综述 | Trends in Neurosciences：营养不良和微生物组影响早期神经发育

2021-09-20 23:14

同时，营养不良通常与其他可能破坏社会发展进程的经济、文化和政治因素密切相关。

编译：微科盟索亚，编辑：微科盟汤貝、江舜尧。

导读

营养不良通常是指卡路里、宏量营养素或微量营养素缺乏、过量或比例失衡。生命早期的营养不良与神经发育障碍紧密相关，是一个亟需解决的全球健康和社会经济问题。了解围产期营养不良如何影响大脑发育，对于揭示行为神经回路建立的基本机制至关重要，并且可以为神经发育状况的公共政策和临床干预提供信息。最近的研究表明，肠道微生物可以通过饮食影响宿主生理，并调节神经系统的发育和功能。本文列举了围产期营养不良改变大脑发育的证据，并认为母体和新生儿的微生物组可能是一个潜在的影响因素。了解微生物组与神经发育之间的联系与机制，能够为预防、诊断和治疗早期营养不良的神经系统异常提供新见解。

论文ID

原名：Malnutrition and the microbiome as modifiers of early neurodevelopment

译名：营养不良和微生物组影响早期神经发育

期刊：Trends in Neurosciences

IF：13.837

发表时间：2021.7.21

通讯作者：Elena J.L. Coley

通讯作者单位：加州大学洛杉矶分校

综述目录

1 营养不良的“持续负担”

2 围产期营养不良与神经发育

3 围产期营养不良与微生物组

4 微生物组在围产期营养不良和神经发育中的新作用

5 微生物对营养不良和神经发育影响的可能机制

5.1 直接信号影响机制：与神经发育相关的微生物代谢产物

5.2 间接信号影响机制：微生物组对神经发育二级系统的影响

6 结束语与展望

主要内容

1 营养不良的“持续负担”

围产期营养是人体健康生长和长期发育的早期决定因素。在关键发育阶段的能量或营养物质的缺乏、过剩或比例失衡，都会长期影响包括神经系统在内的许多生命系统的发育过程。生命早期营养不良以及神经发育障碍的高发病率，仍是全球性的健康问题和系统性不平等标志。因此，了解营养不良在扰乱大脑发育中可能的作用、所涉及的基本机制以及如何防治至关重要。人体微生物组能够直接影响食物转化为人体营养素，并且与大脑功能和行为等宿主生理过程密切相关。前人的研究已经探讨了营养不良与神经发育以及肠道微生物组之间的联系，并且也研究了神经发育和肠道微生物组的关系。最近，有学者提出了营养素与脑—肠道—微生物组轴之间的联系，并以及炎症反应的角度来解释母体饮食对后代神经发育的影响，而肠道微生物组在这个过程中发挥重要作用。本文旨在通过强调围产期营养不良与后代神经发育之间的关系可能是由母体肠道微生物组所介导，为将营养不良、肠道微生物组和神经发育三者联系起来提出新的证据。并进一步探索了母体微生物组和饮食可能影响神经发育过程的核心分子机制，以及微生物组—饮食相互作用对人类神经健康和疾病的潜在影响。在本综述中，将产前期视为营养不良和母体微生物组对神经发育影响的关键时期，但在特定条件下，也会采用围产期的研究结果。此外，除非另有说明，本文中营养不良模型的属于比例失衡。

