科研 | Gut Microbes：来自南加州西班牙裔婴儿的早期肠道微生物群与婴儿的快速生长有关

编译：微科盟听雪斋，

编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

导读   

我们的目的是确定新生儿肠道菌群是否是早期生命生长轨迹的潜在决定因素，于是132名西班牙裔婴儿在产后1个月时被招募。本研究采用16S rRNA扩增子测序对婴儿肠道微生物组进行了表征。婴儿快速生长定义为出生至12月龄之间年龄别体重z评分（WLZ）变化大于0.67。婴儿生长的测量包括从出生到12个月的WAZ、体重比z值（WLZ）和体重指数（BMI）z值的变化以及12个月时婴儿人体测量学 (体重、皮褶厚度) 的变化。在132名婴儿中，40%的婴儿在出生后第一年生长迅速。α多样性的多个指标预测了婴儿的快速成长，包括较高的Shannon多样性（OR=1.83；95%可信区间：1.07-3.29）；Faith’s系统发育多样性（OR=1.41，95%置信区间：1.05-1.94；p=0.03）和丰富度（OR=1.04，95%置信区间：1.01-1.08；p=0.02）。从出生到12个月，许多α多样性指标也与WAZ、WLZ和BMI的z评分的增加呈正相关（pall<0.05）。重要的是，我们确定了微生物群落的亚群，其丰度与这些婴儿生长的相同测量值相关。我们还发现，快速生长菌富含不动杆菌属、柯林斯氏菌属、肠球菌属、奈瑟菌属和副拟杆菌属等多种分类群。此外，新生儿肠道微生物群的测量结果解释了超过已知临床预测因子的快速生长变异额外的5%（R2=0.37 vs.0.32，p<0.01）。这些发现表明，在1个月大时，以α多样性增加为特征的更成熟的肠道微生物群可能会影响婴儿出生后第一年的生长轨迹。    

论文ID

原名：Early life gut microbiota is associated with rapid infant growth in Hispanics from Southern California

译名：来自南加州西班牙裔婴儿的早期肠道微生物群与婴儿的快速生长有关

期刊：Gut Microbes

IF：10.245

发表时间：2021.8.23

通讯作者：Michael I. Goran

通讯作者单位：美国洛杉矶儿童医院萨班研究所

DOI号：10.1080/19490976.2021.1961203 

实验设计

结果

1. 一般特征

如表1所示，母亲按妊娠前体重指数状态平均分配，其中37（28%）为正常体重，50（38%）为超重，45（34%）为肥胖。总的来说，54名（40%）婴儿从出生到12个月大时生长迅速。与没有快速生长的婴儿相比，快速生长的婴儿出生体重（p<0.001）和身长（p<0.001）显著降低。在母婴特征中，只有婴儿出生体重（OR=0.03，95%置信区间：0.006-0.10；p<0.001）和长度（OR=0.76；95%置信区间，0.63-0.89；p=0.001），婴儿体重（OR=0.36；95%置信区间：0.16-0.75；p=0.008）和1个月时的长度（OR=0.74；95%置信区间：0.59-0.90；p=0.004）与婴儿快速生长有关。例如，快速与非快速成长者之间母性特征没有差异。这些母性特征包括母亲的出生年龄、妊娠前体重指数、分娩方式（阴道与剖腹产）、社会经济状况或产后1个月的母亲饮食（表1：pall≥0.40)。

表1. 来自南加州母乳研究中1个月年龄的婴儿的母婴二分体的特征。

南加州母乳研究中132名西班牙裔母婴二分体的基线（1个月）特征。还显示了孕前BMI、婴儿性别、出生体重和出生时长。除非另有说明，否则报告的数据为平均值和标准偏差（SD）。Logistic回归用于确定每个基线变量的粗比值比（OR）和95%置信区间（CI），以及婴儿从出生到12个月年龄时的快速生长，其中指出了a参考组。总样本量包括作为社会经济地位（SES）的衡量指标（快速n=53和非快速n=77）的Hollinghead四因素指数为bn=130，以及婴儿在出生后第一个月内接触抗生素的Hollinghead四因素指数为 cn=131。对于连续变量，使用独立参数或非参数t检验来测试快速和非快速生长婴儿之间的差异。对于分类变量，卡方检验用于测试快速和非快速生长婴儿之间的差异。快速和非快速成长者之间的统计显著性对应于***p<0.001、**p<0.01和*p<0.05。

