在早期成熟期，婴儿肠道菌群可能会影响许多不同的器官和系统。微生物组-肠-脑轴代表了肠道、微生物组和大脑之间复杂的交互作用（crosstalk）。这个轴的一个重要组成部分也可能受到肠道微生物群的影响，即肠神经系统（enteric nervous system，ENS）。除了直接控制肠道的生理和功能（如蠕动、肠道血液流动和上皮分泌）外，ENS还通过迷走神经的交感神经束和副交感神经束，与中枢神经系统进行双向沟通。肠道微生物群对ENS的直接影响已经通过减少肠内神经网络和与无菌动物肠道功能相关的缺陷来得到证明。尽管婴儿肠道菌群的多样性较低，但它对ENS的发育有显著的影响，最近的研究表明，在出生后的第三天，无菌小鼠的肌间神经元减少。与传统饲养的老鼠相比。这些微生物组发育变化对宿主中枢神经系统发育和功能的下游影响，值得进一步研究，因为微生物组的早期组成变化与生命后期发生的神经系统疾病之间可能存在一些相关性。总之，很明显，人类生命的前2至3年对于微生物群落的“基本成熟”至关重要。微生物群落是由主要的饮食变化和发育中的免疫系统所塑造的，前者可能影响中枢神经系统的发育及其功能。
青春期
青春期是发生与性成熟和向成年期过渡相关的重大生理变化的生命阶段。这一时期主要的发育变化主要是由激素和密切的器官间交互作用（包括大脑、皮肤和生殖器等器官）所驱动的。因此，这一时期代表了一个令人着迷的年龄，可以调查潜在的激素对肠道微生物群的影响。事实上，在这个年龄阶段，性别特异性肠道微生物群落的多样化似乎开始了。与此同时，随着年龄的增长，需氧菌和兼性厌氧菌的数量在逐渐减少，而厌氧菌的数量在不断增加。在小鼠中，断奶后的雄性和雌性几乎相同的肠道微生物群落，在青春期发育成不同的性别特异性肠道菌群。令人惊讶的是，将成年雄性的肠道微生物群转移至未成熟的雌性体内，改变了受者的微生物群，导致了与雄性相似的睾酮激素水平升高，并起到了预防糖尿病的作用。在人类中是否存在类似的现象，并且在青春期发生的激素变化是否会引发肠道菌群的变化，或者微生物群落的变化是否会影响一些性成熟、行为或激素分泌模式的特征，都有待探索。
与之前的报告不同的是，最近的研究表明，青少年的微生物组与成人的不同（没有成人那么复杂），尽管他们显然有一个相同的核心的微生物组结构。特别是，研究发现，与成人相比，青少年的梭状芽胞杆菌和双歧杆菌的含量明显较高，但成人与青少年之间的微生物物种数量仍然相似。此外，研究发现，青少年的微生物组在功能上与成人不同，其表达与发育和生长相关的基因，而成人微生物组则与炎症和肥胖联系在一起。越来越多的人认识到，在从婴儿期到青春期的成熟过程中，微生物群落获得了一种被称为“耐药基因组”的抗生素抗性基因。这些早期微生物群落中的抗生素抗性基因是否会影响宿主-微生物群落共存是一个有待解决的问题。青春期标志着几种情绪障碍的开始，如焦虑、抑郁、精神错乱、精神分裂症和进食障碍。与此同时，关键的发育过程——如突触的修剪和髓鞘的增加，是在青春期完成的。微生物组变异是否会影响这一年龄组的这些过程，值得进一步研究。
成人期
与早期生活相比，成人微生物群相对稳定，这可能是核心的永久定植者能够缓冲外界的刺激（如应激）。因此，尽管存在个体差异，但在健康的成年人中，似乎在健康成年人的功能层面存在一个核心肠道菌群。成年微生物群落的一个特点是微生物的丰富性和复杂性增加，这是由与年龄相关的在成人的肠道表面积逐渐扩大所支撑的，肠道表面积在成人时达到峰值，为新共生体的招募创造了额外的生态位（niches）。尽管成人的微生物群落是成熟和相当稳定的，但它仍可能受环境扰动的影响。最近的一项研究表明，即使是短期暴露于植物或动物性饮食，也会极大地改变成人肠道微生物群落结构，这表明了微生物群在功能演化方面的巨大灵活性。其他涉及短期人类营养干预的研究挑战了这一观点，并提供了更具营养弹性（resilient）的观点（该研究发现，各面包类型对多个临床参数没有显著差异影响，肠道菌群对于这种营养干预非常具有弹性）。此外，环境变化，如季节变化或温度波动，也被认为通过改变微生物群的组成和功能来影响动物的肠道菌群。因此，在不同国家的成年人肠道微生物群中观察到的差异似乎是多个区域特异性环境因素的结果，这些因素共同塑造了肠道微生物群的组成和功能。高海拔也被认为是调节微生物组结构的一个因素。最近的一份报告显示，高海拔反刍动物的微生物群落已经进化到在这些极端环境中支持能量的收获。在高海拔地区，氧气供应减少可能是调节宿主肠道微生物群动态的另一个因素。
