母嬰健康系列八：菌群與兒童胃腸道系統發育
腸道菌群的發育可能比我們之前所了解的更早，可能從受精的時候就開始了，並在懷孕期間一直持續。影響菌群發育的因素包括遺傳因素和環境因素，母親的健康狀況、生活方式和菌群，地理位置和抗生素使用等等。生命早期菌群組成的差異可能與各種微生物功能特性以及微生物代謝產物比如短鏈脂肪酸或多胺的產生差異有關。這些差異可能對胃腸道系統的發育產生影響，並對以後的健康造成影響。
生命早期的微生物定植
在精子和卵子相遇之前，我們與微生物的接觸就開始了，精液菌群和陰道菌群的組成和活性可能促進或阻止受精。此後，我們與微生物的接觸一直持續，人類腸道細菌的定植開始於懷孕期間。健康人體胎盤、臍帶和胎糞中有微生物的存在，表明胎兒與微生物的接觸是一種生理現象。流行病學研究和實驗數據均表明，胎兒微生物接觸與健康和疾病風險均存在因果關係。因此，母體微生物環境很重要，它取決於母親接觸微生物的情況、懷孕期間的營養、母親的健康狀況和藥物的使用情況等等。
嬰兒腸道內常見的微生物類型因遺傳背景、地理區域、環境、餵養方式以及可能的宮內環境而異。最近的一項研究報告表明，變形菌門是羊水中最常見的細菌門，而隸屬於腸桿菌科的細菌物種特別豐富。丙酸桿菌屬是存在於羊水和胎盤中的第二個常見細菌屬，在胎糞中也可以檢測到。在胎糞和嬰兒糞便中還發現了鏈球菌屬和葡萄球菌屬細菌，在羊水、胎盤、初乳和胎糞中發現了乳桿菌屬細菌。因為母乳中總是含有雙歧桿菌，因此雙歧桿菌屬細菌更可能出現在母乳餵養的新生兒中。這些細菌構成了腸道定植的基礎，而母親的菌群和出生時所暴露的細菌環境強化了這一基礎。因此，母乳中的菌群組成和母乳低聚糖對母乳餵養嬰兒的菌群有重要影響，使其與配方奶餵養嬰兒的菌群存在顯著差異。母乳和低聚糖還能促進腸道屏障和免疫系統的發育。
腸道中宿主-微生物的穩態
腸道上皮細胞參與宿主-微生物相互作用的體內平衡。這種平衡是互惠互利的，腸道菌群與宿主的遺傳因素一起影響上皮細胞的結構成熟，調節生長、形態和功能發育。對健康嬰兒糞便菌群分析表明，大部分是由雙歧桿菌組成，其次是乳桿菌、腸球菌、梭菌和擬桿菌等。
嬰兒出生後，胃腸道的形態以及水解和吸收功能發生了重大的變化。母乳餵養的嬰兒和配方奶餵養的嬰兒在腸道菌群組成方面明顯不同，其腸道黏膜形態、上皮通透性、營養物質吸收率、胰腺內分泌和外分泌功能等也存在顯著差異。此外，配方奶餵養的嬰兒表現出較高的微生物多樣性，其中擬桿菌、梭菌和大腸桿菌的數量較高。
腸道菌群構成了人體一個高度活躍的代謝器官，能夠執行一些我們自身無法執行的功能，補充我們自身基因組所編碼的代謝特徵。例如，腸道環境允許特定的微生物發酵食物成分，從而產生一系列具有生物活性的代謝物。此外，它們能夠利用我們的飲食中的許多可消化和不可消化的膳食成分。細菌發酵產生的代謝產物包括必需維生素、短鏈脂肪酸、支鏈脂肪酸、生物胺和多胺、一些氣體、酚類化合物等等。腸道細菌產生的有些代謝分子的數量很大，有時每天超過10毫克。一些細菌代謝物通常是可滲透的，可以被宿主細胞所利用，比如氨基酸代謝物、短鏈脂肪酸或多胺。腸道菌群組成不同，其產生的代謝物的組成也會不同。腸道細菌的其它代謝活性包括激活或滅活生物活性的膳食成分（比如異黃酮類、黃酮類和植物木脂素等）以及膽汁酸和外源性物質的轉化。
腸道上皮細胞最重要的功能之一是腸道屏障功能。它作為一種物理屏障能夠有選擇性的讓腸道中的物質通過，防止病原體和有害物質的進入，允許營養物質的吸收。腸道黏膜通透性是可調節的，可能受到細胞外刺激的調節，比如飲食和細菌。胃腸道中細菌代謝物的產生影響宿主的許多生理過程，比如腸道通透性和免疫系統的發育，代謝調節和血管健康。腸道屏障還促進腸腔與參與腸道穩態調節的內分泌、神經、免疫系統之間的分子和信號傳遞。出生後的第一個月腸道細菌定植的改變可能影響上皮細胞屏障功能的成熟，隨之發生的是腸道通透性的改變，這可能促進病原體和抗原的進入。