  2. 肠道细菌α多样性与快速生长有关 

虽然在α多样性的测量方面没有观察到差异，但我们观察到婴儿生长状况在α多样性的测量方面存在显著差异。具体而言，与非快速成长者（图1）相比，快速成长者的Faith’s系统发育多样性（p=0.01）和sOTU丰富度（p=0.01）更高，后者的Faith’s系统发育多样性（OR=1.41；95%置信区间：1.05-1.94；p=0.03）和丰富性（OR=1.04；95%置信区间：1.01-1.08；p=0.02）也预测了婴儿的快速生长（表2）。调整出生体重和出生长度后，婴儿肠道微生物群更成熟与婴儿快速生长有关。例如，1个月年龄的婴儿肠道微生物Shannon多样性与婴儿从出生到12个月的快速生长有关（OR=1.83；95%置信区间：1.07-3.29，p=0.03）。我们进行了几项敏感性分析，调整了母亲的体重指数、婴儿接触抗生素以及1个月大婴儿的饮食，并得出了结果。通过加入这些额外的协变量，基本上没有变化。这些分析的结果表明，这些母婴特征不会混淆目前的结果，并包含在补充表1-8中。最后，我们对确定婴儿肠道细菌多样性感兴趣与已知的临床预测因素，如母亲年龄、孕前BMI、分娩方式、社会经济地位的衡量（社会经济地位的测量）、婴儿年龄和性别、出生体重和长度、每天母乳喂养、配方奶粉消费量、固体食品的使用年龄、分娩时间。与已知的临床预测因素相比，包括Shannon多样性、Faith的PD或1个月时的丰富度，分别解释了婴儿快速生长变异的3%（R2=0.32 vs. 0.29，p=0.06）、2%（R 2=0.31 vs. 0.29，p=0.14）和2%（R 2=0.31 vs. 0.29，p=0.09）。

图1. 1个月年龄时，快速成长者的肠道细菌的α多样性高于非快速成长者。图1.对于生长迅速（n=54）和非快速（n=78）的西班牙裔婴儿，显示了1个月年龄时婴儿肠道细菌Shannon 多样性、Faith's 系统发育多样性和sOTU丰富度的箱线图。P值通过连续性校正Wilcoxon秩和检验获得。

表2. 更大的肠道细菌α多样性与婴儿从出生到12个月大的快速生长有关。

基于以非快速成长者为参考的logistic回归，计算这些α多样性指数的多变量粗比比值（OR）和95%置信区间（CI），调整出生长度和出生体重。粗体的P值表示P<0.05的统计显著性。

  3. 肠道细菌α多样性与生长指标相关

肠道细菌α多样性与生长指标Shannon多样性相关，Faith的系统发育多样性（PD）和1个月时肠道细菌的丰富度均与调整出生体重和出生长度后的第一年的WAZ、WLZ、ALF和ALF的更大增加以及调整出生体重和出生时长后，出生第一年的BMI z评分相关（表3）。例如，1个月时Faith’s系统发育多样性与婴儿从出生到12个月大期间的WAZ（β=0.14，CI：0.01，0.27；p=0.03），WLZ（β=0.14，CI：0.02，0.26；p=0.03）和BMI z评分（β=0.14，CI：0.02，0.27；p=0.03）指标的更大的增加相关。此外，1个月大的婴儿肠道细菌α多样性指标均与12个月大的婴儿体重和大腿中部皮褶厚度增加有关。尤其是在婴儿1个月时Shannon多样性（β=0.27，CI：0.05，0.49；Faith的PD（β=0.13，CI：0.005，0.25；p=0.04），丰富度（β=0.01，CI：0.0003，0.03；p=0.045) 都与婴儿体重更大地增加有关。在婴儿1个月时的Shannon多样性（β=1.36，CI：0.41，2.32；p=0.006），Faith的PD（β=0.58，CI：0.05，1.12；p=0.03），丰富度（β=0.07，CI：0.01，0.13；p=0.02）也与婴儿12个月大时大腿中部皮褶厚度增大相关。