在怀孕期间，肠道微生物组的组成发生了很大的变化，特别是在后三个月，变形菌和放线菌增加。与移植孕早期母亲微生物组的无菌小鼠相比，移植孕后期母亲的微生物组，导致了代谢变化，如体重增加和炎症反应。值得注意的是，DiGiulio等人的一项随访研究未能发现在三阶段（孕早期、孕中期及孕后期）之间母亲体内的肠道微生物群落发生了重大变化。研究人员推测，肠道微生物组的改变，以及怀孕期间和产后早期的激素水平的剧烈变化，可能会影响母亲的精神平衡和健康，在某些情况下，会使她们产生焦虑和抑郁等精神问题。怀孕期间，这些激素和微生物的波动是否会影响到母亲在生命后期的精神状态稳定，还有待观察。
衰老期
随着年龄的增长，人类多个与生长、新陈代谢、能量平衡和免疫有关的器官系统逐渐丧失功能。有几项研究试图通过将婴儿和成人的微生物组组成与老年人和百岁老人进行比较。该领域的一项开创性研究通过使用16S rDNA测序的161名老年白种人的微生物组特征进行分析，结果显示，在65岁以上的老年人中，他们的肠道微生物群中有一种明显的转变，从年轻人的厚壁菌门（Firmicutes）转变为老年人的拟杆菌门（Bacteriodetes）。事实上，核心微生物组（被定义为在至少50%的参与者中存在的独特微生物物种）在老年人和年轻人之间有着显著的差异。在老年人群中，占了一半以上的核心微生物组的拟杆菌属（Bacteroides）、另枝菌属（Alistipes）及Parabacteroides菌属，仅占年轻人微生物组核心的8%～27%。有趣的是，在老年人肠道菌群中发现了强烈的个体间差异，最大的波动是由Faecalibacterium菌属和瘤胃球菌属（Ruminococcus）引起的。一些梭菌群（Clostridium clusters），特别是IV群和XIVa群，它们的比例也有很大的变异。此外，来自同一个人的时间依赖性微生物组样本显示，个体间的差异比个体内随时间的变化更大。然而，这项选择监测个体内部变异的3个月研究可能不足以捕捉重大的微生物组变化。因此，在这个实验方案中，微生物群落进化了几十年，微生物群在几十年的演化过程中所发生的动态变化可能没有得到充分的体现。在研究微生物组的变化时，需要开展纵向的人群研究，这可能有助于提示健康的衰老过程。
微生物组与年龄相关的健康下降之间的关联，受到照护状况、生活方式和饮食的影响，长期居家照护（residential care）的老人的微生物组与社区居住的老年人及年轻人均有着明显区别。拟杆菌门（Bacteriodetes）在长期照护的老人中非常丰富，而厚壁菌门（Firmicutes）在社区居住的老人中占主导地位。在社区居住的老人中，粪球菌属（Coprococcus）和Roseburia菌属是最丰富的属，而长期照护的老人为粪芽孢菌属（Coprobacillus）、厌氧棍状菌属（Anaerotruncus）、Parabacteroides菌属、Lactonifactor菌属及优杆菌属（Eubacterium）。根据这两类老人的纤维/脂肪进食比率，研究人员将他们分成了四组。一般来说，居住在社区的受试者会消耗更多的富含纤维的食物，这与更多样化的微生物组和减少的炎症状态相关（血清TNF-α、IL-6、IL-8和C反应蛋白）。虽然这项研究纳入相对较少的个体，并且未证实微生物组组分对健康老龄化的影响，但宏基因组的鸟枪法测序揭示，在社区居住的老人中，细菌代谢短链脂肪酸（尤其是乙酸和丁酸）的基因非常丰富。