2 围产期营养不良与神经发育

营养不良是世界性的难题：约50%的5岁以下儿童死亡是由于营养不良或相关疾病造成的。生命早期最常见的宏量营养素缺乏对神经行为的影响是在认知和社会领域（表S1）。在对3913名巴西儿童的研究发现，早期营养不良母亲（低BMI和孕期增重）的女性后代在2岁时更有可能表现出语言或运动功能发育迟缓。营养不良的幼儿在社会行为方面存在缺陷，产后早期蛋白质摄入量与幼儿在运动和认知方面的得分以及早产儿的脑容量呈正相关，而与髓鞘形成相关缺陷、脑萎缩和心室扩张、脑皮质发育不良等呈负相关。在一岁前蛋白质摄入不足会出现认知功能下降，表现为儿童时期的智商和注意力低下以及在青春期抑郁症状增加。除了蛋白质以外，其它宏量营养素同样重要。例如，早产儿出生后早期的脂肪摄入除了可以增加内囊、放射冠、丘脑放射、后纵束和皮质脊髓束的各向异性分数外，还与小脑、基底神经节、丘脑和整个大脑发育有关。并且，有些神经缺陷可能会持续到成年：在对118名荷兰受试者的研究中发现，产前营养不良会减少成年后期白质、男性扣带回皮层血流量，并且与大脑衰老有关。此外，在对来自巴巴多斯成年人的研究中发现，一岁前蛋白质摄入量不足，会造成长期的认知、工作记忆、视觉空间等注意力缺陷问题。

除了宏量营养素营养缺乏，微量营养素同样对大脑发育至关重要。在出生后早期缺乏维生素B12、叶酸和维生素K等微量营养素会与脑萎缩和胼胝体变薄、精神疾病以及颅内出血风险增加有关。此外，虽然围产期营养过剩没有营养不足的研究充分，但仍是一个日益严重的全球健康问题——约有3800万5岁以下儿童存在肥胖或超重的问题。母体营养过剩（孕前或孕期BMI高）会导致婴儿在认知和语言领域得分降低、视觉运动技能受损、社交能力和学习能力下降以及胎儿丘脑和皮质连接改变，并且这种现象在男孩中更为普遍。总的来说，越来越多的研究将围产期营养不良与神经发育异常联系起来，这便突出了解释其基本神经生物学基础机制的重要性。

通过使用动物模型进行的研究证明了产前营养不良会损害神经发育和晚年行为。在大鼠和豚鼠试验中，孕期食物限制会导致大脑体积缩小，皮质酮和促肾上腺皮质激素释放增加以及大脑海马体生理机制改变。在狒狒试验中，妊娠期间食物限制会导致脑室下区大小、神经胶质细胞标志物、神经元过程和神经营养因子的减少，细胞凋亡率增加和基因表达失调。值得注意的是，即使仅在大鼠怀孕前期短时间的蛋白质限制，也足以破坏胎儿大脑皮质发育，损害大脑海马体识别记忆的能力。在大鼠怀孕期间喂食微量营养素缺乏（维生素D、锌或叶酸）的饲料，同样会造成子代不同大脑区域神经化学物质水平的改变、记忆受损和大脑海马体细胞凋亡增加。与人类营养过剩类似，啮齿动物产前高脂饮食也会诱导神经功能改变，导致胎儿小胶质细胞反应性、神经化学水平的变化和成瘾行为的增加。

虽然这些研究的结果表明了产前营养在早期神经发育和长期发育中的重要性，但是饮食模型往往都是经过简化的。例如，除了具有低蛋白或高脂肪外，通常还缺乏膳食纤维。而膳食纤维已被证明可以缓解高脂饮食造成的肥胖和代谢影响，并且可以由肠道微生物组代谢。营养素的需求与营养不良之间的关系会比饮食模型更为复杂。因此，关于产前营养不良如何破坏大脑和行为发育的根本机制，需要进一步深入的研究。

