第二节 早期益生菌干预所致婴儿肠道微生态变化及其对生长发育和远期健康的影响
早期肠道微生物群的形成可提供大量的抗原性刺激，这些刺激为肠道和有关免疫系统地逐步成熟所必需。这种刺激还可影响远端器官的成熟，在全身水平影响宿主。因此，很可能在初期发育过程中即建立了终生健康微生物群的基础，肠道微生物群的形成和发育对宿主的成熟和长期健康至关重要。早期定植模式改变不仅可对婴儿的健康和发育构成即时风险，还可能构成长期风险。
益生菌是经过严格的方法学进行筛选，证实有效、安全、稳定和规模繁殖进行生产的特殊细菌，可有助于疾病的管理或者降低疾病的风险。现已证明益生菌有几方面的影响有利于新生儿，其中包括调节肠道菌群，降解抗原的建立，加强黏膜屏障功能，抑制病原黏附，促进先天免疫和适应性免疫的成熟。临床试验结果表明，特定的益生菌可能降低婴儿患坏死性肠炎和感染性疾病及远期患过敏性疾病的风险。
一、肠道菌群建立和发展
生命早期肠道微生物群高度不稳定，具有高度个体间变异性，影响微生物群形成包括多种因素，胃肠道系统菌群的定植是在出生时逐步而又有系统性地完成的。从母亲传播到婴儿的肠道微生物构成第一细菌源和兼性革兰氏阳性球菌及肠杆菌是首先定植于肠道的菌群。来自母亲的阴道乳杆菌也可短时间定植于婴儿肠道，而后由其他来源的乳酸菌所代替。厌氧菌由生后第二天开始定植，随后双歧杆菌成为母乳喂养婴儿的优势菌群。虽然每个个体肠道存在有特殊和相对稳定的微生物群，但是在拟杆菌、乳杆菌、梭状芽孢杆菌、梭形杆菌、双歧杆菌、真菌、消化球菌、链球菌和韦荣球菌之中都有一种菌群趋于优势菌。研究证实，变形菌门（主要是肠杆菌科）在最初几天到几周的婴儿肠道微生物群中占优势，双歧杆菌是第二个微生物群体，随后双歧杆菌随时间延长而增加，同时伴有肠细菌减少。众所周知包括出生方式等一系列因素都会影响新生儿期的菌群定植。早产儿肠道菌群特点是细菌多样性减少，变形菌门占优势，双歧杆菌属和拟杆菌属的水平降低。此外，在新生儿重症监护病房住院治疗也和肠道菌群的异常发展有一定关系。
二、母乳有益菌刺激肠道菌群和肠道免疫系统的发育
出生时婴儿黏膜表面和皮肤接触到的外来抗原十分广泛，新生儿的未受到刺激和成熟的黏膜及免疫系统必须能够从潜在病原微生物分辨出无害的食物和微生物抗原。新生儿的免疫系统依赖于外部的刺激来发展为成熟的免疫能力。母乳和肠道都有菌群被认为是免疫成熟的最重要刺激源。母乳为婴儿提供的不仅是生长和发育所需的营养，而且是给予婴儿免疫保护和促进黏膜免疫系统的健康发育的一个重要来源。母乳中含有母源抗体和非特异性抗菌分子，如乳铁蛋白和溶菌酶，其可非特异地防止感染，以及各种因子，如脂肪酸、细胞因子和生长因子，其被认为可直接影响肠道免疫系统的成熟。虽然这些相互作用的本质还不清楚，但母乳喂养对预防感染性疾病提供明显的保护作用，这对婴儿健康至关重要。母乳喂养也可通过影响肠道固有菌群对婴儿健康起到作用。Harmsen和其同事采用分子技术分析了母乳喂养和配方奶粉喂养婴儿的粪便微生物组成。母乳喂养婴儿肠道双歧杆菌为优势菌株，而配方奶喂养的婴儿有更复杂的微生物组成，包括肠杆菌、乳杆菌、拟杆菌、梭菌、双歧杆菌和链球菌。研究表明，母乳中含有肽和寡糖促进双歧杆菌生长。母乳喂养似乎对肠道双歧杆菌的物种组成有重要影响，如短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌定植在母乳喂养婴儿肠道，然而此后青春期双歧杆菌变得越来越常见。因此，大量研究工作旨在为婴儿补充含有益生元的配方奶粉有利于婴儿肠道菌群的优化。
三、益生菌对生长发育的影响