表3. 婴儿肠道细菌α多样性与婴儿生长指标相关

多变量线性回归分析的β系数和95%置信区间（CI），用于检查婴儿生长测量与α多样性测量之间的关联。模型根据出生体重和出生长度进行了调整。粗体的P值表示P值<0.05的统计显著性。 

4. 1个月大的婴儿肠道微生物群预测了快速生长

使用基于多项式回归的方法，我们确定了1个月大的婴儿快速与非快速成长者的肠道菌群在丰度上的差异（图2a，p=0.03）。我们在属水平上检查了这些分类群，并注意到与快速（n=18）和非快速成长者（n=19）相关的特定肠道细菌（图2b）。丰度与快速生长者呈正相关的分类群包括不动杆菌属、柯林斯氏菌属、肠球菌属、奈瑟菌属、副拟杆菌属和属于瘤胃球菌科的一个未分类的属。丰度与快速成长者呈负相关的分类群，包括阿克曼菌属、双歧杆菌属、布氏杆菌属、真杆菌属和瘤胃球菌属。同时，我们通过一种不知情的方法（图3）确定了对这些分类群中与快速生长相关的几个分类群的支持，负相关性包括肠杆菌科和产气荚膜梭菌，以及正相关性涉及狄氏副拟杆菌和 副腐化梭状芽胞杆菌。此外，包括顶部40%的分类群的调整丰度，这些分类群的丰度被确定为与快速成长者呈正相关（即，通过采用这些分类群丰度相对于底部40%的对数比率进行归一化，使其在组成上具有Robust），与已知的临床预测因素（包括母亲年龄、孕前BMI、分娩方式、社会经济地位的测量测量）相比，婴儿快速生长的变异增加了5%（R2=0.37 vs.0.32，p<0.01），这包括母亲年龄、孕前BMI、分娩方式、社会经济地位的测量测量，婴儿年龄和性别、出生体重和长度、每天母乳喂养、配方奶粉消费量、固体食品的使用年龄和分娩时间。接下来，我们采用6个月年龄可用的测序数据（n=92）检查了在上述一部分婴儿中被认为重要分类群的丰度。这些结果表明，在1个月龄时鉴定出的肠道微生物在6个月龄时对区分快速生长者仍然很重要（补充图1）。

机器学习（图4a）也支持了我们观察到的通过新生儿肠道微生物群的测量来预测婴儿快速生长能力的提高，这表明当预测快速生长与非快速生长时，我们的随机森林分类器【即基于受试者工作特征（AUROC）曲线下面积】的分辨力增加到0.77，这表明新生儿肠道微生物群可用于区分快速和非快速生长的婴儿。接下来，我们研究了新生儿肠道微生物群与已知婴儿快速生长的临床预测因子的相对重要性。基于可变重要性（VIP）分析，我们发现重要分类群的调整丰度排名第二（图4b）。此外，尽管婴儿出生体重的VIP最高，但其他已知的临床预测因子的排名低于重要分类群的调整丰度，包括母亲年龄、孕前BMI、分娩方式、社会经济地位的测量测量，婴儿年龄和性别、出生体重和长度、每天母乳喂养、配方奶粉消费量、固体食品的使用年龄和分娩时间。

图2. 1个月年龄的婴儿肠道微生物群的组成与婴儿出生后第一年的生长有关。

（a）与快速增长和非快速增长相关特征的调整丰度比较。丰度通过根据多项式回归模型中快速增长的对数倍变化对顶部和底部40%特征的对数比率进行调整。另外，对选定的特征进行了整理，以排除至少不属于属级的分类群，以及分子（即快速生长）和分母（即非快速生长）中存在的属级分类群。组展后，分子（即快速增长）组和分母（即非快速增长）组分别有25个和27个特征。根据这一选择，132个样本中包括110个（83.3%）。多项式回归模型是加性的，并根据出生体重、出生长度和Faith’s 系统发育多样性进行调整（b）在与婴儿生长相关的属水平上，策划选择顶部和底部40%的特征（sOTU）。组间共享的分类群是（A）中在治疗期间排除的分类群。

