《Journal of Developmental Biology》：The Gut Microbiome in Early Ontogeny: Implications for Brain and Immune System Development
肠道微生物组在生命最早期阶段即对多种生理过程的调控发挥关键作用。然而，其在儿童期的完整作用范围尚未被充分阐明，这凸显了加深对这一新兴研究领域认识的重要性。本叙述性综述通过考察肠道微生物组在脑发育、免疫发育中的作用，以及其在神经发育障碍和生命早期心理健康中的参与，概述了肠道微生物组在人体早期个体发生中的影响。肠道微生物组有助于塑造脑和免疫系统的发育与功能。其影响似乎主要通过神经递质的合成、微生物代谢产物的生成，以及下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA axis）内特定通路的激活而介导。尽管如此，肠道微生物组发挥这些作用的确切机制，以及其对神经发育健康与免疫健康影响的全部程度，仍未被完全理解，并持续构成研究与科学争论的活跃领域。最终，关于肠道微生物组如何塑造早期脑和免疫系统发育的研究进展，将为创新性干预措施和预测策略创造新机遇，从而改善儿科健康结局。
1. Introduction
本文首先界定了肠道微生物组的内涵，指出其不仅包括细菌、古菌、真菌、原生动物和病毒等微生物群落本身，还涵盖结构成分、集体基因组、衍生代谢物及其所处环境。文章强调，肠道微生物组的发育轨迹始于出生后，并贯穿整个生命周期；同时，越来越多证据提示胎儿期已可能存在初始微生物定植。生命最初数年内，肠道微生物组的组成高度可变，通常至约3岁趋于成人样稳定状态，而这一阶段的波动被认为对脑发育和免疫系统建立具有关键影响。
在机制框架上，文章重点介绍了肠-脑轴（GBA），即胃肠系统与脑之间通过内分泌系统、神经系统和免疫系统实现的双向通信网络。该系统涉及迷走神经、肠神经系统（ENS）、自主神经系统（ANS）、下丘脑-垂体-肾上腺轴（HPA axis）等多条通路。文中指出，肠道微生物组可通过代谢物生成、宿主细胞相互作用及突触活动调控参与该网络，并可能进一步影响免疫细胞对微生物组的应答。文章还强调，产前与围产期应激可通过扰乱肠道微生物组和HPA轴稳态，促进全身炎症、免疫失调及神经发育异常。基于此，作者提出本综述聚焦四个主题：脑发育与功能、免疫系统发育、神经发育障碍以及生命早期心理健康。
2. Method
本文采用叙述性、非系统性综述方法，对早期个体发生中肠道微生物组的作用进行描述性整合。检索数据库包括PubMed、Scopus和Web of Science，纳入人类与动物研究，以便同时获得临床关联证据和机制性线索。纳入标准集中于肠道微生物组与早期脑发育、免疫发育、神经发育障碍及早期心理健康相关的研究；排除了与成人起病疾病或神经发育、免疫学相关性较弱的文献。由于为叙述性综述，作者未进行正式质量评价，而是按主题组织研究结果，突出肠道微生物组在发育与免疫领域中的影响模式。
3. Microbial Colonization During Human Embryonic Development
本节围绕“无菌子宫范式”受到挑战这一主题展开。文章回顾指出，传统观点认为新生儿肠道在出生前无菌，微生物定植始于分娩时母体垂直传播及环境水平获得。然而，后续研究在羊水、胎盘、脐带血及胎粪中检测到细菌或细菌DNA，甚至在剖宫产健康新生儿中亦有类似发现，从而推动了宫内定植假说的发展。作者据此指出，母体内分泌、免疫及代谢适应可能塑造宫内环境，并影响母婴微生物传递。
文章进一步总结了子宫、胎盘、羊水和胎粪中的微生物证据，提出细菌可能通过阴道/泌尿道上行或经胎盘血行传播进入宫腔。部分研究显示，胎盘具有低丰度但具有代谢活性的部位特异性微生物群，且其特征与口腔微生物群存在一定相似性。胎粪微生物组成与胎盘细菌群落的相似性，则进一步支持出生前已发生微生物暴露。作者最后指出，尽管健康胎盘、脐带和胎粪中检测到微生物提示胎儿期微生物暴露可能是重要生理过程，但这些宫内微生物在婴儿肠道定植中的确切作用仍不明确。
4. Gut–Brain Axis Connections