早期肠道微生物群定植过程中，微生物群依然不稳定，可因突然的微生物异常演替而受害，可能导致婴儿营养不良和生长障碍。婴儿肠道微生物群与婴幼儿生长发育之间关联紧密，营养不良儿童的肠道微生物群不同于健康儿童。Charbonneau等将一名6月龄发育不良的马拉维婴儿的粪便微生物群中培养出来的菌株接种到无菌小幼鼠体内，并分别给予受体小鼠喂食含有或不含纯化唾液酸牛乳寡糖（sialylated bovine milk oligosaccharides，S-BMO）的马拉维原型饮食。S-BMO组产生了微生物群依赖性的体重增加，并且骨骼形态、肝脏功能、肌肉和脑代谢均发生改变，表明宿主利用营养物质合成代谢的能力更强。相同方法在悉生仔猪亦产生相同的效应。这些临床前研究表明S-BMO与促进生长发育之间存在肠道微生物群依赖的因果关系。这些潜在机制可能解释这一肠道微生物群-生长发育的关系，其中包括生长激素的产生。利用婴儿营养不良与肠道微生物群之间的潜在关系，可开发微生物群调节策略，帮助恢复婴儿的正常生长和发育。
四、生命早期益生菌干预对远期健康的影响
（一）生命早期微生物群对长期生理效应的影响
人类肠道微生物菌群的定植与免疫系统的发育和成熟密切相关，同时也是肠道和有关代谢同步发育的始动者。为了协调这些生理过程，微生物群与宿主之间必然存在一种连续对话。肠道生态失调可破坏或改变这一对话，进而导致长久的生理效应和健康紊乱。其中，关于生命早期微生物群对免疫障碍的潜在影响，已经展开了广泛的研究。一些最具说服力的结果来自各种动物实验，发现早期暴露于微生物与免疫疾病的发生之间存在非常密切的关系。有研究就肠道微生物群对塑造免疫反应长期影响背后的机制进行了探讨，发现异常的微生物因素可调节CXC趋化因子配体16（CXCL16）的活性，从而调控恒定自然杀伤T细胞（invariant natural killer T，iNKT）在结肠和肺中的蓄积，进而产生对免疫系统的长期干扰。将健康鼠肠道菌群移植给新生无菌小鼠可保护他们不受这种累积的影响。因此，有观点认为生命早期微生物群可触发长久作用，早期缺乏微生物刺激可能成为远期炎性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）和哮喘等疾病炎症反应的诱发因素。最近提出生命早期这一阶段的重要性，生命早期肠道微生物平衡的破坏可对免疫疾病产生长久后果，突出强调了肠道微生物群与机体的黏膜黏膜表面之间适当对话的有序形成，及其在免疫防御发育中的重要性。生命最早几天可通过宿主-微生物相互作用促进交互感应，或甚至妊娠期间可通过微生物定植促进交互感应，表明疾病风险可在生命早期进行预测，包括出生前阶段。
（二）生命早期微生物群与过敏性疾病
在与特定微生物群形成有关的免疫系统疾病中，已经发现过敏性疾病（主要是特应性湿疹和哮喘）与特殊微生物特性有关。大量流行病学研究表明，婴儿肠道微生物群的早期形成可影响将来发生过敏性疾病的风险，原因是生命周期的第1年婴儿微生物群不适当发育和有关免疫平衡的破坏。
在生命周期的第1年，反复发生的特应性湿疹是特应性疾病的主要症状。关于肠道微生物群在特应性湿疹发生中的潜在作用，各种涉及婴儿的队列研究均提供了有价值的信息。发生特应性湿疹或哮喘的儿童在生命早期肠道中梭菌丰度增加，双歧杆菌和其他肠道厌氧微生物（如粪杆菌属）的丰度降低，同时粪便代谢产物也发生改变。生命的第1个月微生物群多样性降低和大肠埃希菌的定植与未来一年发生特应性湿疹有关。产丁酸盐细菌的较低丰度先于特应性湿疹的发生，随后3个月期间湿疹严重程度的减轻直接与产丁酸盐细菌和粪球菌的增加有关，间接指向产丁酸盐细菌在特应性湿疹发生中的保护作用。
