肠道菌群与围产医学肠道微生物群脑轴在

肠道-微生物群-脑轴在新生儿医学研究中的意义和进展

宋东力　王来栓

作者单位：美国加利福尼亚州圣塔克拉谷医疗中心新生儿科（宋东力）；美国加利福尼亚州斯坦福大学医学院（宋东力）；上海，医院新生儿科（王来栓）

过去几十年来，早产儿的生存率有了显著改善，但长期神经功能障碍仍然是围产医学的重要挑战。早产、遗传和多种环境因素相互作用可导致神经发育障碍。尽管对脑损伤类型及远期的临床表征认识越来越深入，但发育中大脑损伤的机制及其远期结局尚未完全明了，因此阻碍了对神经保护和相应治疗干预策略的研究。

越来越多来自动物实验和人类流行病学研究的证据表明，肠道微生物群和脑，即肠道-微生物群-脑轴，及其在调节大脑发育、行为和神经功能中的作用之间存在内在的诸多联系。发育中的婴儿肠道微生物群紊乱可能改变肠-脑信号，从而改变大脑的发育轨迹并增加神经发育受损的风险。

本文回顾了新生儿肠道-微生物群-脑轴的建立及其在脑发育和长期神经发育障碍中的意义。

一、新生儿肠道微生物群的来源和建立

人体与许多常驻微生物物种（包括细菌、病毒、原生动物和真菌）建立了亲密和终身的共生共存关系。虽然微生物可在人体所有表面定植，但人类最大的微生物群位于肠道内。正常的肠道菌群由大约万亿个微生物组成，是人体细胞总数的10倍，是人类基因数量的倍[1]。新的分子技术使我们能够对肠道微生物进行更全面的识别和鉴定。事实上，80％被鉴定的细菌序列均为常规培养方法尚未识别的物种[2]。人类宿主依靠有益微生物维持生理稳态。生命早期肠道微生物群紊乱可能导致机体将来在消化、代谢、免疫和神经发育方面的障碍[3]。

母亲微生物群的垂直传播是新生儿肠道菌群定植的第一步，也是最重要的一步[4]。正常分娩的健康新生儿的肠道菌群形成遵循一定的模式，但可受许多围产期因素的干扰。

二、妊娠期母亲阴道微生物群的组成

与非孕妇相比，孕妇阴道细菌多样性较低，乳杆菌、梭状芽孢杆菌、类杆菌和放线菌目占优势[5-8]。妊娠期间乳酸杆菌数量的增加可维持阴道内低pH值环境，减少细菌多样性并防止上行细菌感染。

目前，研究者对微生物在早产中的作用已经有了更全面的认识[9-11]。研究表明，较高的阴道内微生物多样性与早产相关。既往研究认为，早产是由少数致病微生物引起的，但最新研究表明，正常菌群失衡也可以增加早产易感性或促进早产启动，该过程主要由宿主炎症反应的活化介导。

妊娠期间母亲的心理压力会影响后代的肠道菌群定植。来自动物研究的证据发现，有心理压力的母亲，其阴道乳酸杆菌的含量较低，其后代乳酸杆菌和双歧杆菌肠道定植水平亦较低[12-13]。年在荷兰进行的人类流行病学研究的结果与此类似[14]。妊娠期间累积精神压力过高及皮质醇浓度过高的母亲，其婴儿致病细菌（埃希菌属、沙雷菌属和肠杆菌属等）定植率显著增高，而乳酸菌和双歧杆菌的比例较低。许多前瞻性研究显示，孕期母亲抑郁、焦虑或压力会增加婴儿各种远期不良结局的风险，包括情绪问题、注意力缺陷多动障碍（attentiondeficithyperactivitydisorder，ADHD）或认知发育受损[14]。肠道微生物群的变化可能是母亲过高精神压力与子代神经发育不良结局之间的纽带[15]。

