【原】科研 | Nature Communications：新生儿接触抗生素会通过扰乱肠道微生物的定植影响儿童六岁前的生长

微生态 2021-04-13

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编译：小范儿，编辑：木木夕、江舜尧。

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导读

在生命的最初几天接触抗生素会影响新生儿发育的各个生理方面。我们调查新生儿期和儿童早期抗生素治疗对儿童生长的长期影响。发现在调整潜在混杂因素后，男婴在新生儿接触抗生素后的头6年里体重和身高增加显著减少，但女婴没有。相比之下，在研究期间，男婴和女婴在新生儿期至出生后的前6年使用抗生素与更高的体重指数相关。新生儿抗生素暴露与肠道微生物组的显著差异相关，特别是在2岁前，粪便双歧杆菌的丰度和多样性下降。最后，我们证明从接触抗生素的儿童到无菌雄性小鼠(而不是雌性小鼠)的粪便微生物群移植会导致显著的生长障碍。因此，我们得出结论：新生儿抗生素暴露与长期肠道微生物组紊乱有关，并可能导致男孩在生命的前6年生长减缓，而在儿童后期抗生素使用与体重指数增加有关。

论文ID

原名：Neonatal antibiotic exPosure imPairs child growth during the first sixyears of life by Perturbing intestinal microbial colonization

译名：新生儿接触抗生素会通过扰乱肠道微生物的定植影响儿童六岁前的生长

期刊：Nature Communications

IF：12.121

发表时间：2020.01.26

通讯作者：Samuli Rautava & Omry Koren

通讯作者单位：以色列萨菲德巴伊兰大学阿兹列里医学院

实验设计

研究使用一个大的未选择队列调查新生儿期期间和之后抗生素暴露与儿童生长至6岁之间的关系，并在一个独立队列中验证研究结果。使用无菌鼠实验进行粪便微生物群移植(FMT)，研究不同时期接触抗生素对不同性别个体后期生生长的影响。

结果

1. 新生儿抗生素接触与儿童生长

首次调查芬兰西南部出生队列(SFBC)新生儿抗生素暴露对生命前6年生长的影响，该队列包括2008年至2010年在芬兰图尔库大学医院出生的14,969名儿童。共有12422名足月单胎妊娠出生的儿童，他们没有遗传异常或影响生长的重大慢性疾病，也不需要长期预防性抗生素治疗。在这项研究中，1151名(9.3%)的新生儿在出生后的14天内服用抗生素。根据医院的指导方针，绝大多数受试者接受联合静脉注射青霉素和庆大霉素的治疗。为了区分抗生素暴露和潜在感染的影响，抗生素治疗被归类为简短的实验性抗生素治疗，在排除感染后中止治疗，并给予已确认或临床感染的抗生素。以前的流行病学和实验研究表明，在早期抗生素暴露后，对生长障碍的易感性存在性别二态性。此外，男孩明显更多地接触新生儿抗生素，因此，男孩和女孩分别进行分析。在调整后的模型中，与未接触抗生素的儿童相比，暴露于短期实验抗生素暴露或感染抗生素治疗的男孩在生命的前6年体重显著降低(图1a)。在2岁至6岁之间，接触抗生素感染治疗的男孩也表现出显著的身高较低(图1b)，在校正相同的潜在混杂因素后，女婴的新生儿抗生素暴露与体重(图1c)、6岁前身高(图1d)和BMI均无统计学意义上的相关性。

图1新生儿抗生素暴露与男孩体重和身高增加受损有关。

2. 新生儿期和儿童生长后期抗生素的使用

我们的研究结果表明，在出生的头几天接受抗生素治疗的男孩，其儿童期体重和身高增加减少，与此相反，以前的报告表明，婴儿期后期接触抗生素可能与超重和肥胖的风险增加有关。因此，我们调查抗生素使用和儿童生长之间的关系是否依赖于接触发生的年龄。在整个研究期间，男孩（图2a，P <0.001）和女孩（图2b）在新生儿期后，但在生命的前6年中累积的抗生素疗程数与BMI Z评分显著相关（P<0.001），在分层线性混合模型中进行重复测量，并根据胎龄，出生体重Z值，分娩方式，孕产妇BMI和新生儿抗生素暴露进行调整。男孩使用抗生素的次数与生命的前六年体重Z值显著升高有关，但与女孩无关。男孩或女孩在新生儿出生后的前六年身高发展与使用抗生素无关。