肠道微生物群在哮喘的发生发展过程中可能发挥了至关重要的作用。肠道微生物群决定免疫细胞的水平及其向各种组织的募集，同时也介导免疫耐受。围产期抗生素暴露与后来过敏性疾病发生之间存在关联，生命最初100天发生肠道微生态失调的婴儿患哮喘的风险较高，且这一风险与特定的细菌组成有关。存在哮喘风险的婴儿肠道中毛螺菌属、韦荣球菌属、粪杆菌属和罗思氏菌属的相对丰度显著性减少，且这些细菌类别丰度的差异与粪便细菌代谢物的不同水平有关。将这些细菌接种到无菌小鼠中，发现它们后代的气道炎症减轻，表明一些微生物可在哮喘的发生发展过程中发挥病因作用。此外，生命最初1个月肠道微生物群多样性减少与7岁儿童中哮喘的较高患病率有关，3个月时毛螺菌属水平较低和梭菌属某些种水平较高与4岁时的哮喘风险正相关。
益生菌可调节免疫，对过敏性疾病有保护作用。乳杆菌可水解牛奶中的乳酪蛋白，从而抑制淋巴细胞增殖和辅助型T细胞（T helper cell，Th）2产生白细胞介素（interleukin，IL）-4。口服双歧杆菌可降低卵清蛋白（ovalbumin，OVA）致敏小鼠血清中IgE和IL-4水平，显著增加血清中γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）和脾脏中调节性T细胞（regulatory T cell，Treg细胞）及IL-10阳性细胞水平，且还能够调整肠道菌群，增强肠道屏障功能和减少细菌移位。副干酪乳杆菌也可抑制Th1和Th2细胞因子的分泌，同时诱导T淋巴细胞（简称“T细胞”）产生转化生长因子β（transforming growth factor β，TGF-β）和IL-10。益生菌的联合使用（长双歧杆菌、短双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、保加利亚乳酸菌、植物乳杆菌和嗜热链球菌）可诱导IL-10依赖的Treg细胞，从而保护小鼠肠道免受炎症反应。酪酸梭菌CGMCC03131菌株和婴儿型双歧杆菌CGMCC313-2能明显减轻β乳球蛋白（β-lactoglobulin，BLG）诱发食物过敏小鼠症状，增加SIgA和CD4+CD25+Foxp3+（叉头状转录因子p3阳性）Treg细胞数量，恢复Th1/Th2和Th17/Treg细胞的失衡，改善肠道病理组织学变化。对人类的研究发现，儿童口服乳杆菌可增加血浆IL-10水平，增强外周血单个核细胞产生IFN-γ。给哺乳期母亲补充益生菌可增加乳汁中TGF-β；在断奶期婴儿配方奶中添加乳杆菌和双歧杆菌可增加肠黏膜特异性IgA产生，有助于免疫耐受形成。一项随机双盲安慰对照研究发现，益生菌可降低过敏性疾病的发生风险。预产期前2～4周母亲补充益生菌或出生后婴儿补充益生菌6个月发现，婴儿出生后两年内过敏性湿疹的发生风险降低，这种保护作用可持续4年，但对其他过敏性疾病如食物过敏、哮喘没有保护作用。对于牛奶过敏患儿，使用深度蛋白水解配方奶（extensively hydrolyzed protein formula，EHF）中加入鼠李糖乳杆菌GG（Lactobacillus rhamnosus GG，LGG）对患儿牛奶过敏的治疗效果优于单纯使用EHF，随访3年后发现联合治疗组患儿出现其他过敏的百分率明显降低，提示益生菌能够改善患儿对食物的耐受情况。
（三）生命早期微生物群与代谢性疾病
肠道微生物群组成和功能与肥胖相关疾病有关。所谓致肥胖性微生物群是通过增加能量获取来调节肥胖行为和肠外代谢的微生物。婴儿期影响肠道微生物群形成的不同因素均可能导致将来肥胖的风险。有观点认为早期肠道微生物模式可能预测儿童超重风险。关于这一点，已经观察到6～12个月婴儿双歧杆菌丰度与7岁儿童超重呈负相关。
