《eBioMedicine》：Infant gut microbiome neuroactive pathways link to social disadvantage, toddler neurodevelopment, cognitive and behavioural outcomes: a longitudinal cohort study
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背景：早期生命是大脑与肠道微生物组（GM）共同发育的关键窗口。证据支持GM在大脑发育中的作用，但纵向人类数据仍然有限，尤其关于社会劣势（SD）这一儿童心理健康和神经发育的强大决定因素的影响。在此，研究人员考察生命前三年GM与神经发育结局之间的纵向关系，以及SD
背景：早期生命是大脑与肠道微生物组（GM）共同发育的关键窗口。证据支持GM在大脑发育中的作用，但纵向人类数据仍然有限，尤其关于社会劣势（SD）这一儿童心理健康和神经发育的强大决定因素的影响。在此，研究人员考察生命前三年GM与神经发育结局之间的纵向关系，以及SD对其的影响。方法：研究人员采用全宏基因组测序（WMS）方法，对187名儿童在4–36月龄（MOL）5个时间点采集的粪便样本（905份）进行测序和分析。使用广义线性混合模型评估GM衍生的肠-脑模块（GBM）和神经活性潜力与神经发育结局的关联，并校正协变量。神经发育结局通过贝利婴幼儿发展量表第三版（Bayley-III；认知、语言和运动）评估，神经行为失调及外化/内化行为通过婴幼儿社会情绪评估（ITSEA）和学龄前儿童精神病学评估（PAPA）评估。结果：观察到GBM的时间变化，包括谷氨酸/γ-氨基丁酸（GABA）合成和降解通路以及短链脂肪酸（SCFA）。GM群落结构和GBM与同期及后期Bayley-III结局显著相关，最一致的是认知和语言（错误发现率（FDR）< 0.10）。若干GBM与神经行为结局和SD均相关，包括S-腺苷甲硫氨酸（SAM）合成、丁酸合成以及谷氨酸和GABA合成II（FDR < 0.10）。使用4 MOL的SAM合成观察到SD与36 MOL语言结局之间的部分中介效应（β = ?0.042，P = 0.048）。解释：这项纵向队列研究涵盖早期过渡发育窗口的GM神经活性代谢能力，揭示了GM衍生神经活性代谢通路的动态模式，并识别出与后期神经发育（认知、语言）和神经行为结局相关的特定通路，即使在控制重要协变量后亦然。这些通路受母亲社会经济地位塑造，从宫内暴露开始，且GBM部分中介了该效应。该研究识别出同时与SD和神经发育结局相关的微生物通路，突出可能促成神经发育风险的潜在生物学过程，值得进一步研究。资助：这项工作得到National Institute of Mental Health、March of Dimes、Children’s Discovery Institute、National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases和National Center for Advancing Translational Sciences的支持。
研究背景与意义：生命前三年是大脑与肠道微生物组（GM）快速且紧密耦合发育的关键期。肠-脑轴可通过神经、内分泌、免疫和代谢途径影响大脑，动物模型已显示GM对行为和神经病理的因果效应；但人类证据多集中于临床疾病，针对神经典型婴幼儿认知、语言和行为问题的研究较少，且既往多依赖16S rRNA基因测序，难以达到种水平并刻画代谢功能。全宏基因组测序（WMS）可提供种水平解析和代谢通路谱，肠-脑模块（GBM）则是一组经整理的、参与神经活性化合物合成或降解的微生物通路。既有WMS神经发育研究多为横断面，或对饮食转换、社会劣势（SD）等早期修饰因素控制有限；SD与不良神经发育和GM成熟差异相关，但GM是否作为连接早期SD与神经发育结局的生物学通路尚不清楚。基于此，研究人员利用Early Life Adversity, Biological Embedding and Risk for Developmental Precursors of Mental Disorders（eLABE）队列，开展纵向研究，评估GM结构和神经活性代谢功能与Bayley-III、ITSEA和PAPA所测结局的关系，并检验SD对GBM的影响及GBM的中介作用。研究提示，婴儿期GM神经活性通路与幼儿认知、语言及神经行为结局相关，SD塑造这些通路，SAM合成等通路部分中介SD与语言结局的关联；这为理解早期SD生物嵌入和肠-脑共发育提供了线索。论文发表在《eBioMedicine》。
