编者按：
婴儿阶段是肠道菌群建立的重要时期，也被人们认为是干预的关键窗口期。那么，为什么婴儿阶段更适合干预？为什么益生菌在婴儿阶段更容易在肠道中定植？背后的机制和原因究竟是什么？是否可以通过其它辅助方式帮助益生菌定植呢？
今天我们特别编译了发表在The Scientist杂志上由 Jennifer T. Smilowitz 教授等人撰写的关于益生菌与婴儿肠道菌群的文章。希望该文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
① 益生菌与婴儿肠道菌群
2018 年秋天，以色列魏茨曼科学研究所的研究人员发表了一项最新研究成果[1]，研究发现，11 种乳酸菌和双歧杆菌的混合菌株对小鼠或人的肠道微生物群组成具有即刻影响但是不存在远期影响。事实上，干预结束后，该研究并未在 14 名成年受试者体内发现补充的益生菌。
除了这项研究以外，最近一些其它研究也被媒体大量报道，这些研究发现，能给人类宿主带来益处的益生菌或许不能起到持久的作用。
面对这些研究结果，公众情绪日益高涨。一些批评家甚至表示，益生菌可能并不是治疗疾病或改善健康的有效途径。
但是加州大学戴维斯分校的 Jennifer T. Smilowitz 教授表示：“我们的研究表明，合适的益生菌可以在婴儿肠道中发挥有效作用。”
他们在 2017 年发表的研究表明[2]，给母乳喂养的婴儿补充婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis EVC001）这种益生菌，会显著提高婴儿粪便中B. infantis含量。
该研究结果表明，相比不补充该益生菌的婴儿，补充益生菌的婴儿粪便中的B. infantis含量升高了近 1000 万倍。而且在服用这种益生菌补充剂后的一个月甚至一年内，益生菌含量均能保持在较高水平。
B. infantis在婴儿肠道内的定植对婴儿具有保护作用，如降低机会性致病菌和粪便内毒素（一种明确可以诱发炎症的革兰氏阴性细胞外膜成分）水平。
Jennifer 团队的研究发现，与母乳喂养但未接受益生菌干预的婴儿相比，接受益生菌干预的婴儿肠道炎症反应明显降低；补充B. infantis的婴儿肠道菌群抗生素抗性基因丰度降低，这意味着病原体数量较低；此外，粘蛋白降解也减少。
（原作者注：粘蛋白是一种由肠上皮细胞分泌的糖蛋白，可保护上皮细胞不与肠道微生物直接接触。）
这些数据也支持了早期加州大学戴维斯分校 Mark A Underwood 教授及其团队的研究结果[3]。2013 年，Mark A Underwood 及其团队的研究结果显示，与喂养乳酸杆菌干预的早产儿相比，喂养B. infantis ATCC15697菌株的婴儿粪便双歧杆菌丰度较高，机会致病菌丰度更低。
尽管目前科学界和公众发现，成人通过服用益生菌补充剂或许无法使益生菌持续地定植在肠道中发挥益处，但 Jennifer 认为，有足够的证据显示，至少婴儿肠道菌群可以与B. infantis中某些特定菌株产生很好的应答反应，但是，具体的机制还不清楚。
② 婴儿微生物起源
关于婴儿肠道微生物，很多古老文章均有记载。
100 年前，爱丁堡皇家医学院研究中心临床病理学家 W. R. Logan首先报道了母乳喂养的婴儿粪便涂片中的细菌几乎是Bacillus bifidus，现在我们称这类细菌为双歧杆菌属（Bifidobacterium）[4]。
与当时采用人工配方奶粉喂养的婴儿相比，后者的粪便涂片中含有更多的其它细菌，而双歧杆菌丰度却很低。而且当时人工配方奶粉喂养的婴儿菌群多样性与现在母乳喂养婴儿的菌群多样性更接近。
在过去一个世纪里，肠道菌群组成的这些显著变化与最新发现的研究结果是一致的：母乳喂养婴儿粪便 pH 由 100 年前的 5.0 急剧上升为 6.5。pH 的变化主要与世代繁衍中双歧杆菌的遗失及机会致病菌水平的增加有关。
母乳喂养婴儿肠道菌群中双歧杆菌的减少更像是某些医疗手段带来的一种意外结果，虽然某些手段可以拯救生命，但是却无法支持双歧杆菌的生长。
