摘要
儿童营养不良是一个重大的全球卫生负担，仅靠营养干预无法完全解决。儿童营养不良的慢性和急性形式都表现为多个生物系统的紊乱，包括代谢、免疫和内分泌系统。越来越多的证据支持肠道菌群在介导早期生长的途径中发挥作用。观察性研究报告了营养不良儿童肠道菌群的改变，而临床前研究表明，这可能引发肠道病变，改变宿主代谢，破坏肠道病原体介导的免疫抵抗，每一项都导致早期生长不良。在这里，我们汇编了临床前和临床研究的证据，并描述了早期肠道菌群通过影响宿主代谢、免疫、肠道功能、内分泌调节和其他途径导致儿童营养不良的新兴病理生理途径。我们讨论了新兴的针对肠道菌群的治疗方法，并考虑未来的研究方向，以识别和针对儿童营养不良中的微生物组治疗目标。
1、儿童营养不良的负担和病理生理学
全球45%的儿童死亡与童年期营养不良有关，而且营养不良对健康有终生的影响。尽管近年来营养不良的患病率有所下降，但全球超过五分之一的五岁以下儿童至少存在一种慢性或急性营养不良的形式。发育迟缓（定义为身长-年龄Z分数（LAZ）< -2），影响全球22%的儿童，与认知发展较差、终生经济生产力降低和成年期慢性疾病风险增加有关。消瘦（定义为体重-身高Z分数（WHZ）< -2）影响全球近7%的儿童，除了长期认知和健康缺陷外，还与高死亡率有关。营养治疗不能完全恢复营养不良引起的生长缺陷和相关的病理生理后果。标准的早期营养补充剂只能将发育迟缓减少12-14%，而且严重消瘦后仍会出现高死亡率、再次入院和长期生长缺陷。因此，童年期营养不良存在一种隐性的病理生理负担，目前的治疗方法不能完全解决。
儿童营养不良与多个早期生物系统的紊乱有关。肠道功能在发育迟缓和消瘦的儿童中受到干扰，这种情况被称为环境性肠道功能障碍（EED）。这种肠道病理损害了营养物质的吸收，并可能导致全身性炎症，从而损害早期生长。儿童营养不良还观察到了宿主免疫力的广泛缺陷，导致抵抗感染的能力降低，尤其是在病原体密集的环境中。营养良好和营养不良的儿童之间存在激素差异，尤其是与生长（生长激素（GH）和胰岛素样生长因子1（IGF-1））和食欲调节（瘦素和生长素释放肽）有关的激素。宿主代谢在营养不良中发生改变，其中氨基酸、脂质和能量代谢受到干扰。这些紊乱的生理系统表明，儿童营养不良的背后存在着复杂的病理生理学，涉及到相互联系的生物系统。
除了营养不足，早期生活中的微生物暴露也可能导致儿童营养不良中观察到的这些紊乱途径。肠道病原体携带量高与线性和体重增长减少以及EED有关，而腹泻和呼吸道感染也与儿童营养不良有很强的关联。越来越多的证据表明，除了病原体，共生肠道菌群也影响早期生长。早期生活中复杂菌群的组装对于免疫训练、对抗病原体的定殖抵抗、母乳寡糖（HMOs）和其他营养物质的代谢、肠道结构化和内分泌信号传导是必不可少的。因此，儿童期肠道菌群的紊乱会损害这些有助于健康儿童生长的途径。
在这里，我们回顾了现有的研究，探讨了早期肠道菌群在营养不良背景下如何影响儿童生长的途径。我们探讨了人类和动物研究的数据，展示了肠道微生物在早期对感染易感性、代谢、激素信号、免疫、肠道功能和其他影响儿童生长的途径的机制作用。
2、早期生活中健康和营养不良的菌群演替
2.1. 儿童期健康肠道菌群的发展
儿童在出生时就获得了一个复杂的菌群，这个菌群主要来自母亲的肠道、阴道、口腔和皮肤菌群，以及环境中获得的微生物。肠道菌群的组装对肠道发育、免疫和不能被宿主代谢的营养物质的代谢至关重要。在纯母乳喂养的儿童中，这个初始的婴儿肠道菌群的多样性相当低，主要由大肠杆菌、双歧杆菌和拟杆菌属组成。在随后的2-3年的生活中，肠道菌群经历了一个有规律的组装过程，这个过程主要受到母乳喂养的排他性和辅食的引入的影响，这导致了肠道菌群的快速扩张和多样化。然而，许多环境因素可以影响这种微生物组装，包括地理位置、分娩方式、抗生素暴露、胎龄以及其他母亲和家庭因素。产后这些微生物群落在胃肠道内的积累推动了免疫、代谢和内分泌途径的成熟，以及肠道结构和对病原体的定殖抵抗力的形成，每一种都可以促进正常的儿童生长。因此，如果这种微生物演替被不充分的营养、卫生或抗生素暴露所干扰，那么这些特定生长的途径可能会受损。
2.2 儿童发育迟缓中的肠道菌群特征
