摘要：作者团队通过对1,288名英国新生儿的纵向粪便宏基因组学研究，探讨了新生儿肠道微生物群的组装过程以及双歧杆菌作为初始定植者在塑造早期生命中微生物群组装和功能中的关键作用。

DOI：10.1038/s41564-024-01804-9.

作者团队通过对1,288名英国新生儿的纵向粪便宏基因组学研究，探讨了新生儿肠道微生物群的组装过程以及双歧杆菌作为初始定植者在塑造早期生命中微生物群组装和功能中的关键作用。

主要内容包括：

新生儿肠道微生物群的组装：研究指出，新生儿的肠道微生物群从出生时开始组装，受到母体和环境微生物的影响。生态理论认为，最初的定植者会影响微生物群落的组装结果，但人类肠道中这种微生物优先效应尚未充分研究。

双歧杆菌的初级演替：研究发现，新生儿肠道微生物群可以被划分为三种不同的群落状态，每种状态由单一的微生物种类主导，并受到临床和宿主因素的影响，如母亲的年龄、种族和产次。

病原体耐药性：由Enterococcus faecalis主导的群落状态显示出随机的微生物群组装，并在婴儿期持续存在高水平的病原体负荷。相比之下，由双歧杆菌（特别是B. longum和B. breve）主导的群落状态显示出稳定的组装轨迹和长期抵抗病原体定植的能力，这可能归因于这些菌株对母乳丰富新生儿饮食的特定功能适应。

母乳低聚糖的代谢适应：研究还发现，B. breve通过其对母乳低聚糖（HMOs）的代谢适应，在无菌小鼠模型中展示了优先效应，并赋予了对病原体定植的抵抗力。

临床和社会人口统计学因素：研究还探讨了影响新生儿获得每种新生儿肠道微生物群落状态的围产期因素，包括分娩方式、母亲在分娩期间接受的抗生素治疗等。

微生物群落的稳定性：研究还评估了新生儿肠道微生物群落驱动物种在婴儿期的长期植入情况，并发现B. breve的相对优势在婴儿期持续存在。

抗生素抗性和病原体抗性：E. faecalis菌株基因组中发现了已知的毒力因子，而双歧杆菌基因组中AMR和毒力相关基因的水平显著降低。

研究方法和数据分析：文章详细描述了研究的参与者招募、样本收集、数据处理、统计分析和实验方法。

背景介绍

新生儿肠道微生物群的起始：介绍了新生儿肠道微生物群是在出生时开始组装的，由母体和环境微生物共同播种。

生态理论的应用：提到生态理论中关于初级定植者如何影响微生物群落组装结果的假设，但指出这一理论在人类肠道微生物群研究中的探索还不充分。

新生儿肠道微生物群（NGM）的重要性：强调了NGM在早期生命中的作用，以及通过益生菌或益生元干预以预防或恢复受损的微生物群发展的潜在机会。

“优先效应”在微生物群落组装中的作用：讨论了“优先效应”（即初级定植物种的到达顺序决定了微生物群落组装的结果）在人类肠道微生物群组装中的可能性。

先前研究的局限性：指出了之前研究在新生儿期间微生物群落采样的局限性，如样本量小、缺乏纵向数据等。

跨地域和生活方式的研究验证：提到了研究结果在不同地理区域和生活方式的新生儿人群中的普遍性，以及使用不同方法学的研究也观察到了类似的微生物群落状态。

双歧杆菌物种的区分：强调了区分关系密切但宿主定植模式不同的双歧杆菌物种的重要性。

研究的临床和社会人口统计学因素：介绍了研究中考虑的围产期因素，如分娩方式、母亲在分娩期间接受的抗生素治疗等，以及这些因素如何影响新生儿获得特定肠道微生物群落状态。

研究设计和方法：简要介绍了研究的设计，包括样本收集、数据处理和分析方法，以及如何通过宏基因组学方法来研究新生儿肠道微生物群。

研究结果

新生儿肠道微生物群落状态的鉴定：通过应用聚类分析方法，研究者们在1,288名新生儿的肠道微生物群中识别出了三种不同的微生物群落状态，这些状态分别由特定的细菌种类主导。

双歧杆菌作为主导物种：这三种群落状态分别由双歧杆菌属中的Bifidobacterium longum（BL）、Bifidobacterium breve（BB）和Enterococcus faecalis（EF）主导。

微生物群落的稳定性和抗性：Bifidobacterium属的群落状态显示出稳定的组装轨迹和对病原体定植的长期抵抗力，而E. faecalis主导的群落状态则表现出随机的微生物群组装，并持续存在高水平的病原体负荷。