这些医疗手段包括提供双歧杆菌敏感型抗生素、给予婴儿配方奶粉无法提供细菌生长所需的特定食物以及阻断通过阴道进行母婴菌群传递的剖腹产等。
这些医疗手段的应用与医疗资源丰富的国家中流行的过敏性疾病和自身免疫性疾病风险的增加有关。婴儿肠道双歧杆菌的减少和促炎性细菌丰度的增加可能发生在免疫系统发育的关键窗口期，因此可能增加日后罹患免疫性疾病的风险。
为了弄明白“婴儿肠道微生物在过去一个世纪里为什么发生了如此巨大的变化”这个问题，Jennifer 的团队计划把“研究肠道菌群是如何形成的”作为研究的切入点。
婴儿肠道菌群的定植始于分娩时对母亲的微生物的暴露：主要是阴道分娩时，母亲阴道和粪便中的微生物或剖腹产分娩时母亲皮肤、口腔和周围环境中的微生物。
婴儿出生后，周围环境包括母乳中均分布着大量的微生物，但最终能适应婴儿肠道并定植的往往是母亲通过身体接触传递给婴儿的微生物。
儿童生命早期可以持续地从母亲和周围其他人群获得肠道微生物，这与成人形成鲜明的对比：成人肠道微生物群长期稳定不变，因为肠道中可利用的空间和食物已经被现有的微生物利用，简单来说，生态位已经被现有的肠道微生物占据了。
因此，益生菌更有机会在婴儿肠道菌群存活。在婴儿肠道中，菌群竞争相对较少，更有可能获得食物和定植空间，对于婴儿来说，益生菌只是一种新的细菌来源。
意识到这一点，Jennifer 开始思考：在之前的研究中，B. infantis的生态位究竟是什么？它是如何在停止对婴儿进行益生菌干预后还能持续生存的？
③ 寻找特定的食物资源
影响肠道菌群生存的主要因素是可利用的碳水化合物，因此，为了让益生菌发挥作用，婴儿的肠道微生物会进行竞争选择，以获得自我生物利用度更高的食物资源（一种存在于肠道但尚未被其它细菌消耗的食物）。于是 Jennifer 团队开始着手研究婴儿肠道微生物B. infantis主要消耗的碳水化合物是什么。
很自然地，他们把目光转向了母乳。因为几百万年以来，母乳一直是 0~6 个月婴儿唯一的且营养丰富的食物来源，母乳不仅可以提供丰富的营养素，还可以提供非营养性生物活性分子，包括母乳低聚糖（Human milk oligosaccharides，HMOs）。
追溯到 19 世纪中期，来自宾夕法尼亚大学闻名世界的生物学家、营养学家和儿科医生 Paul Gy?rgy 及其同事就提出了婴儿肠道中存在“双歧杆菌因子（bifidus factor）”这一观点，“双歧杆菌因子”是母乳喂养双歧杆菌的独特成分，其实他们已经不自觉地提到了母乳低聚糖。
虽然成人无法消化母乳低聚糖，但研究证明，双歧杆菌尤其是婴儿肠道中B. infantis可以消化母乳低聚糖这种碳水化合物。
不仅如此，2007 年，加州大学戴维斯分校的科学家们利用质谱联合微生物学技术发现，B. infantis将母乳低聚糖作为唯一能量来源[5]。
母乳低聚糖是一类由乳腺合成的复杂碳水化合物分子，约有近 200 种不同的分子结构，是母乳中除乳糖和脂肪外的第三大固体组成成分。
由于母乳低聚糖结构复杂多样，所以生产成本较高。目前婴儿配方奶粉中仅添加一种或两种结构简单的母乳低聚糖，其添加水平远低于母乳中的含量。因为婴儿配方奶粉中缺乏种类丰富、结构复杂的母乳低聚糖，所以难以选择性喂养肠道有益菌群来平衡或抵消致病菌的作用。
婴儿肠道中可以消耗母乳低聚糖的细菌种类被认为是奶源导向型微生物群（Milk-oriented microbiome，MOM）。
尽管B. infantis似乎是母乳低聚糖的最有效的消费者，其它双歧杆菌菌株（尤其是B. breve和B. bifidum）也可以消耗部分母乳低聚糖，同时还可以从多种植物源性、动物源性和宿主代谢性碳水化合物获取能量，因此在肠道定植的双歧杆菌菌株种类会随着宿主饮食中可利用碳水化合物的变化而变化。