本节系统概述肠-脑轴（GBA）的双向信号联系。文章指出，大脑可通过自主神经系统（ANS）和HPA轴调控胃肠活动，例如应激状态下去甲肾上腺素释放可促进某些肠道微生物生长。反过来，肠道则可借助激素、神经活性化合物和微生物代谢物，经循环系统、迷走神经、免疫系统或肠神经系统（ENS）向中枢神经系统（CNS）传递信息。短链脂肪酸（SCFAs）被强调为关键介质，其可穿越血脑屏障（BBB）并作用于G蛋白偶联受体（GPR41、GPR43），参与神经炎症和神经递质释放调节。
作者还概述了5-羟色胺（5-HT）、γ-氨基丁酸（GABA）、谷氨酸和多巴胺等神经递质在GBA中的中介作用，并强调迷走神经是肠脑通讯的主要通路之一。同时，文章借助无菌（GF）小鼠证据说明，肠道微生物组对局部和系统性免疫反应的建立不可或缺，提示“肠-免疫-脑轴”在维持健康中具有重要地位。
5. The Gut Microbiome in Brain Development
本节综述肠道微生物组与脑发育之间的证据基础。作者指出，GF小鼠表现出运动活动改变、焦虑样行为下降、记忆和运动任务受损、海马神经发生减少以及突触可塑性异常，这些发现支持肠道微生物组参与脑发育调控。抗生素干预和粪菌移植（FMT）研究则进一步提示，微生物群改变可影响行为、认知和海马、前额叶皮层（PFC）的结构可塑性。作者概括认为，微生物神经活性物质与基因表达调控可能是其影响脑可塑性的核心机制。
5.1. Gene Regulation
在基因调控层面，文章强调肠道微生物组代谢物能够经血液循环作用于中枢神经系统，并可能影响表观遗传标记。短链脂肪酸（SCFAs）可促进组蛋白乙酰化，并被讨论与组蛋白巴豆酰化等翻译后修饰有关，从而影响转录活性、视觉皮层可塑性、微胶质形态和星形胶质细胞基因表达。作者同时指出，DNA甲基化与学习、记忆巩固和突触功能调控有关，一碳代谢所需辅因子如叶酸、核黄素、钴胺素和吡哆醇可来源于微生物代谢，但目前尚无直接证据证明肠道微生物组直接改变脑内DNA甲基化并由此影响网络可塑性。
此外，文章总结了微小RNA（miRNAs）可能构成另一条关键路径。已有前临床研究提示，肠道微生物组能够影响miRNAs表达，进而调控海马神经元棘突密度、树突形态及皮层可塑性；在无菌状态下，杏仁核和PFC等与焦虑、恐惧调节相关脑区的miRNA表达亦发生改变。
5.2. Neuroactive Molecules
在神经活性分子方面，文章区分了微生物代谢物与神经递质两类机制。代谢物方面，SCFAs不仅维持肠屏障完整性和免疫稳态，还可穿越BBB，对微胶质成熟、神经炎症、神经递质水平和神经营养因子表达产生影响。丁酸盐可抑制促炎性细胞因子释放并诱导微胶质趋于稳态表型；乙酸盐则可减轻炎症信号并改变下丘脑谷氨酰胺、谷氨酸和GABA水平。作者据此认为，SCFAs可能成为干预神经发育及神经退行性疾病中脑免疫紊乱的新策略。
色氨酸代谢被作为另一重要主题展开。文章指出，肠道菌群可将膳食色氨酸转化为吲哚类化合物，激活芳烃受体（AHR），并影响T细胞分化。色氨酸亦是5-HT前体，在胎盘和胎脑发育中具有重要作用；同时，其还可经犬尿氨酸（KYN）通路代谢，相关产物可抑制T细胞反应。因此，胎儿暴露于色氨酸及其代谢物可能共同影响神经发生、神经内分泌发育及后代肠道微生物组组成。
关于神经递质，文章指出多种肠道菌属能够合成GABA、5-HT、去甲肾上腺素和多巴胺，或生成其前体分子。虽然多巴胺和5-HT本身不能直接穿越BBB，但前体物质可进入脑内并影响神经元可塑性。文中概述了5-HT对食欲、情绪、记忆、学习和睡眠的调节，GABA对皮层可塑性和焦虑样行为的影响，以及多巴胺、去甲肾上腺素在PFC功能、奖赏加工、工作记忆、神经炎症和神经营养调节中的作用。
5.3. The Gut Microbiome in Early Neurodevelopment and Brain Function
本小节总结肠道微生物组在早期神经发育与脑功能中的整体作用，认为平衡的肠道微生物组对神经发生、髓鞘形成、BBB形成、微胶质成熟及HPA轴调节均至关重要。文章分别讨论了神经发生、髓鞘形成、HPA轴、BBB和微胶质成熟五个方面，指出微生物失衡可通过炎症、代谢物变化和发育程序扰动，引发行为异常和认知改变。总体而言，作者认为肠道微生物组是从产前至早期出生后阶段持续作用的环境调节因子，但其在人类中的精确作用时窗和机制仍需纵向整合研究加以阐明。