3 围产期营养不良与微生物组

肠道微生物组由数以万亿计在肠道定殖的微生物组成，肠道微生物组被认为是饮食对宿主生理产生影响的关键因素，并具有调节大脑发育和行为的能力。饮食和营养的改变使肠道微生物群落结构和功能发生改变，尤其是在人体发育的关键时期（表 S1）。孟加拉国2岁以下儿童遭受产后严重急性营养不良（SAM）后，会导致肠道微生物α多样性（丰富度和均匀度）降低、微生物群落不成熟，而改善饮食后会这种现象仍然存在。同样的，肠道微生物α多样性降低是造成发育迟缓和非发育迟缓儿童之间的体内噬菌体（细菌病毒）差异的原因。在塞内加尔和尼日尔的儿童中，出生后不同营养不良亚型之间的肠道微生物差异显著，夸休可尔症（kwashiorkor，一种以水肿为特征的蛋白质缺乏形式）表现出肠道微生物多样性严重降低以及致病微生物增加，而消瘦型（一种以体重减轻和脱水为特征的热量缺乏）表现出肠道微生物多样性的中等降低。此外，不同表型营养不良的肠道微生物物种分类丰富度存在差异，在夸休可尔症人群中，变形菌门和梭杆菌门丰富度增加，而在消瘦型中拟杆菌门丰富度减少。出生后患有SAM的儿童体内的微生物组细菌总量降低，与代谢和营养吸收相关的功能途径减少，而与毒力相关基因表达量增加。但是，与对照组和其它营养不良亚型相比，患有夸休可尔症的乌干达2岁以下儿童显示出α多样性升高，β多样性的以及物种分类相对丰富度发生轻微改变。而营养过剩同样会对肠道微生物产生影响，人类妊娠期母体高脂饮食会导致婴儿肠球菌属增加和拟杆菌属减少。在非人类灵长动物试验中，产前高脂饮食不仅会导致母体的肠道微生物物种分类丰富度发生变化，并且还能使子代厚壁菌门增加和变形菌门减少。总而言之，这些发现揭示了营养不良对肠道微生物关键类群的影响，因此需要特定的微生物相关方法来改善营养不良。研究表明，不同饮食组成并不能决定营养不良的表型，而宿主和微生物对饮食的响应才是决定营养不良表型的关键因素。在同样饮食的双胞胎中，患有夸休可尔症会改变宿主肠道微生物群落。将与夸休可尔症相关的微生物移植到小鼠体内后，小鼠体重显著下降（类似于人类营养不良的生长受限），并且肠道微生物物种分类特征和代谢物水平发生显著改变。这些发现证明了营养不良对生长和发育产生的不利影响可能是由肠道微生物组改变所介导的。

同时，通过基于微生物的方法来治疗早期营养不良有着巨大的潜力。在一项对5岁以下出生后营养不良儿童（体重和身高都较低）进行的研究中发现，与仅给予足量饮食的儿童相比，足量饮食添加Lactobacillus rhamnosus GG能够减少感染、增加BMI和提高蛋白质水平。此外，研究证明了“菌群导向性饮食”可以改变肠道微生物群落，并改善产后中度急性营养不良（MAM）儿童的骨骼和免疫系统发育。然而，这样的干预方法并非普遍有效。在对相同饮食的尼加拉瓜和马里婴儿进行比较时发现，来自不同地理区域的婴儿表现出不同的结果：尼加拉瓜婴儿的身高有所提高，但马里婴儿没有，而且每个地区婴儿的微生物物种分类特征和代谢物水平都不同。所以，这些研究表明了营养不良对肠道微生物组的影响不同，这也是今后的机制研究和干预性治疗中的重点。

4 微生物组在围产期营养不良和神经发育中的新作用

大量研究表明，微生物组在营养不良损害子代生长发育中起着重要作用。所以，微生物组在营养不良所导致的相关神经发育异常中扮演的角色值得思考。至此，本文已经单独讨论了营养不良引起的神经发育和微生物组的改变；接下来将阐述它们之间相互关联的证据。在出生后遭受营养不良的孟买儿童中，许多表现出发育迟缓、消瘦、贫血和缺铁，微生物α多样性和放线菌门相对丰度与头围呈正相关。而在出生后遭受SAM的自孟加拉国儿童中，以微生物为目标的饮食治疗不仅改善了生长受限和微生物群落不成熟，并且改善了血浆激素、代谢物水平以及与神经发育相关的关键蛋白质的表达。这些变化与短链脂肪酸（SCFA）、特定氨基酸、羟基邻氨基苯甲酸和吲哚-3-乳酸的改变相关，表明了饮食干预可以改变微生物组结构和神经系统发育。同样，出生后遭受MAM的孟加拉国儿童在接受相同的饮食干预后，年龄别体重和身长别体重均增加，而后者与轴突导向和神经营养素相关的血浆蛋白以及23种肠道菌类群（Prevotella copri与Faecalibacterium prausnitzii等）呈正相关。低体重早产儿表现为头围和微生物α多样性减少，葡萄球菌科和肠杆菌科相对丰度增加，脂肪酸氧化和脂解代谢产物增多。而在出生第一周接受益生菌治疗的低体重早产儿，体重增加更多，头围更大。

