生命早期晝夜節(jié)律：嬰兒配方奶粉相關(guān)腸菌和代謝物的隨機(jī)對(duì)照干預(yù)試驗(yàn)

健康嬰兒腸道微生物群落的確定性或隨機(jī)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(jìn)有益雙歧桿菌的定植。鑒于早期生命期微生物群對(duì)后期健康結(jié)果的深遠(yuǎn)影響，晝夜節(jié)律系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)24小時(shí)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(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)Dirk Haller教授團(tuán)隊(duì)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(xiàng)隨機(jī)、對(duì)照干預(yù)試驗(yàn)（德國(guó)臨床試驗(yàn)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(duì)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(píng)估嬰兒配方奶粉喂養(yǎng)對(duì)嬰兒腸道菌群和代謝物的影響。本文還確定了與飲食相關(guān)的微生物組的晝夜節(jié)律振蕩，并在體外腸道化學(xué)恒溫器模型中證實(shí)了優(yōu)勢(shì)類群的體外晝夜節(jié)律性。

技術(shù)路線圖

1. 有關(guān)嬰兒配方奶粉的隨機(jī)對(duì)照干預(yù)試驗(yàn)

這項(xiàng)雙盲、隨機(jī)、對(duì)照干預(yù)試驗(yàn)共210名嬰兒參與，這些嬰兒被隨機(jī)分配到安慰劑組（配方A）、雙歧桿菌補(bǔ)充組（配方B）、半乳糖低聚糖補(bǔ)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(gè)月、1個(gè)月、3個(gè)月、7個(gè)月和12個(gè)月時(shí)收集嬰兒糞便樣本，并在2歲時(shí)進(jìn)行額外的自愿隨訪樣本，同時(shí)在嬰兒1個(gè)月時(shí)自愿收集父母糞便樣本。

圖1. 受試者入組及隨機(jī)化研究示意圖

2. 嬰兒微生物群隨時(shí)間發(fā)育

通過16S rRNA測(cè)序和宏基因組測(cè)序研究表明，嬰兒的腸道微生物群落隨時(shí)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(guān)。雙歧桿菌主導(dǎo)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(shí)間點(diǎn)的糞便樣本組成。

圖2. 嬰兒微生物群的時(shí)間發(fā)育

3. 雙歧桿菌和GOS干預(yù)對(duì)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(gè)月大時(shí)豐度達(dá)到峰值。在第3個(gè)月和第7個(gè)月，配方C組和D組補(bǔ)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(yù)對(duì)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(gè)月大時(shí)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(duì)各自代謝物的更詳細(xì)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-乙酰化三糖在母乳喂養(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(xì)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(dòng)，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(cè)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(bǔ)充的影響

6. 優(yōu)勢(shì)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(gè)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(xué)恒溫器模型中培養(yǎng)中培養(yǎng)，并確保與宿主無關(guān)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(xiàng)對(duì)照干預(yù)研究證實(shí)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(jìn)一步分析菌群和代謝物的晝夜節(jié)律波動(dòng)，以及它們?cè)诖龠M(jìn)嬰兒營(yíng)養(yǎng)方面的功能作用。

參考文獻(xiàn)

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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