图1  文章发表信息

早产的发生率在世界范围内一直在上升，是围产期发病率和死亡率的主要原因之一。尽管最近新生儿重症监护的进展提高了极度早产儿（胎龄<28周）的存活率，但这些孩子中具有严重疾病和终身神经发育障碍的数量仍然很高。妊娠第三个月是人脑连接建立、完善和成熟的关键时期，决定了随后的认知潜能。极早产儿出生在妊娠第三个月的边缘，因此，他们的神经回路是在多种环境线索和宫外生活的共同刺激下建立的。怀孕的第三个月是人类大脑连接的建立、完善和成熟的关键时期，这决定了随后的认知潜力。极端早产儿在第三个月的边缘出生，因此他们的神经回路是在多种环境线索和宫外生活的共同刺激下建立的。早产儿遭受围产期损伤的风险很大。尽管肠道微生物群与生命早期发育有关，但缺乏对早产新生儿肠道微生物群-免疫系统-脑轴的详细了解。本文章揭示了肠道微生物群-免疫系统-脑轴之间的关系。

研究材料：粪便和血液样本，早产儿分娩后第3天、第7天、第14天，然后每两周取样一次，直至足月。

测序策略：全长扩增子测序

图2  技术路线图

1、脑白质损伤之前明显的神经生理学特征

2017年9月至2019年6月期间，研究团队共招募了60名极端早产儿。在住院期间，监测神经生理发育，收集粪便样本，并在多个时间点抽取血液，通过住院期间多个时间点的超声成像以及足月等效年龄的磁共振成像 (MRI) 联合评估确定脑损伤发现：在60名婴儿中，有7例死亡，38例显示符合年龄或仅有轻度脑损伤，15例婴儿被诊断出患有严重的病理性脑损伤。MRI观察到的损伤包括脑室周围出血性梗死（n=5）、脑室内出血（IVH等级> 2，n=13）、小脑出血（n=7）和脑室周围白质软化（PVL，n=4），这些病理改变大都伴随着脑体积的减少和蛛网膜下腔的扩大。为了量化脑损伤，科研者对神经影像学的结果进行Kidokoro评分，正如预期的那样，严重脑损伤婴儿的Kidokoro评分更高；为了表征患者的神经生理发育，采用振幅整合脑电图（aEEG）总分评估得出：观察到以初始静止期为特征的神经生理成熟的一致趋势，其中DV是主要的aEEG背景模式，随后是一段神经生理学成熟期（成熟期），其中CV不断增加并最终在等效年龄阶段达到稳定。神经影像学结果显示：皮质电生理在成熟期的开始已经有发育延迟。这种神经生理发育的短暂抑制和分娩后大约2~4周脑氧饱和度的增加可以预测足月等效年龄脑室周围白质损伤（PWMI）的发生，并可能在其病理中发挥重要作用。

图3 有无严重脑损伤极度早产儿的神经生理学发育

2、脑损伤早产儿表现出促炎性极化T细胞反应

研究结果表明：分娩后7天开始γδT细胞的增加可能与PWMI的发病机制有关。这种初始极化起初与IL-8、IL-17a、VEGF-A和PDGF-BB的分泌相关。随后，VEGF-A和γδT细胞之间的密切联系持续存在，而神经保护剂PDGF-BB和BDNF的进一步分泌在患有严重脑损伤的婴儿中受到抑制。

图4 有无严重脑损伤极度早产儿的T细胞发育比较

3、克雷伯氏菌的过度生长与脑损伤有关

研究者采用16S rRNA基因靶向的qPCR和16S rRNA基因扩增子测序来量化粪便样本中的总细菌负荷量，并对群落组成进行定量微生物组分析。观察到：随着时间的推移，细菌负载量增加，在分娩后2周趋于稳定，达到约每克粪便109个细胞。分娩后6周，脑损伤患者的细菌载量略高（Wilcoxon；p=0.03），但除此之外，定植动力学与无脑损伤患者非常相似。总体而言，肠道微生物群主要由10个丰富且普遍存在的属（Bififidobacterium、 Escherichia-Shigella、Enterococcus、Lactobacillus、Staphylococcus、Streptococcus、Klebsiella、Clostridium sensu stricto 1、 Veillonella和Finegoldia）组成，发生在至少20%的样本中，至少有105个细胞的丰度，占75%的16S rRNA扩增子序列变异。核心的严格厌氧细菌（Clostridia、Finegoldia、和Veillonella），在分娩后早期很少，而在后期大量增加。引人注目的是，克雷伯氏菌在分娩后4周平均增加1.7倍，但在患有严重脑损伤的婴儿分娩后不久的数量较少。为了更好地了解微生物组的组装和动力学，我们使用T分布随机邻域嵌入（tSNE）来识别不同的微生物组状态。该分析揭示了三个主要的微生物群，可进一步细分为8个子群，由轮廓评分聚类优化确定。总体而言，集群具有不同的细菌负载量（重复测量方差分析；p<0.001），集群C与集群A和B相比负载量增加（tukey事后检验；分别p=0.0017和0.0003）。集群A分为三个子集群，集群B分为四个子集群，而集群C没有形成子集群。

图5 极早产儿微生物组及其与脑损伤对应的多样化

4、肠道微生物群-免疫系统-脑轴的生物标志物预测PWMI

研究者对微生物组、代谢组、临床、免疫学和神经生理学数据进行了综合分析。脑白质损伤的最强指标是克雷伯氏菌水平升高、γδT细胞的增加，以及促进T细胞生成的几种细胞因子和趋化因子的增加。科研人员已经确定了一些提示肠道微生物群-免疫系统-脑轴发育异常的特征。患有严重脑损伤的婴儿表现出促炎性T细胞极化，其表现为外周血中γδT细胞的扩张，并在分娩后不久由升高的IL-17a和VEGF-a分泌驱动。随后，这些婴儿的神经生理学成熟开始延迟，其特征是皮层电位受到抑制，头颅氧饱和度增加不稳定性，以及神经保护剂PDGF-BB和BDNF分泌不足。肠道中的克雷伯氏菌过度生长是促使与严重脑损伤相关的独特且非常稳定的微生物组组装的关键。因此，得出结论：克雷伯氏菌参与肠道微生物群-免疫系统-脑轴的失调，并可能加重PWMI。

图6 极度早产儿的肠道微生物群-免疫系统-脑轴和脑损伤的生物标志物

肠道微生物群-免疫系统-脑轴的异常发育可能在极早产儿的脑损伤中起作用。具体而言，数据表明，克雷伯氏菌过度生长以及相关的微生物组改变可能会加剧脑损伤，可能是通过触发免疫发育的变化，如升高的γδT细胞水平。这些免疫改变，加上随后神经保护剂的消耗，可能会影响神经生理发育和神经发育成熟。这些发现表明，针对肠道微生物群-免疫系统-脑轴的新治疗措施可能具有保护早产儿免受PWMI影响的潜力。