在早期营养过剩的动物模型中，营养过剩、微生物组和大脑发育之间同样存在相似的联系。在妊娠和哺乳期间喂食高脂饮食的小鼠生产的后代会表现出认知缺陷，微生物群落聚类是基于母体的不同饮食。同时，研究人员在子代中发现了与母体肥胖和子代认知缺陷相关的微生物：梭菌属、变形菌门以及Parabacteroides。在另一项小鼠试验中，母体在妊娠期和哺乳期摄入高脂饮食会改变母体和子代的微生物群落组成，减少子代催产素阳性神经元的形成以及导致子代社会行为能力受损。而将高脂饮食喂养的母体的后代与对照组后代在一起饲养后，能够矫正微生物组群落和社会行为能力缺陷。补充Limosilactobacillus reuteri（高脂饮食显著减少），可以缓解由母体高脂饮食导致的子代社会行为、中枢催产素表达的缺陷。总之，这些研究表明了肠道微生物组有助于营养素对神经发育和行为的影响。

5 微生物对营养不良和神经发育影响的可能机制

5.1 直接信号影响机制：与神经发育相关的微生物依赖性代谢产物

与肠道微生物组相关的代谢物有着调节各种生理系统功能（中枢神经）的作用，因此受到了科研工作者的广泛关注。在产前营养不良的情况下，由母体微生物组调节的代谢物能够在婴儿出生前穿过胎盘并与胎儿相互作用（图1）。而短链脂肪酸（SCFAs，乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐）是复杂碳水化合物在微生物作用下的直接产物，被认为是神经发育过程中重要参与者。人体营养不良与体内SCFAs、氨基酸以及多种微生物相关代谢产物的变化有关，这表明了微生物组可以影响机体对饮食性营养不良的代谢反应。在人体中，丙酸盐和丁酸盐在母体血液中水平与在脐带血中水平具有相关性，说明了母体血液中SCFAs的生物利用率可能影响子代发育的水平。为了证明SCFAs具有调节神经发育的作用，研究人员发现孕期低纤维饮食的小鼠后代表现出运动、学习和记忆行为受损、焦虑行为增加、海马体谷氨酸受体表达以及兴奋性突触后电位下降。此外，还发现低纤维饮食母体微生物组不同（较高的厚壁菌门和较低的拟杆菌门），以及母体血液、子代血液和大脑中丁酸盐与丙酸盐水平较低。并且，在妊娠期间补充丁酸盐可减少子代的异常，这一过程可能是通过降低海马体中组蛋白去乙酰化酶（HDAC）的表达来实现的。此外，在妊娠期和哺乳期间营养过剩（高果糖、脂肪和能量饮食）的Yucatan猪模型中，高脂饮食的降低了妊娠期母体粪便SCFAs和血浆游离脂肪酸含量，子代在产后1~3个月内表现出类似的现象。小猪的症状与海马体神经发生过程的减少相吻合，但这却与小猪工作记忆和参考记忆的增加相互矛盾，这可能是由于对含糖食物的不同吸收机制导致的。同样，在怀孕和哺乳期间高脂饮食小鼠的后代表现出长期记忆和工作记忆受损，社交能力和社会新奇偏好降低，SCFAs水平降低，SCFA受体Olfr78以及与小胶质细胞成熟、谷氨酸信号、神经发育、前额叶皮层和海马体突触可塑性相关的基因的表达降低。此外，子代微生物组会因母体饮食而改变，而其中S24-7，Bifidobacterium animalis，普氏菌属，梭菌目与瘤胃球菌属已被证实与神经系统导相关，母体饮食与同居、粪便微生物移植和饮食交叉感染一样可有效改善后代的微生物缺陷。有趣的是，行为、神经生理和细菌群落的扰动可以通过母体或断奶后给子代提供的高纤维饮食以及乙酸盐和丙酸盐来改善。这些研究揭示了饮食对肠道微生物组和大脑的影响可能是由SCFA所介导，以及微生物碳水化合物代谢（SCFA）在大脑发育中的作用。

