早期生命暴露因素如饮食和肠道微生物组被认为会增加婴儿在日后患多因子疾病的风险。剖宫产分娩会扰乱婴儿肠道微生物组的建立，并与负面的长期后果相关。在此背景下，我们假设剖宫产不仅改变了婴儿肠道微生物组的组成，还影响其代谢能力。为了验证这一假设，我们开发了一个针对婴儿肠道微生物组的代谢建模工作流程。
背景
早期生命暴露因素，包括饮食和肠道微生物组，被认为会增加婴儿在日后患多因子疾病的风险。剖宫产分娩会扰乱婴儿肠道微生物组的建立，并与负面的长期后果相关。在此背景下，我们假设剖宫产不仅改变了婴儿肠道微生物组的组成，还影响其代谢能力。为了验证这一假设，我们开发了一个针对婴儿肠道微生物组的代谢建模工作流程。
方法
我们扩展了AGORA2资源，添加了母乳低聚糖降解模块。对20名婴儿在出生后第一年的四个时间点以及13个母体肠道微生物组样本进行了个性化代谢建模。
结果
研究结果显示，在生命的最初几周内，剖宫产婴儿肠道微生物组的代谢能力明显低于自然分娩婴儿。例如，剖宫产婴儿肠道微生物组中发酵产物、母乳低聚糖降解产物和氨基酸等代谢物含量较低。与母体肠道微生物组相比，婴儿肠道微生物组产生较少的丁酸盐但更多L-乳酸，并具有合成B族维生素的潜力。
结论
我们的模拟结果表明，在生命的最初几周内，剖宫产婴儿肠道微生物组的代谢功能明显低于自然分娩婴儿，尽管这些差异在后期逐渐消失。例如，剖宫产婴儿肠道微生物组在早期阶段缺乏降解母乳低聚糖和胆汁酸转化的能力。随着年龄的增长，剖宫产和自然分娩婴儿肠道微生物组的代谢功能逐渐变得相似。此外，婴儿肠道微生物组的代谢多样性在整个第一年内增加。最终，我们比较了婴儿和成人肠道微生物组的代谢潜力，发现婴儿肠道微生物组产生的发酵产物水平不同，并且富含合成B族维生素的潜力。
普通语言摘要
数万亿微生物生活在人类的消化系统中，其中肠道内的微生物被称为肠道微生物组。肠道微生物执行重要的代谢功能，如消化母乳和生产B族维生素。剖宫产分娩会扰乱肠道微生物组的建立。我们评估了分娩方式对婴儿肠道微生物组代谢功能的影响。通过为母亲和婴儿队列构建计算代谢模型，每个模型代表个体独特的微生物组。剖宫产婴儿的肠道微生物组在早期阶段表现出代谢功能紊乱，但后来逐渐与自然分娩婴儿相似。此外，婴儿肠道微生物组的代谢功能与母体肠道微生物组不同。这些信息可以为进一步研究提供有用的起点，以改善剖宫产婴儿的肠道微生物组。
讨论
我们的研究表明，虽然分娩方式对婴儿肠道微生物组代谢结构和能力的影响在第一年末变得较为微弱，但在生命的最初几周内具有明显的代谢结构和功能差异。剖宫产婴儿肠道微生物组在早期阶段表现出较低的代谢能力，特别是在产生多种代谢物方面。例如，剖宫产婴儿肠道微生物组在早期阶段产生神经递质GABA的能力较低，这可能影响肠道-脑轴的功能。另一项研究发现，剖宫产婴儿在1个月时粪便中丁酸盐浓度较高，这也与我们的预测一致。
我们的模拟还预测了婴儿和成人肠道微生物组在发酵产物谱型上的差异，发现它们在丁酸盐和L-乳酸的分泌上有明显区别。这些差异主要是由于婴儿肠道微生物组的组成不同，双歧杆菌和兼性厌氧菌的丰度较高，而Faecalibacterium和Subdoligranulum属的丰度较低。此外，婴儿肠道微生物组在早期阶段具有较强的B族维生素合成潜力，特别是由双歧杆菌贡献的叶酸、吡哆醛、核黄素和硫胺素的生物合成。这些发现表明，婴儿肠道微生物组在早期生命阶段可能对B族维生素的稳态有重要贡献。
未来的研究可以进一步验证这些预测，并探讨婴儿肠道微生物组对表观遗传调控的长期影响，尤其是与不可传播疾病如肥胖和代谢综合征的潜在联系。虽然当前的约束建模方法不直接考虑表观遗传机制，但未来的模型可以通过整合表观遗传调控来更全面地解释微生物代谢对宿主健康的影响。
总之，我们开发了一种用于机械建模婴儿肠道微生物组的管道，揭示了不同分娩方式下婴儿肠道微生物组代谢能力的差异以及婴儿与成人肠道微生物组之间的代谢差异。这些发现为理解微生物代谢与婴儿健康和发展之间的联系提供了新的见解。
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