影响微生物群落状态的临床和宿主因素：研究者们通过流行病学分析，确定了影响新生儿获得每种肠道微生物群落状态的围产期因素，包括分娩方式、母亲在分娩期间接受的抗生素治疗等。

微生物群落的纵向研究：通过对新生儿期间的纵向样本进行分析，研究者们观察了微生物群落状态和主导物种的稳定性，发现Bifidobacterium属的物种能够维持其在肠道中的主导地位，并抑制后来的病原体定植。

微生物群落功能差异：通过对微生物群落的功能分析，研究者们发现E. faecalis的基因组中编码了已知的毒力因子，而双歧杆菌属物种的基因组中AMR和毒力相关基因的水平显著降低。

双歧杆菌对HMOs的代谢适应：研究者们观察到B. breve具有代谢母乳低聚糖（HMOs）的能力，这可能是其在肠道中占优势地位并对病原体定植产生抵抗力的原因之一。

小鼠模型中的验证：在无菌小鼠模型中，B. breve显示出对E. faecalis的定植优势，并且这种优势在补充HMOs后更加明显。

新生儿肠道微生物群落中的三种群落状态

这一部分，文章详细描述了研究者们如何通过分析1,288名新生儿的肠道微生物群落，识别出三种不同的新生儿肠道微生物群落状态（NGM community states）。以下是这部分内容的主要点：

识别和命名：通过应用聚类分析方法（如PAM聚类和DMM模型），研究者们确定了三种最优的群落状态，这些状态基于物种水平的相对丰度距离（使用Jensen-Shannon divergence测量）进行划分。

主导物种：

Bifidobacterium longum subsp. longum (BL)

Bifidobacterium breve (BB)

Enterococcus faecalis (EF)

这三种群落状态分别由以下三种细菌主导：

每种主导物种在其相应的NGM群落状态中的平均相对丰度分别为：BB为56.5%，EF为21.7%，BL为27.2%。

群落状态的稳定性和代表性：这些群落状态在BBS队列的三个主要采样时间点（第4天、第7天和第21天）中一致出现，强调了它们在新生儿期间的代表性，无论样本收集的时间如何。

单物种优势：研究者们观察到在早期生活中，B. breve、B. longum或E. faecalis中的任一种物种在各自的NGM群落状态中占据主导地位。

跨地域和跨人群的验证：研究者们还在其他不同地域和生活方式的新生儿队列中验证了这三种NGM群落状态和主导物种的存在，这些队列来自欧洲、亚洲和北美。

微生物多样性：与EF和BL相比，BB群落状态显示出最低的微生物丰富度和均匀度，这反映在alpha（Shannon）多样性上。

微生物群落的共现性：研究者们还探讨了与主导物种共现的其他微生物物种，例如B. longum与E. coli、Bacteroides和其他Bifidobacterium物种共现；E. faecalis与环境和皮肤相关的Streptococcus、Staphylococcus spp.以及医疗相关的条件致病菌Enterococcus、Klebsiella、Enterobacter spp.和C. perfringens共现。

影响新生儿肠道微生物群落状态获得的因素

这一部分，文章讨论了影响新生儿获得不同新生儿肠道微生物群落（NGM）状态的因素。以下是这部分内容的要点：

流行病学分析：研究者们使用20个高质量的临床和社会人口统计学元数据变量，对1,108名参与者进行了分析，以确定影响获得每种NGM群落状态的围产期因素。

分娩方式的影响：

通过多变量固定效应逻辑回归模型，研究发现通过剖宫产（CS）出生与获得EF群落状态独立相关，与阴道分娩（VD）相比，调整后的优势比（AOR）为2.30。

相反，剖宫产和分娩期间使用抗生素与获得BL群落状态负相关。

母体因素：研究发现一些内在宿主因素，包括性别（男性与BB相关）、母体种族（亚洲人与EF和BB相关）、年龄（

母体和环境因素的独立影响：BB群落状态似乎是唯一受宿主因素影响且与任何临床因素（包括分娩方式和抗生素使用）无关的群落状态，这可能表明BB的获取途径不受医院分娩相关干扰的影响。

产后因素的作用：研究发现产后抗生素使用和母乳喂养暴露（无论是出生后立即还是第一周内）并没有预dispose新生儿获得特定的群落状态。这可能归因于该队列在最早的产后窗口期间抗生素免费状态和母乳喂养率普遍较高。

NGM群落状态的稳定性：研究还探讨了NGM群落状态和它们的主导物种在“新生儿纵向”子集中的稳定性和时间信号，发现大多数通过阴道分娩的新生儿在第一周内获得的双歧杆菌主导的群落状态（BB或BL）在第三周重新采样时保持了其群落状态。

