综述：母体肠道–胎儿脑轴：母体微生物代谢组在早期神经发育中的作用

《Frontiers in Nutrition》：The maternal gut–fetal brain axis: role of maternal microbial metabolome in early neurodevelopment

　　

摘要 胎儿神经发育是受母体微生物组调控的关键阶段。尽管已鉴定出某些特定信号通路，但完整的信号网络及其时空复杂性在很大程度上仍属未知。母体代谢物对胎儿生长至关重要，且部分代谢物在妊娠期间会发生动态适应。由营养不良、心理社会应激和/或感染引起的母体微生物丰度与多样性改变，是已知会损害胎儿神经发育环路、并伴随生命后期认知功能障碍风险增加的线索。本迷你综述聚焦于母体微生物代谢物在塑造胎儿神经发育中的作用。

1 引言

母体营养是胎儿健康与发育的关键因素，其通过胎盘和脐带传递的母体输入进行调控。健康与疾病发育起源（DOHaD）框架认为，包括产前阶段在内的早期生命环境暴露可诱导健康和疾病风险的长期改变。母体饮食和心理困扰等扰动可通过胎儿编程引起发育适应，导致永久性的结构、生理和/或代谢改变，从而增加生命后期的疾病易感性。流行病学和动物模型研究将妊娠期营养缺乏与糖尿病、肥胖、卒中、心血管疾病以及包括自闭症谱系障碍（ASD）、注意缺陷多动障碍和精神分裂症在内的神经发育障碍风险升高联系起来。此外，产前母体应激暴露对大脑发育产生广泛影响，包括区域脑体积生长、皮层折叠和功能连接的改变，并与长期认知、语言和行为损伤相关。

肠道微生物组通过肠–脑轴影响免疫功能、消化、代谢和脑活动，肠道微生物产生一系列代谢物，这些代谢物通过直接穿过细胞膜（疏水性化合物）或通过配体–受体通路进行信号传导。肠道代谢物可进入母体循环并穿过胎盘影响胎儿脑发育。妊娠期肠道微生物群及其代谢物（包括短链脂肪酸（SCFAs））的变化仍存在争议，不同研究报告其稳定性或显著组成改变，这可能反映了仅特定代谢物为满足时间敏感的发育需求而进行的动态调控。由营养不良或应激引起的母体肠道微生物组破坏，常可改变胎儿基因表达、神经环路发育，并可能影响成年期的长期脑功能和行为。

已有研究报告在胎盘、羊水和胎儿组织中检测到产前宫内细菌DNA和微生物特征，提示母体–胎儿微生物直接传递的可能性。然而，这些发现引发了关于样本污染、低细菌载量和技术伪影的担忧，宫内微生物组的概念仍极具争议，需要进一步验证。新兴证据仍强烈支持妊娠期健康宫内环境基本无菌的观点，而母体微生物代谢物可通过循环轻易穿过胎盘屏障并影响胎儿发育。因此，本迷你综述聚焦于基于更可靠的实验和临床证据，探讨母体肠道微生物组变化通过其代谢物对胎儿神经发育的间接效应：即母体肠道–胎儿脑轴（图1）。

2 母体肠道微生物组调节神经发育

无菌（GF）、抗生素处理和菌群失调诱导小鼠常用于实现受控的微生物改变，以评估其对宿主生理的影响。GF小鼠中母体微生物组的耗竭以时间和性别依赖性方式影响胚胎小胶质细胞转录组和染色质可及性水平。GF母鼠后代与特定无病原体（SPF）小鼠后代相比，微生物代谢物水平显著降低。通过基因表达谱分析和非靶向代谢组学比较GF和SPF胎儿，揭示了母体微生物群对产前基因调控的重大影响，其中涉及干扰素和炎症信号传导、神经元发育和突触功能的基因在GF胎儿脑中下调。对孕鼠进行抗生素治疗导致胎儿脑转录组谱改变和丘脑皮层轴突发生受损，至4周龄时其后代表现出海马CA1锥体神经元数量减少、突触密度和星形胶质细胞表面积降低，同时伴有胼胝体髓鞘形成不足、齿状回神经发生减少以及空间学习和记忆受损。

