解更复杂的糖类和淀粉相关的基因。然而，由于辅食添加导致的肠道菌群组成的变化以及降解复杂碳水化合物的能力增加直到婴儿停止母乳喂养后才变得明显。因此，停止母乳喂养可能才是成年菌群发育的主要驱动力，而不是添加辅食。
总结
出生后，饮食是影响婴儿早期菌群成熟和多样化的主要因素之一。就婴儿菌群的建立而言，母乳是婴儿最好的营养选择。婴儿喂养方式以及随后辅食的添加都参与了菌群的塑造。与婴儿配方奶粉不同，母乳含有多种生物活性因子，可以促进婴儿肠道的发育和成熟。其中，母乳低聚糖、乳铁蛋白、溶菌酶、免疫球蛋白和脂类等都有助于母乳喂养婴儿的肠道菌群，这与配方奶粉喂养的婴儿肠道菌群明显不同。此外，母乳也含有自己的菌群，因此可能直接在婴儿的肠道内播下细菌的种子。母乳喂养儿童的肠道菌群多样性较低，其特征是双歧杆菌属和乳杆菌属细菌数量较多。另一方面，配方奶粉喂养的儿童的肠道菌群具有较高的多样性，拟杆菌属、梭菌纲和肠杆菌科细菌数量增加，包括机会致病菌艰难梭菌和大肠杆菌等。辅食的添加使婴儿肠道菌群接触到一系列全新的营养物质。因此，那些能够降解复杂糖类和淀粉的微生物大量繁殖，其菌群组成开始接近成人的水平。然而，目前关于婴儿喂养方式对肠道菌群发育的影响的认识大多数是来自于对纯母乳喂养和纯配方奶粉喂养的婴儿的比较研究。实际生活中，许多婴儿在出生后的几个月由于母乳缺乏或其它各种原因不得不开始接受混合喂养，混合喂养如何影响婴儿肠道菌群的发育还需要更进一步的研究。