第一节　婴幼儿肠道微生态表现特征

一、婴幼儿肠道微生态的定植

数十年来，人们一直认为生理条件下的人类胎儿环境是“无菌子宫模式”，健康新生儿肠道微生物群的定植开始于分娩期和出生后，是通过垂直传播和水平传播获得。肠道微生物群的初始定植发生在分娩时，表现在出生后数小时肠道中出现需氧或兼性厌氧菌如肠球菌、链球菌和肠杆菌等，出生后24小时大肠埃希菌占优势，双歧杆菌于生后第2天出现，增长迅速，于第4～5天时占优势，1周后其数量可达细菌总数的98%。阴道分娩儿最初定植菌群来源于所接触的母体菌群包括母亲粪便、阴道及皮肤细菌，主要为不动杆菌、双歧杆菌、葡萄球菌、普雷沃菌和纤毛菌；而剖宫产儿则为环境中的细菌，如医疗器械、空气及护理人员的手所携带的细菌，主要为柠檬酸杆菌、大肠埃希菌、艰难梭菌、棒杆菌属和丙酸杆菌属。近年来随着分子生物学技术及宏基因组学技术突飞猛进的发展，更多研究发现在胎便及胎儿赖以生存的羊水、胎盘中均分离到微生物DNA，提示肠道微生物群初始程序性定植可能始于胚胎期子宫，来源可能是母体口腔、肠道和泌尿生殖道等。

二、生命早期肠道微生物菌群构建的优先效应

了解微生物群落的发育对于预测和指导它们未来的状态至关重要。生态学理论认为，群落的发育往往受到优先效应的影响，其中物种到达的顺序和时间决定了物种如何相互影响。优先效应可以产生长期的影响，这对人类肠道微生物群与宿主健康的重要性仍未完全明了。

婴幼儿期肠道微生物菌群发育和构建是在不同空间尺度上，通过细菌持续不断地扩散、选择、漂变和分化形成，细菌之间的相互作用决定群落动态分布，群落由局部发育向区域发育再演变到总群落形成（图1-1）。

（一）扩散

新生儿胃肠道存在大量的物理和代谢生态位，微生物是通过扩散定植在这些生态位上。出生后8天内的新生儿粪便细菌主要来自母体微生物群。阴道分娩新生儿肠道微生物菌群以母亲阴道菌群：乳杆菌属、普雷沃菌属、奇异菌属或Sneathia菌属占优势，而剖宫产儿则以皮肤菌群：葡萄球菌属、棒杆菌属和丙酸杆菌属占优势。此后的第一年里，母亲和婴儿的肠道微生物菌群在属水平趋于相似，在菌株水平出现差异。

（二）选择

当肠道微生物群落之间的适应性和生态位出现差异，导致它们以不同的速度繁殖或死亡，选择就发生了。婴儿肠道中两个主要的选择源于免疫系统和饮食。随着婴儿免疫系统的成熟，免疫系统对微生物群施加越来越多的选择，导致基本同质的群落变得越来越具有机体-部位特异性。

（三）漂变

微生物在婴儿肠道中定植后，其生长速度和丰度不仅可以通过选择等确定性因素来塑造，还可以通过如生态漂变的随机过程来塑造。漂变是种群数量的随机变化，它与物种的特性无关。在肠道内，某些物种丰度低、群体数量小或由于腹泻或抗生素治疗等因素干扰导致数量减少、丰度降低的物种不能抵达生态位，这些物种受漂变的影响大于选择。

（四）分化

种群数量庞大、生长速度快、突变和重组速度快的微生物，在面对人体内强选择性机制时，能够迅速实现分化和适应性改变。在婴儿肠道内聚集的微生物群体频繁经历着漂变选择机制转换，此机制与免疫系统发育、添加辅食、断奶，以及分类多样性增加导致的竞争加剧等因素相关。由于分化需要持续的选择压力，因此在婴儿肠道聚集的微生物群体分化的程度仍无法确定。

