科研 | 抗生素、分娩方式和饮食结构塑造生命早期微生物的成熟
本文由李红霞编译，董小橙、江舜尧编辑。
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生命早期肠道微生物群的形成与寄主生长及免疫发展密切相关。肠道微生物群调节寄主代谢和免疫功能，最终在寄主生命过程中扮演重要的角色。儿童微生物群建立的延迟或改变，称为微生物群的不成熟，与儿童的哮喘和营养失调有关。微生物群失调的原因，是否与其他个体存在一致性还不明确，但是微生物群与寄主的生活相关。
世界上大部分地区的儿童均使用过抗生素，但是抗生素对微生物成熟和人类健康的影响研究较少。在美国，2岁的儿童平均使用3种抗生素，10岁的儿童抗生素使用量达10种。抗生素直接干扰肠道微生物的组成，导致微生物群的改变，但是这些改变对寄主生理情况的影响并不明确。抗生素的使用增加了肥胖、糖尿病、免疫疾病、哮喘、过敏发生的风险。之前有报道称抗生素导致大鼠肥胖的增加，抗生素的使用影响寄主代谢，肠道菌群对寄主的生理功能有调节作用。
在其他方面，比如分娩方式、婴儿的饮食同样影响生命早期的微生物群，与生命后期肥胖及其他健康有关。剖腹产与哮喘、过敏、Ⅰ型糖尿病、肥胖等的发生有关，可能与分娩时成熟微生物的减少有关。婴儿喂养方式同样影响肠道微生物，并可能影响免疫的发展和正常代谢。我们假设抗生素及其他干扰因素可能改变生命早期微生物，并成为影响健康的潜在因素。本研究选择43个美国新生婴儿为研究对象，检测婴儿0-2岁肠道微生物。评估分娩方式、人工喂养、抗生素对肠道微生物的影响，证明这些因素可能与健康风险存在联系。
论文ID
原名：Antibiotics, birth mode, and diet shape microbiome maturation during early life
译名：抗生素、分娩方式和饮食结构塑造生命早期微生物的成熟
期刊：Sci Transl Med.
IF：16.710
发表时间：2016年
通信作者：Martin J. Blaser
通信作者单位：纽约大学
实验设计
2011年至2014年，在纽约市健康怀孕的母亲中进行了一项由机构审查委员会批准的研究。通过微生物组测序分析从出生到3岁母体阴道、直肠、粪便标本及其婴儿粪便标本，主要分析生后的头2年的标本样品。获得了关于家庭环境、分娩方式、婴儿饮食和抗生素暴露对婴儿微生物群影响的信息。
实验内容
对43个0-2岁的婴儿进行了跟踪研究。收集婴儿的粪便样品，收集婴儿母亲分娩前后的粪便、阴道分泌物及肠内物质。图1显示0-2岁婴儿细菌的丰度。第一个月主要由兼性厌氧菌Enterobacteriaceae 组成，6-24个月逐渐被Clostridiales 取代，可能与饮食的改变有关。在出生前6个月无抗生素影响的条件下，分娩方式与饮食的不同，同样导致微生物群的不同。
图1 出生前2年微生物序列与饮食为变量条件下微生物的序列
1 抗生素暴露改变细菌多样性
为评估干扰因素对细菌多样性的影响，我们以细菌丰度和系统发育树的多样性为指标进行评估（见图2）。抗生素的使用减少出生婴儿系统发育树的多样性和丰富度，改变出生头一年细菌的增加率。但是，抗生素的使用对部分个体的α多样性无抑制现象。因此, 前两年的生活种，抗生素暴露改变α-多样性变化的轨迹,变化的过程不一致。
β-多样性用来评估组与组之间的差异，评价干扰因素如何影响微生物系统的组成与改变。抗生素的使用与否对微生物的影响存在统计学差异。证据表明抗生素的使用影响微生物的组成，但其影响作用较分娩方式的影响小。抗生素的使用与3-6月内Clostridiales和 Ruminococcus的缺陷有关，但其他微生物无一致性的变化（见图3）。
图2 抗生素暴露、分娩方式、饮食对生命前2年α-多样性的影响
图3 抗生素暴露改变细菌丰度
2 抗生素暴露延缓微生物的成熟
在生命的前2~3年，肠道菌群经历了一个逐渐变化的过程，虽然个体间存在较大的差异，但这些变化中任有很多相同的特征。健康儿童肠道微生物群成熟延迟反映了宿主生理的紊乱，暴露于抗生素的小鼠也发生同样的情况。因此，我们研究抗生素暴露是否同其他因素一样可以延缓微生物群的成熟。图4中22个关键OUT作为微生物群成熟的标志物，能够最大程度的解释微生物群成熟的变化。抗生素暴露组儿童与非抗生素暴露组相比，微生物的成熟有延迟。微生物群成熟延迟是由于缺少几个特定的物种，如：Enterobacteriaceae、Lachnospiraceae、Erysipelotrichaceae。抗生素的使用延缓了微生物的成熟。
