【儿科每日一文】专家笔谈丨婴儿肠道菌群的建立和发育

电子科技大学附属妇女儿童医院儿童消化科 熊励晶

四川大学华西第二医院儿童保健科 毛萌

肠道是人体中微生物聚集的主要部位之一，肠道中的微生物总称为肠道菌群。人体肠道菌群来源于细菌、古菌、真核生物，同时也包括了病毒，由此建立起一个与宿主共生与寄生的复杂的相互作用网络，与儿童免疫系统和器官发育以及疾病和健康密切相关^[1]。

肠道菌群群落可大致分为3类^[2]：(1) 与宿主共生的生理性细菌为专性厌氧菌，是肠道的优势菌群，如双歧杆菌、类杆菌、优杆菌和消化球菌等，是膜菌群的主要构成者，具有营养及免疫调节作用；(2) 与宿主共栖的条件致病菌以兼性需氧菌为主，为肠道非优势菌群，如肠球菌和肠杆菌，在肠道微生态平衡时是无害的，而在特定条件下具有侵袭性，对人体有害；(3) 病原菌大多为过路菌，长期定植的机会少，在生态平衡时，这些菌数量少，不会致病，但如果数量超出正常水平则可引起人体发病，如变形杆菌、假单胞菌和韦氏梭菌等。肠道菌群的组成受到肠内环境因素的影响，如pH值、氧含量、氧化还原状态、肠内营养、水和温度等^[3]。

婴儿肠道菌群处于定植的早期，处于动态变化和不稳定的状态中，容易受到影响，直至2～3岁整个菌群才趋于稳定，其构成类似于成人。在这一动态变化时期，菌群与宿主相互作用。肠道菌群定植后可作为一种抗原刺激，促进肠道和免疫系统的发育，而机体一些器官功能的成熟与未来某些疾病的发生相关。

一、婴儿肠道菌群的定植

出生后早期肠道菌群的建立可被视为复杂的微生物群落在多种环境因素和宿主因素的影响下，从新构建和定植的过程。既往概念认为，宫内属于“无菌”环境，因此肠道细菌的进入和定植从出生时刻暴露于母体和环境菌群开始。然而，随着人体菌群研究的进展，特别是方法学的进步，使用以基因检测为基础的手段，识别了许多以往无法培养的微生物。研究者在健康足月妊娠分娩后的胎盘^[4]、脐带^[5]、羊水^[6]和胎粪^[7]中均检测到菌群的存在，由此挑战了既往“宫内无菌”的理论，从而推测肠道菌群的建立可能从分娩前即开始，而最早进入肠道进行定植的菌群可能来源于母体的宫内菌群，但对于“宫内定植”理论还需要通过设计严谨的研究予以证实。目前，学界仍然承认肠道菌群的定植发生于出生时刻。

由于菌群进入机体发生于出生时，定植发生于出生后早期，因此不同的分娩方式决定了最初定植的菌群，同时不同的喂养方式，决定了进入肠道菌群的种类，最终建立起不同的菌群结构、菌群多样性和菌群丰度。母体菌群是肠道菌群的重要来源之一。

二、早期肠道菌群发育的主要影响因素

肠道菌群的建立和发展从出生起贯穿整个儿童期直至成人，整个发展和成熟的过程是动态且非随机的，是关键肠道群落之间相关作用的结果^[8,9]，共分为3个阶段，即胎儿期、婴儿期、幼儿及儿童期。在此过程中，肠道菌群的建立和发展受到多种因素的影响：(1) 围生期因素，包括分娩方式、喂养方式、抗生素暴露；(2) 饮食因素；(3) 母体因素，包括母亲年龄、健康和代谢状态；(4) 遗传背景；(5) 生活方式及环境因素。每一时期由于所处的生理状态和环境不同，关键因素存在一定的差异。胎儿及新生儿期主要受母体饮食及健康状态、阴道菌群和抗生素暴露的影响；婴儿期主要受分娩方式、孕周、喂养方式、抗生素暴露的影响；幼儿及儿童期主要受饮食、环境卫生、抗生素暴露的影响。