有些因素会同时影响四种过程中的一种以上。例如，母乳影响扩散和选择，因为它既是扩散到肠道的微生物的来源，也是婴儿及其微生物群的主要营养源。母乳含有双歧杆菌属、乳杆菌属、葡萄球菌属和链球菌属，还含有人乳低聚糖（human milk oligosaccharide，HMO）和许多抗菌因子如溶菌酶、乳铁蛋白和分泌型免疫球蛋白A（secretory immunoglobulin A，SIgA），这些成分对肠道微生物群落进行了额外的选择。

由于很少有研究报告定植的时间和顺序，人们对优先效应如何塑造婴儿时期微生态群落知之甚少，但间接证据表明优先效应是可信的。兼性厌氧菌如肠杆菌科（如大肠埃希菌属）在胎粪或婴儿早期粪便中含量很高，但在生命的最初几个月逐渐向严格的厌氧菌转换，如双歧杆菌属、拟杆菌属和梭菌属。总之，研究表明拟杆菌属、大肠埃希菌属与双歧杆菌属、乳杆菌属等之间存在一定程度地相互排斥，这可能是由婴儿的环境暴露和从母亲身体不同部位扩散所介导产生的结果。

三、影响肠道菌群定植和演替的因素

（一）分娩方式

分娩方式被认为是早期肠道微生物群组成的一个重要驱动因素。阴道分娩的婴儿可接触到母体阴道和粪便微生物群，可导致乳杆菌属和普雷沃菌属等阴道相关微生物在新生儿肠道定植。相反，剖宫产出生的婴儿不直接暴露于母体微生物，因此更容易被母体皮肤、医院工作人员或医院环境中的环境微生物定植。变形菌门和厚壁菌门是生命最初几天的主要微生物，放线菌门出现在出生后7～15天的剖宫产婴儿粪便中。剖宫产出生的婴儿肠道微生物群的多样性较低，双歧杆菌属和拟杆菌属微生物的定植较不常见，而狭义梭菌属（Ⅰ簇）成员和艰难梭菌的定植更为常见。

随着年龄增长，阴道分娩与剖宫产婴儿之间肠道微生物群差异逐渐减小，但异质性可能长期持续。有研究在7岁儿童中仍检出了剖宫产与阴道分娩方式之间肠道微生物群的持久性差异，这可能与自然出生的保护作用有关。因此，有观点认为剖宫产存在长期健康影响。事实上，剖宫产婴儿体内一部分细胞因子水平明显下调，并且与哮喘、过敏症、1型糖尿病（type 1 diabetes，T1D）和肥胖症等疾病的风险增加有关。

（二）胎龄

胎龄是影响婴儿肠道微生物群形成的另一个重要因素。早产儿的肠道、免疫、呼吸和神经组织尚不成熟。一些早产儿住院时间长，接受人工呼吸、大量抗生素和其他药物治疗，以及人工喂养等。这些因素均可干扰微生物群获得和促进发育的天然模式，因此导致肠道微生物群的异常或偏离正常组成。几项研究报告了早产儿与足月新生儿之间粪便微生物群的差异，早产儿中双歧杆菌属或拟杆菌属等厌氧菌肠道定植延迟，肠杆菌科、肠球菌属和其他致病菌的水平显著性较高。1个月后的极低体重儿（very low birth weight infant，VLBW），肠道微生物群中占优势的是葡萄球菌属、肠球菌属和梭菌属等革兰氏阳性菌，而肠杆菌科和韦荣球菌属等革兰氏阴性菌的丰度可在此类情况下出现波动。此外，早产儿和VLBW肠道菌群功能也发生变化，与足月婴儿相比，未足月婴儿粪便中短链脂肪酸（short-chain fat acid，SCFA）水平较低。有研究观察到VLBW的肠道微生物群的演替模式是从杆菌属到γ-变形菌纲再到梭菌属，这项研究提示，早产儿肠道微生物群似乎随急剧性种群周期变化而衍化，以未成熟肠道被厌氧微生物（特别是梭菌属）定植作为共同的终点。

偏离正常发育的早产儿微生物群比足月婴儿更不稳定，同时也意味着早产儿微生物群向成人特征微生物群的过渡延迟。这些改变可严重影响患儿健康。早产儿肠道微生物的构成异常可能与坏死性小肠结肠炎（necrotizing enterocolitis，NEC）或败血症的风险增加有关。