三、子宫内是否有细菌定植？

传统观念认为子宫为无菌器官，这一观点目前已经受到挑战。研究表明，健康足月阴道分娩和剖宫产分娩后发现羊水中有细菌DNA，同时也发现脐带血、胎膜和胎盘也并非完全无菌[6,16-17]，并且胎盘微生物菌群与母亲的口腔菌群相似[6]。但口腔细菌如何进入胎盘尚不清楚，不除外通过血流进入的可能。这些结果仍然存在争议，许多研究人员仍然深表怀疑[18-19]。最近的一项研究表明，胎盘中发现的微生物痕迹可能是研究使用的DNA提取试剂盒的污染物[20]。

四、足月新生儿围产期肠道微生物群定植

无论宫内微生物菌群暴露如何，新生儿肠道微生物群组成的最显著变化发生在出生时和出生后早期，此时期新生儿暴露于母体阴道、粪便和皮肤的微生物群中[21]。健康足月新生儿最初定植的微生物是大量的肠杆菌和链球菌，研究认为这有利于在生后第4~7天后开始的厌氧菌（类拟杆菌、双歧杆菌和梭菌）的建立。在生后最初几周内，肠道的厌氧菌定植迅速进行，纯母乳喂养可以加速这一过程。2~3岁婴儿可达到成人微生物菌群的定植水平。婴儿微生物群的组成每日不同且不稳定性高，可能受到外源因素的显著影响，如喂养方式、饮食改变、感染和抗生素使用等，均可能使已建立的肠道菌群的多样性和/或组成发生改变。

1.分娩方式：最初的肠道微生物菌群定植依赖于分娩方式[22]。阴道顺产出生的婴儿，其肠道定植菌群可反映母体粪便和阴道菌群的特征，如乳酸杆菌和普雷沃菌属。相反，剖医院环境中的菌种定植增加；缺乏类杆菌和双歧杆菌等厌氧菌，而梭状芽孢杆菌和乳杆菌定植更多[23]。既往报道显示，剖宫产分娩后的定植模式可能会持续至出生后数月甚至数年[24]，但最近的一项综述表明，上述变化在6个月后可能消失[22]。

2.喂养方式：生后喂养促进了新生儿发育中的肠道微生物群的定植和成熟[25]。母乳含有丰富的益生元低聚糖，可促进类双歧杆菌等有益细菌生长[26]。这些厌氧菌可抑制致病原微生物的生长，支持黏膜屏障功能，并调节免疫和炎症反应[27]。配方奶的引入扰乱了新生儿肠道微生物群的定植，削弱了纯母乳喂养的益处[28-30]。配方奶喂养婴儿的肠道微生物群具有更多的潜在致病性细菌，如艰难梭菌和大肠杆菌[31]。母乳喂养的保护作用在住院早产儿中更加明显。

3.抗生素暴露：新生儿肠道微生物群具有不稳定性，生命早期抗生素的使用可显著破坏最初阶段的肠道细菌定植，导致细菌多样性的降低和细菌组成改变。足月新生儿48h内静脉使用氨苄青霉素和庆大霉素，可显著降低双歧杆菌和乳酸杆菌含量，而被变形杆菌属（包括肠杆菌科）取代，且这些变化至少在治疗8周后仍然持续存在[32]。

围产期抗生素的使用，包括对B族链球菌感染产前抗生素预防，以及新生儿经验性和治疗性给药非常普遍。虽然适当的抗生素治疗对于控制感染和挽救生命至关重要，但越来越多的证据表明，无明确指征的抗生素使用也可能产生严重的不良影响。许多流行病学研究表明，生后早期使用抗生素可能导致肠道菌群组成和代谢活性的长期改变，引发成年期肥胖及代谢综合征[33]。年加拿大新生儿协作网的最新相关分析发现，在超低出生体重儿中，许多依靠临床诊断的感染和新生儿坏死性小肠结肠炎（necrotizingenterocolitis，NEC），其血培养是阴性的，在这种情况下使用抗生素可能增加患儿的死亡率和并发症的发生率[34]。因此正确合理使用抗生素非常重要。

