生命早期晝夜節律：嬰兒配方奶粉相關腸菌和代謝物的隨機對照干預試驗
健康嬰兒腸道微生物群落的確定性或隨機演替在很大程度上受環境和飲食影響。母乳喂養和人母乳低聚糖（GOS）促進有益雙歧桿菌的定植。鑒于早期生命期微生物群對后期健康結果的深遠影響，晝夜節律系統驅動24小時振蕩來控制身體和器官功能，然而，晝夜節律在腸道發育中的作用，包括微生物定植過程，是完全未知的。
2024年4月2日德國慕尼黑工業大學Dirk Haller教授團隊在Cell Host & Microbe（IF=30.3）期刊上發表題為“Diurnal rhythmicity of infant fecal microbiota and metabolites: A randomized controlled interventional trial with infant formula” 的研究型文章。本研究開展了一項隨機、對照干預試驗（德國臨床試驗DRKS00012313），納入了210名嬰兒，以研究添加雙歧桿菌和GOS的牛奶嬰兒配方奶粉對腸道微生物群早期發育的作用。通過嬰兒糞便的縱向抽樣（n=998），以純母乳喂養的嬰兒作為參照組，來評估嬰兒配方奶粉喂養對嬰兒腸道菌群和代謝物的影響。本文還確定了與飲食相關的微生物組的晝夜節律振蕩，并在體外腸道化學恒溫器模型中證實了優勢類群的體外晝夜節律性。
技術路線圖
1. 有關嬰兒配方奶粉的隨機對照干預試驗
這項雙盲、隨機、對照干預試驗共210名嬰兒參與，這些嬰兒被隨機分配到安慰劑組（配方A）、雙歧桿菌補充組（配方B）、半乳糖低聚糖補充組（配方C）或含有GOS和雙歧桿菌組（配方D），并以未食用任何配方奶粉的母乳喂養嬰兒作為參照組，在嬰兒0.5個月、1個月、3個月、7個月和12個月時收集嬰兒糞便樣本，并在2歲時進行額外的自愿隨訪樣本，同時在嬰兒1個月時自愿收集父母糞便樣本。
圖1. 受試者入組及隨機化研究示意圖
2. 嬰兒微生物群隨時間發育
通過16S rRNA測序和宏基因組測序研究表明，嬰兒的腸道微生物群落隨時間發展，逐漸趨向于父母微生物群落的組成。嬰兒微生物群分布的顯著異質性在很大程度上與喂養方式或分娩組（剖腹產與陰道分娩）無關。雙歧桿菌主導的聚類在母乳喂養的樣本中較為豐富，并且主要由早期時間點的糞便樣本組成。
圖2. 嬰兒微生物群的時間發育
3. 雙歧桿菌和GOS干預對嬰兒微生物群聚集的影響
四種不同添加的嬰兒配方奶粉和純母乳喂養組之間的群落結構沒有顯著差異，雙歧桿菌是所有嬰兒糞便樣本中豐度最高的屬，在3個月大時豐度達到峰值。在第3個月和第7個月，配方C組和D組補充GOS可以使雙歧桿菌的平均豐度顯著增加。
圖3. 雙歧桿菌和GOS干預對嬰兒微生物群聚集的影響
4. 不同喂養組之間的代謝物明顯不同，并表現出晝夜節律性
非靶向代謝組結果表明，在嬰兒三個月大時母乳喂養和配方奶喂養的嬰兒代謝物組成差異顯著，而配方奶喂養的嬰兒之間無法區分。對各自代謝物的更詳細分析表明，磷酸膽堿以及一些特殊的糖衍生物，如糖酸、N-乙�；奶腔騈-乙�；窃谀溉槲桂B組中增加，而肉堿在所有配方奶喂養組中增加。吲哚衍生物（如細菌來源的吲哚乳酸）在配方奶粉喂養的B、C和D組中也增加。在嬰兒的母乳和糞便樣本中發現了人乳低聚糖，如焦�；樘牵‵L）。糞便代謝物豐度呈現日間依賴性波動，支持晝夜節律。
圖4. 不同喂養組之間的代謝物明顯不同，并表現出晝夜節律性
5. 嬰兒微生物群的晝夜節律性發育受年齡和配方奶粉添加量的影響
在白天和晚上從嬰兒收集的糞便樣本中發現了顯著的菌群豐富度和α多樣性的晝夜節律。在高度豐富的雙歧桿菌屬中檢測到顯著的節律性。在添加雙歧桿菌和GOS的配方奶粉組中，節律性菌群的數量最高，甚至超過了母乳喂養嬰兒的節律性zOTUs數量。
圖5. 嬰兒微生物群日間節律性的發展受到配方奶粉補充的影響
6. 優勢嬰兒微生物類群的晝夜節律在體外持續存在
選擇了3個月大的純母乳喂養和配方A組（安慰劑）喂養嬰兒的糞便樣本，在體外化學恒溫器模型中培養中培養，并確保與宿主無關的條件。在母乳喂養樣本中，雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和腸桿菌科（Enterobacteriaceae）含量較高，顯示出顯著的節律性變化；而在配方A組喂養樣本中， Clostridium sensu stricto1含量較高，同樣觀察到了顯著的節律性特征。
小結
這項對照干預研究證實了飲食影響發育中的嬰兒腸道微生物群的晝夜節律性，但有必要進一步分析菌群和代謝物的晝夜節律波動，以及它們在促進嬰兒營養方面的功能作用。
參考文獻
Heppner N, et al. Diurnal rhythmicity of infant fecal microbiota and metabolites: A randomized controlled interventional trial with infant formula. Cell Host Microbe. 2024.
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