关键技术方法：样本来自eLABE队列（2017–2020年于Washington University in St. Louis招募的孕妇及其单胎子代）。研究人员对187名儿童在4、8、12、24、36 MOL采集的905份粪便样本行WMS，以统一人类胃肠道基因组（UHGG）参考基因组和inStrain进行物种水平分类，经HUMAnN、MetaCyc、KEGG和eggNOG映射至GBM以评估神经活性代谢潜力；采用基于距离的冗余分析（db-RDA）、广义线性模型（GLM）/广义线性混合模型（GLMM）、随机森林（RF）和结构方程模型（SEM）分析GM与宿主因素、发育结局及SD的关联，并用Bayley-III、ITSEA和PAPA评估结局。
研究结果：
1. 队列特征（Cohort characteristics）：通过描述性统计显示，187名儿童以足月（≥37周，n = 172）和晚期早产（35–36周，n = 15）为主，52%自认Black，性别近均，28%为剖宫产；SD分布较广，收入需求比跨越贫困阈值上下，Area Deprivation Index范围较宽；Bayley-III、ITSEA和PAPA均值多在常模范围，但存在足够变异。结论为队列具备分析GM-神经发育关系的社会与结局变异。
2. 早期生命GM神经活性代谢通路呈动态改变（Early-life GM exhibits dynamic alterations in neuroactive metabolic pathways）：通过纵向WMS和GLMM分析50个可检测GBM，发现谷氨酸合成I/II、ClpB、SAM合成和17-beta-Oestradiol降解等通路在4–36 MOL持续高流行率和高丰度；丁酸合成两个模块的丰度和流行率随年龄增加，乙酸和丙酸模块模式不同；谷氨酸合成II丰度随年龄增加（FDR = 4.6 × 10
?17），5-羟色胺合成流行率和丰度随年龄增加。结论为GM神经活性通路在早期生命动态演变，兼具稳定和年龄依赖增加模式。
3. 产前和儿童因素与婴儿GM神经活性代谢通路相关，并与幼儿发育结局相关（Prenatal and child factors are associated with infant GM neuroactive metabolic pathways, which are linked to toddler developmental outcomes）：通过db-RDA发现SD、分娩时母亲体质指数（BMI）和胎龄持续解释GBM变异；母乳喂养状态在4和8 MOL解释方差最大，近期抗生素使用在12 MOL贡献GM变异。物种水平和GBM的db-RDA显示婴儿及幼儿GM与幼儿Bayley-III认知和语言评分显著相关，运动评分无一致关联；ITSEA外化和失调在12 MOL与8和12 MOL GM相关，内化无一致关联；RF对认知和语言显示预测能力，行为结局关联较少。校正SD后，GBM与发育结局的关联不再显著。结论为母体和早期因素尤其SD塑造GBM，婴儿期GM特征与后期认知语言相关，且该关联受SD强烈影响。
4. 微生物神经活性代谢通路预测发育结局（Microbial neuroactive metabolic pathways predict developmental outcomes）：通过GLM（FDR < 0.10）发现，认知方面，婴儿≤12 MOL较高的谷氨酸合成I和丁酸合成I丰度预测24和36 MOL较好认知，而丙酸合成I、GABA合成II/III和ClpB较高与不利认知相关；幼儿同期谷氨酸降解II正相关，色氨酸降解和多不饱和脂肪酸（PUFAs）合成负相关。语言方面，婴儿组胺、p-Cresol、色氨酸、17-beta-Oestradiol和SAM合成较高与较好语言相关，谷氨酸合成II/降解II、乙酸降解及丙酸合成I/III较高与不利语言相关；幼儿同期PUFAs合成较高与不利语言相关。运动关联较少，丙酸合成III和一氧化氮降解II正相关，乙酰胆碱合成及GABA合成I/III负相关。行为方面，婴儿丙酸合成III、异戊酸合成II和组胺降解较低与较好结局相关，p-Cresol、谷氨酸和甲萘醌合成较高与不利结局相关；同期丙酸合成III较低为有利，乙酸合成I较高为不利。总体丁酸合成与有利结局相关，丙酸/乙酸及部分谷氨酸/GABA通路与不利结局相关。结论为婴儿期GM神经活性通路是后期认知和语言结局的最强预测因子，且具通路特异性。