对小动物模型的衰老研究已经发现了不同的微生物群落变化，特别是在年老的小鼠身上，它们与人类的微生物群落变化有部分相似之处。虽然在人类中也记录了在中年和年老的小鼠身上发现的另枝菌属（Alistipes）的显著扩张，但在人类身上观察到的Faecalibacterium菌属和乳杆菌属（Lactobacillus）与衰弱（frailty）之间的负相关关系，却未在小鼠身上观察到。与一些人类研究不同的是，小鼠的微生物群落并没有表现出任何一种优杆菌科（Eubacteriaceae）家族成员，而且在厚壁菌门/拟杆菌门比率方面也表现出差异。然而，老年人和年老小鼠的微生物群落之间存在一些相似之处，例如，低水平的微生物相关代谢产物钴胺（维生素B12）和生物素（维生素B7）以及它们各自的微生物代谢途径。此外，在在人类中，肌酸和肌酐降解随着衰老而增加，与肌肉萎缩和脆弱有关。一些研究报道，在小鼠中，乳杆菌属（Lactobacillus spp.）随衰老而下降，但该研究结果未得到其他研究人员重现。有趣的是，在小鼠和人类的某些疾病中，Akkermansia菌属与有益的影响有关，但在中年小鼠中显著减少，在老龄小鼠中几乎完全消失。Akkermansia菌属参与了肠道重塑和自噬，并通过维持拟杆菌门/厚壁菌门动力学来控制肠道吸收能力。因此，随着年龄的增长，该菌的消失值得进一步研究。小鼠微生物组的年龄相关变化可能源自环境的差异，而且主要是饮食因素。例如，在低脂饮食的小鼠中，长期热量限制增加了衰老相关的乳杆菌属，并与延长寿命和降低血清脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）水平有关。相反，在以高脂肪饮食喂养的小鼠中，大多数微生物组物种对热量限制的反应是截然不同的，它们属于紫单胞菌科（Porphyromonadaceae）家族。另外，宿主内在因素对微生物组组成的影响，仍研究较少。Langille等人监测了年轻、中年及老年小鼠的粪便微生物群，并注意到这些基因相似的小鼠的微生物组存在显著的年龄依赖性差异。这表明，来自衰老宿主的内在因素可能会调节微生物组的组成、功能和丰度。然而，在这方面，需要排除与饲养有关的混杂因素。
其他年龄相关的宿主功能可能会影响微生物组结构，其中可能包括影响雌激素水平的女性更年期，这反过来又会产生影响肌肉和骨骼生长和功能的“溢出效应”。佩特森实验室的最新发现涉及将来自传统饲养的年轻或年老小鼠体内的微生物组移植到无菌的年轻小鼠身上，结果表明，来自年老供体的微生物群的促进生长的潜力得到了增强。这些支持生长的信号由年老供体的微生物组产生，它表明了一种有趣的微生物群落介导的关联，即随着年龄增长，癌症发病率的增加。这些变化是否有助于衰老的组织学、行为或临床表现，值得进一步研究。
我们的大脑也会受到与年龄有关的改变，比如早期生活的发育受损，或者在生命后期的加速的神经退化。有趣的是，一些神经退行性疾病和胃肠道疾病之间存在临床联系，这些退行性疾病包括自闭症谱系障碍、帕金森病和阿尔茨海默病，这引起了人们对探索微生物群落紊乱与这些疾病表现之间可能的联系的兴趣。事实上，在动物模型中，微生物-中枢神经系统的关联已在自闭症和阿尔茨海默病这两种疾病中得到突显。对人类的初步研究表明，帕金森病与肠道微生物组的改变有关，特别是普氏菌属（Prevotella）和肠杆菌属，它们对肠道或其他帕金森病表现的影响仍有待研究。多种细胞类型和途径可以介导这种肠道微生物-中枢神经系统轴。总的来说，这些有趣的联系强调了进一步研究肠道微生物组-神经系统轴的机制的重要性和必要性。
极端老龄化：百岁老人
对人类寿命极端情况下微生物群的研究指出，年轻人与老年人（间隔约40年）肠道微生物群组成的差异小于老年人与百岁老人（间隔小于30年）肠道微生物群的差异。Biagi等人研究了年轻人、老年人和百岁老人（105岁～109岁）的微生物组，以识别可能的核心的衰老相关微生物组。其中最引人注目的发现之一是在百岁老人中出现了一种独特的微生物足迹，其特征是“与健康相关的”分类群的数量增加，如双歧杆菌（Bifidobacterium）、Christensenellaceae菌及Akkermansia菌。虽然这种“有益”的微生物群落的因果关系还没有被证实，但它提供了一种令人着迷的机会，让我们可以看到一种可能的生物印迹，可以用来探索“支持老化”的微生物群落和功能。