五、早产儿肠道菌群定植

1.早产儿肠道菌群失调：早产儿本身和随后重症监护病房（neonatalintensivecareunit，NICU）的住院过程，破坏了微生物群在关键期的正常定植过程。危险因素包括早产胎膜破裂、孕产妇感染、剖宫产率增加、围产期和产后广谱抗生素使用、缺乏密切的母婴接触、暴露于致病性医院环境、初乳和母乳喂养率低下、使用配方奶粉和牛奶蛋白质强化剂、肠内营养延迟、长期禁食、胃pH值低、使用H2阻滞剂和肠道动力弱等[35]。因此，患儿肠道菌群的形成充分反映了NICU环境的微生态系统，与足月儿的肠道菌群具有完全不同的特征。数项研究揭示了＜33周早产儿肠道微环境菌群的特征性变化[36-37]：生命早期的肠道菌群以致病菌为主（即革兰阳性球菌如葡萄球菌、链球菌），之后迅速被革兰阴性菌替代（多种γ变形杆菌属中的种和属），由此阻碍了梭菌（许多种和属）和严格厌氧菌（Negativicutes）（主要是韦荣球菌和肠球菌）的逐渐建立和生长。孕33~36周的早产儿生后肠道菌群以厌氧菌为主。抗生素使用、不同分娩方式、喂养方式和胎龄都会影响菌群建立的速度，但不影响其最终定植结果。此外，这些患儿肠道菌群的多样性降低，厌氧菌的丰度非常低，并且病原菌（凝固酶阴性葡萄球菌、肠球菌、肠杆菌科）定植增加，酵母和病毒多样性增加[38]。肠道微生物群的这种早期的生态失调影响发育中的肠道、大脑和免疫系统，可能导致NEC、迟发性败血症、脑白质损伤以及远期的特应性疾病、代谢综合征、神经发育障碍等[34,39-40]。

2.NICU环境和早产菌群定植：许多早产儿，特别是极早产儿，更可能通过剖宫产娩出，因此缺少自然分娩时接触母体阴道微生物的过程，而之后在NICU接受数周甚至数月的救治，医院微生物，包括医护人员的皮肤以及设备和工作场所表面的微生物[41]。新生儿微生物菌群的定植也受诸如气管插管、胃管放置、培养箱温度和湿度等因素的影响。减少医护工作者皮肤、工作台面和设备上的NICU环境细菌以及保护新生儿的表皮屏障，是防止接触致病微生物的重要措施，并可显著降低新生儿感染发生风险[41]。已有研究开始了解母婴接触对早产儿菌群定植的影响。最近的一项有关袋鼠式护理的研究表明，婴儿和母亲之间的接触与口腔微生物组成成熟度的增加有关[42]。

3.母乳喂养和早产儿菌群定植：早产儿的喂养应根据早产儿营养需求和亲母母乳（mothersbreastmilk，MBM）或捐赠人乳（donorhumanmilk，DHM）的可及性进行调整。基于牛奶蛋白的产品，包括配方奶、母乳强化剂和蛋白质补充剂普遍用于NICU内的早产儿，以满足其对高热量、蛋白质和矿物质的需求。MBM是已知的促进足月新生儿正常肠道菌群的定植的首要因素。最近几项研究进一步突出了MBM喂养早产儿的重要性。Xu等[30]和Cong等[43]研究了住院早产儿30d内的肠道微生物发育模式。与喂养DHM和/或配方奶粉的婴儿相比，喂养MBM可保护早产儿免受多种微生态失调风险因素的影响，并帮助其建立平衡的微生物群落。尽管妊娠年龄、出生体重、校正月龄和营养状况等因素都会影响肠道微生物群的组成，但MBM喂养对早产儿有独立保护作用[44]。当MBM不足或有MBM禁忌时，NICU中的早产儿越来越多地在应用DHM。巴氏杀菌和冻融过程可杀灭新鲜MBM中的活细胞和微生物，从而降低其保护效果。与奶瓶喂养的MBM或DHM相比，直接母乳喂养可通过母儿之间的微生物直接交换获得更多的益处。然而，相关领域尚需进一步研究。

