母婴健康系列七：肠道菌群与婴儿免疫发育
肠道菌群深刻地影响着宿主的生理机能，现代全球生态变化也在扰乱着我们体内的微生物生态系统。微生物群为免疫系统的发育和功能提供了重要的信号。哺乳动物的肠道是地球上细菌密度最高的生态场所，这种复杂的生态系统为黏膜屏障功能的充分建立和先天性与适应性免疫系统平衡发育提供了信号。现代的生活方式和生物多样性的下降减少了我们与微生物接触的机会，这被认为是导致出生后免疫发育异常和免疫介导的疾病日益流行的一个主要因素。生命早期是免疫成熟的关键时期，这一时期的微生物暴露似乎对免疫介导的疾病的发生有着长远的影响。孕妇孕期的微生物环境也可能对婴儿的免疫发育产生重要影响。今天，我们将探讨生命早期的肠道菌群与宿主免疫系统的相互作用。更深入的了解发育中的婴儿肠道菌群与免疫系统之间复杂相互作用，对于制定促进儿童健康和预防免疫介导疾病发生的战略具有重要意义。
肠道菌群与免疫系统共同进化
没有一种动物是独立于微生物而进化的。在地球的大部分历史中，微生物是地球上唯一的生命形式，多细胞生命出现在一个由原核生物主宰的世界。动物宿主和微生物之间亲密、复杂和动态的相互作用深刻地影响了动物的进化，现在依然是如此。微生物与脊椎动物共同进化的近5亿年，形成了微生物与免疫系统的互惠关系。然而，我们现代富裕的生活方式和日益下降的生物多样性减少了我们与微生物接触的机会，导致我们建立了一个与祖先截然不同的微生物群落。
免疫系统在宿主和微生物共生体之间形成稳态，形成互惠互利的伙伴关系。对于那些对宿主提供消化和保护作用的微生物，免疫系统给予庇护；而对于微生物的致病和入侵行为，免疫系统予以清除。我们的免疫系统似乎在进化过程中既保护了有益微生物，也避开了病原体。在脊椎动物中，适应性免疫系统具有识别和记忆有益和致病性微生物的能力以及抑制和促进先天性炎症的能力，适应性免疫系统的进化为宿主与日益复杂的微生物群落建立更复杂的关系提供了机会。哺乳动物的肠道是地球上细菌密度最高的生态场所。来自这个复杂生态系统的微生物与免疫细胞的相遇，可能在发育的关键时期对免疫成熟产生深远的影响。
宿主与微生物的第一次相遇
宿主与微生物的第一次相遇发生在子宫？
通常我们认为子宫是无菌的，宫内感染可能导致早产，子宫内任何微生物的存在都被认为对胎儿有危险。但是，新的数据表明，微生物与宿主之间的第一次相遇可能就发生在子宫。研究发现，在健康状态下，胎盘上也有一个小小的微生物群落。此外，在羊水、脐带和胎粪中也检测到了细菌DNA。深度测序显示，正常健康的足月妊娠的孕妇胎盘菌群主要由厚壁菌门、软壁菌门、变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和梭杆菌门的非致病性细菌组成，虽然细菌数量较少，但是代谢却十分旺盛。因此，胎儿在妊娠期间可能与微生物直接接触。将母体细菌成分直接呈现给胎儿被认为是免疫印迹的一种潜在途径，这可能在某种程度上为阴道分娩和哺乳期间更多的细菌转移做好准备。因为研究发现，仅仅在怀孕期间将无菌小鼠暴露于细菌环境中，会增加子代肠道中先天淋巴细胞和单核细胞的数量。
产前微生物暴露会影响免疫发育吗？
产前暴露于母体微生物是否也能够对人类产生免疫调节作用呢？答案似乎是肯定的。研究发现，孕妇在怀孕期间生活在农场环境比仅仅在产后生活在农场环境对过敏和疾病具有更强的保护作用。早在妊娠10-12周就可以在人类胎儿的外周组织中发现成熟的T细胞。发育中的人淋巴结在妊娠中期含有B淋巴细胞和T淋巴细胞，妊娠中期出现淋巴滤泡，在出生前出现淋巴母细胞中心。人类大约在妊娠14周时出现肠道B细胞，而在妊娠12-14周时可以识别出肠道T细胞。这一阶段人类肠系膜淋巴结中也发现了具有功能活性的调节性T细胞。在出生时，多达5-10%的新生儿T细胞分化为记忆细胞或效应细胞，表明它们在子宫内已经激活，这可能至少部分是由于母体微生物诱导的胎儿免疫启动。
