综述 | Gastroenterology：儿童发育与微生物群：儿童时期肠道菌群在维持健康和疾病发展中的作用

编译：如风，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

肠道微生物组的组成对健康的影响贯穿产前到整个儿童期，许多疾病都与其生态失调有关。从出生到成年，肠道微生物群一直在变化，并且有几个因素影响着它的发展和组成。肠道微生物群的特征可以影响大脑、免疫系统和肺的发育，以及身体的生长发育。

我们回顾了肠道微生物群的发展，生态失调的主要因素，及微生物群与其他器官的相互作用。此外，肠道微生物群应该被看作是一个对儿童发育有重要影响的器官系统，其生态失调与儿童和成人期的疾病均有关，包括自闭症、注意缺陷多动障碍、哮喘和过敏。本文通过对儿童生命早期肠道菌群发育发展、生态失调，及其与身体各器官系统的相互作用进行综述，讨论生命早期微生物发展调节的关键窗口期，并提出了未来研究的新方向。对于促进理解生命早期肠道菌群定植与发展、研究与儿童期、成年期疾病关联的机制、开拓研究思路具有很高的参考价值。

论文ID

原名：Childhood Development and the Microbiome: The Intestinal Microbiota in Maintenance of Health and Development of Disease During Childhood Development

译名：儿童发育与微生物群：儿童时期肠道菌群在维持健康和疾病发展中的作用

期刊： Gastroenterology

IF：17.373

时间：2020.12.8

通讯作者：Erika C Claud

通讯作者单位：美国芝加哥大学儿科系

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主要内容

肠道微生物群在儿童生长发育过程中起着重要作用。童年期生长发育是指从出生到青春期结束之间发生的生理、心理和情感变化，有各阶段的特定特征，以确保发展轨迹符合目标，并可密切跟踪每个领域的发展。此外，人体生长发育的测定值通常遵循既定的生长曲线，即在每一次儿科就诊中，儿童的生长、粗大运动、精细运动、社交和情感、语言和认知的发展都被追踪。童年的发展可以分为四个不同的时期:婴儿期、学龄前、儿童期和青春期。无论是营养不良或肥胖、自闭症谱系障碍(ASD)的社会发育迟缓、食物过敏或哮喘等，此类偏离预设的特定阶段特征可能是疾病发展的早期迹象。对于这其中的每一个问题，肠道微生物群对其都有重要影响。肠道微生物群与儿童发育之间被提出的联系为改善健康预防提供了一个独特的机会，而健康预防正是儿科医学的基础所在。

环境影响微生物发展(图1)。然而，关于微生物组是否在出生前受到胎盘内微生物定植的影响，现有数据存在矛盾。人们一致认为，出生后微生物的定植量立即显著增加，其中初始定植是兼性厌氧菌，其次是专性厌氧菌，

图1 儿童期影响微生物群发育的因素。

对于足月婴儿，促进早期肠道定植的因素包括分娩方式和婴儿饮食。通过阴道分娩的婴儿具有母亲阴道的定植代表菌群，包括乳酸菌、普氏菌及Sneathia spp。 剖宫产婴儿的菌群定植更符合母亲的皮肤和口腔微生物群特点，如肠杆菌E. cancerogenus、副流感嗜血杆菌H. aegyptius/H.influenza/H. haemolyticus、葡萄球菌saprophyticus/S. lugdunensis/S. aureus、链球菌australis、韦荣球菌dispar/V. parvula。而剖宫产出生的婴儿错过了与母亲阴道内微生物的接触，一项研究表明，随着时间的推移，不论喂养方式如何，这些婴儿肠道内拟杆菌的丰度显著降低。通过剖腹产出生的婴儿也会绕开母亲粪便中的微生物，包括大肠杆菌/志贺氏菌，长双歧杆菌，粪肠球菌，脆弱拟杆菌，B. thetaiomomicron和Bilophila wadsworthia，这些微生物在阴道产婴儿的肠道微生物群中显著增加。此外，通过剖腹产出生的儿童在出生后的第一年因呼吸道感染而发生抗生素暴露更多。这是由于细菌获得的差异造成的。通过剖腹产出生的孩子，肠道菌群较不稳定，双歧杆菌延迟出现并且病原体丰度较高，一般来自克雷伯菌属和肠球菌属。而这些类群特别被认为与出生后一年内呼吸道感染的高发有关。

婴儿饮食也会影响微生物群的发育。母乳喂养婴儿的微生物群主要由乳酸菌、葡萄球菌和双歧杆菌组成，而配方喂养的婴儿的微生物群与玫瑰菌、梭菌和厌氧菌一致。母乳喂养的停止会引起菌群的显著改变。停止母乳喂养的一岁婴儿的微生物群会演化成更像成年人的微生物群，由降解膳食纤维和产生短链脂肪酸的微生物组成。配方奶喂养婴儿的微生物群向成年人菌群成熟得更快，而且已经被证明有更多与炎症相关的微生物存在。