图2儿童早期抗生素暴露与BMI升高相关。

3. 新生儿抗生素暴露与肠道微生物群发育

在整个研究期间，新生儿抗生素暴露与肠道菌群的显著改变有关。加权和不加权UniFrac分析显示，细菌组成在1至24个月之间逐渐变化，反映未接触新生儿抗生素的儿童肠道菌群的成熟情况(图3a、c)。新生儿暴露于抗生素的受试者也表现出，随着时间的推移，细菌进行大量定殖，但以一种不太有组织的模式(图3b, d)。与未接触抗生素的婴儿相比，接触抗生素的婴儿在1个月大时肠道菌群丰富度显著降低。有趣的是，在6个月大时，接受抗生素治疗的婴儿达到对照组婴儿的细菌丰富度水平，而在12个月和24个月时，接受抗生素治疗的婴儿的细菌丰富度水平明显高于对照组（图3e）。根据属水平上的相对丰度进行分类分析，发现双歧杆菌属受抗生素处理的影响最大。双歧杆菌在整个婴儿期都非常丰富，尤其是在哺乳期，并且此后随着婴儿断奶并且饮食扩展为固体食物而显着减少。正如预期的那样，我们发现双歧杆菌在1和6个月大时约占总序列的50％，而未接触抗生素的新生儿中在12和24个月时降至约25-30％（图3f-h）。在所有时间点，暴露于抗生素的新生儿中双歧杆菌的相对丰度均低于对照婴儿，但抗生素治疗后6个月除外（图3f–h）。在特征水平上，双歧杆菌属包含双歧杆菌的5个未分类特征。在所有四个时间点，接受抗生素治疗的婴儿粪便双歧杆菌特征的多样性都低于对照组。被称为未分类2和未分类3的特征主要出现在对照组婴儿中(图3g)。其他细菌属之间的差异可以在图3h中观察到，图3h总结抗生素治疗组和对照组在每个时间点的肠道微生物组最显著的变化。这些结果表明，新生儿接触抗生素对肠道双歧杆菌有长期的有害影响，甚至在接触24个月后仍可检测到。

图3接触抗生素后婴儿肠道细菌定植的改变。

4. 粪便微生物群移植到无菌小鼠

在43天的随访期内，在抗生素治疗后1个月接受婴儿FMT的雄性小鼠中，与接受未接触婴儿FMT的雄性小鼠相比，其相对体重增加显著减少(图4a)。相比之下，从接触抗生素的1月龄儿童粪便中获得的FMT不影响雌性小鼠的生长(图4b)。这些数据表明，新生儿接触抗生素后，男孩的生长减缓与肠道微生物的长期紊乱有因果关系。接下来，我们分析在抗生素暴露后1个月和24个月，接受抗生素治疗和对照组婴儿接受FMT的小鼠的细菌组成。未接受抗生素治疗的1个月大婴儿的FMT导致从FMT后第3天到实验结束，细菌丰富度不断提高。相比之下，新生儿抗生素暴露后1个月从婴儿接收粪便的小鼠仅在第3天到第7天表现出细菌丰富度增加，此后丰富度保持恒定。因此，在四个时间点（第14天，第21天，第35天和第43天）检测到两组之间细菌富集度的显着差异（图4c）。在7个采样时间点上，评估接受抗生素治疗和对照组婴儿FMT的小鼠的细菌群落组成（β多样性）差异。从第3天到第43天，与从年龄匹配的对照组婴儿接受FMT的小鼠相比，接受抗生素治疗婴儿FMT的小鼠呈现出不同的样本分布模式(从单独聚类来看)(图4d, e)。虽然在第3天已经观察到抗生素治疗婴儿和对照组婴儿在FMT之后有细微的差异，但随着FMT后43天的时间，它们变得更加明显。此外，在接受1个月大的粪便收集的小鼠中，小鼠接受FMT治疗后第43天，肠道微生物组组成发生80多种变化。虽然FMT后与抗生素治疗和对照组的婴儿在第3天已经有轻微的差异，但在FMT后43天，这些差异变得更加明显。此外，在FMT后43天，在小鼠中发现超过80个肠道微生物组成的改变特征，这些小鼠接受从暴露和未暴露于抗生素的婴儿收集的1个月大的粪便。

