Nat Commun | 母子连菌？朱永官院士团队肠菌纵向研究探讨产前微量元素暴露对菌群定植及抗性的影响
2025-06-18
中科新生命
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婴儿期是肠道微生物组定植的关键窗口，人们对于外源物质对早期肠道微生物组发育的影响仍然知之甚少。展示婴儿肠道微生物组、代谢物和抗生素耐药基因谱的发展，以及与产前微量元素暴露和母体肠道微生物组的关联，对于量化分娩方式及微量元素暴露对菌群差异及代谢调控提供贡献。
2025年6月4日，中国科学院大学资源与环境学院朱永官院士、尹乃毅副教授及北京大学人民医院孙秀丽教授等专家团队在Nature Communications杂志发表了题为“Prenatal exposure to trace elements impacts mother-infant gut microbiome, metabolome and resistome during the first year of life”的研究性论文。该研究招募了146对母婴，并在分娩后3、6和12个月收集粪便样本用于扩增子测序（N=353）、宏基因组学（N= 65）和代谢组学（N=198）。研究结果强调了分娩后母婴对肠道微生物组、代谢物和抗生素耐药基因（ARGs）谱的动态，与产前暴露微量元素有关。
研究材料
146对母婴，并在分娩后3、6和12个月收集的粪便样本
研究结果
1. 人群特征
研究纳入的146名产后妇女平均年龄为32.8（± 3.5）岁，体重指数相对正常（平均23.1 ± 2.9 kg/m2），受教育程度超过12年（97.8%），平均孕周为38.8（± 1.1）。婴儿的平均出生体重（N = 146，性别比约为 1：1）为3257（± 397）g。大约一半的婴儿受母乳喂养，60.2% 的婴儿是通过阴道分娩出生的。作者收集了119名产后6周门诊母亲的头发样本，以及三次产后访视91对（产后3个月）、58对（产后6个月）、30对（产后12个月）的母婴的粪便样本，头发样本和粪便样本在83对母婴中配对。
2. 配对母婴的肠道微生物组概况
在三次产后访视期间，16S rRNA 测序分析共获得了353个粪便样本的20,551,471个有效序列，得出肠道微生物组的11,355个扩增子变异（ASV）。母亲和婴儿的肠道微生物组组成在门水平上明显不同。放线菌门（43.3%）和假单胞菌门（26.5%）是婴儿微生物群落中的主要分类群（图1A），而母亲的芽孢杆菌门（67.5%）和放线菌门（13.6%）的相对丰度较高，随着年龄的增长，婴儿肠道微生物组的逐渐发育最终接近其母亲的水平（p<0.05，图1B）。12个月大时的微生物组结构更接近其母亲（图1C），肠道微生物组的多样性在年龄较大的婴儿中变得更加丰富，优势门从放线菌门和假单胞菌门转变为放线菌门和芽孢杆菌门（图1D-E）。研究者发现分娩方式影响婴儿α多样性，拟杆菌门和埃希氏菌属的相对丰度在产钳分娩、阴道分娩和剖宫产婴儿之间以及母乳喂养和混合喂养的婴儿之间存在显著差异（图2B-D），产钳分娩婴儿的多样性增加（图2A）。
图1 配对母亲和婴儿肠道微生物组的组成和多样性
图2 不同产后访视时分娩方式、喂养方式和性别对婴儿肠道菌群的影响
3. 微量元素暴露对婴儿肠道微生物组的影响
使用119名母亲的头发判断微量元素暴露情况，除汞和硒外，微量元素（r = 0.23 - 0.48，p < 0.05）中存在统计学上的显著相关性，例如砷和铅、铝和锰。婴儿微生物组在3个月时Shannon多样性与硒暴露呈正相关，与铜暴露呈负相关。在高铜暴露组（＞11.6 μg/g）中，婴儿肠道微生物组的Shannon多样性比中等和低暴露组Shannon多样性的降低（p = 0.046，图3A）。高暴露组的Shannon多样性在6-12月月龄婴儿中表现出明显且持续的向上趋势（图3B–D）。
图3 铜暴露组中婴儿肠道微生物群的Shannon多样性
婴儿肠道含有差异最丰富的菌属为芽孢杆菌门和放线菌门。如图4所示，产前暴露于高水平铝显著增加了双歧杆菌、丹毒梭菌和库蒂杆菌的相对丰度，并降低了婴儿3个月时Hungatella菌属的丰度。
图4 产前微量元素暴露影响了特定的细菌类群
4. 肠道微生物组的代谢和功能概况
作者在198份粪便样本中共鉴定出3867种代谢物。在产后第一次、第二次和第三次访视时，可以很容易地区分婴儿样本中的代谢特征，图5A-B说明了不同年龄婴儿肠道微生物组代谢谱的变异性（倍数变化>1.5，p< 0.05），56种代谢物（54 种上调和 2 种下调）在3至6个月之间发生显著变化，6-12个月间存在515种不同代谢物（466种上调和49种下调）。通过计算Spearman相关系数将特定代谢产物与肠道微生物组联系起来（图 5C-D），大多数差异代谢物与婴儿优势属之间的明确相关性，这些肠道微生物代谢的产物多种多样，包含氨基酸、脂肪酸、碳水化合物、黄酮和胆汁酸等。
图5 婴儿在不同的产后就诊时表现出不同的代谢特征
基于KEGG途径表明，在6和12个月时，婴儿肠道微生物组的代谢组富含婴儿生长和发育的重要途径，例如氨基酸、脂质、碳水化合物和维生素的代谢（图6A）。从3个月的年龄到12个月，可以观察到婴儿肠道元素组的扩展和多样化，而婴儿的分类学组成和代谢能力均与母体肠道微生物组不同（图6B-C）。
图6 母婴配对微生物群落结构和功能的扩展与多样化
5. 肠道微生物组中的抗生素耐药基因谱
作者表征了33名婴儿和32名母亲肠道微生物组中的抗生素耐药基因（ARG）谱。共检测到263个ARGs，婴儿和母亲之间ARG谱的相对丰度存在显著差异（图 7A-B），ARGs 对33类药物产生耐药性，其中最丰富的基因是四环素（图7C），产前微量元素暴露影响 ARGs 的发生率。
图7 配对母婴粪便样本中ARG谱的表征
研究小结
该研究采用16S、宏基因组、代谢组以及暴露组检测对母婴队列的纵向样本进行微生物和代谢以及抗生素抗性基因的立体描述，探究了微量元素暴露通过母婴遗传调控菌群定植及代谢变化。
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