相比之下，人类研究多为观察性和纵向研究，将妊娠期母体微生物组组成和/或母乳及其组成的影响与后代神经发育结局及出生后先天性和适应性免疫系统相关联。患有先兆子痫等妊娠期疾病的孕妇表现出微生物组成紊乱，多个微生物分类群与该疾病存在显著因果关联，这在临床和动物模型研究中进一步与后代不良神经结局相关。与报告焦虑和应激水平较低的母体相比，高焦虑和高应激母亲所生婴儿的微生物组α多样性降低，与肠–脑轴和免疫调节相关的有益菌种相对丰度减少。

妊娠期实验性诱导肠道菌群失调可产生与先兆子痫相似的不良结局。微生物组还塑造后代免疫系统，包括诱导产生IL-17a的TH17细胞。异常的微生物–免疫通讯或微生物组成的体外操作已被证明可增加ASD相关问题、肠道和神经元炎症以及与焦虑和重复行为相关的认知问题的风险。母体应激调节母体肠道微生物群，该微生物群可垂直传递给后代，影响小鼠后代行为。在大鼠模型中鉴定出七个细菌分类群作为跨代抑郁的生物标志物，其特征是在产前应激母鼠及其后代中共同富集。这些分类群还与后代微生物代谢通路改变密切相关，包括甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸和甘油磷脂代谢，这些通路常与抑郁相关。此外，应激诱导的微生物组相关甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢改变与后代前额叶皮层神经炎症增加和神经递质失衡密切相关。总之，这些研究汇聚的证据强调了母体肠道微生物环境对胎儿神经发育的关键重要性，并说明了维持功能性微生物丰度和多样性的重要意义。

3 母体饮食–代谢组对胎儿脑的影响

母体营养的改变，如过量含糖食物和过度加工食品的摄入，可导致母体微生物组改变，并与后代行为和认知问题相关。近期一项研究将妊娠晚期较高总胆固醇与较低出生体重和脐带血吲哚水平降低联系起来。在小鼠中，妊娠期蛋白质摄入不足诱导胎儿脑转录组和代谢组谱的广泛损伤，导致成年后代认知和焦虑样行为模式。

SCFAs等代谢物通过表观遗传调控、配体–受体介导的信号通路和代谢调控影响胎儿神经发育，确保神经发育正确的时空进程。在仔猪中，妊娠期和哺乳期摄入富含糖和脂肪的西式饮食已被证明影响母猪和仔猪的SCFAs水平，并与仔猪神经发生减少相关。在小鼠中，母体妊娠期低纤维饮食导致后代认知功能和突触可塑性受损，丁酸盐补充可逆转此效应，而丙酸盐则不能。母体高脂饮食降低小鼠产SCFAs肠道细菌的相对丰度，减少母体盲肠丁酸盐水平并损害肠道屏障完整性。这些改变与胎盘缺氧、血管化减少和胎盘代谢组谱改变相关，特别是肉碱水平降低。鉴于肉碱在线粒体脂肪酸代谢中的神经保护作用以及肉碱缺乏与ASD的关联，这一发现具有重要意义。SCFA丙酸盐通过GPR41信号传导分别调节胚胎交感神经系统发育，促进神经元分化；丙酸盐剥夺导致GF后代交感功能障碍，而母体高纤维饮食和丙酸盐补充可挽救延迟的交感心脏神经支配。在人类研究中，与不平衡饮食相关的母体肠道微生物组破坏可使多种SCFAs失调，这些SCFAs通过GPR41激活调节血压，先兆子痫患者中异丁酸、丙酸和乙酸水平显著升高。高纤维饮食或SCFAs补充可恢复母体肥胖诱导的微生物失调以及后代的认知和社交功能障碍。在2岁行为正常儿童的母亲妊娠晚期粪便样本中，产丁酸盐细菌富集，而在内化行为儿童的母亲中则未观察到。

