婴儿生命第一年发生过敏风险者的粪便代谢组改变

《Metabolomics》：Fecal metabolome alterations in infants at risk of developing allergies during the first year of life

　　

摘要 引言：婴儿肠道微生物群(gut microbiome, GM)紊乱可能增加过敏发生风险。这一关键发育期以快速的微生物定植为特征，受分娩方式和婴儿喂养方式等因素影响。 目的：本研究探讨生命第一年过敏发生、分娩方式、年龄及婴儿喂养方式与关键GM类群及粪便代谢物变化的关系。 方法：随访72名过敏高风险、纯母乳喂养至少16周的婴儿至出生后一年。期间记录过敏表现，并在三个时间点收集粪便样本。样本进行涵盖宿主及微生物代谢物的代谢谱分析，并采用荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)定量双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)及直肠真杆菌/球形梭菌组(Eubacterium rectale/Clostridium coccoides group, ER/CC)。 结果：观察到强烈的年龄相关代谢转变，尤以芳香族氨基酸代谢物、胆汁酸(bile acids, BAs)、B族维生素及短链与长链脂肪酸(long-chain fatty acids, LCFAs)为著。喂养方式——特别是引入辅食及停止母乳喂养——与粪便代谢组改变显著相关。分娩方式对代谢组影响显著，阴道分娩与剖宫产差异持续至6月龄。发生过敏的婴儿在16周龄前双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)水平较低，多不饱和脂肪酸(polyunsaturated fatty acids, PUFAs)水平显著升高。 结论：本研究为生命早期这一免疫系统发育关键期内粪便代谢组的纵向发育及影响因素提供了有价值的见解。 临床试验注册：ClinicalTrials.gov标识符NCT03067714，注册日期2017年2月1日。

论文解读：

《Fecal metabolome alterations in infants at risk of developing allergies during the first year of life》发表于《Metabolomics》。目前研究表明婴儿肠道微生物群(gut microbiome, GM)紊乱与过敏发生相关，生命第一年GM快速定植并受分娩方式、喂养方式影响，且GM通过产生代谢物影响宿主生理。然而既往研究多关注GM组成，对其功能活性即代谢组(metabolome)在过敏背景下受年龄、喂养及分娩方式影响的纵向变化知之甚少。为此，研究人员开展了一项对过敏高风险纯母乳喂养婴儿的纵向随访研究，分析粪便代谢组及关键GM类群与过敏发生、分娩方式、年龄及喂养实践的关系，发现年龄驱动强烈代谢重塑，剖宫产影响代谢组至6月龄，且过敏发生前存在低双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)及高长链脂肪酸(long-chain fatty acids, LCFAs)特征，为早期免疫发育关键窗口期的宿主—微生物互作提供了新证据。

研究人员从TEMPO随机对照试验(NCT03067714)过敏高风险纯母乳喂养≥16周的婴儿中选取72名有完整粪便样本的受试者，于基线(<16周)、6月龄、12月龄采集粪便。采用荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)定量双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)及直肠真杆菌/球形梭菌组(Eubacterium rectale/Clostridium coccoides group, ER/CC)；采用气相色谱—火焰离子化检测器(gas chromatography-flame ionization detector, GC-FID)测定短链脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFAs)及乳酸；采用反相液相色谱—质谱(reverse phase liquid chromatography-mass spectrometry, RPLC-MS)进行极性/半极性代谢物及胆汁酸(bile acids, BAs)、LCFAs靶向代谢组学分析；数据经质控、缺失值填补后，使用线性混合模型(linear mixed models, LMMs)及Mann-Whitney U检验进行统计分析，Benjamini-Hochberg法校正多重检验。

研究结果

3.1 Patient characteristics

72名过敏高风险纯母乳喂养婴儿的临床特征汇总显示各组间基本均衡，潜在混杂因素已说明。

3.2 Age has a significant impact on the fecal metabolome

主成分分析(principal component analysis, PCA)显示年龄及伴随饮食变化对代谢组影响最强。LMM鉴定出出生后前6个月99种、后6个月92种显著变化代谢物。(芳香)氨基酸及其衍生物、B族维生素及衍生物、胆汁酸(bile acids, BAs)、核苷碱基/核苷及衍生物、短链脂肪酸(SCFAs)和酚酸整体随年龄增加；初级BA——胆酸(cholic acid, CA)和鹅脱氧胆酸(chenodeoxycholic acid, CDCA)前6个月升高，甘氨结合BA后6个月升高，次级BA在任一半年或全年升高。宿主色氨酸(tryptophan)代谢物随年龄增加；微生物芳香族氨基酸(aromatic amino acid, AAA)代谢物呈不同趋势——芳香族乳酸(苯乳酸phenyllactic acid PLA、吲哚-3-乳酸indole-3-lactic acid ILA、4-羟基苯乳酸4-OH-PLA#)至6月龄升高后ILA和4-OH-PLA#下降，乙酸芳香酸(4-羟基苯乙酸4-OH-PAA#、吲哚-3-乙酸indole-3-acetic acid IAA)6月龄后升高。LCFAs整体逐年下降（除α-亚麻酸α-linolenic acid ALA#、亚油酸linoleic acid LA及麦得酸mead acid仅前6个月下降），长链酰基肉碱(acylcarnitines)前6个月升高、后6个月整体下降，中短链酰基肉碱不变。结论：生命第一年粪便代谢组随年龄（伴随GM多样化及饮食过渡）发生显著重塑。