发育迟缓是一种由多种遗传和环境因素驱动的慢性营养不良形式。多达30%的发育迟缓发生在子宫内，这一点由出生体重对发育迟缓风险的强烈影响所证明，之后一系列的环境因素导致了产后线性生长。很少有研究纵向地检查了健康与发育迟缓婴儿的肠道菌群的获得和组装；然而，一些横断面研究提供了一些证据，表明发育迟缓中肠道微生物特征受到了干扰。来自马拉维和孟加拉国的队列的二次分析发现，菌群多样性的降低和Acidaminococcus（氨基酸球菌）的丰度增加分别与发育迟缓的严重程度和未来的线性生长缺陷有关。另外一些小型横断面研究在一系列LMIC队列中发现了发育迟缓与健康儿童之间的粪便菌群组成存在不同的差异。一个来自中非共和国和马达加斯加的大型多站点横断面分析发现，发育迟缓儿童的粪便菌群富含大肠杆菌/志贺氏菌属和弯曲杆菌属，而缺乏产丁酸菌属。
对 335 名津巴布韦农村的 1 至 18 个月大儿童的肠道微生物组的组成和功能发育的跟踪发现，肠道菌群的功能性宏基因组组成，而不是分类学组成，可以预测已达到的线性生长和未来的生长速度，其中B族维生素和核苷酸生物合成途径是最具预测性的特征之一。这些数据表明，肠道菌群的功能潜力是一个影响儿童生长的因素更强有力的指标，而单独对婴儿肠道菌群进行标准的组成评估可能不足以识别与线性生长相关的因素。
2.3. 儿童消瘦中的肠道菌群特征
消瘦是一种营养不良的形式，既可以反映慢性的营养缺乏，也可以反映急性的疾病，而且经常与发育迟缓同时发生。消瘦可以根据WHZ、上臂中段围度（MUAC）和/或水肿的存在与否，分为中度（中度急性营养不良（MAM））或重度（重度急性营养不良（SAM））。SAM还表现为两种主要形式：水肿型SAM（以前称为夸西奥尔科尔病）和非水肿型SAM（以前称为消瘦症），如果出现相关并发症，如急性感染、食欲不振、休克或水肿，就需要住院治疗（也称为复杂型SAM）。水肿型和非水肿型SAM的儿童有不同的临床结果，其中非水肿性 SAM 儿童在某些情况下接受 SAM 住院治疗后表现出更高的死亡率和再入院率。
尽管营养治疗对于治疗SAM有所改善，但需要住院治疗的复杂型SAM的死亡率在10%到40%之间，而且生长缺陷可能持续到7年，此外还有认知缺陷和后期慢性疾病风险增加的危险。在SAM儿童的肠道中观察到的形态学变化表明，肠道菌群可能具有影响力。虽然复杂型SAM的菌群研究受到世界卫生组织治疗指南中包含的广谱抗生素治疗的干扰，但来自社区SAM病例的证据表明，与健康生长的儿童相比，肠道菌群存在紊乱。最近的研究表明，SAM儿童的肠道菌群多样性降低，而肠杆菌科富集，而双胞胎不一致的SAM与一致健康生长的双胞胎对比，共享了紊乱的肠道病毒组。一项来自孟加拉国队列的里程碑式的研究在2014年创建了一个菌群成熟度的度量，称为菌群-年龄Z分数（MAZ），这一分数在SAM儿童中显著降低，并且与术后营养恢复的人体测量指标高度相关(SAM后)。这项以及更近期的后续研究使得所谓的菌群生态组得以完善，由15种细菌类群组成，这些类群在各种地理环境下的前两年生活中表现出一致的协变，并且可以作为不成熟菌群发展的指标，并用于测量MAM或SAM后菌群恢复的成功程度。标准的治疗性营养往往只能暂时恢复菌群成熟度，通过MAZ评估，这表明MAZ可能具有作为未来MAM/SAM复发指标的潜力，或者针对肠道菌群的营养治疗可能有助于营养恢复。事实上，这些菌群成熟度的指标已经为MAM中新型微生物导向营养干预提供了依据，在试点研究中，这些干预比标准治疗性食品更能改善营养恢复，然而，仍缺乏大规模随机试验。在水肿型和非水肿型SAM儿童之间也观察到了一些肠道差异，这些差异可能部分解释了他们营养恢复方面的差异。最近的证据表明，非水肿型SAM儿童的α多样性显著降低，并且与普雷沃氏菌科(Prevotellaceae)、毛螺菌科 (Lachnospiraceae) 、瘤胃菌科(Ruminoccoaceae)相对丰度的减少有关。总之，这些数据似乎表明，与健康生长儿童相比，SAM儿童具有一致的菌群不成熟和多样性降低。这种菌群失调可能是急性营养状态以及与治疗相关的并发症和抗生素治疗的结果。
图1 营养不良儿童肠道微生物组的组成和功能发生了改变
3、微生物介导的决定生长的途径