六、肠道-微生物群-脑轴

肠道微生物群与大脑之间有复杂的联系网络，该网络调节消化、代谢、免疫，以及身体对内源性（例如内脏）和外源性的情绪应激。并且越来越多的研究证明，其可能参与早期神经发育编程和行为与情绪障碍的发生机制，如自闭症、ADHD和焦虑[45-46]。

1.来自动物微生物群研究的实验数据：大多数关于肠道微生物群、大脑功能和行为关系的直接证据，来自使用无菌（germfree，GF）小鼠的动物研究和使用粪便移植、抗生素或益生菌改变肠道微生物群所获得的结果。Sudo等[47]首先证明，GF小鼠与无特殊病原体（specificpathogenfree，SPF）小鼠（在正常菌群环境下生长）相比，对抑制应激反应实验会表现出过激的反应。这种行为是由下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic–pituitary–adrenal，HPA）轴介导的，因为GF小鼠具有相当高水平的皮质激素。值得注意的是，在早期发育阶段对GF小鼠进行SPF小鼠粪便移植，可成功恢复其基础水平的应激反应，但是在发育晚期阶段进行同样的粪便移植实验并不能产生相同的功能恢复，表明肠道微生物群-脑轴存在早期发育关键期。益生菌的研究提供了肠道微生物群影响宿主行为的另一证据[48]。接受过28d乳酸杆菌补充的小鼠，在高架十字迷宫和旷场试验中显示出较少的焦虑样行为；但这种效应可被迷走神经切断术阻断。该实验结果表明，微生物可以直接激活肠神经系统（entericnervoussystem，ENS），并通过迷走神经将ENS信息输入传递给大脑。许多动物研究使用了类似的实验方法，结果均表明肠道微生物群的变化影响了一系列宿主的行为，如焦虑、抑郁、社会障碍和自闭症[45,49-50]。

2.来自人类微生物群研究的证据：有几项人体研究测试了微生物群对人类神经功能是否具有相似的作用。Tillisch等[51-52]使用功能磁共振成像技术，分析了服用4周发酵益生菌奶产品的健康女性大脑对情绪刺激的反应，结果显示参与情绪处理的大脑区域（包括主要的感觉感受区与体感区）较少被激活。同样，大量服用益生菌可以观察到悲伤情绪和攻击行为感受的减少，降低了焦虑及尿液皮质醇水平[53]。另一项人体研究是针对儿童进行的，该研究收集了89例健康的1岁儿童粪便样本。根据粪便细菌组成的特征将实验对象分成3组。让人吃惊的是，这3组儿童在2岁时的认知表现存在显著差异[54]。虽然这些人体研究的样本量很小，但仍不失为将动物实验结果转向临床研究的重要第一步。

3.肠道-微生物群-脑信号传导途径：肠道微生物群如何影响大脑功能是目前的研究热点。动物研究已成为研究连接肠道微生物群和大脑的复杂信号通路的有力工具[45-55]。除了上述的ENS/迷走神经和HPA途径之外，正在进行的研究已经证明肠道-微生物群-大脑通信也可由肠道和微生物产生的细胞因子/免疫系统和神经递质/代谢物介导。