值得注意的是，肠道微生物来源的代谢物氧化三甲胺（TMAO）水平升高与先兆子痫相关。TMAO升高与动脉粥样硬化加速有关，并可能促进先兆子痫病理生理。TMAO的神经发育效应仍存争议：在小鼠中，出生后水平升高与神经病变、认知障碍和海马神经元功能受损相关，而产前暴露则与丘脑皮层轴突发生增加相关。胆碱可被回收利用，需通过饮食定期补充。胆碱是支持一碳代谢和DNA甲基化的主要甲基供体，可调节神经发生和细胞分化过程中的基因表达。一碳代谢紊乱增加胚胎神经管缺陷风险，并对长期认知和行为结局产生不利影响。肠道细菌与宿主竞争膳食胆碱，将其转化为TMAO，由于胆碱和TMAO均影响神经发育，在确定最佳母体营养需求时应考虑微生物胆碱代谢的个体间差异。

母体色氨酸水平在妊娠期间波动，可通过重编程后代神经内分泌系统和肠道微生物组改变后代心理社会发展。色氨酸是仅通过饮食获得的必需氨基酸，肠道微生物将色氨酸代谢为吲哚和吲哚衍生物。色氨酸及其微生物介导的代谢物在调节小鼠焦虑中发挥关键作用。近期研究表明，将GF小鼠暴露于吲哚可通过基底外侧杏仁核的SK2通道降低焦虑。吲哚效应在人类中的相关性仍有待确认。

来自抗生素处理和无菌母鼠的胚胎表现出轴突发生基因表达减少和丘脑皮层轴突缺陷。用选定的微生物代谢物——TMAO、5-氨基戊酸、吲哚丙酸（IP）和马尿酸（HIP）——补充抗生素处理的母鼠可挽救这些缺陷，并显著增加胎儿脑中TMAO和IP水平，表明这些代谢物特别介导体内丘脑皮层轴突发生。相比之下，SCFAs补充对胎儿丘脑发育无显著影响。包括HIP和IP在内的多种微生物代谢物与参与干扰素和炎症信号传导、神经元发育和突触功能的基因表达水平相关，雄性胎儿中差异调控基因多于雌性胎儿。总之，这些研究强调了母体妊娠期饮食及相应微生物代谢物谱变化对胎儿神经发育的作用。

硫胺素（维生素B1）仅由植物和微生物（包括我们的肠道微生物群）合成。尽管肠道细菌和真菌是硫胺素的来源，但对人类而言这些量并不足够，硫胺素主要由饮食提供。硫胺素对维持神经系统功能以及支持髓鞘和神经递质（如乙酰胆碱、血清素和谷氨酸）的合成非常重要。妊娠期硫胺素缺乏与营养状况不良和不良围产期结局相关，可影响母体和胎儿。人类研究表明，婴儿高死亡率、宫内生长迟缓和儿童认知损伤与妊娠期硫胺素缺乏相关，而硫胺素补充已被证明对产前和产后结局均有益。在动物模型中，母体硫胺素缺乏已被证明可降低后代大脑皮层、小脑和脑干中硫胺素依赖性酶活性并产生长期影响，减少胎儿海马神经元的核密度和核大小，损害行为并降低神经递质水平。近期猪的研究证据表明，微生物来源的硫胺素可激活胎盘Notch信号传导以调节胎儿血管生成和营养转运，并增加SCFAs产生，从而改善妊娠期母胎健康。这些研究表明，母体饮食来源和肠道微生物来源的硫胺素在子代生长和神经发育中发挥关键作用。