1. 分娩方式

分娩方式是出生后早期菌群定植的重要因素，影响菌群结构的建立，会在出生后数月甚至更长的时间内对肠道菌群产生影响。分娩方式对3月龄内婴儿肠道菌群的影响最大，对6～12月龄婴儿肠道内双歧杆菌、拟杆菌、梭状芽胞杆菌和乳杆菌定植的影响相对较小。

经阴道分娩的婴儿会接触到母亲阴道甚至是粪便的肠道菌群，因此经阴道分娩的新生儿的肠道内会定植阴道相关菌群，如乳杆菌属和普氏菌属^[10,11]。相反，剖宫产新生儿不会直接暴露于母体阴道和肠道菌群，其肠道内更可能定植环境微生物，如母亲的皮肤菌群以及医务人员或医院内的菌群。变形菌和厚壁菌是出生后第1天的主要菌群，放线菌会出现在剖宫产婴儿第7～15天的粪便中^[12]。经阴道分娩儿和剖宫产儿肠道菌群之间的差异随着年龄的增加会逐渐降低，但7岁前二者的差异仍会持续存在，这种差异会对儿童甚至成人期的健康状态产生影响。研究证实，剖宫产儿体内多种细胞因子的水平会明显降低，未来发生免疫异常性疾病如哮喘、过敏、1型糖尿病和肥胖症的风险明显增加^[13-16]。由此提示，早期肠道菌群的建立、发育和成熟会影响宿主免疫系统的发育。

2. 喂养方式

喂养模式是决定早期肠道菌群定植的另一项主要因素，影响菌群结构和胃肠道功能，甚至影响宿主的基因表达，如母乳喂养会增强免疫和代谢相关基因的转录^[17]。母乳的生物活性成分复杂且呈动态变化，在营养价值和组成上是婴儿配方无法完全模拟的。为了研究喂养方式对肠道菌群建立的影响，研究者比较了不同喂养方式下婴儿粪便菌群的差异，结果发现与非母乳喂养儿相比，其肠道菌群构成和优势菌株存在差异，主要体现在双歧杆菌和乳杆菌的水平^[18]。母乳含有各种营养素，包括促进有益菌生长和抑制病原菌的多种物质，由此促进建立起“母乳导向的菌群”，如母乳中的IgA、乳铁蛋白和防御素促进建立更具有调节性和耐受性的免疫系统^[19-21]。母乳中也包含人乳低聚糖作为结肠细菌分解产能的物质之一，是促进双歧杆菌和拟杆菌生长及功能发挥的重要成分^[22-23]。母乳喂养儿肠道菌群的多样性比人工喂养儿偏低^[24]。人工喂养儿肠道菌群较母乳喂养儿更快趋近于成人的菌群结构^[25]。由于人工喂养儿接受不同的碳水化合物、细菌和微量元素，因此导致多种菌群的定植，具有更多样化的肠道菌群，主要菌株包括葡萄球菌、拟杆菌、梭状芽孢杆菌、枯草杆菌、大肠埃希菌和肠球菌等。

由于乳汁本身也含有细菌，如葡萄球菌、链球菌、乳杆菌和双歧杆菌，因此是出生后肠道菌群的主要来源之一。母亲在哺乳期的健康状态也会影响乳汁中的菌群，直接对婴儿的肠道菌群发挥调节作用，从而影响婴儿的健康状态。肥胖母亲分泌的乳汁中的菌群多样性较正常体重母亲降低，其中双歧杆菌的含量减少，葡萄球菌的含量增加^[26]。母乳中的成分与分娩方式共同影响肠道菌群的发育。

在哺乳期，出生后早期肠道菌群受多种因素的影响而产生波动，从而建立起多样性的菌群。随着月龄的增长直至断乳期，肠道菌群已较出生后早期稳定。婴儿断乳后，由于饮食结构的改变，肠道菌群多样性增加，菌群总体开始趋向于成人的肠道菌群，变得稳定而复杂。断乳后肠道特征菌种的转变是非随机的，伴随着营养物质代谢功能的成熟。