新生儿肠道微生物群落状态稳定性中的优先效应

这一部分，文章探讨了新生儿肠道微生物群落（NGM）中初始定植者（primary colonizers）如何通过“优先效应”影响微生物群落的稳定性和后续物种的定植。以下是这部分内容的要点：

优先效应假设：研究基于生态学中的“优先效应”假设，即早期到达的物种会通过排斥或替换后来的物种，影响微生物群落的组装和稳定性。

NGM群落状态的稳定性：研究者们观察了不同NGM群落状态及其主导物种随时间的稳定性。他们发现，以Bifidobacterium为主的群落状态（特别是B. breve和B. longum）在新生儿期间显示出较高的稳定性。

Bifidobacterium与E. faecalis的比较：与E. faecalis相比，Bifidobacterium物种在其主导的群落状态中能够保持高丰度，并在早期群落状态中占据主导地位，而E. faecalis则在随机的群落组装轨迹中迅速下降。

B. breve的竞争优势：B. breve作为后来的物种，能够在阴道分娩（VD）的新生儿中逐渐增加其丰度，并在剖宫产（CS）的新生儿中与E. faecalis竞争性排斥，显示出B. breve在定植抵抗中的优势。

长期稳定性：研究还评估了NGM主导物种在婴儿期的长期植入情况，发现B. breve的相对优势在婴儿期仍然持续，这表明B. breve的早期定植对其长期稳定性有重要影响。

Bifidobacterium物种的优先效应：作为初级定植者，Bifidobacterium物种由于其能够提供持久的物种优势并抑制后来的机会性病原体如E. faecalis的定植，从而从优先效应中获益。

新生儿肠道微生物群落主导物种的稳定性延续至婴儿期

这一部分，文章讨论了新生儿肠道微生物群落（NGM）中主导物种的稳定性，以及这些物种如何持续影响婴儿期的肠道微生物群落。以下是这部分内容的要点：

长期植入评估：研究者们评估了NGM主导物种在婴儿期（6-12个月）的长期植入情况，这是通过分析在新生儿期之后重新采样的参与者来完成的。

B. breve的持续优势：研究发现，B. breve在婴儿期仍然保持相对优势，即使在没有显著差异的母乳喂养率下，这表明B. breve的早期定植对其在婴儿期的持续存在有重要影响。

B. breve的长期竞争力：B. breve在婴儿期的丰度几乎是其他NGM群落状态的两倍，这表明B. breve具有长期的竞争力，能够持续影响婴儿的肠道微生物群落。

E. faecalis的长期携带：尽管E. faecalis在EF群落状态中的水平随时间降低至非差异水平，但早期获得EF的新生儿在婴儿期重新采样时，E. faecalis的携带频率仍然更高。

NGM主导物种的持续存在：研究还发现，所有三种NGM主导物种（B. breve、B. longum和E. faecalis）的携带频率在婴儿期与他们对应的NGM群落状态一致性更高。

早期定植与长期健康：研究结果提示，早期获得的NGM主导物种可能与长期健康结果相关，这为未来研究提供了潜在的生物标志物，以预测婴儿后期的健康发展。

富含毒力和抗生素抗性基因的EF状态

这一部分，文章聚焦于Enterococcus faecalis（EF）所主导的新生儿肠道微生物群落状态，并探讨了这一群落状态中与毒力和抗生素抗性相关的基因特征。以下是这部分内容的要点：

EF群落状态的功能分析：研究者们利用高质量的分离菌株和宏基因组组装基因组，对EF群落状态样本中的驱动物种进行了功能分析。

毒力和抗生素抗性基因的丰度：研究发现，与双歧杆菌物种相比，E. faecalis的基因组中编码了已知的毒力因子，并且预测有70%的E. faecalis菌株能够产生毒素cytolysin。

抗生素抗性基因（AMR）的筛查：研究者们在整个肠道抗性基因组中进一步筛查了高风险AMR基因，如与扩展谱β-内酰胺酶（ESBL）相关的CTX-M-15基因，在BL和EF群落状态中发现了较高携带率。

ESBL携带的潜在风险：研究强调了携带ESBL基因的Enterobacteriaceae病原体与非BB群落状态共存的潜在风险，这与母体在分娩期间接受抗生素治疗的风险因素分析相一致。