如上所述，越来越多的观察性人类研究的证据表明，营养良好和营养不良儿童之间的菌群组成存在差异。此外，临床前和临床研究已经开始揭示早期生活中肠道菌群紊乱可能导致儿童生长不良的病理生理机制。这些包括肠道菌群对免疫、代谢、肠道功能和内分泌信号等途径的影响(图1)。
3.1 肠道结构和功能
有益的肠道菌群的存在对于早期生活中肠道屏障的正常结构、功能和转录发展是必不可少的。临床前研究的大量证据表明，无菌小鼠幼崽表现出肠道屏障成熟的延迟，这与自发性结肠炎、对肠道感染的更大易感性和营养物质吸收不良有关。然而，临床研究表明，早期生活中对肠道病原体的慢性暴露可以破坏肠道结构和功能。EED是一种胃肠道现象，在营养匮乏的环境中很常见，并且经常在营养不良的儿童中观察到。EED通常是无症状的，局限于小肠，并以肠道通透性增加、绒毛萎缩和钝化、粘膜屏障改变、吸收不良、局部炎症和隐窝延长为特征。这种屏障功能的丧失也使得微生物及其代谢产物，最常研究的是脂多糖(LPS)，从肠道进入全身循环，从而刺激全身性炎症。这种营养物质吸收不良、肠道炎症和慢性全身性炎症的结合被认为是阻碍儿童健康生长的原因。
EED通常归因于在水、卫生和个人卫生 (WASH) 较差的环境中长期暴露于肠道病原体。然而，在此类环境中改善怀孕期间和早期生活中的 WASH 的大型随机试验未能减少幼儿 EED 的常见生物标志物，这可能是由于同时未能减少其肠道病原体携带。除了病原体携带，共生菌群的破坏也可能导致EED。对611名6个月、18个月和30个月大的儿童进行的一项大型分析发现，菌群多样性/成熟度与三种EED生物标志物（钙卫蛋白、α-1-抗胰蛋白酶和再生家族成员1β（REG-1B））呈负相关，表明肠道菌群的不成熟可能导致肠道炎症和屏障功能障碍。菌群中特定类群的丰度增加，包括Megasphaera、Mitsuokella和Sutterella，也与EED相关。
EED的动物模型揭示了可能驱动该疾病表型的机制。一些模型通过应用低蛋白饮食和肠道刺激物，如LPS或消炎痛，能够复制EED的某些方面。然而，随着肠道菌群对EED的潜在贡献的越来越多的证据，利用异常的微生态状态和改变的营养环境之间的相互作用的新型模型成功地复制了几种EED表型。例如，肠道生理学和菌群通过血管紧张素I转换酶2（ACE2）的表达相互联系，ACE2是一种在分化上皮细胞的管腔表面表达的蛋白质。与野生型小鼠相比，缺乏 ACE2 的小鼠在受到DSS攻击时，表现出类似 EED 的病理学、氨基酸代谢紊乱和肠道微生物组紊乱。DSS攻击期间的EED表型可以通过从ACE2缺乏小鼠中进行粪便移植转移到野生型动物，这表明微生物群被破坏。膳食色氨酸及其代谢产物烟酰胺可以通过刺激哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）活性来产生抗菌肽，从而维持菌群稳态，从而拯救ACE2缺乏小鼠的表型。
3.2 感染
大型多中心研究对腹泻和儿童营养不良的有力证据表明，肠道病原体的高负担与早期生活中的生长不良相关。的确，腹泻和有症状的呼吸道感染与发育迟缓和消瘦都有关。健康和多样的肠道菌群通过利用生态位排斥肠道病原体，提供了定殖抵抗力。因此，受损的肠道菌群可能为病原体定殖提供了生态位。然而，肠道菌群也可能在远处的部位，包括肺部，介导感染易感性。因此，在早期生活中建立健康的肠道菌群可能有助于在卫生条件差的环境中对病原体提供定殖抵抗力，从而防止感染负担和相关的生长不良。
在发育迟缓的背景下，胃肠道微生物多样性的降低可以预测腹泻发生率的增加。来自秘鲁的发育迟缓儿童在生命的前两年内表现出肠道菌群多样化的受损轨迹。在此期间，发育迟缓儿童的菌群多样性降低更多，而且在腹泻发作后恢复多样性的速度更慢。因此，肠道菌群的受损组装可能加剧了感染-发育迟缓的循环。同一队列的一项研究发现，弯曲杆菌携带与改变的肠道菌群相关。此外，肠道微生物内与弯曲杆菌携带相关的的物种与LAZ的降低独立相关，表明肠道菌群组成的受损促进了病原体定殖和并发生长缺陷。