对于早产儿来说，微生物组的发育主要是由胎龄决定的，所有婴儿都会出现从杆菌到伽马变形杆菌再到梭状芽孢杆菌的发展，但进展的速度有所不同。早产儿定植菌群主要是肠杆菌、葡萄球菌和肠球菌，而足月婴儿的定植主要是拟杆菌、双歧杆菌、副拟杆菌和大肠杆菌。

婴儿的新生儿微生物群在出生后一年内成熟为一个更复杂的微生物群。影响这个阶段的其他因素包括使用抗生素治疗、孩子是否有兄弟姐妹、或与家庭宠物接触等。

在人类肠道内发现的微生物群有许多重要的功能。除了细菌间的交流外，这些菌群还以许多重要的方式与宿主相互作用。肠道微生物群的功能是提供必需营养素、将膳食纤维代谢为短链脂肪酸、培养宿主的免疫系统，并产生生物活性神经递质，如-氨基丁酸(GABA)、色氨酸代谢物和组胺。

下面，我们将进一步详细讨论肠道微生物组的这些方面，以及它们在生物学和儿童疾病中的作用。

1 微生物群与身体生长

肠道微生物群在调节从营养物质中获取能量、生长激素信号和预防病原体定植方面发挥着关键作用。有人提出，扰乱肠道微生物群的发展，特别是在生命的头两年，会影响整个生长轨迹。

研究人员在早产儿中进行了微生物组和正常体重增加及身长生长参数的作用研究。Lu等人为证明微生物对生长发育的重要性，对生长良好(按体重计算)的早产鼠进行转宿将其变成无菌鼠，其幼鼠具有良好的生长表型。相反，生长不良早产鼠的微生物组在转宿后幼鼠生长不良，而这种生长不良与炎症增加有关。

微生物组对体重和生长影响的进一步研究可以从涉及超重和体重不足的受试者研究中推断出来。对小鼠模型的研究表明，与接受瘦人受试者粪便物质相比，从肥胖受试者(人类或小鼠)移植粪便物质会导致全身脂肪增加。肥胖个体的微生物群特别善于通过发酵膳食多糖来获取能量，通常不被宿主消化。由此产生的肠道对单糖和短链脂肪酸的吸收导致更复杂的脂质在肝脏的转化增加，进而刺激脂肪细胞的沉积。生物失调与短链脂肪酸增加、肥胖和其他代谢变化有关，但短链脂肪酸与肥胖之间的关系仍在探索中。

早期接触抗生素已被证明会改变肠道微生物群的组成和代谢活性，并与脂肪组织、代谢激素水平和短链脂肪酸水平的增加有关。同时，也有研究调查肠道微生物组对营养不良和生长不良的影响，单靠饮食干预并不能有效纠正营养不良者的体重，近年来，肠道微生物群被认为是生长轨迹的关键组成部分。

此外，肠道病毒组也可能在生长和营养不良中发挥作用。病毒组与婴儿及其肠道细菌微生物群同时发育。Reyes等人对健康的马拉维双胞胎和与Kwasiorker不一致的双胞胎进行了一项研究，发现SAM双胞胎的微生物群中存在指环病毒Anelloviridae和圆环病毒Circoviridae，尽管影响尚不清楚。

2 中枢神经系统的发展

肠脑轴这一理论在文献中很早即被提出，认为通信模型是双向的，自上而下的信号来自大脑，通过迷走神经的传入纤维影响胃肠道的运动、感觉和分泌功能。自下而上的交流通过传出的迷走神经纤维影响大脑的功能，特别是杏仁核和下丘脑。生物活性代谢物是由肠道微生物群产生的，具有神经递质的功能。血清素、多巴胺、去甲肾上腺素、乙酰胆碱和GABA是由肠道微生物产生的。小胶质细胞在产前和出生后持续到青春期的神经发育中都是不可或缺的，小胶质细胞是常驻中枢神经系统的巨噬细胞，在先天免疫和神经保护、吞噬细胞碎片和突触修剪等方面发挥重要作用，它们可引发与全身炎症协调的神经炎症。

随着时间的推移，神经系统的发展与微生物组的发展同步（图2）。神经元迁移和神经发生发生在胎儿发育期间，而胶质发生、突触发生、髓鞘形成和突触修剪持续贯穿于儿童时期，直至成年。在整个儿童时期，这种持续的神经元发育允许各种因素影响发育轨迹，其中一个因素就是肠道微生物群。Lu等人发现，与生长正常的供体相比，无菌小鼠在接种NICU发育不良早产儿粪便物质时，在神经元分化、少突胶质细胞分化和髓鞘形成方面表现出大脑延迟发育。来自低生长婴儿的微生物群也会导致神经递质通路的改变、神经炎症的增加和IGF-1水平的降低。