图4 抗生素暴露延缓早期微生物的成熟
3 分娩方式改变了肠道菌群的多样性
第一个主要的微生物接触是在产道中，这对于建立早期微生物群具有重要的意义。剖腹产影响了这一过程，我们以此为研究对象，调查分娩方式对微生物群成熟的影响。
与阴道分娩方式相比，剖腹产出生婴儿的肠道微生物丰度和系统进化树的多样性发生了改变。是否β-多样性也存在一定的改变呢？婴儿第一次排便的β-多样性非常低，差异不明显，说明初生婴儿肠道中定植的细菌相类似。此后，剖腹产出生婴儿与阴道产婴儿相比，β-多样性发生了改变。Bacteroides 在剖腹产婴儿中显著减少。12个月之后，占主导地位的Bacteroides、Bifidobacterium、Enterobacteriaceae逐渐被Firmicutes代替。剖腹产婴儿中Clostridiales 、Enterobacteriaceae的丰度较高，填补了Bacteroidales的空白（图5）。我们使用之前描述的方法，验证剖腹产婴儿与阴道分娩婴儿微生物成熟的差异，发现在前6个月中，并无差异，但是，随后剖腹产婴儿微生物的成熟停止，差异产生。
图5 分娩方式改变微生物多样性和组成
4 婴儿饮食对微生物的影响
在研究期间对婴儿营养进行常规调查，记录母乳或配方奶喂养的程度，以及固体食物引入的时间。我们比较了两个主要的饮食组，这两个组很好地描述了的饮食变化:婴儿在出生后3个月主要是母乳喂养(＞50%的喂养)或主要是配方奶喂养。以系统发育树多样性与细菌丰度为指标进行检测。人工喂养改变了β-多样性，并且12-24个月微生物成熟程度降低。母乳喂养的婴儿中Lactobacillus、Staphylococcus、Megasphaera、Actinobacteria 的丰度较高，剖腹产婴儿中Clostridiales、Proteobacteria较高。
5 母体细菌在早期就定值于婴儿肠道中
通过产道、母乳喂养、皮肤接触等方式，母亲的微生物定植于婴儿的肠道中，成为婴儿早期微生物的组成。然而，母亲自身微生物群对婴儿的影响是动态的，哪个部位对婴儿微生物群的影响更加显著也不明确。我们分析了产妇出生前后肠道样品、阴道样品和粪便样本的微生物区系。探讨在出生模式下，母子和非亲缘个体之间的微生物关系。
网络分析（Network analysis）探讨样品与OTUs之间的关系，婴儿早期微生物与母体肠道微生物及阴道微生物有关，2年后，婴儿微生物群类似于母体粪便微生物。婴儿粪便中主要由Bacteroidales、Clostridiales、Enterobacteriales、Bifidobacteriales，刚开始与母亲阴道微生物聚在一起，12个月以后与粪便微生物聚在一起。然而，在所有年龄段，儿童粪便微生物区系与母亲阴道微生物区系的相似程度低于母亲的直肠和粪便微生物区系。在剖宫产的婴儿中，母亲阴道微生物与其孩子的粪便微生物之间的差异明显大于阴道出生的母子。Bacteriodes和Bifidobacterium两个重要的属，在剖腹产婴儿中较少（图6）。
成人与儿童微生物间，身体不同部位间微生物的差异较大，共享OUT是评价微生物共有的方法。拥有共享OUT的样本关系更加密切，他们之间有微生物的传递或共同的外部来源。相对无亲缘关系的样本，有亲缘关系的母子样本会有更多OUT的共享。随着时间的推移，儿童粪便OTU增加，到3岁是接近母亲OUT。在3岁时婴儿α-多样性接近成人水平，β-多样性差异降低。但是共享OUT任然较低的，说明即使微生物群成熟，微生物之间也存在个体差异。
随着年龄增加和样品数的增多，个体间共享OUT差异减少，在出生的前2年，微生物之间存在动态的变化。随着取样时间的增加，样品间共享OUT减少，同样能够说明微生物之间存在动态的变化。随着孩子年龄的增加，孩子与母亲之间共享肠道微生物的数量增加，不管他门之间是否存在血缘关系。有亲缘关系的母子间共享微生物更多。阴道分娩则母子之间共享有更多的微生物。说明OUT共享与取样时间间隔有关，微生物存在动态的变化（图7）。
图6 样本间关系的双向网络比较图
图7 共享OTU揭示了母亲和儿童之间微生物的亲缘关系
结 论
出生初期是微生物与人体生存状态建立和发展的关键时期。抗生素暴露、分娩方式、饮食等干扰生命早期微生物的建立，影响人体后期的健康状况。
评 论
本研究采用微生物组测序方法对样品进行了检测，实验设计完美，证据充足，实验结果可靠，结论合理，为研究微生物群与人体健康提供有价值的参考依据。
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