动物模型进一步证据了在营养不良背景下菌群诱导的病原体定殖的影响。营养不良饮食和肠道菌群紊乱引起的EED的小鼠模型比营养良好的小鼠更易感染，表明与营养不良相关的菌群紊乱可能导致病原体定殖和感染负担。贾第虫感染后生长缺陷的易感性也取决于动物模型中的肠道菌群。人类研究报告，除了那些涉及粘膜破坏的病原体外，贾第虫和相关的肠道侵袭性病原体对全身炎症、肠道炎症和生长受损具有有深刻的影响。在小鼠中，贾第虫与小肠中的肠杆菌科相互作用，以限制蛋白质营养不良期间的生长，这种效应在用没有抗贾第虫活性的抗菌剂治疗后消失(8)，表明菌群失调在这一过程中起着关键作用。这种相互作用表明，特定的病原体或病原体依赖于共生肠道菌群的成员来定殖和增殖。这在发育迟缓的人类研究中非常明显，其中肠杆菌科和拟杆菌目之间的交叉喂养与儿童发育迟缓相关。
3.3 宿主与微生物代谢
营养不良儿童的蛋白质、脂肪和能量代谢紊乱已经被报道了很久。然而，肠道菌群的代谢能力大大扩展了哺乳动物宿主的生物转化能力，增加了可以处理的底物的多样性，增加了宿主暴接触的分子的范围。这些微生物衍生的代谢产物可以在肠道和肠壁处产生局部效应，并且在吸收后，也可以影响外周组织中的宿主过程。因此，儿童早期肠道菌群的变化可能通过改变提供给儿童的代谢副产物和宿主代谢途径本身来影响代谢表型，从而影响生长。
与用于绘制儿童菌群成熟度的MAZ分数类似，一个代谢成熟度的模型，称为表型-年龄Z分数（PAZ），是根据来自秘鲁、坦桑尼亚和孟加拉国的儿童的尿液样本构建的，用于跟踪生化年龄及其与生长的关系。用于计算PAZ的八种代谢物中有三种——对甲酚硫酸盐（pCS）、苯乙酰谷氨酰胺（PAG）和马尿酸—与肠道微生物代谢相关。有趣的是，与没有受到限制的婴儿相比，生长受限的儿童从3个月大就开始表现出生化不成熟（即他们的生化年龄低于他们的实际年龄）。这突出了菌群在宿主整体代谢能力发展及其对生长的影响方面的重要性。
健康的肠道菌群的一个主要功能是发酵宿主不能消化的膳食底物。在母乳喂养期间，这主要涉及到微生物对HMOs的消化。HMOs在发育迟缓婴儿的母亲的母乳中明显降低，结构相似的牛奶寡糖可以在营养不良模型中恢复小鼠的生长。然而，这种效应依赖于菌群，无菌小鼠在乳寡糖补充后的生长没有恢复。断奶后，肠道菌群转向代谢不可消化的碳水化合物、抗性淀粉、粘蛋白和蛋白质。糖分解活性（即碳水化合物的分解）的主要终产物是短链脂肪酸（SCFAs），乙酸、丙酸和丁酸。这些都为宿主的日常能量需求做出了贡献。丁酸是结肠细胞的主要能量来源，提供了它们所需能量的80%，而乙酸则在肌肉等全身区域代谢，丙酸则在肝脏用于ATP产生。这种微生物活动提供了一种从饮食中解锁能量的机制，可以用来支持生长。此外，SCFAs还有其他有益的效果，如降低结肠pH值，增加对潜在病原体的定殖抵抗力和改善矿物质吸收。此外，丁酸还通过增加AMP激活蛋白激酶（AMPK）活性和紧密连接蛋白的组装，促进肠道屏障的发展。
几项研究观察到营养不良菌群的功能转变，从碳水化合物发酵和SCFA产生向蛋白质代谢转变。例如，来自印度尼西亚的中度营养不良儿童与营养良好儿童相比，粪便中丙酸和丁酸含量较低，粪便pH值较高。在营养不良的猪模型中，肠道菌群产生较少的丁酸，并与肝脏脂肪酸代谢（β-氧化）降低因果相关。同样，在来自巴西东北部儿童的代谢组学研究中，发育迟缓婴儿排泄了更多由微生物降解氨基酸产生的微生物-宿主共代谢物。这包括由微生物分解酪氨酸和苯丙氨酸分别产生的pCS和PAG。由于营养不良-病原体相关EED引起的肠道吸收不良，可能导致这种观察结果。这增加了小肠中氨基酸的可利用性，导致发育迟缓儿童中观察到的小肠细菌过度生长，并增加到达结肠进行细菌代谢的氨基酸。在这方面，营养不良菌群与发育中的宿主竞争对健康发育至关重要的氨基酸。有趣的是，虽然SCFAs促进上皮屏障完整性，但pCS却被发现损害了它，可能导致营养不良个体中观察到的漏肠表型。此外，pCS是由艰难梭菌和其他病原体产生的，用于限制肠道菌群的多样性，可能导致营养不良婴儿中观察到的菌群失调。另外两种氨基酸代谢物，吲哚乳酸和N-乙酰谷氨酸，分别来自色氨酸和谷氨酸的代谢，在来自孟加拉国的儿童队列中，它们与2-24个月龄的线性和体重生长指标呈正相关。与生长正相关的长双歧杆菌编码了大部分涉及这些化合物产生的微生物代谢途径，这些化合物可能有助于支持早期生活的生长。
