生命早期晝夜節(jié)律：嬰兒配方奶粉相關腸菌和代謝物的隨機對照干預試驗

健康嬰兒腸道微生物群落的確定性或隨機演替在很大程度上受環(huán)境和飲食影響。母乳喂養(yǎng)和人母乳低聚糖（GOS）促進有益雙歧桿菌的定植。鑒于早期生命期微生物群對后期健康結(jié)果的深遠影響，晝夜節(jié)律系統(tǒng)驅(qū)動24小時振蕩來控制身體和器官功能，然而，晝夜節(jié)律在腸道發(fā)育中的作用，包括微生物定植過程，是完全未知的。

2024年4月2日德國慕尼黑工業(yè)大學Dirk Haller教授團隊在Cell Host & Microbe（IF=30.3）期刊上發(fā)表題為“Diurnal rhythmicity of infant fecal microbiota and metabolites: A randomized controlled interventional trial with infant formula” 的研究型文章。本研究開展了一項隨機、對照干預試驗（德國臨床試驗DRKS00012313），納入了210名嬰兒，以研究添加雙歧桿菌和GOS的牛奶嬰兒配方奶粉對腸道微生物群早期發(fā)育的作用。通過嬰兒糞便的縱向抽樣（n=998），以純母乳喂養(yǎng)的嬰兒作為參照組，來評估嬰兒配方奶粉喂養(yǎng)對嬰兒腸道菌群和代謝物的影響。本文還確定了與飲食相關的微生物組的晝夜節(jié)律振蕩，并在體外腸道化學恒溫器模型中證實了優(yōu)勢類群的體外晝夜節(jié)律性。

技術(shù)路線圖

1. 有關嬰兒配方奶粉的隨機對照干預試驗

這項雙盲、隨機、對照干預試驗共210名嬰兒參與，這些嬰兒被隨機分配到安慰劑組（配方A）、雙歧桿菌補充組（配方B）、半乳糖低聚糖補充組（配方C）或含有GOS和雙歧桿菌組（配方D），并以未食用任何配方奶粉的母乳喂養(yǎng)嬰兒作為參照組，在嬰兒0.5個月、1個月、3個月、7個月和12個月時收集嬰兒糞便樣本，并在2歲時進行額外的自愿隨訪樣本，同時在嬰兒1個月時自愿收集父母糞便樣本。

圖1. 受試者入組及隨機化研究示意圖

2. 嬰兒微生物群隨時間發(fā)育

通過16S rRNA測序和宏基因組測序研究表明，嬰兒的腸道微生物群落隨時間發(fā)展，逐漸趨向于父母微生物群落的組成。嬰兒微生物群分布的顯著異質(zhì)性在很大程度上與喂養(yǎng)方式或分娩組（剖腹產(chǎn)與陰道分娩）無關。雙歧桿菌主導的聚類在母乳喂養(yǎng)的樣本中較為豐富，并且主要由早期時間點的糞便樣本組成。

圖2. 嬰兒微生物群的時間發(fā)育

3. 雙歧桿菌和GOS干預對嬰兒微生物群聚集的影響

四種不同添加的嬰兒配方奶粉和純母乳喂養(yǎng)組之間的群落結(jié)構(gòu)沒有顯著差異，雙歧桿菌是所有嬰兒糞便樣本中豐度最高的屬，在3個月大時豐度達到峰值。在第3個月和第7個月，配方C組和D組補充GOS可以使雙歧桿菌的平均豐度顯著增加。

圖3. 雙歧桿菌和GOS干預對嬰兒微生物群聚集的影響

4. 不同喂養(yǎng)組之間的代謝物明顯不同，并表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性

非靶向代謝組結(jié)果表明，在嬰兒三個月大時母乳喂養(yǎng)和配方奶喂養(yǎng)的嬰兒代謝物組成差異顯著，而配方奶喂養(yǎng)的嬰兒之間無法區(qū)分。對各自代謝物的更詳細分析表明，磷酸膽堿以及一些特殊的糖衍生物，如糖酸、N-乙�；�四糖或N-乙�；�三糖在母乳喂養(yǎng)組中增加，而肉堿在所有配方奶喂養(yǎng)組中增加。吲哚衍生物（如細菌來源的吲哚乳酸）在配方奶粉喂養(yǎng)的B、C和D組中也增加。在嬰兒的母乳和糞便樣本中發(fā)現(xiàn)了人乳低聚糖，如焦�；�乳糖（FL）。糞便代謝物豐度呈現(xiàn)日間依賴性波動，支持晝夜節(jié)律。

圖4. 不同喂養(yǎng)組之間的代謝物明顯不同，并表現(xiàn)出晝夜節(jié)律性

5. 嬰兒微生物群的晝夜節(jié)律性發(fā)育受年齡和配方奶粉添加量的影響

在白天和晚上從嬰兒收集的糞便樣本中發(fā)現(xiàn)了顯著的菌群豐富度和α多樣性的晝夜節(jié)律。在高度豐富的雙歧桿菌屬中檢測到顯著的節(jié)律性。在添加雙歧桿菌和GOS的配方奶粉組中，節(jié)律性菌群的數(shù)量最高，甚至超過了母乳喂養(yǎng)嬰兒的節(jié)律性zOTUs數(shù)量。

圖5. 嬰兒微生物群日間節(jié)律性的發(fā)展受到配方奶粉補充的影響

6. 優(yōu)勢嬰兒微生物類群的晝夜節(jié)律在體外持續(xù)存在

選擇了3個月大的純母乳喂養(yǎng)和配方A組（安慰劑）喂養(yǎng)嬰兒的糞便樣本，在體外化學恒溫器模型中培養(yǎng)中培養(yǎng)，并確保與宿主無關的條件。在母乳喂養(yǎng)樣本中，雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和腸桿菌科（Enterobacteriaceae）含量較高，顯示出顯著的節(jié)律性變化；而在配方A組喂養(yǎng)樣本中， Clostridium sensu stricto1含量較高，同樣觀察到了顯著的節(jié)律性特征。

小結(jié)

這項對照干預研究證實了飲食影響發(fā)育中的嬰兒腸道微生物群的晝夜節(jié)律性，但有必要進一步分析菌群和代謝物的晝夜節(jié)律波動，以及它們在促進嬰兒營養(yǎng)方面的功能作用。

參考文獻

Heppner N, et al. Diurnal rhythmicity of infant fecal microbiota and metabolites: A randomized controlled interventional trial with infant formula. Cell Host Microbe. 2024.

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