無菌環境下餵養的小鼠隱窩細胞生長率下降，且隱窩所含有的細胞數比結腸內具有正常菌群的小鼠明顯減少；而重新定植細菌後，隱窩細胞分化增快，腸絨毛處腸上皮細胞/杯狀細胞的比值增加。腸道正常菌群對腸上皮細胞分化有影響，這種影響依賴於細菌的數量，細菌必須達到相當的數量才能對腸山皮細胞分化產生影響。腸道有益菌還可通過增強腸上皮細胞緊密連接來加強腸上皮細胞功能。
細菌來源的分子及其對胃腸道發育的影響
短鏈脂肪酸
植物性食物中存在的許多碳水化合物在小腸中不能被消化或消化很緩慢，它們進入大腸後被腸道細菌發酵利用。它們被腸道細菌發酵後產生大量的短鏈脂肪酸，比如乙酸、丙酸、丁酸、琥珀酸和甲酸等，其比例取決於腸道細菌的組成和種類。這些短鏈脂肪酸很快被結腸細胞吸收，在維持腸道穩態和上皮完整性方面發揮著重要作用。短鏈脂肪酸的產生對於腸道健康至關重要。
短鏈脂肪酸的功能包括：（1）作為結腸細胞的能量來源；（2）調節脂肪生成和膽固醇合成；（3）直接通過下丘腦抑制食慾；（4）釋放飽腹感激素；（5）潛在的抗癌作用；（6）改善腸道屏障功能；（7）調節腸道運動功能；（8）調節碳水化合物代謝。
在嬰兒早期，母乳餵養的嬰兒糞便中最主要短鏈脂肪酸是乙酸和乳酸，而配方奶餵養的嬰兒中最主要的是乙酸、丙酸和丁酸。如果在嬰兒配方奶粉中添加特定的低聚糖，糞便短鏈脂肪酸與母乳餵養的嬰兒更為相似。雖然短鏈脂肪酸對成人和兒童沒有明顯的不良影響，但是有研究表明極高水平的丁酸可能與壞死性小腸結腸炎有關。
短鏈脂肪酸的產生速度和數量取決於結腸菌群的組成和密度以及可用於微生物發酵的膳食纖維的類型。不同的短鏈脂肪酸具有不同的生理作用。例如，乙酸被肝臟用作合成膽固醇和長鏈脂肪酸的前體，而丙酸可以降低脂肪生成，抑制膽固醇合成。因此，即使我們攝入相同的飲食，但是有於腸道菌群組成不同，產生的短鏈脂肪酸也就不同，因而可能具有不同的生理結果。
多胺類
多胺類，包括腐胺、亞精胺和精胺，廣泛存在於所有原核細胞和真核細胞中。它們參與DNA、RNA、細胞膜和蛋白質分子的合成和穩定，細胞增殖和分化以及酶活性的調控。多胺類也與腸道屏障功能有關，包括產後腸道組織的成熟、促進腸道黏液的分泌、恢復腸道黏膜以及誘導緊密連接的合成和穩定性。多胺在新生兒消化系統（包括肝臟和胰腺等消化腺）和免疫系統的生長發育中也發揮著重要作用。
幾乎我們身體的所有細胞都能利用氨基酸產生多胺，許多研究證明了外源性多胺類、膳食多胺類（主要在上消化道吸收）和微生物產生的多胺類（主要在下消化道吸收）對於腸道細胞以及在細胞高速生長階段的重要性。
當腸道中產多胺的細菌佔優勢時，比如擬桿菌屬、梭桿菌屬以及乳桿菌屬和雙歧桿菌屬的一些有益菌，腸腔內的多胺濃度較高；然而，當腸道中吸收多胺的細菌佔優勢時，腸腔內的多胺濃度就較低。這可能會對不成熟的胃腸道系統產生重大影響。此外，膳食成分，比如精氨酸，可以調節腸道細菌對多胺的吸收和釋放。因此，腸道菌群和飲食中多胺類前體物質的差異可能影響腸道細胞對腸道多胺的可利用性，從而影響胃腸道的發育。
結論
嬰兒出生後，腸道菌群對腸道上皮結構的成熟發揮重要作用。這種作用主要是由細菌代謝物調節的，由於不同的細菌會產生不同的代謝物，因此腸道菌群組成的差異可能會以某種不同尋常的方式影響胃腸道的發育，並造成短期或長期的健康後果。短鏈脂肪酸和多胺等細菌代謝產物對胃腸道發育具有重要影響。
圍產期的生活方式可以改變嬰兒腸道菌群的發育方式，這些變化可能影響嬰兒胃腸道功能的發育。抗生素的使用必須小心謹慎，不僅要考慮其治療的必要性，還要考慮其對嬰兒腸道菌群發育的影響。陰道分娩、母乳餵養和限制圍產期抗生素的使用有利於促進正常菌群的發育。
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