微生物组对寿命的影响
到目前为止，还没有研究肠道菌群对人类寿命的影响。然而，一些在简单生命和动物模型中的研究代表了这类研究的开始。无脊椎动物模型系统（果蝇和线虫）被用作研究可能的微生物-衰老轴，因为它们在自然界和实验室中都具有微生物群。线虫研究产生了一些有趣的观察结果。例如，大肠杆菌OP50细菌和丛毛单胞菌（Comamonas）DA1877在线虫体内诱发了不同的代谢反应，调节发育和衰老。最近的一项研究强调了一氧化氮（nitric oxide，NO）的作用，这是由共生细菌产生的，可调节蠕虫的寿命。最近，另外两项研究表明，抗糖尿病药物二甲双胍（之前被证明是一种强有力的线虫长寿因子）作用于线虫共生菌的叶酸代谢途径，从而减少了线虫微生物蛋氨酸的含量，从而提高了蠕虫的寿命。有趣的是，Han等人最近发现了一组29个大肠杆菌基因，这些基因在被删除后，显著增加了线虫宿主的寿命，这表明在更复杂的生物体中，微生物与寿命之间有着密切的联系。这项研究强调了一种独特的机制，即一种细菌多糖——荚膜异多糖酸（colanic acid），通过调节宿主线粒体动力学和未折叠蛋白反应来促进线虫的寿命增加。
就像在线虫身上一样，最近的几项研究强调了微生物群对果蝇衰老的可能的调节作用。在果蝇肠道上皮层中发现了一种新的衰老相关信号途径，这一信号途径被认为是由转录因子Foxo调控的，它减少了下游的先天免疫传感器SC2。这一途径的受损被证明可以驱动果蝇微生物群的组成和功能的改变、上皮完整性的破坏，以及果蝇寿命的缩短。恢复这条途径可使寿命延长，这表明微生物群及其对宿主转录程序的影响可能是长寿因子。在果蝇幼虫中，营养不良的饮食导致了生长迟缓，这继发于果蝇微生物群诱导宿主TOR途径上调。由于TOR抑制与不同物种间寿命的延长有关，因此，除了其对生长的显著影响之外，确定微生物群成员是否可以调节衰老，将是一件有趣的事情。这些有趣的微生物群落的作用是否也会影响更复杂的生命形式——包括人类，以及这种假定的长寿机制是否可以被操纵，值得进一步研究。值得注意的是，最近在哺乳动物模型中描述了微生物组与年龄相关的炎症之间的一个有趣的联系。无菌小鼠的寿命比常规小鼠更长，其特点是循环促炎细胞因子水平降低。无菌小鼠与老年常规小鼠（而非年轻常规小鼠）共同生活，导致了炎症状态的增加。这种衰老依赖性的微生物组对炎症的影响，被认为是由TNF-α介导的，因为无菌小鼠与tnfα缺陷型小鼠或给予抗TNF-α处理，均消除了与年龄相关的炎症。短寿命的非洲鳉鱼（Nothobranchius furzeri）正被越来越多地使用，似乎是研究衰老的一个充满吸引力的模型。有趣的是，将年轻鳉鱼的微生物组移植至中年鳉鱼，会使寿命延长，衰老相关的行为特征延迟，以及微生物多样性的增加。
结论和展望——微生物群落的动态
在多个研究中，肠道菌群似乎在不同的生命阶段具有标志性特征。从一种相对简单的微生物组成开始（这一时期似乎受到出生时分娩方式的影响），随着环境和生理的影响，这些后代的微生物群落复杂性也随之增加。尽管微生物组被认为是具有弹性的，并受到环境因素的影响，但微生物组的组成和功能可能是由缓慢变化的、垂直传播的核心微生物组以及更具弹性的微生物组成部分所主导的，后者对环境动力学反应更快。人类的微生物群落及其功能在一定程度上因地理位置和饮食摄入而有很大的不同。这些变异可以作为个性化医疗的一部分，病人或特定疾病的微生物及其代谢物将可被临床应用为潜在的诊断或治疗。尽管在描述不同生命阶段相关的微生物特征方面已经取得了很大的进展，但更多的研究需要确定微生物组的哪些组分会对共生功能体产生因果效应。