除了微生物碳水化合物代谢产物外，微生物蛋白质代谢产物也与早期营养不良与神经系统改变有关。在两岁半以下急性营养不良的赞比亚和巴西儿童中，尿液中的各种肠道微生物相关代谢物（如3-吲哚酚硫酸盐和三甲胺，是在微生物L-色氨酸和肉碱的代谢过程中产生的）含量与肠道疾病和生长指标呈负相关。其中3-吲哚酚硫酸盐被证实可以促进小鼠感觉行为基础的丘脑皮质回路发育。在产后遭受SAM的乌干达儿童中，在治疗前会表现出较高水平的酰基肉碱。在猪妊娠中期胆碱缺乏模型中，出生前胆碱缺乏的小猪的大脑小于对照组，后代表现出微生物群蛋白质代谢物的改变，例如脱氧肉碱增加。此外，一项对35对母婴研究表明，肥胖母亲的母乳与正常母亲相比，对婴儿微生物组的发育至关重要的酰基肉碱和人乳寡糖（HMOs）等代谢产物的存在差异。这些研究表明了微生物蛋白质代谢与神经发育相关。

脂质相关代谢物也与婴儿微生物组和大脑发育有关，并且可能同样会因母亲营养不良而改变。在马拉维的一个人群中观察到，发育严重迟缓婴儿的母亲唾液酸化HMOs显著减少。给定殖发育迟缓婴儿微生物组的小鼠和小猪喂养添加了唾液酸化寡糖的马拉维饮食，与对照组相比，这些动物表现出生长加快和血清、肝脏、肌肉和大脑中代谢物的改变。其中，影响最大的是N-乙酰神经氨酸（神经节苷脂的组成）、腺苷（在神经免疫系统中发挥作用）和肌苷（具有神经保护特性的嘌呤核苷）。而在没有微生物的条件下，这些积极的影响便会消失，表明了这些变化是由微生物介导产生的。在妊娠中期检测超重/肥胖母亲血浆及其在4年间随机检测的其后代血浆，发现属于受肠道微生物组调节的神经酰胺（属于鞘脂类）含量显著降低。鞘脂在神经发育中起着关键作用——它们是髓鞘的主要成分，并利于神经元分化。这些结果表明了，微生物脂质代谢物的变化可能与大脑的发育有关。总之，这些研究都证明了来自营养素分解的微生物代谢物有着影响神经发育过程的潜力。

图1 描述母体肠道微生物群如何介导营养不良对早期神经发育影响的概念模型。

5.2 间接信号影响机制：微生物组对神经发育二级系统的影响

除了在神经发育中具有直接作用的饮食代谢物外，微生物组还可以通过间接改变神经发育的方式与宿主生理相互影响（图1）。例如，微生物组调节免疫系统发育和功能，早期神经免疫相互作用是围产期神经健康发育不可或缺的一部分。营养不良与免疫受损和炎症反应增加有关，也与母体或发育中的微生物组的改变有关。此外，在对啮齿动物的研究中发现，在怀孕期间通过感染或抗原暴露激活母体免疫系统，会诱发神经发育和行为的异常。这些异常与肠道微生物组改变有关，并且由母体中分节丝状细菌（促进肠道微生物组炎症）所介导。用Bacteroides fragilis（促进免疫抑制的共生细菌）处理可以改善由母体炎症引起的异常。此外，由肠道微生物辅助性T细胞17（TH17）产生的白细胞介素-17（IL17）在母体炎症导致的神经发育和行为异常过程中有重要作用。总的来说，这些研究证明了母体微生物组的变化可以通过促进炎症反应来改变神经发育，并进一步提出了母体营养不良是否可以通过免疫介导的途径来塑造宿主微生物组。