6. The Gut Microbiome in Immune System Development
本节强调免疫系统发育并非孤立事件，而是与胃肠道微生物组共塑的动态过程。作者指出，早期生命阶段中，微生物组通过影响初级与次级淋巴器官结构、调节免疫细胞群分化与激活、促进自我与非我识别和免疫耐受建立，推动新生儿免疫系统由未成熟状态向功能性防御网络转变。
6.1. Early-Life Gut Microbiome Maturation and Dysbiosis
文章指出，出生后前3年是肠道微生物组快速成熟阶段，早产、剖宫产、早期抗生素暴露及环境微生物暴露差异均可干扰该进程。尤其是双歧杆菌（Bifidobacterium）高峰延迟，与黏膜免疫和免疫调节代谢物减少有关。作者总结认为，早期菌群失衡与1型糖尿病、过敏、炎症性肠病（IBD）、自闭症谱系障碍（ASD）及生长迟缓等多种儿科疾病相关。
6.2. Impact of Gut Microbial Colonization on Neonatal Immune Development
本节重点讨论新生儿免疫教育机制。文中指出，模式识别受体（PRRs）尤其是Toll样受体（TLRs）介导宿主对微生物成分的识别，并通过降低肠上皮对脂多糖（LPS）的过度反应来促进免疫稳态。双歧杆菌产生的胞外多糖、SCFAs、次级胆汁酸、鞘脂、色氨酸衍生物等微生物代谢物，则进一步参与免疫耐受和免疫网络塑形。
作者还强调出生后早期是“机会窗口”，此期调节性T细胞（Tregs）活化扩增尤为重要，且易受抗生素暴露影响。部分共生菌如脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）可通过诱导FOXP3
+ T细胞和IL-10产生促进免疫耐受。文中亦概述了RORγt
+抗原递呈细胞、先天淋巴样细胞（ILCs）、黏膜相关恒定T细胞（MAIT cells）和不变自然杀伤T细胞（iNKT cells）在早期微生物暴露下的建立过程。总体而言，作者认为早期定植轨迹的扰动不仅影响肠道免疫，也可能重塑系统性炎症易感性。
7. The Gut Microbiome in Neurodevelopmental Disorders
本节讨论肠道微生物组在神经发育障碍中的潜在作用。作者指出，NDDs包括ASD、注意缺陷/多动障碍（ADHD）、抽动障碍（TDs）、Tourette综合征（TS）、脑瘫及胎儿酒精谱系障碍（FASDs）等。虽然其病理机制复杂，但肠-脑轴（GBA）可能为内分泌、神经和免疫信号整合的重要通路。
7.1. Autism Spectrum Disorder
关于ASD，文章总结了大量研究，显示患儿常出现肠道微生物组组成改变，但具体菌群特征受测序平台和分析方法影响较大。总体趋势包括某些拟杆菌门（Bacteroidota）减少、厚壁菌门相关比例改变，以及Clostridium、Ruminococcus、Desulfovibrio等菌群异常。部分研究还观察到SCFAs谱异常、便秘相关菌群变化及5-HT、多巴胺、GABA等神经递质相关代谢网络改变。作者认为，ASD中的微生物异常可能通过神经炎症、氧化应激、神经递质代谢紊乱和肠屏障功能改变参与症状形成，但因果关系仍未确立。
7.2. Attention-Deficit/Hyperactivity Disorder
在ADHD方面，文章指出现有研究结果异质性较强，但总体支持ADHD患者存在菌群丰富度、均匀度或群落结构改变。多个研究提示Faecalibacterium、Bacteroides、Ruminococcus gnavus、Agathobacter等菌群与注意缺陷、冲动/多动症状或情绪行为共病相关。作者同时总结了5-HT、多巴胺、去甲肾上腺素和GABA代谢异常，以及SCFAs浓度下降可能参与ADHD症状网络的证据。
7.3. Tic Disorders and Tourette Syndrome
