美国婴儿普遍缺乏双歧杆菌导致肠道菌群失调
摘要
婴儿肠道微生物组的组成对其免疫发育和非传染性疾病（NCD）轨迹至关重要。然而，目前尚缺乏对美国婴儿肠道微生物组的全面评估。My Baby Biome研究旨在填补这一知识空白，通过对412名婴儿（代表美国人口多样性）进行宏基因组学和代谢组学分析，评估其肠道微生物组。无论分娩方式和喂养方法如何，广泛观察到双歧杆菌的缺乏，约25%的美国婴儿未检测到双歧杆菌。以双歧杆菌为主的微生物组在抗性基因、毒力因子基因、碳水化合物利用途径和代谢特征方面表现出独特性。在剖宫产婴儿中，双歧杆菌往往被潜在病原体取代。纵向健康结果表明，关键双歧杆菌的消失可能与过敏体质的发展有关。
引言
过去五六十年间，非传染性疾病显著增加，其全球患病率现已超过传染病。这种趋势既影响儿童也影响成人，新兴数据表明一些在儿童或成年期表现的非传染性疾病起源于生命最初1000天，包括子宫内发育和出生后两年。这一现象反映了现代化或工业化对环境的影响。卫生假说及其最新改进版将宿主肠道微生物组的变化视为解释这一趋势的原因。特别是在婴儿健康背景下，某些双歧杆菌菌株（如Bifidobacterium infantis）从工业化社会许多个体的肠道微生物组中消失的现象备受关注。
分娩方式、喂养方法和抗生素使用均影响婴儿肠道微生物组，这与儿童过敏性疾病、自身免疫疾病、肥胖和神经发育异常以及儿童免疫接种效果相关。然而，这些发现基于小型孤立研究，尚未充分探索其范围及对当今美国出生婴儿长期健康的影响。
本文报告了My Baby Biome研究（n=412）的初步结果，这是迄今为止美国最大规模的横断面采样研究，涵盖婴儿肠道微生物组和代谢组。数据显示，一至三个月大的婴儿普遍存在某些双歧杆菌菌株的缺乏，这些菌株在过去占主导地位且对健康发育至关重要。这些婴儿面临非传染性疾病的风险，表现为两岁前不良免疫结果的风险增加。尽管“菌群失调”一词存在争议且难以定义，但微生物组组成与婴儿健康结果之间的相关性表明，关键双歧杆菌的缺乏可被视为婴儿肠道真正的菌群失调。
结果
婴儿肠道微生物组的分类分析
My Baby Biome研究是一项为期七年的纵向研究，监测美国婴儿的健康结果及肠道微生物组的组成和功能。采用分散式临床试验方法确保人口统计数据反映美国人口。研究参与者的分娩方式（阴道分娩和剖宫产）和喂养方法（纯母乳喂养、纯配方奶喂养和混合喂养）分布与疾病控制和预防中心（CDC）记录的数据一致。研究收集了来自48个州的粪便样本。
宏基因组和代谢组学分析显示，粪便样本中含有559种不同物种，平均每份样本检测到12.1种物种。双歧杆菌在数据集中普遍存在且丰度较高，但呈现双峰分布；24%的婴儿（19%阴道分娩和35%剖宫产）未检测到双歧杆菌。双歧杆菌在出现时通常丰度较高，表明其他婴儿可能缺乏暴露机会。四种双歧杆菌（Bifidobacterium breve、Bifidobacterium bifidum、Bifidobacterium longum subsp. longum和Bifidobacterium longum subsp. infantis）是最丰富的物种。后续我们将这些双歧杆菌称为婴儿双歧杆菌。B. longum subsp. infantis尤为稀少，仅在8%的样本中观察到。
喂养方法和分娩方式显著影响婴儿微生物组的组成。未观察到年龄、性别、种族或地理位置对组成的显著趋势。我们比较了基于分娩方式的物种流行率和基于喂养方法的物种丰度，发现所有在阴道分娩婴儿中更流行的物种均属于拟杆菌门，而剖宫产婴儿则主要富集于厚壁菌门。双歧杆菌未直接与分娩方式相关，表明其获取不仅限于阴道分娩，也可能通过环境获得。已知的人乳寡糖（HMO）消费者（如Bifidobacterium infantis）在母乳喂养组中的丰度高于配方奶或混合喂养组。潜在病原体（如Klebsiella pneumoniae和Clostridium perfringens）也在母乳喂养组中富集，表明它们能够占据HMO消费生态位。
在评估分娩方式和喂养方法的协同作用时，发现母乳喂养与阴道分娩婴儿双歧杆菌水平增加相关。令人惊讶的是，在剖宫产婴儿中观察到相反趋势，母乳喂养与婴儿双歧杆菌减少相关。这表明在剖宫产婴儿中，母乳喂养可能促进了其他HMO消费者的定植，从而抑制了双歧杆菌的出生后定植。
功能分析
为更好地理解双歧杆菌缺乏对婴儿肠道微生物组功能扰动的影响，我们评估了HMO利用能力、一般碳水化合物利用能力、抗菌素耐药基因和毒力因子。HMO利用是婴儿微生物组的关键功能，因其是乳汁中第三大固体成分且在免疫发育和微生物组成熟中发挥关键作用。双歧杆菌尤其是B. infantis是主要共生菌，配备HMO降解基因，但并非唯一贡献者。