除了与宿主竞争氨基酸外，蛋白质营养不良和发育迟缓还伴随着膳食胆碱的微生物分解增加。在蛋白质缺乏的小鼠模型中，尿液中的胆碱降低，而胆碱代谢的微生物产物，三甲胺和二甲胺却增加。同样，在来自马拉维的儿童中，血清中三甲胺-N-氧化物（TMAO）与胆碱的比值与线性生长失败呈正相关。而在来自巴西的婴儿中，胆碱和甜菜碱的排泄量较低与发育迟缓相关。胆碱的可用性不仅对于肌肉获得很重要，对于S-腺苷甲硫氨酸 (SAMe)的生成也是必要的，SAMe对DNA甲基化和发育至关重要。重要的是，胆碱是骨骼肌和神经发育及脑功能的必需营养素。胆汁酸是一种跨基因组代谢物，由宿主肝脏和肠道菌群的组合代谢产生，对消化有重要作用。初级胆汁酸，如胆酸和鹅去氧胆酸，在肝脏中合成后与甘氨酸或牛磺酸结合，并分泌到胆汁中。释放到肠道后，一小部分胆汁酸可以到达结肠，在那里菌群将其解结合并转化为次级胆汁酸，如脱氧胆酸。这些改变了的胆汁酸可以随粪便排出或循环回肝脏。有趣的是，与没有EED的儿童相比，EED儿童的总血清胆汁酸含量较低，其中牛磺去氧胆酸、牛磺杀菌素酸和甘氨尿去氧胆酸有特异性差异。除了消化外，胆汁酸在代谢调节中也有重要作用。通过作为全身表达的受体（如FXR、PXR、VDR和TGR5）的配体，胆汁酸可以调节宿主多种途径和功能的表达，如能量稳态、葡萄糖和脂质代谢。此外，这些细菌相关代谢物也具有抗菌特性，既能抑制又能促进特定病原体的生长。例如，在胆汁酸代谢方面的变化，特别是细菌性胆盐水解酶活性，被认为是隐孢子虫卵囊排泄的重要触发因素。此外，观察到未患阿米巴病的儿童粪便中次级胆汁酸、脱氧胆酸的含量较低。研究表明，给小鼠注射这种胆汁酸足以增加粒细胞-单核细胞祖细胞的数量，并提供针对阿米巴病的保护。这表明，胆汁酸可能在塑造对营养不良环境中常见的不同肠道感染的保护和易感性方面起着潜在的作用。
3.4 内分泌反应
儿童营养不良与内分泌信号的紊乱有关，包括影响调节食欲和能量代谢的瘦素和生长素释放肽，以及影响生长激素和胰岛素样生长因子-1（IGF-1），这些共同构成了生长轴。发育迟缓儿童的血浆IGF-1水平低于非发育迟缓儿童，无论是在儿童晚期还是在生命的前18个月，这种现象与慢性炎症有关。重度急性营养不良（SAM）儿童的瘦素水平低预示着死亡风险。新的数据表明，肠道菌群直接和间接地影响激素的产生，无论是在肠道局部，如胰高血糖素样肽-1（GLP-1），还是在全身通过调节瘦素、生长素释放肽和IGF-1的产生，这些都介导了代谢和营养状况。
菌群通过产生SCFAs来调节GLP-1的产生，进而抑制了胰高血糖素原的表达。GLP-1是一种肠源性激素，负责刺激胰岛素分泌，减少胃排空，增加饱腹感，从而影响代谢和营养状况。在没有微生物组的情况下，即无菌小鼠中，GLP-1的产生升高，这是一种假设的适应机制，当菌群被破坏或缺失时，GLP-1的产生会增加营养物质的吸收，这种效应可以通过SCFA的给予逆转。微生物来源的SCFAs也会影响IGF-1的产生。IGF-1在肝脏和脂肪组织中产生，影响骨形成、骨量和骨骼生长，尤其是在生命早期中。当无菌小鼠被菌群定殖后，血浆中IGF-1的浓度升高。同样，使用抗生素会降低IGF-1的浓度，而SCFA的补充会在抗生素治疗期间恢复IGF-1的浓度。非SCFA产生的细菌物种也可以通过刺激生长轴来促进实验动物的生长。植物乳杆菌的特定菌株可以恢复果蝇和小鼠的线性生长、股骨长度、IGF-1的产生和活性以及外周组织对生长激素的敏感性。植物乳杆菌WJL（LpWJL）菌株对IGF-1产生和生长的作用依赖于肠上皮细胞中核苷酸结合寡聚化结构域蛋白2（NOD2）的刺激。肠道共生细菌还可以防止感染时的肌肉萎缩。共生大肠杆菌维持骨骼肌中IGF-1信号传导，独立于宿主代谢、热量摄入或炎症，从而防止肠道或肺部感染后的肌肉萎缩。
3.5 免疫与炎症
在整个生命过程中，微生物群与宿主免疫系统处于相互的、动态的交流中，这种交流因营养不良而中断。大量的证据表明，营养不良的儿童在免疫方面与营养充足的儿童不同的同龄人，胸腺较小，免疫细胞组成和分布在质量和数量上不同，全身和肠道环境中的促炎介质长期升高，以及由产前和产后暴露的不利因素驱动的免疫基因上的表观遗传标记。迄今为止，儿童营养不良的大多数免疫表型都是在感染和病原体携带的背景下进行研究的。新出现的数据表明，居住在肠道菌群中的共生和条件致病微生物的多样性可能在儿童营养不良中驱动不同的免疫表型，而与病原体无关。