胎盘菌群的可能来源
通过深度测序，将胎盘菌群组成与口腔、皮肤、鼻腔、阴道和肠道菌群进行比较，发现胎盘菌群与口腔菌群的关系最为密切。因此，人们猜测，胎盘微生物可能部分是由口腔微生物的血源性传播建立的。另一种假设认为，母体细菌通过胃肠道转移到子宫内的胎儿，因为在妊娠期间，肠道细菌向肠系膜淋巴结的易位增加。
微生物在分娩过程中从母亲传给后代
母亲的阴道和肠道微生物向新生儿的垂直传递发生在阴道分娩期间。现在，全球范围内剖宫产的比例越来越高，这破坏了母亲菌群转移到婴儿的过程，可能会增加过敏和其他免疫介导疾病的发生风险。但是，由于抗生素、抗菌剂、家庭规模缩小等因素的存在，即使是阴道分娩，母体菌群向下一代垂直传递的可能性也降低了。母体阴道和肠道细菌在婴儿早期肠道定植具有重要意义。剖宫产分娩与儿童肠道菌群的持续变化有关，这一变化可能持续到1-2岁，少数研究表明到7岁时也能发现微小的差异。剖宫产分娩对婴儿肠道微生态的破坏包括参与免疫调节的拟杆菌属细菌的丰度减少，拟杆菌门细菌的多样性降低。剖宫产分娩的婴儿肠道中艰难梭菌的定植也增加，这是一种机会致病菌，当肠道有益菌减少时就会大量繁殖。
婴儿期的肠道细菌与免疫系统的相互作用
产后免疫成熟
先天性免疫系统和适应性免疫系统的功能在出生时尚未发育完全。最初，婴儿的保护作用一方面来自于母体IgG向胎盘的转移，另一方面来自于母乳中分泌的IgA。婴儿自身的适应性免疫能力在婴儿期逐渐成熟，同时肠道菌群的建立也变得越来越复杂。肠道菌群是宿主微生物刺激的最重要来源，可能为产后先天性免疫系统和适应性免疫系统的发育成熟提供主要信号。黏膜免疫系统通过直接与微生物和无害的环境抗原相互作用，在这一发育过程中发挥核心作用，同时保护机体免受外部环境和病原体的侵害。调节T细胞在婴儿期存在于淋巴组织和黏膜组织中，而功能性记忆T细胞的分化发生在某些黏膜部位，比如肺和肠。
产后黏膜免疫系统的成熟
出生后的微生物定植需要黏膜屏障的有效建立。连接相邻肠道上皮细胞的紧密连接、产黏蛋白的杯状细胞形成的顶端黏液层、帕内特细胞分泌的广谱靶向抗菌蛋白以及分泌型IgA抗体的胞吞作用有助于肠道上皮屏障功能。人类新生儿在出生后的第一个月，胃肠道黏膜的通透性下降，在婴儿期肠道屏障功能持续增加。出生后微生物的定植对建立和调节适当的上皮屏障功能是至关重要的。这些屏障调节作用可以通过微生物模式识别受体和微生物代谢物（比如短链脂肪酸），也可以通过促进黏膜免疫系统的发育，直接作用于上皮细胞。
无菌小鼠的免疫发育
无菌小鼠出生和生长在无菌环境中，表现出肠道相关淋巴组织的发育缺陷；与正常小鼠相比，无菌小鼠的派尔集合淋巴结和肠系膜淋巴结更少更小，孤立淋巴滤泡的发育和成熟受损，固有层中分泌IgA的浆细胞非常少。无菌小鼠中也观察到全身免疫紊乱，包括脾脏中的淋巴母细胞中心较少，脾脏辅助T细胞数量减少，Th2细胞因子产生过度。
产后微生物定植和分泌型IgA的产生
给无菌动物定植微生物以后，免疫发育的一些缺陷得到恢复，比如：肠道淋巴结构和肠系膜淋巴结大小得以恢复，分泌型IgA的产生也趋于正常。虽然我们不可能在人类身上进行类似的研究，但是产后微生物的定植似乎在推动黏膜IgA反应的成熟方面很重要。固有层IgA阳性细胞的出现和出生后分泌型IgA水平的迅速增加，很可能主要是由于共生细菌在黏膜表面的定植。在人类肠道中，IgA阳性的浆细胞数量少与IgA诱导的细胞因子APRIL的低表达有关，直到一月龄时，IgA阳性的浆细胞和APRIL才同时出现。