B. breve的代谢适应性：研究者们观察到B. breve在基因组功能层面上与其他NGM群落状态相比，显示出独特的代谢特征，尤其是在代谢人类母乳低聚糖（HMOs）方面。

HMO代谢与病原体抗性：B. breve展现出对HMOs的代谢能力，这可能增强了其在体内对抗不能代谢HMOs的机会性病原体的适应性，如E. faecalis。

小鼠模型中的验证：研究者们在无菌小鼠模型中验证了B. breve通过代谢HMOs（特别是2'-FL）来增强对E. faecalis和K. oxytoca等病原体的抗性。

通过代谢适应HMOs的B. breve对病原体的抗性

这一部分，文章探讨了Bifidobacterium breve（B. breve）如何通过代谢适应人类母乳低聚糖（HMOs）来增强对病原体的抵抗力。以下是这部分内容的要点：

代谢特征差异：研究者们观察到基于KEGG同源物（orthologues）的NGM群落状态的代谢景观存在显著差异，特别是在碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes, CAZymes）的代谢能力上。

HMOs的代谢能力：B. breve显示出比其他Bifidobacterium群落状态更丰富的碳水化合物活性酶，这些酶与代谢HMOs相关，而E. faecalis则主要拥有利用复杂饮食糖（如甘露聚糖和几丁质）的基因。

B. breve的HMOs代谢：与BL群落状态相比，BB群落状态的B. breve能够利用所有主要的HMO底物，包括乳糖四糖（lacto-N-tetraose, LNT）、乳糖三糖（lacto-N-neotetraose, LNnT）和乳糖二糖（lacto-N-biose, LNB）。

2'-FL的代谢：B. breve是唯一一个包含几乎所有基因组（97.6%）都能编码α-L-岩藻糖苷酶（α-l-fucosidase, GH95或GH29）的物种，这种酶是代谢HMOs中最丰富的2'-岩藻糖乳糖（2'-fucosyllactose, 2'-FL）所必需的。

HMOs的利用与病原体抗性：研究者们假设B. breve通过代谢HMOs，特别是2'-FL，增强了其对不能利用HMOs的病原体的适应性，从而提高了其在肠道中的竞争力。

小鼠模型中的验证：在无菌小鼠模型中，研究者们展示了B. breve如何通过代谢2'-FL来增强对E. faecalis的抗性，并且这种抗性在补充2'-FL的饮食中更加显著。

B. breve的特定基因作用：研究还发现，B. breve中α-L-岩藻糖苷酶（GH95）基因的存在对于2'-FL的代谢至关重要，而这种代谢能力对于抑制病原体生长具有重要作用。

讨论

研究重要性：研究强调了这是迄今为止最大的新生儿肠道宏基因组研究，揭示了超过1000名健康、足月新生儿中三种不同的新生儿肠道微生物群落（NGM）状态。

NGM群落状态的影响因素：讨论了母体年龄、种族、产次等可能影响母体肠道微生物群的因素，以及分娩方式（如剖宫产和使用抗生素）如何影响新生儿肠道微生物群落的垂直传播。

EF群落状态与医院环境：强调了EF群落状态中富含抗生素抗性基因（AMR）的机会性病原体，这与医院环境和实践（如分娩期间的母体抗生素使用和选择性剖宫产）有关。

NGM组装的结果：讨论了NGM组装结果高度依赖于初级定植者物种的演替顺序，以及围产期与分娩相关的因素如何产生深远影响。

Bifidobacterium物种的代谢适应性：讨论了Bifidobacterium物种如何通过优化利用人类母乳低聚糖（HMOs）来驱动确定性和稳定的组装轨迹。

B. breve的优先效应：强调了B. breve在人类和小鼠中的优先效应，导致对AMR富集病原体（包括E. faecalis和K. oxytoca）的更强定植抗性。

机会性病原体的来源：讨论了E. faecalis等机会性病原体的可能来源，以及它们与非自然分娩（如剖宫产和抗生素使用）的强烈关联。

早期微生物群落组装的影响：讨论了早期微生物群落组装对儿童后期健康结果的潜在影响，包括免疫介导疾病和神经发育障碍。

Bifidobacterium物种的全球分布：提出了对Bifidobacterium物种全球株库和传播模式的进一步研究的必要性，特别是对于B. breve。

婴儿益生菌的优化：强调了对自然流行且稳定的初级定植者（如B. breve）进行综合功能特征描述的重要性，这将加速为当地人群优化的婴儿益生菌的发现。

母体微生物群对婴儿的影响：讨论了母体肠道微生物群可能通过代谢母乳中的专门生物活性物质来启动人类肠道微生物群组装的进化保守策略。

10月18-20日，微生物组-扩增子16S分析

11月15-17日，微生物组-宏基因组分析

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来源：微生物组