3. 出生后早期抗生素暴露

出生后早期肠道菌群并不稳定，抗生素的使用会改变肠道菌群的组成，无论是益生菌还是病原菌都有可能被杀灭，并由此产生耐药菌群或引起肠道微生态失衡，从而使机体更易发生感染。抗生素的影响持续数周至数月不等，且抗生素对菌群构成和修复的影响与抗生素使用时的年龄以及抗生素的种类、剂量、使用时间和使用部位有关^[27,28]。Yassour等^[29]评估了出生后3年各种抗生素的使用对肠道菌群的影响，结果发现菌群多样性和丰度降低，并且比未使用过抗生素组儿童期菌群的稳定性更差。

广谱抗生素的使用会降低肠道菌群多样性，推迟正常共生菌的定植，由此影响机体代谢活动和免疫系统的发育^[29]。出生后早期使用抗生素可导致肠道菌群多样性的改变，与远期发生超重、肥胖和过敏性疾病的风险增加有关。因此，应对新生儿谨慎使用广谱抗生素，尽量选择抗菌谱相对较窄的抗生素，且控制使用时间。

总体而言，出生后早期抗生素暴露可能引起肠道菌群的紊乱，包括维持稳态及宿主免疫系统发育关键菌种的缺失、肠道微生态多样性的总体降低、潜在病原微生物的异常增殖，以及肠道菌群代谢功能的转变。不同的抗生素对肠道菌群的影响存在差异，引起的菌群紊乱的类型也可以存在重叠^[30]。

三、展望

目前，越来越多的研究结果证实，婴儿肠道菌群发挥着促进免疫系统发育和器官功能成熟的重要作用，并与神经系统形成脑—肠轴，从而影响机体健康；菌群紊乱与成年期过敏性疾病、肥胖症、炎症性肠病、心血管疾病等有关。因此，应重视出生后早期肠道菌群的健康，在临床上避免出生后早期广谱抗生素的滥用，监测肠道菌群紊乱的发生和修复，并在此基础上发展出个体化的益生菌或益生元治疗，甚至实现对成人期疾病超前期的预测和预防。

参考文献：

1. VenturaM, O’Flaherty S, Claesson MJ, et al. Genome-scale analyses of healthpromoting bacteria: probiogenomics[J]. Nat Rev Microbiol, 2009, 7:61-71.

2.  金红芝, 李堃宝. 人肠道微生态系统的研究进展[J]. 自然杂志, 2004(2):88-91.

3. Ursell LK, Clemente JC, Rideout JR, et al. The interpersonal andintrapersonal diversity of humanassociated microbiota in key body sites[J]. JAllergy ClinImmunol, 2012, 129:1204-1208.

4. Antony AK, Aagaard K, Ganu RS, et al. The placenta harbors aunique microbiome[J]. Science Translational Medicine, 2014, 6(237):237ra65.

5. Jimenez, E. Fernandez L, Marin ML, et al. Isolation of commensalbacteria from umbilical cord blood of healthy neonates born by cesareansection[J]. CurrMicrobiol, 2005, 51:270-274.

6. Digiulio DB. Diversity of microbes in amniotic fluid[J]. Seminarsin Fetal & Neonatal Medicine, 2012, 17(1):1-11.

7. Jiménez E, Marín ML, Martín R, et al. Is meconium from healthy newborns actually sterile?[J].Research in Microbiology, 2008, 159(3):1-193.

8. Avershina E, Lundgard K, Sekelja M, et al. Transition from infant-to adult-like gut microbiota[J]. Environ Microbiol, 2016, 18:2226-2236.

9. Avershina E, Storro O, Oien T, et al. Bifidobacterial successionand correlation networks in a large unselected cohort of mothers and theirchildren[J]. Appl Environ Microbiol, 2013, 79:497-507.

10. Dominguez-BelloMG, Costello EK, Contreras M, et al. Delivery mode shapes the acquisition andstructure of the initial microbiota across multiple body habitats innewborn[J]. Proc Natl AcadSci USA, 2010, 107:11971-11975.

11. BiasucciG, Rubini M, Riboni S, et al. Mode of delivery affects the bacterial communityin the newborn gut[J]. Early Hum Dev, 2010, 86(Suppl 1):S13-S15.