营养不良的肠道炎症以EED的生物标志物为特征，如钙卫蛋白和髓过氧化物酶，它们是由肠道组织中的微生物激活的先天免疫细胞产生的，这些细胞可能被破坏的肠道微生物组激活。EED的动物模型表明，与营养充足的小鼠相比，营养不足的小鼠的肠道微生态失调会导致小肠中上皮内淋巴细胞数量和促炎细胞因子分泌的增加。尽管空肠免疫激活增加，但营养缺乏的动物在肠道中抑制鼠伤寒沙门氏菌感染的能力较低，导致细菌传播到脾脏和肝脏，并在肝脏中分泌促炎介质。
儿童营养不良也与慢性全身炎症相关。尽管反复出现的症状性感染会引发全身炎症表型，但小鼠模型表明，在没有明显感染的情况下，也会发生这种情况，如在EED中观察到的那样，通过肠道微生物群和/或其成分穿过功能障碍的肠道屏障进入循环。与营养充足的幼崽相比，断奶后摄入蛋白质、铁和锌缺乏饮食的健康小鼠出现了微生物群失调和体重减轻，这与向结肠给药时不含LPS有关；全身、盲肠和结肠（但不是回肠）促炎细胞因子升高；在没有感染的情况下，LPS 攻击后促炎细胞因子的分泌增多。在该模型中，通过针对革兰氏阴性（LPS阳性）而非革兰氏阳性（LPS阴性）共生菌的抗生素治疗，使体重增加和促炎免疫反应的差异正常化。该模型中抗生素治疗效果的选择性支持了对革兰氏阴性微生物群成分的播散性促炎性免疫反应的作用，这些微生物群成分从肠道转移到循环系统中，从而导致营养不良的体重和身高缺陷，这是营养不良的特征。
微生物移位引起的慢性全身炎症可能影响人体测量的一种方式是通过抑制生长因子信号和骨/骨骼肌生长。来自动物研究的证据表明，唾液酸化HMO依赖于微生物群代谢，增加成骨细胞驱动的骨形成，并且这一过程是由Th2介导的极化免疫反应，即增加大肠中的嗜酸性粒细胞募集和嗜酸细胞趋化因子浓度。LMIC的儿科队列研究有一致的证据表明，炎症介质也与IGF-1呈负相关。在因SAM入院后康复的儿童中，包括sCD14、补体蛋白2、巨噬细胞炎症蛋白1B和LBP在内的炎症介质与体重和/或MUAC增加呈负相关。
动物和体外模型提供了机制炎症介质对生长有直接影响的证据。组成型过表达促炎细胞因子IL-6的转基因小鼠降低了循环IGF-1，生长速度较慢，并且比非转基因同窝出生的小鼠小30-50%，这是一种表型其可以通过给予IL-6阻断抗体而得到部分挽救。发现IL-1β和肿瘤坏死因子α（TNFα）与IL-6一起下调生长激素受体（GHR）的表达、通过细胞因子信号抑制因子3（SOCS3）的GH信号传导，以及体外人肝细胞系和体内鼠肝中IGF-1的产生。肠道微生物群紊乱或明显肠道病原体的存在是否是导致这些炎症诱导的IGF-1和GH缺陷的原因尚不清楚。然而，在一项旨在增强营养不良孟加拉国儿童肠道微生物组多样性和成熟度的治疗性豆类食品的临床试验中，已经探索了将微生物群作为一种使炎症驱动的生长缺陷正常化的手段的潜力。与之前的观察结果一致，30 名 SAM 儿童在基线时可以通过血浆蛋白质组与 21 名健康儿童区分开来，该血浆蛋白质组与较低的骨化和成骨细胞分化以及较高的急性期炎症反应有关，包括 C 反应蛋白 (CRP)、IL- 6、促炎核因子 kappa B (NF-κB) 信号通路中的中间蛋白。干预后，尽管肠道病原体总体携带或绝对粪便微生物群多样性的差异证据有限，但WHZ和微生物群成熟度增加；这些变化与血浆蛋白质组向健康生长和减少炎症特征的转变有关，表明肠道微生物组针对性的干预措施可以减少营养不良相关的炎症。菌群失调在儿童营养不良中诱导肠道和全身炎症的能力也可能取决于抗体介导的肠道微生物组组成的控制。肠道中的分泌性免疫球蛋白，特别是免疫球蛋白A（IgA），选择性地结合微生物组成分，从而调节微生物组组成。
研究发现，与马达加斯加和中非共和国的未计数对照儿童相比，发育迟缓的儿童粪便中IgA靶向细菌的比例更高。除了IgA靶向肠道微生物群的数量差异外，IgA还靶向健康儿童与SAM儿童不同的肠道微生物亚组，因此IgA倾向于靶向SAM儿童的肠杆菌科，同时靶向健康孩子更广泛的共生生物。从患有SAM的儿童身上提取的IgA+微生物群在移植到小鼠体内时诱导了EED样病理和全身炎症，这种影响取决于营养不良的饮食。在另一个模型中，喂食低蛋白、低脂肪饮食（含或不含细菌灌胃）以模拟EED的小鼠对乳杆菌属的IgA靶向性受损，尽管与营养良好的对照组相比，空肠中乳酸杆菌的相对丰度、粪便总IgA和总IgA靶向性细菌的百分比相似，这些差异是由于乳酸杆菌碳水化合物代谢对改变饮食的适应，而不是IgA滴度或亲合力的差异。总之，这些观察结果突出了肠道屏障处免疫-微生物群相互作用的可塑性，有证据表明，微生物群和组织内免疫细胞的适应可能会损害免疫介导的微生物及及其抗原的免疫介导受到遏制，从而导致生长缓慢。