合理地说，现在迫切需要在涉及转录组学的微生物学研究中纳入功能研究，以更好地理解微生物和宿主之间错综复杂的交互作用。由于该领域的年轻，目前缺乏追踪同一个体在整个生命中微生物变化的前瞻性研究。当前，大多数与年龄有关的研究仍停留在描述性的水平上，报告了不同年龄组之间的微生物组成变化，而到目前为止，没有研究表明年龄相关的表型与特定的微生物组或其产物之间存在因果关系。例如，有必要对无菌小鼠（已定植不同年龄个体的微生物群落）的衰老过程进行研究。进一步的限制来自于常用的16S rDNA测序手段，该技术允许识别的大多数细菌只到属的水平。利用鸟枪法测序可以识别特定的引起衰老或受影响的细菌菌株，然后可以培养（如果可能的话），并使用无菌动物和年龄依赖性疾病的转基因动物模型进行深入研究。这种综合性的方法可能会帮助破译微生物群落受到影响或主动影响成熟和衰老的机制。同样，对实验条件也要有更好的认识，以便更好地再现研究。
最近的一些有趣的观察结果表明，低生物量的微生物群落可能在脂肪、膀胱、胆囊和胎盘等组织和器官中定植，这些微生物可能在器官稳态或扰动中可能发挥了作用。在这方面，最近一个很好的例子表明，简单地改变实验条件就可能会影响到微生物组对宿主生理的作用。微生物进入深海蛤的真核细胞需要甲烷气体的存在。然而，在实验室条件下，在没有甲烷的情况下，将深海蛤蜊藏匿在没有甲烷的环境中，会导致微生物逃避蛤，导致蛤的生理功能受损。这表明，在看似无菌的组织中的低生物量微生物的定植可能会影响这些组织的功能，但是此类研究可能需要特殊的环境条件，这在常规实验中被忽视。
最后，越来越清楚的是，微生物和人类一样，它们形成了独特的生物膜结构。微生物群落的体内通讯网络及其对宿主的影响，在体内微生物群落背景下还研究甚少，值得进一步探索。
新的人类微生物群落干预策略
针对微生物组的治疗被认为是潜在的有吸引力的未来治疗方式，因为肠道微生物通过口服途径进行干预是相对容易的，而且微生物组可能因这种干预而发生改变。然而，目前，针对感兴趣的微生物的可靠且可重现的干预措施是有限的。来自经过测试的供体的粪便微生物群移植（fecal microbiota transplant，FMT）似乎对艰难梭状芽胞杆菌结肠炎的患者来说尤其有希望，但是它在年龄有关的疾病方面的疗效还有待检验。益生菌是另一种干预手段，但它们的定植有效性和下游宿主效应仍然存在争议。例如，具有争议性且目前尚处于推测性的益生菌干预方式，旨在利用特定的细菌诱导健康的改变心智的效应，统称为“精神生物制剂”（psychobiotics）。根据最近的报告，给予特定微生物物种可能会影响大脑功能，前者可调节神经递质的水平和可用性，或者影响下丘脑-垂体-肾上腺（hypothalamic- pituitary-adrenal，HPA）轴的免疫功能或激素信号转导（如糖皮质激素介导的反应）。尽管有这些观察结果，但需要机制研究来确定定植的有效性和稳定性、作用的分子机制、给药细菌之间的组合作用和交互作用以及它们对宿主的影响。在这方面，将人类患者/供体的微生物群落定植至无菌动物，可获得供体微生物结构的部分长期稳定性，但仍可能在机制探索中是有益的，并且应该与改进的测序工具一起使用。其他目前正在探索的微生物干预方法包括：整合个别定制的细菌产品——益生素（postbiotics），通过益生元（prebiotics）或个性化营养对微生物组进行合理的个性化调节，以及通过噬菌体治疗对靶向微生物进行干扰。总的来说，这些治疗方式可能是未来以可控的方式调节微生物组的方法，从而潜在地影响微生物相关的疾病。认识到肠道微生物群对人类生理的影响是现代医学的一种思考模式转变，标志着我们对现代生物学和人类演化的理解的概念上的进步。详细了解我们的不断演化的肠道微生物，将给予我们应对和适应内在和环境波动的能力，将提供一个绝佳的机会来支持21世纪医学，从而尝试开发干预方案，促进跨年龄的人类健康。
(作者：高建臣）
参考文献：Cell 2017;171:1481-1493