12. DelChierico F, Vernocchi P, Petrucca A, et al. Phylogenetic and metabolic trackingof gut microbiota during perinatal development[J]. PLoS One, 2015, 10:e0137347.

13. ThavagnanamS, Fleming J, Bromley A, et al. A meta-analysis of the association betweenCaesarean section and childhood asthma[J]. ClinExp Allergy, 2008, 38:629-633.

14. BagerP, Wohlfahrt J, Westergaard T. Caesarean delivery and risk of atopy andallergic disease: meta-analyses[J]. ClinExp Allergy, 2008, 38:634-642.

15. CardwellCR, Stene LC, Joner G, et al. Caesarean section is associated with an increasedrisk of childhood-onset type 1 diabetes mellitus: a meta-analysis ofobservational studies[J]. Diabetologia, 2008, 51:726-735.

16. PeiZ, Heinrich J, Fuertes E, et al. Cesarean delivery and risk of childhoodobesity[J]. The Journal of Pediatrics, 2014, 164(5):1068-1073.e2.

17. PraveenP, Jordan F, Priami C, et al. The role of breastfeeding in infant immunesystem: a systems perspective on the intestinal microbiome[J]. Microbiome,2015, 3:41.

18. CongX, Xu W, Janton S, et al. Gut microbiome developmental patterns in early lifeof preterm infants: Impacts of feeding and gender[J]. PLoS One, 2016:111-119.

19. Brandtzaeg,P. The mucosal immune system and its integration with the mammary glands[J]. JPediatr, 2010, 156 Suppl:S8-S15.

20. LönnerdalB. Nutritional and physiologic significance of human milk proteins[J]. Am JClinNutr, 2003, 77:1537S-1543S.

21. MaynardCL, Elson CO, Hatton RD, et al. Reciprocal interactions of the intestinalmicrobiota and immune system[J]. Nature, 2012, 489:231-241.

22. BezirtzoglouE, Tsiotsias A, Welling GW. Microbiota profile in feces of breast- andformula-fed newborns by using fluorescence in situ hybridization (FISH)[J].Anaerobe, 2011, 17:478-482.

23. BackhedF, Roswall J, Peng Y, et al. Dynamics and stabilization of the human gut microbiomeduring the first year of life[J]. Cell Host Microbe, 2015, 17:690-703.

24. Cabrera-rubioR. The human milk microbiome changes over lactation and is shaped by maternalweight and mode of delivery[J]. Am J ClinNutr, 2012, 96:544-551.

25. ColladoMC, Laitinen K, Salminen S, et al. Maternal weight and excessive weight gainduring pregnancy modify the immunomodulatory potential of breast milk[J].Pediatr Res, 2012, 72:77-85.

26. ZauraE, Brandt BW, Mattos MJTD, et al. Same exposure but two radically differentresponses to antibiotics: resilience of the salivary microbiome versuslong-term microbial shifts in feces[J]. mBio, 2015, 6(6):e01693-15-e01693-15.

27. LangdonA, Crook N, Dantas G. The effects of antibiotics on the microbiome throughoutdevelopment and alternative approaches for therapeutic modulation[J]. GenomeMedicine, 2016, 8(1):39.

28. YassourM, Vatanen T, Siljander H, et al. Natural history of the infant gut microbiomeand impact of antibiotic treatment on bacterial strain diversity and stability[J].Science Translational Medicine, 2016, 8(343):343ra81-343ra81.

29. ZhuD, Xiao S, Yu J, et al. Effects of one-week empirical antibiotic therapy on theearly development of gut microbiota and metabolites in preterm infants[J]. ScientificReports, 2017, 7(1):8025.

30. Vangay P, Ward T, Gerber JS, et al.Antibiotics, pediatric dysbiosis, and disease[J]. Cell Host Microbe, 2015,17(5):553-564.

【往期阅读推荐】

【儿科每日一文】专家笔谈丨后生素与免疫适宜

【儿科每日一文】研究速递丨婴儿期肠道菌群与短链脂肪酸代谢的关系