（三）喂养方式

喂养方式是另一种决定早期微生物定植的主要因素，并影响新生儿肠道微生物群组成和胃肠道功能。与人工喂养的婴儿相比母乳喂养的婴儿肠道内双歧杆菌丰度较高。母乳可提供营养素、益生元和抗菌物质，有助于“母乳导向微生物群”的发育。母乳中含有的SIgA可促进免疫调节和免疫耐受。乳汁中还含有人乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMO），HMO在初乳中含量比较高，约含有22～23g/L，2个月后浓度稳定下降，成熟母乳中含量为10～20g/L。HMO作为“双歧因子”的效应相当特异，支持长双歧杆菌婴儿亚种和少数其他婴儿相关的双歧杆菌生长，肠道其他少部分细菌也能利用HMO，因此HMO不仅具有特异性“双歧因子”效应，通常还具有益生元效应。

肠道上皮细胞的转录组分析表明，婴儿喂养类型也可影响宿主基因表达，母乳喂养可增强免疫和代谢活性相关基因的转录。配方奶粉喂养的婴儿暴露于不同的碳水化合物、细菌和（微量）营养素，导致不同的肠道微生物定植模式。母乳喂养婴儿的粪便与配方粉喂养婴儿的粪便比较，肠道微生物群多样性较低，双歧杆菌和乳杆菌的水平较高，潜在病原体的水平较低，后者的肠道微生物群多样性较高，葡萄球菌属、拟杆菌属、梭菌属、肠球菌属、肠杆菌科和奇异菌属丰度较高，丙酸盐和丁酸盐的水平较高，更早向成人样微生物群发展。由于这些微生物群的差异，母乳喂养婴儿的粪便与配方奶粉喂养婴儿的粪便比较，SCFA的水平也不同，后一组中丙酸盐和丁酸盐的水平较高。此外，配方奶粉喂养婴儿更早向成人样微生物群发展。

从单纯母乳喂养向固体食物的膳食转变可导致婴儿肠道微生物群的α多样性增加，诱导微生物群发育成熟。肠道微生物群多样性增加导致功能变化，产生SCFA（特别是丁酸盐）水平增加。成人化的微生物群在功能上更为复杂，可代谢来自成人膳食的植物来源碳水化合物，对宿主产生有益作用。

（四）环境因素

在生命早期肠道发育过程中暴露于不同环境如子宫外环境有助于婴儿胃肠道微生物的早期定植和进化。目前认为早产儿和剖宫产儿易受到环境因素影响，尤其早产儿，胃肠道发育不成熟、暴露于环境中不同微生物、医疗操作和药物应用干扰等因素（尤其抗生素的使用）让住院的早产儿肠道中出现艰难梭菌的大量定植。发展中国家与发达国家、不同医院、不同病房新生儿肠道细菌定植模式也不尽相同。John等一项研究发现有无姊妹也影响肠道菌群的定植，独生子女肠道双歧杆菌数量低于非独生子。不同国家如英美等发达国家婴儿粪便中双歧杆菌和拟杆菌数量较印度、乌干达儿童高，肠杆菌和链球菌的数量较低。不同医院出生的新生儿肠道菌群定植的差异主要与产科技术、消毒方法、卫生条件、地域等客观条件有关。双歧杆菌菌种的不同，证实了双歧杆菌菌种呈地域性丛集分布。在不同医院出生的婴儿其肠道菌群定植也有差异，这主要是与产科技术、消毒方法、卫生条件等客观条件有关。另外，在农村出生与城市出生，在家庭出生和医院出生的新生儿肠道菌群的组成也不同。农村儿童肠道微生物群以革兰氏阳性菌为主，产纤维素酶和木聚糖酶的丰度和SCFA水平较高，城市儿童则以革兰氏阴性菌为主，各种肠道致病菌丰度较高。农村儿童粪便菌群主要以拟杆菌门中富含纤维素酶和木聚糖酶的菌属为主，而城市儿童则主要以厚壁菌门中产SCFA的菌属为主；农村儿童肠道富含SCFA，城市儿童肠道则富含各种肠道致病菌。Parsifal和Gabriela分别对德国、澳大利亚、瑞士等欧美国家共计16 511名的6～13岁农村儿童和城市儿童的横断面调研证实，农村儿童生活环境的细菌多样性高于城市儿童，队列研究提示，非洲儿童肠道拟杆菌较为富集而厚壁菌门相对较低。不同地理纬度菌群构成特征也具有差异性，瑞典斯德哥尔摩等北欧城市儿童肠道细菌总量较高，双歧杆菌、奇异菌属、产气荚膜杆菌及艰难梭菌的比例较高；西班牙格拉纳达等南欧城市具有较高比例的拟杆菌、肠杆菌和乳杆菌，欧洲儿童微生物组富含厚壁菌门和变形菌，而非洲儿童则主要表现为放线菌和拟杆菌。故不同地理环境、生活方式和饮食习惯同样影响生命早期肠道菌群的形成过程。

