隨著工業化的進展，哮喘、過敏、自身免疫性疾病、代謝紊亂等疾病的發病率不斷上升。一系列的研究表明，這些疾病的發生發展或許與生命早期微生物組受到干擾有關。

近期，倫敦帝國學院的Petter Brodin在Science雜志上發表了題為Immune-microbe interactions early in life:A determinant of health and disease long term的綜述文章。該文圍繞產前、圍產期和產后三個階段探討了微生物組與宿主免疫系統之間的互作，并討論了早期微生物組受到的擾動、“祖先”環境與現代環境之間的不匹配等對健康和疾病的影響。

1.產前

從胎兒到成人的過渡期內，免疫系統和造血系統經歷了一系列的動態變化。這些變化造就了早期血細胞功能和免疫反應的多種獨特特征。近期的研究表明，這些變化或許與微生物相關。

在妊娠早期，胎兒的免疫細胞具有母體耐受性，而在妊娠后期，這些免疫細胞則朝著抵抗病原體的方向發展，為即將到來的微生物定植做好準備。比如，研究表明，在妊娠18-22周時從胎兒腸系膜淋巴結提取的幼稚T細胞對同種異體細胞高度敏感，易上調FoxP3并在刺激后分化成調節性T細胞（Tregs）。

胎兒和成人造血干細胞存在多方面的差異，如增殖率、譜系偏向等。從胎兒狀態轉變為成人狀態的時間節點因人而異，但會受到產前暴露（如母體壓力和感染）的影響（圖1A）。小鼠研究表明，產前后期I型干擾素（IFN）的短暫峰值會觸發小鼠向成人造血狀態轉變。

目前尚不清楚觸發產前IFN-I產生峰值的因素（無菌條件下亦存在該情況），但這種細胞因子在感染期間很容易被激發并且可以穿過胎盤。因此，上述現象表明母親和/或胎兒的產前感染或是造血干細胞轉變的開關。

不僅病原性微生物會誘發胎兒的適應性，共生微生物也具有這一作用。共生微生物在懷孕小鼠體內的暫時定植，可以激發胎鼠的腸上皮并招募免疫細胞，為產后微生物定植做好準備。母鼠微生物對胎鼠免疫力的誘導依賴于免疫球蛋白（IgG）介導的微生物成分的跨胎盤轉移，通過這一過程可以幫助胎鼠抵御入侵性感染（圖1B）。

經胎盤轉移的微生物成分的另一個作用可能是為胎兒T細胞提供抗原，從而降低其活化閾值，為后續的微生物定植做準備，防止過度的免疫反應。

圖1.產前準備

2.分娩

通常，荷爾蒙的變化促使母體分娩，但炎癥信號和胎兒-母體耐受性的破壞也可能會引發分娩。感染等炎癥刺激可以導致這種耐受性的喪失，并導致早產。特定的陰道微生物也與早產有關。

通過陰道分娩的嬰兒，其首先接觸到的微生物主要來源于母親的糞便和陰道。而通過剖腹產出生的嬰兒則主要先接觸母親的皮膚微生物。不同的分娩方式導致出生后早期微生物組存在巨大差異。出生后，嬰兒會繼續接受來自父母和其他來源的微生物。不過通過陰道分娩獲得的微生物和來自腸道的微生物更適合在嬰兒腸道中生存，并能夠占據主導地位。

母乳喂養會促進新生兒腸道中的某些微生物，如雙歧桿菌。而抗生素的使用會損害微生物組的多樣性，并影響腸道菌群的正常發育，且生命早期的抗生素暴露與后期多種疾病相關，包括過敏、哮喘、1型糖尿病、肥胖等。

3.生命早期

出生后，免疫細胞必須要能夠識別體內定植的微生物，并作出正確的判斷——接受它們還是殺死它們。宿主-微生物共生關系的建立對維持健康至關重要，目前已知多個過程可以影響這一關系的建立。

缺乏Treg的兒童通常在微生物定植后會出現嚴重的腸道和皮膚炎癥。小鼠實驗表明，圍產期產生的一類獨特的FoxP3+Tregs對維持自我耐受性和防止生命后期發生自身免疫性疾病至關重要。

此外，腸道抗原暴露的時間和地點也是影響耐受性建立的重要因素之一。小鼠斷奶前（出生后10到20天）是建立對腸道共生菌免疫耐受的關鍵期。斷奶前的接觸（機會之窗）有可能是通過誘導表達轉錄因子RORγt的Tregs來產生耐受性的（圖2）。

抗原感應的時間和地點受到杯狀細胞相關抗原通路（GAP）的調節，而母乳中的EGF會抑制GAP的形成。

時間對食物過敏的發展也很重要，早期接觸潛在的過敏原會降低對這些相同抗原的過敏風險。母乳中的IgG-抗原復合物、EGF和TGFβ也可以降低母乳喂養嬰兒的過敏風險。

對于人類而言，機會窗口的具體時間尚不明確，但生命的前100天接觸抗生素與過敏性疾病的風險增加有關。

母乳中的母乳低聚糖（HMO）可以被某些腸道微生物代謝，如嬰兒雙歧桿菌，并促進吲哚-3-乳酸等代謝物的產生。這一過程可以誘導T細胞從炎癥性的TH17和TH2轉向TH1，并抑制炎癥反應。

除了HMO，母乳中的IgA抗體已被證明可以促進小鼠體內某些特定微生物的定植，母體IgG則被證明可以防止侵入性感染。

圖2.生命早期：促進耐受性建立的因素。

4.不匹配的環境

免疫系統在微生物的強大選擇壓力下不斷進化。解釋免疫相關疾病發病率上升的理論有衛生假說和老朋友假說。兩種假說都體現出了人類進化過程中的“祖先”環境與現代環境條件之間的不匹配（圖3A）。這種不匹配可能會導致本會發揮關鍵功能的重要微生物的喪失、具重要功能的特定營養物質的喪失等情況。

雖然在生命早期適應的關鍵時期誘導某些表型和鎖定某些條件可以對全生命周期產生某些益處，但產生這些益處的前提可能是生命早期所經歷的環境條件能夠代表生命后期所遇到的環境條件。

圖3.祖先環境和現代環境之間的不匹配以及生長和免疫力之間的平衡。

5.生長與免疫功能之間的平衡

控制整體免疫功能的機制之一是能量分配和保持對免疫（維持）、生長和繁殖投入的平衡。

人類剛剛出生時非常依賴父母提供的保護和食物。在某些地區食物供應依然是限制因素，會影響母乳的數量與質量，從而影響嬰兒生長和免疫力之間的平衡。

不過在工業化社會中，食物供應很少是孕期或哺乳期的限制因素。與約100年前的新生兒相比，如今母乳喂養和配方奶喂養的嬰兒的生長軌跡有很大不同（圖3B）。

1916年，母乳喂養的嬰兒在出生后的前8個月有一個比較穩定的生長率，此后在接下來的幾個月里，生長率趨于平緩。2006年，美國CDC的生長圖顯示，配方奶粉喂養的嬰兒最初的生長速度比WHO標準曲線中的純母乳喂養的嬰兒慢，但從6個月起就超過了母乳喂養的嬰兒，并且1歲時的平均體重比母乳喂養的嬰兒更高。

從上述現象來看，造成免疫相關疾病發病率不斷增高的另一個原因可能是環境條件的變化（如可以無限獲取營養和能量）破壞了資源分配的進化保守機制，造成生長和免疫功能的“投入”失衡（圖3C）。