图2 儿童时期的神经发育和微生物群发育。

对无菌小鼠的进一步研究表明，与正常小鼠相比，无菌小鼠的运动功能障碍增加，并缺乏适当的类似焦虑的行为，无菌小鼠经免疫组化染色发现，神经递质增加与情境适当焦虑的减少有关，多巴胺受体增加。这些运动功能和行为异常可通过早期暴露于肠道微生物群而得到预防，这进一步暗示了大脑发育的一个关键窗口。无菌动物模型和早期接触抗生素的动物模型都表明，生态失调会损害跨物种的社会发展。

有建议认为，菌群失调可能在神经发育障碍和神经精神疾病的病因学和发展中发挥作用。在对人类的研究中，菌群失调与注意缺陷多动障碍有关，注意缺陷多动障碍(ADHD)，即在接受和表达语言领域的认知表现较低，对恐惧反应和对立行为增加。

自闭症谱系障碍(ASD)是一种特殊的儿童期疾病，其特征是与微生物群有关的社会和沟通异常。自闭症儿童的微生物群中存在较高水平的拟杆菌门和较低水平的厚壁菌门。在迟发性自闭症儿童的粪便中发现梭状芽孢杆菌的数量也有所增加，先前的研究报道了多巴胺、血清素和去甲肾上腺素失调的机制。Sharon等人证明，接受ASD人类捐赠者粪便物移植的无菌小鼠表现出类似ASD的行为，而接受正常发育个体粪便移植的小鼠则没有任何变化。具有ASD样行为的小鼠的大脑中有几个与ASD相关的基因具有广泛的选择性拼接。肠道微生物群可能通过调节受体的表达参与中枢感知疼痛。对IBS和疼痛的研究发现，某些乳酸菌菌株改变了肠上皮细胞的mu-阿片受体和大麻素受体的表达，其效果类似于吗啡。人类研究表明，支持脑肠轴在自闭症病因学和治疗中很重要。

3 免疫系统的发展

免疫系统负责识别和响应无数的自我分子和非自我分子。作为接触非自我的最大表面积，肠道微生物群对这一功能至关重要。婴儿期和幼儿期是培养免疫系统和建立对共生生物的耐受性的关键时期，也是培养宿主抵御病原体的能力的关键时期。

婴儿最初主要受到先天免疫系统的保护，先天免疫系统以非特异性的方式控制着宿主和微生物组的相互作用。模式识别受体(PRRs)由宿主的先天免疫细胞如树突状细胞(DCs)、巨噬细胞和自然杀伤细胞(NK)表达，并识别微生物相关分子模式(MAMPS)。这种肠道细菌和人类的共生关系维持着体内平衡。MAMPs最初刺激先天细胞，并对其进行编程，使其对随后的致病接触产生非特异性反应。先天免疫系统的其他重要组成部分包括产生杀微生物多肽(如α-防御素)的Paneth细胞，产生粘蛋白以限制微生物和肠细胞之间的接触的杯状细胞，以及限制细菌穿过肠上皮屏障的转位的肠上皮细胞之间的紧密连接(IEC)。细胞因子也通过炎症小体、IL-22(维持粘膜屏障完整性)、IL-17(限制入侵)和IL-10(限制炎症和防止宿主损伤)提供保护。

肠道微生物群是构建肠道相关淋巴组织(GALTs)的关键，而GALTs是肠道粘膜防御的前沿防线。GALTs中的先天免疫细胞非特异性识别病原体，启动反应，并激活下游反应；它们在维持对共生菌群的免疫耐受方面也至关重要。肠道微生物组对于刺激B细胞产生IgA和记忆B细胞在GALT内形成也是必要的。无菌小鼠的实验研究已经证实了淋巴器官发育不全(脾脏、胸腺、淋巴结和GALT组织)，证实了微生物组在它们发育中的重要性。

对小鼠的研究进一步表明，肠道微生物组和发育中的胸腺之间存在着一种沟通。这个肠-胸腺通讯轴是由浆细胞样树突状细胞(pDCs)介导的。这些来自肠黏膜的抗原呈递细胞被认为携带细菌和细菌相关产物到次级淋巴组织，改变前体细胞T细胞的发育。

此外，母乳通过免疫球蛋白、微生物和益生元的被动传播，为婴儿提供了重要的初始免疫保护。当婴儿开始吃固体食物时，微生物群就会向成人进化。断奶时肠道微生物群的变化对免疫系统的发育至关重要，而此时启动对共生细菌的免疫耐受可能更为有效。过敏和哮喘与肠道微生物群的变化有关。关于早期微生物暴露塑造免疫发展的第一个建议是卫生假说。这一假说最初认为，如果生命早期的感染受到限制，自然免疫系统就不能充分发育，从而导致过敏疾病。