3.3 Dietary changes were associated with fecal metabolome alterations

引入配方奶喂养关联较弱（仅胸腺嘧啶thymine显著）。辅食添加(complementary feeding)与较高丙酸(propionate)、肌肽(carnosine)及芳香乙酸升高、丙酮酸(pyruvate)降低相关，且与初级BA负相关、与次级BA熊去氧胆酸(ursodeoxycholic acid, UDCA)及丁香酸(syringic acid)正相关。停止母乳喂养与较高表脱氧胆酸(epi-deoxycholic acid, EDCA)但较低LCFAs、长链酰基肉碱、N-乙酰神经氨酸(N-acetylneuraminic acid, Neu5Ac/唾液酸sialic acid)、γ-谷氨酰丙氨酸及色氨酸/酪氨酸代谢物（犬尿烯酸kynurenic acid、吲哚葡萄糖苷indoxyl glucoside、黄尿酸xanthurenic acid、ILA、酪胺tyramine、4-OH-PLA#）相关。结论：辅食引入及停母乳是代谢组的重要驱动因素。

3.4 Delivery mode affected the fecal metabolome up to 6 months of age

剖宫产(Cesarean section, C-section)组基线15种代谢物（Neu5Ac、氨基酸及衍生物、嘧啶/嘌呤衍生物、羧酸）显著低于阴道分娩(vaginal delivery)组；组间差异随年龄缩小，至12月龄完全重叠。Neu5Ac在剖宫产组稳定、阴道组下降；脯氨酸(proline)和色氨酸在阴道组稳定、剖宫产组随年龄上升；柠檬酸(citrate)和异柠檬酸(isocitrate)阴道组下降、剖宫产组上升。结论：分娩方式对粪便代谢组影响可持续至6月龄。

3.5 Higher LCFA levels in infants who developed allergy

过敏组（发病中位126.5天）基线几种LCFAs——LA、二十碳五烯酸(eicosapentaenoic acid, EPA)、ALA#、二十二碳六烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)、油酸(oleic acid, OA)及麦得酸显著升高，6月龄和12月龄组间无差异。分层显示非IgE介导组驱动LCFA升高，IgE介导组另有脱氧肉碱(deoxycarnitine)、尸胺(cadaverine)及鸟氨酸(ornithine)突出。结论：过敏发生前（<16周）存在粪便LCFAs升高特征，随年龄消失。

3.6 Lower Bifidobacterium spp. in infants prior to allergy development

FISH显示ER/CC组12月龄高于基线和6月龄，双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)相反（P<0.05, Q<0.1）。双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)6至12月龄下降与ILA及4-OH-PLA#下降正相关（ρ 0.39–0.43, P<0.05）。ER/CC在12月龄仍母乳喂养者低于已停母乳者，与配方奶引入负相关。基线双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)水平在12月龄发生过敏婴儿中低于未发生过敏者（P<0.05, Q>0.01）。双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)与LCFAs无显著相关。结论：过敏发生前存在双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)定植不足，但与LCFA升高无直接相关性。

讨论与结论翻译：

本研究中，过敏高风险纯母乳喂养婴儿随访至一岁，考察了粪便代谢组及关键GM成员（双歧杆菌属Bifidobacterium spp.、ER/CC）随年龄、喂养方式、分娩方式及过敏发生的改变。观察到强烈的年龄相关改变——氨基酸及衍生物、胆汁酸(bile acids, BAs)、核苷碱基/核苷及衍生物、B族维生素及衍生物、短链脂肪酸(SCFAs)和酚酸总体升高，长链脂肪酸(LCFAs)和酰基肉碱下降。喂养方式（尤其辅食引入和停止母乳喂养）与代谢组显著相关。分娩方式显著影响代谢组，差异主要在基线出现并部分持续至6月龄。发生过敏婴儿基线双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)较低、长链脂肪酸(LCFAs)显著升高。本研究为生命早期这一免疫系统发育关键期粪便代谢组纵向发育及影响因素提供了新见解。低双歧杆菌属(Bifidobacterium spp.)和升高的LCFAs出现在过敏发生之前，提示时间关联性，可为后续探究其在过敏发生中潜在作用的研究提供方向。