图4接触抗生素的新生儿粪便微生物群移植(FMT)诱导无菌小鼠体重增加和细菌组成的变化。

讨论

在这项工作中，报告了在新生儿期和婴幼儿后期抗生素暴露对儿童生长的长期影响。在一个大的出生队列中，观察到男孩在生命最初6年的体重、身高和BMI Z分数显著下降，但在生命最初几天接受抗生素治疗的女孩没有下降。这一观察结果在一个独立队列中得到重复，新生儿抗生素接触与男孩前5年体重和身高Z分数下降有关，但女孩没有。值得注意的是，这两个队列的分析对潜在的混杂因素进行了调整，包括孕龄、孕妇孕前BMI、分娩方式、产时抗生素使用和出生体重Z得分。此外，SFBC队列的研究设计使我们能够区分新生儿抗生素暴露和伴随感染的影响，这在试图阐明抗生素暴露的长期影响的流行病学研究中是一个相当大的混杂因素。在因疑似感染而接受实验性抗生素治疗但已排除感染的男孩中，生长明显下降。与接受较短实验治疗的新生儿相比，接受完整疗程抗生素的新生儿生长障碍似乎更为明显。这可以解释为新生儿感染可能也会干扰后期的生长，或者，也可以解释为因果剂量-反应关系，因为诊断为感染的新生儿抗生素暴露时间明显更长。

新生儿抗生素暴露与儿童发育受损之间的潜在因果关系可能是由抗生素诱导的肠道微生物群发育紊乱介导的。据报道，肠道微生物在消化膳食化合物和调节肠道能量收集以及宿主能量代谢和饱腹感方面发挥重要作用。在本研究中，在刚出生时接触抗生素的受试者中，发现一种显著改变的肠道微生物组，其特征为发育紊乱、丰富度增加，特别是双歧杆菌种类的丰富度和多样性减少。这些来自有限数量婴儿的结果与以前的报告一致，这些报告表明，在接触抗生素的新生儿中，在90天以内双歧杆菌的丰度减少。本研究通过粪便样本随访将这些数据扩展至数月龄，此时双歧杆菌的减少仍很明显。这些数据可能具有临床意义，因为最近发表的数据表明，特定的个体肠道微生物组和相应的代谢组特征在生命的前两年得到巩固。因此，我们的数据表明，新生儿接触抗生素对肠道定植的影响比之前认为的更深远、更持久。支持这一观点的是，使用接触抗生素的婴儿粪便样本进行FMT会导致肠道微生物组发育异常，在无菌小鼠的43天研究期间，这种情况越来越明显。

早期使用抗生素对生长的影响可能取决于暴露发生的年龄。在本研究中，新生儿抗生素暴露与男孩体重减轻和身高增加相关，而婴儿后期和儿童期使用抗生素与男孩体重增加和男孩和女孩在出生后头六年的BMI升高有关。我们的结果以表明，新生儿时期的抗生素暴露可能与生长减慢有因果关系，但在婴儿期和儿童期以后使用抗生素可能产生相反的效果，并增加肥胖或超重的风险。与我们的结果一致，在一项对436名足月婴儿的研究中，观察到生命的第一天接触抗生素与生命的第一年生长下降有关，而新生儿期后的抗生素使用与儿童体重过度增加有关尤其是在男孩中，尽管并非所有研究都证实这些结果。