5. 社会劣势与特定GM神经活性代谢通路变化相关（Social disadvantage is associated with changes in specific gut microbiome-derived neuroactive metabolic pathways）：通过GLMM发现，4 MOL较高SD与SAM合成和GABA降解降低、谷氨酸合成II及乙酸合成II/III增加相关；部分模块关联持续，如乙酸合成II从婴儿到幼儿期、谷氨酸降解II从晚期婴儿到幼儿期。纵向分析中，丁酸合成I与低SD相关，丙酸合成I/III与高SD相关。SD与认知（24–36 MOL）、语言（24–36 MOL）、运动（12 MOL）、PAPA（24 MOL）及ITSEA外化和失调（12–24 MOL）相关，但与ITSEA内化不相关。SEM显示4 MOL SAM合成在SD与36 MOL语言之间呈负间接效应（β = ?0.042，P = 0.048）；6个负向SD相关GBM的聚合指数在8 MOL呈显著间接效应（β = ?0.043，P = 0.045），4 MOL不显著（β = ?0.051，P = 0.078）；纳入中介后SD与36 MOL语言的直接关联仍显著，提示部分中介。结论为宫内和早期SD与多个SCFA、SAM及GABA/谷氨酸通路相关，SAM等通路部分中介SD与后期语言结局。
讨论与结论总结：研究人员报告了覆盖早期生命过渡窗口和SD状态的纵向研究，将GM结构及神经活性代谢通路与2岁和3岁标准化神经发育和神经行为结局相联系，并显示宫内和早期社会逆境影响肠-脑互动。文章指出，动物模型已确立肠-脑轴对神经发育的重要性，人类研究则常受横断面设计、描述性分类分析或混杂控制不足限制，且尚未系统解决SD作用。该研究显示GM群落结构和神经活性通路与认知、语言及行为发育相关，认知和语言关联最强且最一致；结构效应似乎较持久，神经活性功能效应更具时间特异性；未校正SD时显著的关联在校正SD后不再显著，提示SD可能是GM-神经发育关联的重要基础因素。结果扩展了既往单时间点或有限窗口研究及Bonham et al.的WMS研究，并纳入饮食等协变量；婴儿4和8 MOL的GM结构与GBM与幼儿24–36 MOL认知和语言相关，行为关联较弱，可能与测量精度和早期内化症状评估困难有关。SD与多个神经活性GBM相关，SAM作为主要甲基供体具有抗炎、表观遗传和抑郁相关研究背景，本研究中SAM合成预测较好语言结局；GABA和谷氨酸合成通路较高预测较差认知和语言表现；SCFA中丁酸合成与较好认知语言相关，乙酸和丙酸合成呈反向关系。高SD儿童呈现谷氨酸和乙酸通路富集、丁酸和SAM合成降低。中介分析中，4 MOL SAM合成部分中介SD与36 MOL语言能力，聚合GBM指数在8 MOL显示显著中介，提示单一和多条肠-脑通路可能共同参与。研究强调4–8 MOL早期婴儿期可能是GM和大脑可塑性较高的敏感窗口；未测血清或粪便SAM，未来需结合代谢物和实验模型。局限包括复合SD各成分可能经不同通路影响GM、未测环境污染等暴露、GBM仅反映代谢潜力、样本量187且为探索性设计、RF为内部验证、结果关联性不说明因果。研究结论翻译：这项纵向研究覆盖生命前三年，提示GM衍生神经活性代谢通路与儿童早期发育之间存在活跃相互作用。研究人员的同期和时序结果识别出早期儿童期发生的微生物衍生神经活性化合物的动态过程。宫内和早期SD暴露影响这一相互作用，提示大脑发育过程中肠-脑通讯可能存在潜在扰动，并可能在塑造神经发育和行为结局中发挥潜在作用。这些GM相关扰动可预测未来对认知和语言的影响，因此更清晰地理解这些通路可指导旨在支持健康肠-脑共同发育的早期干预（如营养或微生物调节），并可能减少宫内和早期SD暴露的长期影响。