图3. Robust主成分分析支持婴儿肠道微生物特征与出生后第一年的快速生长相关，代表样本间Robust Aitchison距离的Robust主成分分析（RPCA）双标图。样品根据快速生长状态着色。根据我们的多项式回归模型，箭头代表特征，与快速生长的相关联的被着色，并注释他们的分类（缺乏物种级分类的sOTUs在属内编号）。箭头的长度对应于特征载荷和双标轴之间的相关性。箭头尖端附近的样本与各自的特征有很强的相关性，而来源附近和之外的样本则有负相关性。浅色箭头分别表示sOTUs与快速增长之间存在正相关或负相关，而深色箭头分别表示sOTUs被精心挑选排名靠前或靠后的40%之间的相关性。请注意，轴2和3已表示（轴1和2参见补充图1）。结果从排列分散（PERMDISP）和多元方差分析（PERMANOVA）显示。  

图4. 与已知的临床预测因子相比，新生儿肠道微生物群在预测婴儿快速生长方面的相对重要性。（a）使用随机森林分类器对快速增长进行留一预测，获得受试者工作特征（AUROC）曲线下面积，。图例中显示了AUROC。元数据对应于已知的临床预测因子，包括产妇出生年龄（岁）、孕前体重指数（kg/m2），分娩方式（阴道，剖腹产），社会经济地位衡量（SES），婴儿年龄和性别，出生体重（kg）和长度（cm），每天母乳喂养 (≥8、<8）、配方奶粉喂养（是/否）、固体食品使用年龄（天）和分娩时间（准时、提前 [>到期日前2周]、晚 [>到期日后2周]）（b）基于可变重要性（VIP）分数的重要性，其中较高的重要性分数表明每个变量在预测婴儿快速成长方面的贡献更大。Songbird 对数比率对应于精心挑选的最高和最低40%排名的sOTU的对数比率，这些sOTU与婴儿出生后第一年的快速生长有着不同的关联。 

  5. 1个月大的婴儿肠道微生物群与生长指标相关

重要分类群的调整丰度与婴儿生长的其他指标显著相关（表4）。例如，调整后的重要分类群的丰富度与从出生到12个月年龄期间的WAZ的更大增加相关（β=0.08，CI：0.01，0.15；，p=0.03）。此外，使用这些差异排名分析的新生儿肠道微生物群的组成与12个月年龄的婴儿体重的增加（β=0.06，CI：0.01，0.12；p=0.03）和皮褶厚度测量值增加相关。这包括三头肌（β=0.13，CI：0.0003，0.26）；肩胛下（β=0.10，CI：0.002，0.21；p<0.05），髂上（β=0.10，CI：0.02，0.18；p=0.02）和大腿中部（β=0.23，CI：−0.01，0.47；p=0.06）的皮褶厚度测量值。在6个月年龄时具有可用测序数据的一部分婴儿（n=92）中，经调整的分类群丰度被确定为对1个月大时的快速生长非常重要，与婴儿生长的其他指标无关（补充表9）。

表4. 新生儿肠道微生物群与婴儿生长指标相关。

来自多变量线性回归分析的β系数和95%置信区间（CI）用于检验1个月年龄的婴儿生长与肠道微生物成分之间的相关性的。*差异丰富的肠道微生物被定义为对最高和最低40%排序sOTU的对数比率的精心选择，这些sOTU与婴儿在出生后第一年的快速生长存在差异。粗体的P值表示<0.05者的统计显著性。