维护正常的肠道屏障功能对代谢健康至关重要。但生命早期破坏微生物平衡的不同因素均可在远期超重、肥胖症发生和儿童肥胖倾向中发挥关键作用。主要的影响因素是：营养、母亲肥胖、分娩方式、肠道通透性、病原体感染和抗生素使用。迄今为止，大量的研究已经集中到生命早期抗生素治疗作为代谢疾病后续发生的一种重要驱动因素。小鼠模型研究分析表明，生命早期采用抗生素改变肠道微生物群将产生长久的代谢后果，包括肥胖倾向、体重增加、胰岛素耐受、2型糖尿病和肝病，这种影响甚至在停止抗生素使用、肠道微生态结构恢复后仍然持续，说明生命早期抗生素诱导的生态失调与将来宿主代谢的改变之间存在关联性。人类流行病学研究也表明，抗生素暴露与长期代谢影响有关，包括儿童和成人的体重增加和肥胖症，这一抗生素-微生物群-肥胖症三项式已经引起了相当水平的公众关注。
（四）婴儿肠道微生物群的其他长期效应
早期婴儿肠道微生态失调与其他后期可能出现的慢性疾病有关；如IBD、肠易激综合征（irritable bowel syndrome，IBS）和T1D，近年来已经引起学术界广泛的关注。
T1D是一种自身免疫疾病，以产生胰岛素的β细胞破坏为特征，肠道微生物群在T1D发生发展过程中起到一定作用。啮齿类动物实验表明，早期微生物改变受到低剂量或脉冲性抗生素治疗的影响，可改变肠道微生物群和T细胞亚群，增加T1D的风险。在T1D患者中进行的纵向研究表明，糖尿病儿童肠道微生物群的多样性较少，包括厚壁菌门和拟杆菌门在内的大多数重要肠道菌门的比值出现显著性差异，以及产丁酸盐的普拉梭菌丰度下降，后期发生T1D的婴儿与没有发生糖尿病的婴儿比较，粪便微生物组显示出不同的微生物模式。产丁酸盐细菌在非糖尿病儿童中更为丰富，有作者提出这些细菌可在减轻发生T1D的风险方面发挥关键作用。在啮齿类的实验表明，早期微生物改变受到低剂量或脉冲性抗生素治疗的影响，可改变肠道微生物群和T细胞亚群，可增加T1D的风险，可在一种非肥胖糖尿病（non-obese diabetic，NOD）鼠模型中加速T1D发展。近期有关人类的研究结果，提示早期肠道微生态失调可生成一种促炎症环境，在后期有利于T1D的发生。但是，后期发生T1D的婴儿与没有发生糖尿病的婴儿比较，粪便微生物组显示出不同的微生物模式。然而，仅有限数量的分析尝试探索婴儿微生物群与T1D发生之间的关系远远不够。因此，有必要和机制性研究一起监测人类队列研究，以确定微生物组与T1D之间的因果关系。
早期微生物定植过程对肠道免疫系统的“教育和培训”过程中，肠道内先驱微生物与后续的肠道炎症性疾病（尤其是IBD和IBS）之间可能存在某种联系。研究表明，特殊细菌组别群体的生命早期变化先于将来肠道炎症性疾病的发生。关于生命早期生态失调对儿童和成人中IBD和IBS发生的长期影响和因果关系尚需进一步研究。
（五）益生菌的安全性
婴儿期口服活菌，人们会对它的安全性提出质疑。含有益生菌的制品在很多国家被广泛应用，但乳杆菌引起的菌血症并没有增加。免疫抑制或缺陷、危重症患者、长时间住院及外科手术患者是引起乳杆菌菌血症的高危因素。更多临床研究证实含有乳杆菌和双歧杆菌制品及含嗜热链球菌的配方奶用于婴儿和儿童是安全、耐受的。近来研究发现干酪乳杆菌用于重症患儿也是安全的，益生菌制品在早产儿中应用也未见严重副反应报道。
总之，在新生儿和婴幼儿使用益生菌的目的包括预防坏死性肠炎、降低和治疗感染性疾病、过敏性疾病和治疗急性腹泻等。不同益生菌株的使用，需要经过严格的临床追踪，治疗某种特定疾病所需要的最佳益生菌菌株搭配和剂量不同，一种菌株或多种益生菌的联合不可能完全满足所有治疗目的。需要透彻理解分子水平的病理生理和益生菌的作用，从基础研究建立益生菌的临床使用适应证。在益生菌使用上要识别最有可能从此益生菌治疗获益的个体，以及对个体遗传倾向的监测，针对何种个体，什么时候开始应用，用多长时间，多少剂量，这些内容需要今后大量的基础和临床的大样本多中心的研究，以期得到循证医学的验证。