4 母乳与早期生命神经发育

婴儿早期是神经发育的另一个关键窗口。母乳被世界卫生组织认定为婴儿营养的最佳来源，已被证明对脑结构和功能产生持久影响。出生后，肠道来源的代谢物通过两条主要途径继续塑造脑发育。首先，少数研究已在母乳中鉴定出母体肠道微生物代谢物，提示其从母体循环直接转移至婴儿。其次，研究更为广泛的是母乳组成塑造婴儿肠道微生物组，后者产生影响神经发育的代谢物。婴儿配方奶粉的组成与母乳不同，并与不同的代谢物和微生物组谱相关，可能导致不同的神经发育结局。母体粪便、母乳和新生儿粪便已被证明共享多种严格厌氧菌，如双歧杆菌属、拟杆菌属、副拟杆菌属和梭菌纲成员，提示母体肠道微生物群通过母乳进行垂直传递。母乳微生物群已被证明在一次喂养过程中和随时间变化，从而直接影响后代肠道微生物组组成。通过母乳暴露于尼古丁可诱导后代持续性肠道菌群失调，并在饮食模式和肥胖方面产生性别特异性结局。

SCFAs已在人乳和牛乳中检测到，尽管其浓度在个体间存在差异。婴儿肠道中产生的SCFAs被认为是母乳影响脑发育的介质。婴儿早期较高的SCFAs水平与较不有利的神经发育结局相关，提示其效应可能高度依赖于浓度和发育时机。与混合喂养婴儿相比，纯母乳喂养婴儿在出生后最初几个月的粪便SCFAs浓度更低且更稳定。此外，母乳是纯母乳喂养婴儿色氨酸的唯一来源。尽管吲哚衍生物（由肠道微生物从膳食色氨酸代谢而来）尚未直接在母乳中检测到，但纯母乳喂养婴儿的肠道微生物产生吲哚-3-乳酸和吲哚-3-乙酸的水平显著更高，粪便中检测到的水平也高于配方奶喂养婴儿。此外，母乳喂养婴儿粪便样本中存在较高水平的硫酸化胆汁酸，而配方奶喂养婴儿中次级胆汁酸增加。然而，该研究表明，当约12月龄引入固体食物时，母乳喂养和配方奶喂养婴儿的微生物代谢物谱趋于一致。另一项研究表明，母乳增强了多种乳杆菌介导的代谢物产生，如羟基苯乳酸、酪氨酸、吲哚类、异油酸和二肽，而配方奶则增强了异烟酸和核黄素等几种独特代谢物。尽管这些代谢物变化对后代神经发育的意义尚未完全明了，但这些发现共同为通过监测和优化母乳及配方奶组成实施早期干预策略提供了机会。

5 结论与未来方向

妊娠期是神经发育的关键窗口，对整个人生跨度具有持久影响。本文呈现的日益增多的证据表明，母体微生物及其代谢物对胎儿脑轴至关重要。同样，饮食和环境应激因素已知会影响母体微生物组丰度和多样性，从而进一步引导胎儿神经发育以及后期的出生后生长和脑功能。本迷你综述旨在为产前和早期产后母胎相互作用的进一步微生物–脑研究奠定基础。然而，需要考虑局限性：本综述所呈现的研究严重依赖啮齿动物模型，且缺乏对后代的长期随访，从而限制了研究结果的解释和范围。此外，小鼠和人类的出生后神经发育存在显著差异，进一步增加了解释的局限性。最后，本综述仅关注最广泛研究的肠道微生物代谢物子集，其他微生物代谢物仍有待评估。未来研究应包括大规模纵向研究，以评估妊娠期效应对胎儿神经发育以及后代成年期神经精神参数的影响，并评估微生物代谢物作为神经发育风险的早期生物标志物。预防和治疗研究应评估微生物代谢物调节/补充、益生菌和饮食干预对母体产前及心理健康和微生物组的影响，以改善儿童神经发育结局。随着我们对母体肠道–胎儿脑轴理解的不断深入，未来将出现促进整个生命周期最佳神经发育结局的临床策略。