例如，B. infantis、B. breve和B. bifidum都是 MOM 型双歧杆菌，主要存在于母乳喂养的婴儿体内；而B. longum和B. adolescentis主要消耗植物源性、动物源性和宿主代谢性碳水化合物，因此主要存在于成人体内。当然，在不同的生命阶段，菌群之间会存在一定的变化和重叠。
此外，在肠道中存在着不同类型的 MOM 型双歧杆菌，它们对婴儿肠道菌群的生物作用也不尽相同。
例如，当为母乳喂养婴儿单独补充益生菌B. infantis EVC001时，肠道菌群以双歧杆菌为主，占肠道微生物群相对丰度高达 80%，肠道机会致病菌丰度降至 10%以下；而未补充益生菌B. infantis EVC001的母乳喂养的婴儿，其肠道双歧杆菌丰度较低，仅占肠道微生物群的 30%，机会致病菌丰度占 40%。
这与 Jennifer 团队之前的研究6和其他团队的研究7结果一致。这种高丰度的双歧杆菌似乎是由B. infantis造成的，因为B. infantis占到益生菌喂养婴儿肠道双歧杆菌总量的 90%。
相比之下，对照组婴儿肠道中优势菌为B. longum，其次是B. breve和B.bifidum。以上数据显示，益生菌菌株特异性至关重要，B. infantis联合母乳喂养对婴儿肠道微生态或许具有保护作用。
为了了解补充性B. infantis益生菌完胜婴儿肠道中其它微生物的作用机制，Jennifer 的团队进一步对其喂养策略进行了剖析。
研究结果显示，B. infantis极其挑食，仅以母乳低聚糖为食，当母乳低聚糖含量丰富时，B. infantis会贪婪地攫取这些食物。
而且与其它 MOM 型双歧杆菌不同，B. infantis拥有可以完整地、内源性降解母乳低聚糖和优先利用母乳低聚糖而不是其它碳水化合物的所有关键性基因；其它 MOM 型双歧干杆菌菌株（如B. bifidum和B. breve）正如前所说，仅可利用一部分母乳低聚糖完成生长。
因此，当母乳是唯一食物来源时，B. infantis具有绝对的竞争优势。
2008 年，加州大学戴维斯分校 D. A. Mills 及其合作团队的一项研究报道了B. infantis快速利用母乳低聚糖的作用方式8：固定蛋白从肠腔抓取母乳低聚糖，通过转运蛋白将碳水化合物转运至细胞质，在细胞质中将其分解为单糖，酵解为乳糖和短链脂肪酸，再分泌至细胞外。
这些脂肪酸终产物可以降低肠道 pH 值，利于宿主肠上皮组织对上述化合物的吸收，创建了不利于致病菌生长的环境。其中，产物乙酸可以通过增强肠屏障功能、抑制促炎和凋亡反应来阻断致病菌毒素分子的渗透。
近期一项体外研究结果显示9，不同双歧杆菌菌株种类产生的乙酸和乳酸数量取决于它们消耗可利用碳水化合物的程度。因此，通过给微生物喂养其特异性碳水化合物，可以极大增加保护性终产物的产量。
另一个B. infantis可以完胜母乳喂养婴儿肠道中其它双歧杆菌菌株的原因是：其他双歧杆菌消化母乳低聚糖的过程均在细菌细胞内完成，而B. bifidum的消化过程是在胞外完成的。
这种细胞外消化分解产生的简单碳水化合物，不仅可以与其它双歧杆菌菌株交互营养，还可以与其它有益作用不明显的细菌交互营养，并趁势占据一定的生态位。肠道微生物群之间交互营养会增加肠道菌群的多样性，通常被认为对成年人具有一定的益处。
然而，婴儿肠道近乎单一地培养双歧杆菌优势体现在哪里呢？沿着这个问题，Jennifer 团队将研究焦点转向了婴儿免疫系统的发育。
④ 双歧杆菌的益处
婴儿肠道菌群中双歧杆菌数量下降、肠道菌群作用失调和肠道致病菌数量增加被证实可能是导致医疗资源丰富国家的居民其自身免疫性疾病发病率增高的重要因素之一[10]。相反，观察性研究显示，以双歧杆菌为主的肠道菌群组成可能对婴儿和儿童免疫具有积极作用[11,12]。
孟加拉关于婴儿和少年儿童的研究显示[11,12]，2 月龄婴儿粪便B. infantis和双歧杆菌丰度与 6 月龄和 2 岁时婴幼儿疫苗接种反应改善作用具有强相关性。
此外，与其它细菌尤其是致病菌不同，双歧杆菌携带和传播抗菌素耐药基因的可能性较小，这也就意味着不太容易增加抗生素耐药性感染风险。
