《iScience》：Disrupted gut microbiome networks and unhealthy behaviors predict metabolic dysfunction in children and adolescents in the long term
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本研究针对儿童青少年肥胖及代谢功能障碍的早期预警难题，通过整合16S rRNA测序、宏转录组学和网络分析技术，对218名受试者进行为期4年的追踪研究。结果揭示低多样性、低连通性的肠道菌群（如M1型）与高纤维饮食缺失、体力活动不足协同作用，显著增加肥胖风险；而高多样性菌群（M2型）及其关键类群（如Akkermansia、Prevotella）通过增强短链脂肪酸代谢和免疫调节功能发挥保护作用。该研究为基于菌群精准干预青少年代谢健康提供了理论依据。
当我们谈论儿童青少年的健康问题时，肥胖和代谢功能障碍已成为全球关注的焦点。随着生活方式的改变，高热量饮食和久坐行为日益普遍，越来越多的孩子面临体重超标和代谢异常的风险。然而，科学家们逐渐意识到，这些问题不仅仅与卡路里摄入和消耗失衡有关，还可能与人体内一个复杂的生态系统——肠道菌群密切相关。肠道菌群由数万亿微生物组成，它们参与消化、免疫调节甚至影响大脑功能。近年来，研究表明肠道菌群的紊乱可能与肥胖、糖尿病等代谢疾病的发生有关。但大多数研究集中在成年人群体，对儿童和青少年时期的菌群动态及其长期健康影响知之甚少。此外，现有研究多局限于菌群组成的描述，缺乏对菌群内部相互作用网络和功能活性的深入探讨。更重要的是，如何将菌群特征与饮食、运动等可改变的行为因素结合，早期预测和干预代谢健康风险，仍是未解之谜。
为了解决这些问题，由Simone Rampelli等研究人员领导团队在《iScience》上发表了最新成果。他们扩展了早期针对70名儿童的研究队列，新增148名参与者，最终纳入218名4-14岁的儿童青少年，并进行了为期4年的追踪调查。研究团队采集了基线（T1）和4年后（T3）的粪便样本，结合16S rRNA扩增子测序分析菌群组成，利用宏转录组学技术揭示菌群的转录活性，并首次引入网络分析方法评估菌群物种间的互作关系。同时，研究详细记录了参与者的体重变化、血压、血脂等临床指标，以及饮食结构（通过食物频率问卷评估纤维、蛋白质等摄入量）和体力活动水平（使用加速度计测量中高强度活动时间）。通过多维度数据整合，团队旨在回答：儿童青少年的肠道菌群是否存在不同的生态构型？这些构型如何与饮食、运动等行为交互作用？哪些菌群网络和功能特征能够预测肥胖的发生？
主要技术方法
研究依托欧洲IDEFICS和I.Family队列，采集218名儿童青少年基线及92名随访者粪便样本。通过16S rRNA基因V3-V4区测序（Illumina MiSeq平台）进行菌群组成分析；对25例样本开展宏转录组测序（Illumina NextSeq 500）评估功能活性；采用FlashWeave算法构建菌群互作网络，识别关键类群；结合临床指标（BMI、血压等）和行为数据（饮食纤维摄入、体力活动），使用量化回归模型分析菌群-宿主关联。
肠道菌群结构在儿童/青少年中的差异及其与健康、生活方式和饮食的关联