肠道内IgA阳性的浆细胞的产生在两岁时接近但仍未达到成人水平。肠道黏膜IgA对婴儿期各种细菌类群的变化作出反应。围产期补充益生菌和益生元6个月可增加婴儿粪便IgA的水平。在出生后1周、1个月和2个月收集的粪便样本中双歧杆菌物种的多样性增加，与6月龄时唾液分泌型IgA水平的增加有关。肠道中乳杆菌和真杆菌较少而艰难梭菌较多的婴儿，唾液分泌型IgA系统成熟较慢。当肠道有益菌减少，艰难梭菌就可能大规模扩张，表明肠道菌群生态受到了干扰，这些婴儿发生过敏的风险也更高。分泌型IgA对于黏膜屏障功能的适当发育非常重要：生命早期低水平的唾液和肠道分泌型IgA与过敏风险的增加有关；生命的前七年，IgA对肠道菌群的异常反应先于哮喘和过敏的发生。
细菌菌株依赖性的黏膜免疫调节作用
在小鼠中，某些菌株具有强大的免疫调节作用。比如，给无菌小鼠单一定植分节丝状菌，它们紧紧地附着在回肠末端上皮细胞表面，可以诱导肠道孤立淋巴滤泡和三级淋巴组织的发育，并显著增加固有层Th17细胞的数量。然而，给无菌小鼠定植来自大鼠或人类的菌群则不能诱导Th17细胞的变化。虽然大鼠的菌群中也含有分节丝状菌，但是它们不能在小鼠中定殖，只有来自小鼠肠道的分节丝状菌可以，这表明宿主特异性的细菌菌株在黏膜免疫调节中的重要性。
给无菌小鼠重新定植肠道菌群以后，结肠调节T细胞的数量和功能增强。肠道微生物产生的短链脂肪酸丁酸和丙酸也能刺激外周调节T细胞的产生。给无菌小鼠单一定植产多糖A（PSA）的脆弱拟杆菌，可以增加结肠调节T细胞产IL-10的能力，并诱导IL-10的产生。
因此，新生儿免疫系统的发育成熟需要获得来自微生物的各种不同的发育信号。这些微生物发育信号的适当时机是免疫系统最佳发育所必需的。无菌小鼠的免疫异常只有动物在围产期被共生微生物定植才能得以逆转，而后期的定植往往不能达到这种效果。所以生命早期肠道菌群的正常发育对于免疫系统的正常发育是至关重要的，生命早期肠道菌群的紊乱可能导致免疫发育异常，进而导致生命后期许多疾病的发生。
早期微生物暴露与免疫介导疾病的发生
生命早期是免疫系统发育的关键时期，这一关键时期所发生的早期生活事件可能对免疫介导疾病的发生产生长远的影响。那些患有过敏性疾病的儿童在出生后的第一个月里，其肠道菌群的组成和多样性与没有过敏性疾病的儿童明显不同。在正常的黏膜免疫和系统免疫成熟的过程中，建立一个多样化的肠道菌群和反复接触新的细菌抗原，可能比特定的微生物分布更加重要。产前微生物暴露也可能塑造免疫发育轨迹。因此，孕妇在怀孕期间生活在农场环境中比仅仅在产后生活在农场环境对过敏和疾病具有更强的保护作用。重要的是，过敏干预研究也表明，产前和产后补充益生菌对预防婴儿湿疹的效果很重要。进一步了解母婴菌群与人类免疫之间的复杂相互作用，对于预防许多免疫相关疾病的发生至关重要。
结论
婴儿出生时免疫系统发育尚不完善，肠道菌群是最重要的微生物刺激来源，它是驱动出生后免疫系统发育成熟和诱导免疫反应平衡的基本因素。肠道菌群既可对先天性免疫反应，又可对适应性免疫反应；既可对黏膜免疫系统，又可对全身免疫系统发挥作用。肠道菌群对免疫系统的作用具有一定的年龄依赖性，生命早期尤为重要，可能对以后许多免疫反应结局起决定性作用。婴儿期肠道菌群的定植不当可能影响免疫系统的正常发育，对未来的健康产生终生影响。母亲在怀孕期间和哺乳期间的放纵和不健康的生活方式，母亲为了避免分娩的痛苦而选择剖宫产，母亲因担心自己的身材而拒绝母乳喂养，过于接近的生活和过度使用抗菌产品，都可能影响婴儿早期肠道细菌的定植，最终都可能以某种或大或小的方式报复在孩子身上，无疑也会对自己未来的生活造成很大的负担。守护孩子的童年，最重要的是守护好孩子的肠道菌群，这将是给孩子一生最好的礼物。