临床研究的观察结果支持早期异常的肠道定植对生长干扰的作用，根据这些观察，婴儿时期肠道微生物组的组成，尤其是双歧杆菌数量的减少，与超重和肥胖的后期发展有关。另一方面，据报道在营养不良的儿童中肠道微生物组的延迟成熟与伴随的生长受限有因果关系。这些数据可以解释为抗生素暴露的时间和类型可能是决定抗生素暴露对肠道微生物组发育和儿童生长的影响的决定性因素。在本研究中，新生儿抗生素暴露与后来的抗生素购买没有关系，新生儿期后抗生素使用与儿童BMI Z得分增加之间的关系与新生儿抗生素暴露无关。因此，我们解释我们的结果反映新生儿抗生素暴露和后期生长之间的独立联系。这一观点与实验研究的数据一致，实验表明低剂量青霉素暴露会导致体重增加，而广谱或高剂量抗生素治疗会导致小鼠生长受损。

有证据表明，新生儿接触抗生素、随后肠道定植的长期干扰之间存在因果关系，数据显示，与未接触抗生素的儿童相比，从接触抗生素的受试者处获得FMT的小鼠，雄性小鼠的生长下降，但雌性小鼠的生长却没有下降，由此可见男孩的生长损伤。值得注意的是，在FMT后，甚至在抗生素暴露几个月后获得粪便样本，观察到小鼠生长受损。此前，布兰顿和他的同事曾报道，儿童出现肠道微生物不成熟和营养不良导致的生长失败导致小鼠生长显著下降。我们的数据表明，新生儿接触抗生素后肠道微生物成熟的缺陷可能会带来长期的生理后果，在生命的前6年里，会影响身高和体重的增加。

我们的研究有相当大的局限性，在解释结果时有必要加以限制。由于明显的实践和伦理原因，抗生素暴露对无任何症状、体征或感染危险因素的新生儿的影响仍然未知。虽然使用SFBC的数据我们能够区分短暂暴露于实验性抗生素治疗的新生儿和那些被临床医生诊断为感染的新生儿，有可能我们的研究结果被排除感染的受试者接触抗生素的潜在原因所混淆。

众所周知，母乳是婴儿肠道微生物组成和功能的最重要决定因素，尤其影响特定双歧杆菌。SFBC队列中没有关于母乳喂养的数据，母乳喂养率和持续时间的差异可能可以解释新生儿抗生素暴露受试者中观察到的肠道微生物组改变和双歧杆菌丰度降低。然而，在婴儿期和儿童期，较短的母乳喂养时间与较高的体重有关，因此，我们认为母乳喂养时间混淆不太可能。此外，在PEACHES队列中，新生儿期接触抗生素的感染婴儿与出生后6个月内任何时候没有感染的婴儿之间的母乳喂养率没有差异。值得注意的是，在调整母乳喂养后，PEACHES队列中新生儿感染和抗生素治疗的男孩头5年体重和身高的下降仍然具有统计学意义。所有参与肠道微生物组分析和FMT实验的婴儿都在1个月大时母乳喂养，这也减少了当时混淆的可能性。

该文章结果表明，新生儿使用抗生素可能有有害的后果。众所周知，儿童发育障碍与较差的神经发育结果和晚年心血管代谢危险因素的增加有关。研究结果结果证实之前的研究，即在婴儿期和幼儿期使用抗生素与BMI增加之间存在关联，因此表明抗生素对儿童生长的影响取决于接触抗生素发生的年龄。新生儿抗生素暴露对长期健康的影响需要通过流行病学和实验方法进行详细研究。在临床环境中，需要快速准确地识别细菌感染的新生儿，以限制这些易受感染的受试者使用抗生素。

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