营养不良引起的微生物组改变对神经发育的影响另一个潜在途径是通过调节压力应对系统。许多关于微生物组与神经系统关联的研究都集中在焦虑系统和行为上，这些研究确定了微生物组在调节下丘脑—垂体—肾上腺轴的作用。此外，营养不良可诱发人类和啮齿动物的应激反应，应激反应是已知的发育干扰因素：母体皮质酮处理（水平类似于内源性应激源）会降低胎盘血液灌注和氨基酸向胎儿的转运。调节对环境压力反应的微生物可间接影响神经发育，在产前应激小鼠模型中，母体阴道和婴儿肠道微生物组中Lactobacillus的减少与婴儿代谢物和脑氨基酸的改变相关。此外，母体阴道微生物组的移植有助于缓解产前压力对下丘脑基因表达的影响。因此，鉴于微生物组与压力信号和压力性疾病相关，营养不良引起的压力可能与微生物组相互作用来诱导后代的神经发育变化。

关于微生物组影响早期遗传物质编码是一个新兴的研究领域。确实，微生物组被认为是营养代谢和表观遗传调控的关键介质。丁酸盐（SCFA）等微生物代谢物作为HDAC抑制剂起着关键作用，并且在无菌小鼠中，长链非编码RNA以组织特异性方式差异表达。有研究表明营养不良的表观遗传调控：在一项对168名人类受试者出生后第一年蛋白质-能量营养不良的多代研究中发现，其中134个区域受试者特定的基因会根据营养状况发生差异甲基化，包括了与注意力和/或智商相关的神经精神疾病风险基因（COMT，ABCF1、SYNGAP1 IFNG）。同样，妊娠期间蛋白质摄入量缺乏的大鼠表现出注意力缺陷，大脑皮层中的葡萄糖代谢降低，前额叶皮层中干扰素γ表达降低。此外，在妊娠期间，胆碱与维生素B12和叶酸等其他物质，通过提供甲基和充当辅助因子来修饰DNA和组蛋白甲基化。所以，基于这三个领域的研究，微生物组很可能可以通过直接或间接信号通路介导母体营养不良对胎儿神经发育的影响（图1）。

6 结束语与展望

随着微生物组能够影响营养不良的观点的被广泛认可，新的生物学观点和潜在的临床干预措施被提出。用于治疗营养不良直接和长期影响的益生菌、微生物靶向食物以及微生物代谢物，正在积极研究中。虽然围产期营养不良及其与肠道微生物组和神经发育的关系已经成为研究的重点，但仍需要进一步研究其流行病学机制。流行病学研究对于调查人群中不同类型营养不良的患病率以及相关的神经系统疾病的患病率至关重要。这有助于在不同形式营养不良与异常的神经系统之间建立严格可靠的关联。同时，由于不同营养素的相互作用，很少能将营养不良的单一方面的影响与其它方面分开，因此需要确定不同营养不良的特有机制和表现类型。准确了解肠道微生物组如何在营养不良期间影响神经发育也是至关重要的。这些影响可能通过直接影响机制发生，例如向发育中的大脑传递代谢物信号，或间接通过对发育轨迹相关的基因调控等机制发生。这一过程如何与其他身体系统相互作用也有待研究，这需要通过动物实验和人体干预试验研究来实现。

同时，营养不良通常与其他可能破坏社会发展进程的经济、文化和政治因素密切相关。因此，制定解决营养不良问题方案时，必须考虑到多方面的因素。在许多国家和文化中，造成孕妇和儿童营养不良及相关疾病的因素主要有低收入、缺乏产前护理、监护这患病和缺乏正规教育。因此，对营养不良和相关疾病进行以背景文化为依据的调查是至关重要。此外，在制定和应用公共卫生举措和干预措施时，必须考虑这些背景因素，以保证公平的卫生政策。