在一项对孟加拉和瑞典婴儿的观察性研究显示[13]，以双歧杆菌为主的肠道菌群结构与抗生素抗性基因的数量和丰度显著降低相关；同时，与母乳喂养的对照组婴儿相比，补充B. infantis EVC001的婴儿其抗生素耐药性基因下降 90%，主要与肠埃希氏菌、梭菌和葡萄球菌（均为机会性致病菌，对抗生素抗性基因的进化和传播具有重要作用）数量的大幅下降有关。
为了还原 100 年前母乳喂养婴儿肠道菌群中特有的优势双歧杆菌，Jennifer 的团队还实施了一项B. infantis EVC001益生菌随机对照干预试验。
考虑到并非所有的B. infantis都可以有效分解所有结构类型的母乳低聚糖，所以该研究选择了B. infantis EVC001，因为该菌株拥有消化所有母乳低聚糖的完整基因序列。
结果显示，与未接受益生菌干预的母乳喂养对照组婴儿相比，益生菌干预组婴儿粪便B. infantis含量升高了近 1000 万倍，干预期间粪便双歧杆菌丰度高达 79%，且可持续至结束干预后一个月。
此外，研究还发现，即使未持续进行益生菌干预，也不会影响双歧杆菌的定植。而且持续母乳喂养一年且未服用抗生素的婴儿其肠道中B. infantis定植可持续至一岁。更重要的是，益生菌补充的婴儿肠道中肠杆菌和肠梭菌等致病菌水平下降了 80%，粪便内毒素含量也明显下降。
进一步，研究还发现粪便乳酸和乙酸盐含量升高了 2 倍，pH 值下降了 10 倍。益生菌干预的婴儿肠道微生物群和生物化学物质与 100 年前观察的肠道组成更相近。
他们还发现了一些肠道菌群“现代化”后果的线索。粪便双歧杆菌含量较低的母乳喂养婴儿，在2 个月干预期间，其粪便中的母乳低聚糖含量是B. infantis EVC001干预婴儿的 10 倍，这表明母乳低聚糖（母乳中第三大丰富的成分）被浪费掉了。
同时还发现，粪便双歧杆菌含量较低的母乳喂养婴儿，粪便促炎性细胞因子水平是B. infantis EVC001干预婴儿的数倍。
Jennifer 表示：“这些数据显示，B. infantis或许可以作为母乳喂养婴儿的益生菌，因为在干预结束后，这种细菌可以持续定植在婴儿肠道中，有效重塑肠道微生物群、生物化学物质和免疫系统环境。”
当今世界上很多婴儿从未接触过B. infantis，而母乳喂养和B. infantis益生菌干预或许可以为婴儿提供营养丰富和一个防护性肠道环境。
同时这一研究结果还为如下假设提供了支持：某些益生菌对成人无效，部分原因是这些益生菌干预手段尝试在一个结构成熟且几乎无生态位的微生物群中引进一些新的菌群。当益生菌的碳水化合物需求和高度特异性碳水化合物（如母乳低聚糖）可利用性出现需求错配时，为婴儿补充益生菌可能无效。
而B. infantis因为可以有效消化母乳中所有结构类型的母乳低聚糖，因此可以占据婴儿肠道中一个空的生态位，从而战胜其它微生物，尤其是致病菌。
⑤ 婴儿肠道菌群如何干预？
许多科学家正在努力理解婴儿肠道菌群对整个生命周期健康的真正意义。
未来，或许我们可以把注意力转向其它问题：从婴儿期到断奶期间，世界各国婴儿肠道双歧杆菌定植模式有何不同？有哪些可靠的食物可以维持肠道和免疫系统的健康？外源性碳水化合物结构如何通过影响微生物的功能，促进婴儿晚期和幼儿早期肠道微生物群和免疫系统的健康发育？是否可以找寻到某种益于儿童肠道有益微生物的特定碳水化合物结构，在关键窗口期为孩子的终身健康奠定良好基础？
相信随着对微生物组的不断探究，我们会一一解决上述问题。
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原文链接：
https://www.the-scientist.com/features/the-infant-gut-microbiome-and-probiotics-that-work-67563
作者｜Jennifer T. Smilowitz 和 Diana Hazard Taft
编译｜ninety
审校｜617