通过聚类分析，研究人员发现儿童青少年的肠道菌群可划分为三种显著不同的构型：M1、M2和M3。其中，M1型菌群多样性最低，以Bacteroides、Eggerthella和Blautia等菌属为主导，而保护性菌属如Coprococcus和Prevotella相对匮乏。这种构型与高糖饮料、低纤维饮食等不健康饮食习惯密切相关，且在基线体重正常但4年后发展为肥胖的个体中占比更高。相反，M2型菌群展现出最高的多样性，富含Akkermansia、Prevotella和Odoribacter等有益菌属，并与高纤维、高蛋白饮食模式正向关联。值得注意的是，尽管M2型个体也摄入甜食和零食，但其整体饮食结构更健康，提示饮食模式而非单一食物类别对菌群的塑造起主导作用。M3型则介于两者之间，可能代表一种过渡状态。进一步通过主坐标分析发现，菌群分布与收缩压、睡眠时间等宿主指标显著相关，凸显菌群构型与整体健康的紧密联系。
不健康行为相关肠道菌群构型中网络紊乱的证据
网络分析结果显示，不同菌群构型的生态稳定性存在显著差异。M2型菌群形成一个高度连接的核心模块，包含Bacteroides、Faecalibacterium和Bifidobacterium等多个菌属，物种间通过协同互作维持群落稳定。而M1型菌群的核心模块出现分裂，关键类群如[Ruminococcus]和Lachnospira的连通性显著降低，表明菌群网络处于紊乱状态。这种低连通性可能削弱菌群对外界干扰（如饮食变化）的抵抗能力，增加生态失衡风险。拓扑学分析识别出M2型的核心枢纽菌属为Bacteroides，而M1型中[Ruminococcus]和Lachnospira虽占据关键位置，但其调控能力远低于M2型菌群，进一步印证了M1型菌群的功能缺陷。
不同肠道菌群构型中转录活性组分的差异
宏转录组学分析从功能层面揭示了三种菌群构型的活性差异。M2型菌群中，Prevotella等菌属的转录活性显著高于其他两组，与其在16S测序中的高丰度一致。更重要的是，研究人员聚焦于枢纽菌属的功能分子，发现M2型菌群中Ruminococcus gnavus的荚膜多糖合成基因和Bacteroides的VI型分泌系统（T6SS）基因转录水平更高。前者已知可诱导免疫耐受反应，后者则可能通过抗菌竞争增强菌群定植优势。相比之下，M1和M3型菌群中这些有益功能基因的转录活性普遍较低。聚类分析进一步将样本分为两类：一类以M2型为主，富含多种免疫调节和代谢相关基因转录本；另一类以M1/M3型为主，功能基因转录谱相对贫乏。这表明健康的菌群构型不仅具备特定的组成特征，还通过高活性功能分子维护宿主健康。
肠道菌群构型与生活方式行为纵向变化与肥胖发展的关联
纵向分析发现，菌群构型与行为因素的结合对肥胖风险具有预测价值。在基线时具有M2型菌群且饮食健康评分（HDS）或体力活动水平（MVPA）处于中高范围的个体，4年后肥胖发生率显著较低。尤其值得注意的是，基线时为M1或M3型菌群但在随访期间转变为M2型的个体，若能维持健康饮食和充足运动，其肥胖风险也明显降低。这一结果提示，通过干预措施促使菌群向M2型转化，并结合生活方式改善，可能成为预防青少年代谢异常的有效策略。
研究结论与意义
本研究通过多组学整合分析，系统揭示了儿童青少年肠道菌群的三种生态构型及其与代谢健康的动态关联。M1型菌群以低多样性、低连通性和低转录活性为特征，与高糖低纤维饮食协同促进肥胖发生；M2型菌群则通过高多样性、强网络互作和活跃的功能分子（如短链脂肪酸合成、免疫调节）发挥保护作用。尤为重要的是，菌群构型与健康行为的组合展现出前瞻性预测价值，为早期识别高风险个体提供了生物标志物。尽管研究存在样本量局限和部分纵向数据缺失等问题，其创新性在于首次将网络生态学与功能组学结合，深入解析菌群内部互作及其健康效应。未来研究可通过更大规模队列、多时间点采样和代谢组学验证，进一步明确菌群演替关键窗口及干预靶点。该成果为开发基于菌群重构的青少年肥胖精准防治策略奠定了理论基础，凸显了生命早期微生态管理对长期健康的重要性。