讨论

我们发现，来自南加州母乳研究的40%的西班牙裔婴儿从出生到12个月年龄都表现出快速的生长，这是儿童肥胖的一个已知风险因素。这项研究的结果确定了新生儿肠道微生物群的各个方面，区分了快速和非快速成长者。然而，我们发现，婴儿在1个月年龄时肠道微生物Shannon多样性和丰富度较高，预示着婴儿从出生到12个月年龄时的快速生长。此外，我们观察到快速成长者中特定分类群的调整丰度与非快速成长者相比存在差异，这代表37个不同细菌属。这些差异丰富的分类群也与婴儿从出生到12个月年龄的WAZ、WLZ和BMI z评分更大的增加有关。最后，肠道细菌Shannon多样性、丰富度和重要分类群的调整丰度与婴儿在12个月年龄时体重增加以及大腿中部皮褶厚度测量值增加有关。这些结果首次证明新生儿肠道微生物群可能有助于拉美裔婴儿在出生后第一年的快速生长。另外，我们发现，与已知的临床预测因子（如母亲年龄、妊娠前BMI、分娩方式、社会经济地位的测量、婴儿年龄和性别、出生时长、每天母乳喂养、配方奶粉消费量、固体食品使用年龄）相比，新生儿肠道菌群和分娩时间在预测婴儿快速生长方面的重要性排名第二。

越来越多的证据表明，新生儿肠道微生物群是婴儿生长和儿童肥胖的潜在决定因素，通过增加能量收集和/或产生可能导致肥胖的肠道细菌衍生代谢物。因此，婴儿肠道微生物群的早熟（例如，多样性增加）可能导致更像成人的肠道微生物群，众所周知，这有助于快速生长。细菌α多样性的增加可能有助于肠道微生物组的功能改变，包括短链脂肪酸生产的增加，负责复杂碳水化合物和淀粉代谢的基因增加，以及从食物中提取的肠道能量的增加。此外，随着婴儿的发育，肠道微生物群落中拟杆菌、厚壁菌和放线杆菌占据主导地位。向这些主要门类的转变包括增加参与能量收集过程的细菌类群，这可能会影响婴儿的生长轨迹，增加儿童肥胖的风险。因此，与肠道细菌组成和功能相关的特定发育过程可能有助于增加婴儿生长和儿童肥胖。

研究表明，1个月时肠道细菌代谢的测量与婴儿出生后第一年的生长轨迹增加有关。据我们所知，这是第一项研究发现α多样性指标（如Shannon 、Faith’s系统发育多样性、丰富度）增加与婴儿从出生到12个月年龄时的WAZ、WLZ和BMI z评分更大的增加有关，以及与12个月年龄时婴儿体重和大腿中部皮褶厚度增加有关，这表明除了生长轨迹外，肠道微生物群可能导致12个月年龄时婴儿身体结构的差异。我们的调查结果与大多数一致，但不是所有以前的调查结果一致。例如，6个月年龄婴儿的更高的Shannon多样性与6至12个月年龄的WAZ和WLZ的变化呈正相关。此外，从3到4个月年龄之间的肠道细菌Shannon多样性和丰富度较高与12个月年龄的超重风险相关。然而，两项研究要么未能发现西班牙裔学龄前儿童肥胖和正常体重之间的微生物多样性指标的差异，要么观察到6-16岁儿童的肠道细菌多样性与其BMI z评分呈负相关。文献中的不一致可能是由于受检年龄组的差异或评估肠道微生物群的时间点。