3.6 表观遗传学
表观遗传修饰，指的是环境诱导的基因表达变化，而不依赖于DNA序列的变化，可能有助于儿童营养不良中观察到的代谢和肠道病理生理学，以及后期慢性疾病风险增加。慢性和急性营养不良的儿童显示出与健康对照组相比，在代谢和免疫相关基因上全局DNA甲基化谱的改变。DNA甲基化的紊乱也在局部的肠道中被观察到，在小肠活检的DNA甲基化阵列中，EED患儿表现出上皮代谢和屏障功能基因的高甲基化，免疫反应和细胞增殖基因的低甲基化。
DNA甲基化，以及包括组蛋白修饰和非编码RNA在内的其他表观遗传修饰，都是由营养化合物诱导的。蛋氨酸、胆碱、甜菜碱、叶酸和维生素B12都是甲基供体的膳食来源，它们提供了对表观遗传调控至关重要的一碳途径。事实上，母亲的叶酸补充增加了婴儿出生体重，而婴儿维生素B12的状态预测了线性和体重增长。然而，肠道菌群也合成了其中一些甲基供体，包括叶酸和维生素B12，其数量与膳食摄入相当，这表明婴儿期肠道菌群的组成和功能可能影响参与儿童营养不良的表观遗传修饰。这种效应可能是通过肠道的表观遗传修饰起作用的。一项关于膳食甲基供体缺乏的小鼠研究产生了类似于儿童发育迟缓的减少生长和肠道病理生理学。有趣的是，然而，琥珀亚磺胺，一种针对细菌叶酸合成的抗生素，也诱导了类似于EED的病理学，如肠道隐窝深度增加。因此，微生物产生的叶酸，一种参与肠道表观遗传修饰的甲基供体，可能有助于儿童营养不良中观察到的肠道病理生理学。事实上，肠道菌群驱动了婴儿期肠道上皮细胞不同的甲基化谱，其中常规小鼠显示富含甲基化基因涉及免疫反应和细胞增殖和再生与无菌小鼠相比。这表明，在新生期获得健康的肠道菌群可能对于定义健康肠道发育的正常甲基化模式至关重要，这是一个需要健康生长的生理过程，并且这个过程的干扰可能导致EED。
尽管关于儿童营养不良的人类研究证据有限，但肠道菌群对驱动肠道功能和代谢的表观遗传机制的影响日益增加的证据，值得在这一领域进一步研究。利用肠道菌群作为甲基供体和HDAC抑制剂的来源，以及通过益生菌或针对菌群的食物对宿主表观遗传调控的强大部位，有可能成为对抗儿童营养不良的新靶点。
4、针对营养不良的菌群治疗
肠道菌群在早期生长中的作用日益增加的证据为儿童营养不良的营养和药物治疗提供了一个新的靶点。目前预防发育迟缓和消瘦的营养策略并不能完全解决短期和长期的生长缺陷或相关的临床结果。6-24个月龄时使用少量脂质基营养补充剂可将发育迟缓的患病率降低12%，严重发育迟缓的患病率降低17%。使用即食治疗食品（RUTF）进行社区管理的SAM显著改善了营养恢复；然而，在复杂的SAM之后，仍然存在高死亡率和长期生长缺陷。总体而言，目前的治疗措施通过抗生素解决感染负担，并通过简单的糖类、脂类和微量营养素促进宿主的营养恢复；然而，这些治疗措施并没有针对肠道菌群，这可能有助于改善生长。事实上，目前对复杂SAM的建议，包括在所有情况下使用抗生素治疗，可能会损害肠道菌群的恢复。然而，越来越多的初步试验报告了针对儿童营养不良的菌群干预在临床上有益的效果（表1）。
少数几个益生菌试验报告了在营养不良负担高的环境中对儿童生长的不同影响。在795名SAM儿童中进行的一项大型随机临床试验发现，联合多种菌种的益生菌和益生元治疗对营养恢复、死亡率或相关临床症状没有影响，尽管观察到门诊死亡率有下降的趋势。较小的试验表明其他益生菌种在SAM和其他形式的营养不良中有潜在的益处。Bifidobacterium longum subsp. infantis由于在低资源环境中与生长呈正相关，因此具有很大的潜力作为一种可能的益生菌来增强生长。在孟加拉国对SAM儿童进行的一项试验，将62名参与者随机分配为B. infantis益生菌（Bifidobacterium infantis EVC001）、益生菌和一种纯化的HMO（乳-N-新四糖）或安慰剂，在临床稳定和急性期管理之后，持续治疗4周。