（五）抗生素

生命早期应用抗生素对肠道微生物的发展具有深远影响。使用抗生素的婴儿肠道微生物群的总体多样性降低，含有高丰度变形菌门和低丰度放线菌群，且耐药菌丰度较高。一些流行病学调查显示生命早期应用抗生素可增加远期哮喘、特应性疾病、湿疹和1型糖尿病等过敏性疾病的发生风险。生命初期抗生素的暴露对新生儿肠道微生物的发育影响很大。Tanaka对孕妇产前4天口服广谱抗生素对新生儿粪便微生物群的影响进行了为期两个月的随访分析，发现生后第一周婴儿粪便细菌群落尤其是双歧杆菌减少，肠球菌定植异常；1个月龄时，肠杆菌科细菌过度生长。结果表明抗生素在生命初期的暴露对新生儿肠道微生物的发育影响很大。Beunet等比较不同药代动力学抗生素对足月儿和早产儿菌群的影响，发现生后2周左右没有应用抗生素小儿中约90%有双歧杆菌定植，50%有拟杆菌定植，抗生素可抑制厌氧菌生长，可导致克雷伯菌的过度生长或单一艰难梭菌和产气荚膜杆菌生长。John等也证实了上述观点，他们试验中发现出生一个月内使用抗生素的新生儿肠道双歧杆菌和拟杆菌数量较未应用抗生素婴儿减少，应用抗生素可引起需氧菌如克雷伯菌的过度繁殖，患儿粪便中80%～90%检测不到厌氧菌，5%～10%患儿粪便中仅能检测到梭菌，这可能是导致假膜性小肠结肠炎的来自医院环境艰难梭菌感染的源泉。应用抗生素改变了肠道正常菌群的定植，导致菌群失调，在一定程度上影响婴幼儿机体健康，导致其更易患哮喘、过敏性疾病、NEC等。应当提倡医生增加重建肠道微生态意识，保护机体生态环境，严格掌握适应证和不良反应，合理应用抗生素。

（六）遗传因素

越来越多的证据表明，宿主遗传因素可影响婴儿肠道微生物群的获得和发育。人类双胞胎和宿主基因型在塑造微生物群结构的一项研究指出，10岁以下儿童中，遗传上相同的单卵双生双胞胎与异卵双生双胞胎和无关对照比较，微生物相似性的水平较高。一项大规模队列研究（1 539名受试者；年龄范围18～84岁）确立了宿主基因型与成年期不同细菌分类学的相对丰度之间有明确关联性，位于人类乳糖酶（lactase，LCT）基因位点的单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP）与双歧杆菌属丰度相关，且宿主遗传学与膳食产品的摄入相关。这突出强调需要进一步研究来探索人类基因型、膳食和微生物群发育之间的相互作用。

总之，出生至生后1 000天是肠道菌群形成并达到平衡的最重要时期，此期间肠道菌群不稳定，脆弱且多样性差，易受包括孕期情况、出生途径、喂养方式、抗生素使用，以及生活环境等多种因素影响。对于多种因素不同程度影响肠道菌群的定植过程的研究结论不尽相同，且与疾病的确切联系未完全明确，但可以确定它们与婴幼儿的生长发育和多种疾病的发生有着很深的联系，这就意味着人们要尊重人体的自然性、严格掌握剖宫产指证、合理应用抗生素，提醒临床医务工作者要从维护微生态平衡角度考虑疾病的发展与治疗。