我们评估了涉及HMO消耗的基因，并确定每个样本和DMM聚类中的主要分类贡献者。C1中约97%的样本以双歧杆菌（主要是B. breve）为主要HMO分类贡献者，而C2中有约65%的样本以双歧杆菌（主要是B. longum）为主要贡献者。C2中双歧杆菌丰度和物种流行率相对于C1的变化与HMO基因簇H4和H5显著减少相关。在C3中，HMO利用能力主要来自梭菌属（如C. perfringens），表明它们能够填补HMO利用生态位。
代谢分析
为了解双歧杆菌对婴儿肠道微生物组代谢的影响，我们使用同位素标记内标量化了79种代谢物。C3表现出胆汁酸代谢的显著变化，这是肠道微生物组成熟的关键驱动因素，也是婴儿胆汁淤积的相关因素。C3还减少了硫胺素的产生，这是一种必需的微量营养素。C3的短链脂肪酸谱倾向于更高的丁酸盐生产，这是许多梭菌属物种的发酵终产物。
微生物-代谢物网络分析
为了解潜在的宿主-微生物组相互作用，我们生成了一个微生物-代谢物网络，以深入了解共现和互斥模式。网络分解为较小的子结构模块，这些模块是高度连接的特征组。所有四种提到的婴儿双歧杆菌都位于同一模块中。我们观察到Bifidobacterium infantis、Bifidobacterium longum和Bifidobacterium breve之间的三向正相关关系，而Bifidobacterium bifidum仅与Bifidobacterium infantis相互作用。Bifidobacterium breve、Bifidobacterium longum和Bifidobacterium infantis均与吲哚-3-乳酸、4-羟基苯基乳酸和硫胺素呈正相关，这些是免疫和认知发展的关键代谢物。
两年健康结果及相关微生物组特征
两岁时收集健康结果数据，以评估微生物组与过敏、湿疹/皮炎和哮喘等免疫条件的关系。在412名初始参与者中，我们收到了210份两岁时的随访健康调查问卷。53.8%的家长报告称孩子在出生至两岁之间使用过抗生素，30.0%报告了不良健康结果（包括过敏、湿疹/皮炎和哮喘）。根据这些数据，我们计算了相对风险作为DMM集群的函数，控制了两岁前抗生素使用情况。我们发现，相对于C1，C2个体发展不良结果的可能性高3.2倍，C3个体高3.0倍。抗生素使用使不良结果发展的可能性增加了3.3倍。个体双歧杆菌驱动了样本沿主坐标的分离，我们还计算了不良结果发展的相对风险作为婴儿双歧杆菌的函数。我们观察到婴儿双歧杆菌丰度使相对风险降低了3.1倍。
讨论
尽管多项研究强调婴儿微生物组是免疫相关疾病的风险因素，但美国婴儿的大规模研究仍然缺乏。My Baby Biome研究启动是为了更好地表征和理解美国代表性婴儿群体的肠道微生物组和代谢组。研究聚焦于出生后100天内的肠道微生物组，这是一个对免疫发育和非传染性疾病易感性至关重要的时间窗口。
大约25%的婴儿肠道微生物组缺乏可检测的双歧杆菌，这些关键微生物与美国旧秩序门诺派人群中较低的非传染性疾病负担相关。B. infantis在美国7%的婴儿中缺失，这在工业化世界中占主导地位。尽管最近有研究表明产后环境转移可能是婴儿双歧杆菌定植的主要力量，但本研究中观察到的双歧杆菌匮乏与较少工业化的群体相比存在显著差异。
随着婴儿双歧杆菌的消失，能够代谢HMO的机会性细菌占据了HMO利用生态位，尽管其HMO利用能力有限。在C2中，替代物通常是拟杆菌科，利用粘蛋白利用基因消耗HMO。这些替代物无法提供与双歧杆菌相同的代谢益处，如ILA生产。在狩猎采集者群体如哈扎人中，早期用粘蛋白利用者替代是罕见的，因为他们的传统拟杆菌门代表Prevotella缺乏显著的粘蛋白利用能力。西方饮食和生活方式导致了能够机会性利用HMO的微生物的增殖。在C3中，具有潜在致病性的细菌（如Clostridium perfringens）可以占据该生态位。我们观察到这些潜在致病性HMO用户对剖宫产婴儿尤其成问题。在这些婴儿中，母乳喂养不支持双歧杆菌的建立，而是支持这些潜在有害生物的建立。
双歧杆菌的缺乏导致婴儿肠道发生根本性的功能变化。随着HMO利用的显著中断，抗菌素耐药基因的丰度和毒力因子的丰度和多样性增加，表明微生物生态系统发生了变化。这种变化也反映为婴儿肠道代谢组的变化。这些变化的影响似乎很大，因为数据集中出现了不良免疫结果与微生物组组成之间的显著关联。总体而言，数据展示了肠道微生物组的一致变化模式，导致健康结果的变化，我们认为这值得定义为菌群失调。
My Baby Biome研究将监测七年的健康趋势，但令人担忧的趋势在两岁时已经显现，30%的婴儿患有过敏、哮喘和/或湿疹/皮炎。从这些数据中，我们确定了两种社区状态，即C2和C3，它们代表了76%的队列成员，面临更高的不良免疫结果风险。此外，我们观察到婴儿双歧杆菌具有保护作用，降低了人群的相对风险。我们还鉴定了与更高不良结果可能性相关的基因，包括一对噬菌体相关基因和一组三个毒力因子相关的免疫调节基因，应在其他队列中验证。我们预计随着队列年龄的增长，进一步的健康影响将变得明显。
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