年龄标准化体重（WAZ）和上臂围（MUAC）在治疗开始后8周的研究终点时，在益生菌组中显著增加。Lactobacillus rhamnosus GG（LGG）和Bifidobacterium animalis subsp. lactis和LGG的组合在SAM治疗期间也显示出降低感染发生率和门诊腹泻的证据。由于复杂SAM儿童的临床不稳定性和高死亡率，特定益生菌作为SAM标准治疗的可能性将严重依赖于成本、可持续性和安全性。此外，还需要合理选择益生菌，以确定那些能够适当地定植于营养不良儿童受损的肠道，并针对特定的途径来改善生长恢复。动物研究的进一步数据可能有助于为未来适合的益生菌的临床试验提供信息，例如那些针对内分泌生长途径的益生菌。
针对肠道菌群的改良营养治疗有可能成为可持续和经济有效的儿童营养不良治疗方法。SAM的证据表明，RUTF喂养后菌群成熟度的恢复是短暂的，治疗后3-4个月就倾向于恢复到不成熟的状态。因此，针对SAM恢复和预防发育迟缓的肠道菌群的改良补充食品可能支持增强生长。一项试验评估了在SAM治疗期间向F75和F100治疗奶中添加菌群可发酵的碳水化合物菊粉或豇豆粉对营养恢复的影响，发现与对照组相比没有改善效果；然而，补充营养可能防止住院治疗期间物种多样性的暂时丧失，这部分是由抗生素治疗引起的。豇豆作为辅助食品可以显著减少部分患有发育迟缓风险儿童的LAZ缺陷；然而，它只能引起肠道菌群组成的微小变化，包括增加双歧杆菌和减少大肠杆菌/志贺氏菌，这表明对生长的有益影响可能与肠道菌群无关。最近，来自孟加拉国一个队列研究报告了一种针对MAM儿童恢复的菌群导向辅助食品（MDCF），与标准RUTF治疗相比，对生长有显著的增强效果。这些有希望的数据表明，与目前的治疗方法相比，以微生物群为导向的辅食可能在更大程度上促进儿童营养不良后的生长恢复。这些小而显著更大的生长改善是否对应于持续的生长改善、认知益处或长期降低感染和慢性疾病风险尚不清楚。然而，这些数据提供了一个框架，通过它可以设计针对特定地区肠道菌群的辅助食品，以改善儿童生长。
5、未来展望和结论
来自高收入环境的临床试验越来越多的证据支持微生物靶向治疗对各种感染性、胃肠道和代谢疾病的疗效。由于世界上超过五分之一的儿童要么发育迟缓，要么消瘦，因此旨在进一步表征驱动儿童营养不良的菌群介导的病理生理途径的研究对于提供更好的治疗方法至关重要。需要进行大规模随机试验，以针对菌群的干预措施来对抗发育迟缓和消瘦，以便在现有的初步试验数据的基础上进行建设。儿童营养不良涉及到许多生理系统的紊乱，包括代谢、免疫和内分泌系统，其中许多与肠道菌群密切相关，因此可能适合进行针对菌群的干预。未来潜在的针对菌群的治疗方法将与现有针对宿主营养需求和感染负担的治疗方法相辅相成。此外，根据国家或地区的具体需求量身定制这些干预措施是必不可少的，以创建可持续的、经济有效和文化可接受的干预措施。在这一领域还有许多未解决的问题，如下所示。未来的研究工作将解决这些和其他未解决的问题，有助于提供新的以菌群为重点的干预措施，以应对全球儿童营养不良的负担。
未来问题
1. 肠道菌群的非细菌成分（真菌、病毒、寄生虫、古生菌）对介导儿童生长的途径有什么影响？
2. 决定营养不良肠道中益生菌定植的因素有哪些，如何优化这些因素以促进定植？
3. 出生体重强烈预测了未来儿童的发育迟缓。孕期可以改变母亲的菌群来增加出生体重和预防早产吗？
4. 发育迟缓和非发育迟缓儿童的肠道菌群在组成和功能上存在差异。发育迟缓儿童的菌群如何代谢对生长至关重要的微量营养素和大量营养素？
5. 粪便移植能否持续恢复肠道菌群并改善复杂严重急性营养不良后的临床恢复？
6. 针对菌群的治疗食品对生长和相关临床结果有哪些长期影响？
7. 受损的肠道菌群如何影响营养不良儿童的神经发育？
参考文献：
Jones HJ et al. Malnourished Microbes: Host-Microbiome Interactions in Child Undernutrition. Annu Rev Nutr. 2023 Aug 21:43:327-353