神经免疫系统是肠道微生物群和大脑之间通信的最重要途径[56]。胃肠道是暴露于环境微生物的、面积最大的人体器官，同时胃肠道还包含了70%~80％的人体免疫细胞。生命早期平衡的肠道菌群定植可以确保固有免疫系统对宿主建立平衡耐受，以预防异位炎症反应（过敏）的发生，同时产生对致病菌的特异性免疫反应，以保护宿主免受致病微生物伤害。微生物相关模式分子（microbial-associatedpatternmolecule），如脂多糖、细菌脂蛋白、鞭毛蛋白和CpGDNA等，可激活各种淋巴细胞和固有免疫细胞，如位于胃肠道的巨噬细胞、嗜中性粒细胞和树突状细胞等。这些细胞的激活可产生许多促炎[即白细胞介素（interlukin）-1α（IL-1α）、IL-1b、肿瘤坏死因子α和IL-6）]和抗炎（胰岛素样生长因子-1和IL-10）细胞因子。在外周神经，这些细胞因子能激活传入神经的受体，将信号传递给大脑；或者可通过直接扩散途径及细胞因子转运蛋白穿过血脑屏障（bloodbrainbarrier，BBB）到达大脑。这些细胞因子作用于由神经元和神经胶质细胞表达的受体，特别是小神经胶质细胞，改变其活化状态。肠道微生物群失调可能引发免疫系统的异常激活并扩大炎症反应，导致肠道组织的局部损伤，并造成脑损伤及功能的长期改变。有观点认为异常肠道-微生物群-脑信号是早产儿NEC中观察到的肠道组织破坏和脑白质损伤的主要潜在机制[34]。

微生物群的重要生理功能还包括产生代谢物，如维生素和其他辅助因子，这些物质对于宿主生理功能不可或缺。其中一类代谢物为短链脂肪酸（short-chainfattyacids，SCFAs，即乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐），SCFAs在肠道微生物群作用下由复合碳水化合物发酵产生。SCFAs能够通过BBB，不仅是大脑的重要能量来源，而且具有调节BBB功能的能力，因此近期引起了研究者的兴趣。GF小鼠脑内内皮细胞紧密连接蛋白的表达降低，可显著增加BBB的通透性[57]。给予SCFAs补充，可恢复BBB完整性。同样，补充酪丁酸梭菌或B多形类杆菌的GF小鼠，由于细菌能够在肠道中产生SCFAs，导致其紧密连接的产生增加，可恢复BBB完整性。因此，这一发现具有重大意义，即肠道微生物群的状态可影响血液循环中各种大分子通过BBB的能力，从而影响脑功能和结构的完整性。

脑和胃肠道产生的神经递质参与了肠道-微生物群和脑之间的双向通信。众所周知，大脑在调节肠道动态平衡、运动和分泌方面起着主要作用。与普遍看法相反，肠内各种神经递质的总体水平比例高于大脑水平。肠道细菌能够产生神经递质，如血清素[5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）]、多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、γ-氨基丁酸（gamaaminobutyricacid，GABA）和乙酰胆碱[58]。

动物实验表明，肠道微生物可以控制大脑和外周各种神经递质的浓度。调节情绪的主要神经递质5-HT是被研究最多的神经递质[59]。GF小鼠在脑区（如杏仁核和海马）的5-HT和特异性5-HT受体水平均较低，补充可形成孢子的混合细菌，能恢复其5-HT水平，并使其焦虑样行为正常化。体内绝大多数5-HT（＞90％）由肠道嗜铬细胞产生。肠道中5-HT的产生可以通过肠道微生物来源的代谢物（例如SCFAs）来调节。尽管不确定5-HT是否能通过BBB，但肠道微生物群产生的色氨酸（中枢5-HT前体）能够穿过BBB参与脑中的5-HT合成[46,59]。

4.肠道菌群和早产儿脑损伤：神经发育是一个由内在和外在信号控制的复杂过程，在关键期内的首要定植时间窗内，对环境因素特别敏感[60]。值得注意的是，肠道菌群定植与神经发育是并行的，并且关键发育窗口期相近[46,61]。早产导致肠道细菌过早定植且菌群失调，因此扰乱了关键时期肠道菌群和脑发育的正常关系，导致早期脑损伤和异常神经编程，以及长期神经发育不良结局。