在无菌动物中，辅助T细胞的数量从负责细胞介导免疫和宿主防御细胞内病毒和细菌病原体的T辅助1细胞(Th-1)到负责宿主防御蠕虫和组织修复的T辅助2细胞(Th-2)发生了倾斜，这会导致过敏和哮喘的发展。此外，动物模型显示无菌小鼠产生了高水平的IgE，这也与过敏反应有关。尽管无菌动物模型证明了在关键时间点微生物定植有限的后果，但潜在的临床相关性是人类婴儿早期暴露于抗生素也限制了微生物在关键时间点的定植。

 

4 肺发育及其功能

小鼠和人类模型中都证实了肠-肺轴的存在，观察到肺部疾病可以受到肠道微生物群变化的影响，反之亦然。用脂多糖刺激小鼠肺导致肠道内细菌数量显著增加。此外，肺炎可引起肠道损伤，减少肠道上皮细胞增殖，而来自肠道微生物群的短链脂肪酸可能在肝脏介导的机制下对肺部炎症有抑制作用。

功能诱导型支气管相关淋巴组织(iBALT)和GALT在结构和功能上相似。两者的主要功能都是产生和分泌IgA在粘膜表面，影响Th和细胞毒性T细胞反应，并影响B细胞向浆细胞转化，但这种交流发生的机制尚不清楚。研究最多的与肠肺轴有关的疾病状态是哮喘，即最常见的儿童疾病。一项研究回顾了两种美国农业人口（阿米什人和哈特人）的生活方式，揭示了阿米什人哮喘的患病率较低，那里的儿童通过与农场动物接触接触了更多的微生物。

此外，在研究短链脂肪酸与人类气道炎症关系的研究中，我们注意到1岁时高剂量丁酸盐和丙酸盐的儿童过敏性反应明显减少，总体上患哮喘的可能性更低。在小鼠模型中，短链脂肪酸改变基因表达，导致Treg数量的扩大和IL-10的产生，而在过敏性哮喘小鼠模型中观察到气道炎症的减少。人类肠道微生物群已经被证明可以产生促进或抑制炎症的其他代谢物，如生物胺或氧磷脂，与健康志愿者相比，哮喘患者的粪便样本中有更多的组胺分泌菌。

虽然细菌是微生物组中最常被研究的组成部分，但也有越来越多的研究在研究真菌的失衡及其对疾病发展的影响。目前还不清楚真菌是永久的殖民者，还是由于食物或口腔来源的接种造成的短暂变化，但它们仍然有能力改变肠道生态系统和随后的宿主反应。最近在美国和厄瓜多尔进行的两项研究指出，真菌失调是婴儿肠道微生物群的一个特征，与儿童哮喘的发展有关。需要更多的研究来进一步阐明这些联系背后的机制。

5 结论

肠道微生物群在人类的发育和持续的稳态中起着至关重要的作用，是许多不同功能轴的基础部分(图3)。我们提出，肠道微生物组实际上是一个具有多种功能的器官系统，对人类的发展至关重要。此外，我们支持提出的假说，即存在一个微生物群调节发育的关键窗口，在此窗口之后影响最小。Buffington等人注意到，无菌啮齿动物在不同年龄重新进入“正常”微生物群时，对无菌缺陷有不同的反应。事实上，在断奶时接触“正常”微生物群可逆转社会性缺陷，但在断奶后4周不能。这个敏感时期假说得到了Slykerman等人的进一步支持，即证明了在生命的第一年而不是之后，接触抗生素对认知发展有负面影响。

图3 从肠道微生物群到影响儿童健康和疾病的各种器官系统所提出的双向和单向机制。

6 未来方向

微生物组的研究相对较新，主要集中在细菌分类群，然而，如上所述，微生物组也包括病毒组和真菌组。随着新技术的发展和基因数据库的增加，继续研究阐明两者的贡献将是至关重要的。虽然这篇综述的重点是讨论肠道微生物组与儿童发育的相互作用的现有数据，但不可忽视的是，该领域正迅速转向集成的多组学和精准医学模型。

未来需要对肠道微生物组变化的组成和影响进行临床研究，最好是对大量健康儿童和患有不同疾病的儿童进行研究。我们对微生物组的功能以及肠道失调与儿童疾病发展之间的相互作用尚未研究清楚。此外，还需要进一步了解各种微生物群及其成分——细菌、病毒和真菌之间的联系，其中，识别有损生长发育带来的偏差可能有助于微生物基础疗法的重要发展。

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