本研究利用成分意识的多项式回归分析确定前40%分类群的丰度与婴儿在生命的第一年快速成长呈正相关。这些分类群的调整丰度也与婴儿生长的其他指标有关，包括WAZ的更大增加以及12个月年龄时婴儿体重和皮褶厚度的更大测量。接下来，我们在属水平上检查了52个不同等级的分类群，以便更深入地了解快速成长者与非快速成长者之间肠道细菌在组成上的潜在的重要差异。我们发现，快速成长者在1个月年龄时已经富集了与肥胖相关的多个属（如不动杆菌、柯林斯氏菌、肠球菌）。例如，两项研究发现，墨西哥青少年和肥胖儿童中柯林斯氏菌的相对丰度分别高于其正常体重同龄人。此外，对中国儿童进行的研究发现，肥胖儿童中肠球菌属的相对丰度较高。非快速成长者富含与肠道屏障完整性和免疫成熟相关的属，这些属可能对儿童肥胖有保护作用（如阿克曼菌、双歧杆菌、劳特氏菌、真杆菌）。研究发现，在儿童中劳特氏菌和真杆菌的相对丰度与肥胖水平之间存在反向关联。最后，由于这些肠道微生物在生命早期就被检测到，我们探讨了具有相对重要性的这些细菌的是否持续超过1个月的寿命。因此，我们检查了一组肠道微生物群，这些微生物群对具有可用的测序数据的6个月年龄的婴儿的快速生长非常重要。总的来说，我们发现，与6个月龄的非快速成长者相比，1个月龄时被确定为重要的肠道微生物的调整丰度在快速生长者中保持较高水平的趋势。虽然这些结果没有达到统计学意义（p值=0.2），但这些发现支持了在1个月年龄时鉴定出的肠道微生物在6个月年龄的细菌群中的重要性。在6个月龄时检测到的鉴别组其他成员未在1个月龄时检测到，可能代表1个月龄时存在的分类群最初并不重要的，或者，他们可能代表其当时在1个月龄时缺席，但在6个月龄时建立。1个月年龄的肠道微生物谱也可能预测肠道微生物群（组成和功能）的发展轨迹，这可能在早期生长轨迹中发挥更大的作用。

当前研究的优势包括对1个月年龄的新生儿肠道微生物群的早期评估，以及对儿童肥胖风险增加的西班牙裔婴儿生长轨迹的详细纵向测量。此外，本研究还包括有关潜在重要混杂变量的详细信息（例如，分娩方式、分娩时间、社会经济地位的测量、孕前BMI、母亲年龄、母婴饮食、出生体重和长度）。尽管有这些优势，一些潜在的重要变量并未包括在母乳研究中。比如，目前的研究缺乏可能影响婴儿生长的遗传信息和父亲BMI。尽管本研究的所有参与者都自我确认为西班牙裔，但我们没有直接评估来源国，这可能会预测肠道微生物组的组成。一些研究表明，怀孕期间的饮食摄入可能会影响母婴肠道微生物群。由于我们没有关于怀孕期间饮食的信息，我们在产后1个月检查了母亲的大量营养素和能量摄入，未观察到婴儿生长状况的任何差异。目前的研究也没有检查母乳低聚糖，这些低聚糖已被证明会影响婴儿肠道微生物群的发育。然而，我们发现婴儿肠道微生物群与婴儿快速生长之间的关系在调整婴儿饮食后基本没有变化（即每天母乳喂养和婴儿配方奶粉喂养）。此外，婴儿饮食与婴儿出生后第一年的快速生长无关。在此分析中未分析停止母乳喂养的情况；然而，在1个月年龄时，没有一个婴儿停止母乳喂养。这项研究也受到限制，因为我们无法确定肠道微生物群与婴儿生长轨迹增加之间观察到的关联的特定肠道细菌种类。最后，目前的研究是有限的，因为它缺乏对婴儿出生后第一年肠道微生物群的重复评估；然而，我们的结果与先前的研究一致，这些研究表明肠道的早期发育过程可能导致儿童超重和肥胖。

我们的研究结果表明，早在1个月年龄时，肠道微生物群就可以预测婴儿的快速生长，并且可以解释超过已知临床预测因素的5%的快速生长差异。这些结果表明，新生儿肠道微生物群可能在拉美裔儿童早期肥胖的发展中发挥重要作用。未来的工作需要确定婴儿肠道微生物组的特定方面（例如，物种、功能特征）是否有助于已知与肥胖相关的生物途径。总的来说，这项研究的结果表明，肠道微生物组应作为预防儿童肥胖的潜在目标进行检查。例如未来的研究应致力于确定有助于早期生命生长和发育的特定肠道细菌种类。这些研究可能为通过使用益生菌在关键发育窗口调节肠道微生物组群的干预措施提供信息。

打赏