早产儿常见的脑损伤包括白质损伤（脑室周围白质软化）、脑室内出血（intraventricularhemorrhage，IVH）和小脑出血[62-63]。此外，大脑磁共振成像还可以检测到脑容积的减少，特别是灰质、大脑、基底节和边缘系统[64-65]。这些新生儿脑部异常与后期的脑性瘫痪、认知和行为缺陷（即自闭症和ADHD）有关[50,66]。需要注意的是，在NICU出院前，不少早产儿脑磁共振成像没有可识别的损伤，但是其远期随访却显示认知功能和行为障碍。这类“隐形”脑损伤可能归因于神经元网络、轴突、树突、突触的异常发育。这些发育过程对环境因素的影响甚为敏感。

脑损伤的病因复杂，尚未完全了解。肠道-微生物群-脑轴可能成为神经发育的关键因素之一[67-68]。肠道微生物群与多种神经发育过程有关，包括BBB的形成和完整性[57]、神经形成[69]、小胶质细胞成熟和分化[70-71]、髓鞘形成[72]和神经营养素（neurotrophin）表达[72]、突触发生/突触连接[73]、神经递质[59]及其各自受体的发育。重要的是，在许多情况下，肠道微生物群的功效取决于肠道微生物信号与特定神经发育过程相互作用的窗口期。

肠道-微生物群-脑轴的认识为我们开辟了早产儿脑损伤研究的新领域。例如，通过肠道微生物群实现对脑内皮细胞紧密连接的调节可能影响IVH发生。肠道微生物可改变BBB的通透性，使有害分子到达脑部并导致脑实质组织损伤。肠道微生态失调是NEC发生的一个主要危险因素，并可导致发育中的脑白质损伤。在这种情况下，肠道启动的炎症反应过程抑制了前少突胶质细胞发育成为成熟的少突胶质细胞，影响其髓鞘化的能力，导致后期脑瘫的发生。最近的研究发现，前少突胶质细胞还具有其他功能，包括调节突触传递、辅助BBB、促进血管生成和维持神经元等[74-75]。因此，对少突胶质前体细胞的损害不仅导致髓鞘形成的减少，而且还影响神经的编程和适应性。这或许是脑瘫早产儿常同时出现认知和行为异常的原因之一。小胶质细胞对于保护神经组织免受感染至关重要。最近的研究发现，小胶质细胞还可控制脑突触密度和神经元网络的体内平衡[70,76]，因此小胶质细胞功能障碍与数种神经发育障碍有关[77]。已证明肠道微生物群生成的SCFAs可以调节小胶质细胞的发育和功能。研究肠道生态失调如何影响少突胶质细胞和小胶质细胞的功能可能进一步揭示早产儿脑损伤的分子和神经生化机制。

七、结束语和未来展望

过去20年来，不同领域的基础和临床研究人员进行了越来越多的微生物群研究。这些研究从微生物学和胃肠病学开始，迅速延伸至免疫学、神经科学、神经发育生物学、精神病学，最近进入围产医学领域。卓越的跨学科研究工作揭开了肠道微生物群与大脑之间意想不到的复杂交流网络。微生物-肠道-脑发育窗口并行和相互作用的新概念突出了围产期建立有益肠道共生菌的重要性，这是优化大脑发育和远期心理健康的关键步骤。尽管已经开展了早产儿肠道菌群定植特征性改变的研究，但在独特的NICU环境中，肠道微生态失调对早产儿大脑发育和神经编程的影响还知之甚少。围产期微生物群研究的新途径，无疑将推动我们对早产儿脑损伤病因学的理解，进而可能通过调节肠道微生物群以达到神经保护及干预的目的。

稿件编辑：高雪莲

转载请注明：http://www.chwqq.com/jbzl/12924.html