关于TDs和TS，文章指出现有研究尚未在α多样性和β多样性变化上达成一致，但部分结果提示Prevotella减少、Ruminococcus增多，以及与GABA降解相关菌群升高。某些富集菌可能具有促炎特性，并通过氧化应激、炎症反应和神经递质代谢异常影响抽动严重程度。
7.4. Cerebral Palsy and Epilepsy
在脑瘫合并癫痫（CPE）方面，文中总结患儿存在不同于健康对照的菌群结构，表现为有益菌与机会致病菌同时增加，而丁酸产生菌减少。相关功能通路异常涉及谷氨酸、丝氨酸等代谢变化，作者提示这些改变可能与慢性肠道炎症、便秘以及癫痫相关神经递质通路失衡有关。
7.5. Fetal Alcohol Spectrum Disorders
对于FASDs，作者指出目前以前临床研究为主。产前酒精暴露可穿越胎盘屏障，导致脑结构、白质微结构和功能连接异常。动物研究提示其可长期改变肠道微生物组并增加多样性，但在人类中的临床因果证据仍缺乏。
8. The Gut Microbiome in Early-Life Mental Health
本节将关注点扩展至生命早期心理健康。文章指出，早期儿童阶段是肠道微生物组成熟和神经可塑性均高度活跃的时期，因此微生物信号可能对后续焦虑、抑郁等内化问题的易感性或韧性产生长期影响。现有研究发现，婴幼儿期菌群α多样性与前顶叶连接、杏仁核-丘脑连接、前扣带皮层-岛叶连接及某些脑区体积差异有关，但这些脑连接变化与未来心理健康结局的关系仍待进一步厘清。
作者随后综述了抑郁和焦虑相关神经生物学，重点涉及海马神经发生、脑源性神经营养因子（BDNF）、HPA轴、PFC与杏仁核发育及GABA能信号。文章指出，慢性应激和产前应激可通过糖皮质激素增加、PFC发育受阻、杏仁核GABA能调控改变等方式，提高焦虑和抑郁样表现风险。虽然本节更多聚焦脑机制本身，但整体意图在于说明肠道微生物组可能通过这些关键发育系统参与早期心理健康塑形。
9. Final Remarks
文章最后指出，胎儿期和生命早期的脑发育对外界影响高度敏感，而肠道微生物组与脑之间的相互作用在此阶段逐渐形成，并受到药物、饮食和应激等因素持续塑造。当前主要机制包括神经系统与免疫系统相互作用、色氨酸代谢及HPA轴激活，但尚难明确菌群改变是疾病原因还是结果。作者认为，代谢组学、高通量测序和新型无创采样技术将有助于解析微生物组与脑相关结局之间的关系。
9.1. Perspectives on Microbiome-Driven Development
在展望部分，作者强调肠道微生物组已成为理解免疫调节、上皮屏障维持和系统稳态的重要生物学基础。益生菌、益生元、合生元和FMT等干预，以及CRISPR-Cas等微生物组工程技术，展示出重塑微生态和调节免疫功能的潜力。与此同时，脑网络研究、机器学习、多组学整合及精神益生菌等方向，也被视为未来理解肠道微生物组如何影响神经发育和心理健康的关键路径。
9.2. Current Challenges in Human Microbiome Research
作者系统总结了微生物组研究中的核心挑战，包括因果方向不明、高维且具组成性的数据结构、个体间差异巨大、动物模型外推受限以及采样、测序和分析流程缺乏标准化等。此外，许多研究样本量小、横断面设计为主、物种分辨率有限，且混杂因素众多，使得肠道微生物组与神经发育、免疫结局之间的机制链条仍不完整。
9.3. Limitations of the Review
对于综述本身，作者承认其为叙述性综述，未进行系统偏倚风险评估或定量综合；所纳入证据多为相关性研究，且高度依赖前临床模型。再加上研究设计、测序平台、分析方法和样本特征差异显著，因此结论的普适性与因果解释均需谨慎对待。
10. Conclusions
结论部分重申：肠道微生物组在脑与免疫系统的发育和功能塑造中具有重要促进作用，其主要通过神经递质合成、微生物代谢物生成及HPA轴相关通路发挥影响。然而，这些作用的精确机制及其对神经发育和免疫健康的全部影响范围仍未完全明晰。作者最终认为，阐明肠道微生物组如何塑造早期脑和免疫系统发育，将为儿科健康结局改善提供新的预测和干预机会。
