(中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會 北京 100048)
2017 年,我國發(fā)布了《國民營養(yǎng)計劃(2017—2030 年)》,其中最重要的舉措之一是“生命早期1000 天”營養(yǎng)健康行動,旨在提高孕產(chǎn)婦和嬰幼兒的營養(yǎng)健康水平。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的定義,“生命早期1000 天”涵蓋了懷孕期(約280 d)至嬰幼兒2 歲的時間段。這個時期是個體成長和智力發(fā)育的“機遇窗口期”。在此期間,大腦經(jīng)歷了神經(jīng)管的形成、神經(jīng)元的快速增殖、神經(jīng)細胞的遷移和分化、突觸的形成和修剪、神經(jīng)元的髓鞘化等發(fā)育過程,并最終形成基本成熟的結(jié)構(gòu)。這些過程對于后續(xù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和行使高級神經(jīng)功能(如視覺信息處理、語言學(xué)習(xí)、情緒反應(yīng)、認知和意識等)都至關(guān)重要[1]。
生命早期1000 天通常也被認為是營養(yǎng)因素能夠發(fā)揮有益表觀遺傳效應(yīng)的最佳時期。充足、均衡的營養(yǎng)成分攝入,包括宏量營養(yǎng)素、微量營養(yǎng)素及其它功能活性成分等,對保障良好妊娠環(huán)境和嬰幼兒健康發(fā)育至關(guān)重要。這一時期的營養(yǎng)缺乏、失衡乃至不良飲食因素暴露(如孕產(chǎn)婦高脂肪飲食、營養(yǎng)不良或食源性致病因子感染等),可能增加嬰幼兒發(fā)生自閉癥、多動癥,以及成年后罹患精神類疾病的風(fēng)險[2-3],并且難以通過后續(xù)生命進程中的營養(yǎng)補充逆轉(zhuǎn)。2019 年,國家衛(wèi)健委建議特別關(guān)注生命早期1000 天的營養(yǎng)支持和干預(yù)。全球多個權(quán)威組織相繼發(fā)布與嬰幼兒相關(guān)的喂養(yǎng)指南,為這一成長關(guān)鍵期提供了科學(xué)、實用的喂養(yǎng)指導(dǎo)。隨著這些政策措施的實施和科學(xué)知識的普及,生命早期營養(yǎng)干預(yù)的重要性已得到廣泛認知。本文旨在系統(tǒng)、深入梳理與大腦神經(jīng)發(fā)育相關(guān)營養(yǎng)物質(zhì)的科學(xué)證據(jù),為指導(dǎo)保障嬰幼兒大腦健康發(fā)育的營養(yǎng)實踐提供理論基礎(chǔ)。
大腦發(fā)育涉及一系列復(fù)雜的生理過程。在生命早期的發(fā)育過程中,大腦的容量會迅速地增加,表現(xiàn)為出生后2~3 周即可達到成人腦容量的35%,出生后第1 年比足月時增加1 倍,出生后第2 年約達成人的腦容量的80%[4]。除此之外,在生命早期發(fā)育過程中認知和行為能力也完成了關(guān)鍵的構(gòu)建,形成了重要的感知和運動技能、語言和溝通能力、社交和情感功能等。其中,9~24 月齡是兒童社會認知能力快速發(fā)展的時期,而語言能力在9~22 月齡期內(nèi)快速形成[5]。
具體來說,妊娠期是大腦發(fā)育的首要時期,胎兒的大腦在子宮內(nèi)經(jīng)歷了細胞多樣性的急速增加,為其后續(xù)的功能成熟打下基礎(chǔ)。妊娠末期,典型的人腦經(jīng)歷了復(fù)雜的回路形成和神經(jīng)元的最終遷移與連接過程[6]。嬰兒出生后的前3 個月被認為是大腦發(fā)育的第2 個關(guān)鍵時期,此時大腦進行了與突觸形成和軸突生長相關(guān)的代謝調(diào)整,同時顱骨周長迅速增加[7]。與智力和認知緊密相關(guān)的大腦皮層厚度也在嬰兒期內(nèi)迅速增加[7]。盡管幼兒期大腦的灰質(zhì)和白質(zhì)體積增長速度較嬰兒期減緩,但仍分別增加了13.8%和15.9%,表明幼兒期是嬰兒期后的第3 個關(guān)鍵發(fā)育時期。2 歲后,大腦的發(fā)育逐漸趨于平穩(wěn),逐漸完善和成熟[8]。
除了關(guān)鍵的發(fā)育窗口期,生命早期大腦的發(fā)育也涉及一系列生理過程,包括胚胎板的形成、神經(jīng)板的形成和折疊、神經(jīng)管的形成和閉合、腦部分化、腦細胞的遷移與分化、突觸的形成與重塑、神經(jīng)系統(tǒng)的成熟等[3,9]。例如,神經(jīng)管在胚胎時期會經(jīng)歷多個關(guān)鍵步驟并最終演化成腦和脊髓[10],而神經(jīng)元是大腦中分布最廣泛的細胞類型,其利用神經(jīng)遞質(zhì)和電信號并通過突觸傳遞信息[11]。此外,髓鞘的形成始于妊娠初期并一直持續(xù)到成年期,特別是在妊娠中期到出生后2 歲期間最為活躍[12]。生命早期大腦發(fā)育所涉及的各種復(fù)雜生理過程(表1)共同構(gòu)建出一個多層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并且隨著各腦區(qū)在發(fā)育過程中的逐漸成熟而形成各種獨特的功能。
表1 生命早期大腦的發(fā)育過程及相應(yīng)功能Table 1 Developmental process and corresponding functions of the brain in early life
雖然尚未完全了解大腦發(fā)育相關(guān)的確切分子機制,但是大量研究表明,生命早期大腦發(fā)育受到遺傳因素和環(huán)境因素的共同影響[13-14](見表2)。由于大腦的發(fā)育受到嚴格的遺傳程序控制,因此遺傳因素的改變對于大腦發(fā)育具有重大而根本的影響[15]。除了遺傳因素,環(huán)境因素也對生命早期大腦的發(fā)育產(chǎn)生重要影響。不利的環(huán)境因素,如過量工業(yè)化學(xué)品暴露,會對生命早期的大腦發(fā)育構(gòu)成嚴重威脅,造成新生兒患神經(jīng)發(fā)育障礙的風(fēng)險增加[16]。作為人體微生物環(huán)境的一部分,腸道微生物也成為影響早期大腦發(fā)育的重要環(huán)境因素,并受到廣泛關(guān)注。營養(yǎng)因素作為另一種環(huán)境因素,其對大腦的發(fā)育影響重大[17]。良好的營養(yǎng)對于生命早期大腦的發(fā)育是有利的,其可以在較大程度上促進大腦的健康發(fā)育。在生命早期1000 天,宏量營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素為大腦和神經(jīng)認知功能的發(fā)育提供了基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。在孕期,胎兒接受母體來源的營養(yǎng)物質(zhì),開始了以維持自身生長發(fā)育的物質(zhì)儲備,這些儲備也將直接影響出生后嬰幼兒的營養(yǎng)狀況。在哺乳期,母體營養(yǎng)物質(zhì)由乳汁傳遞進入嬰兒體內(nèi)。隨著輔食添加的開始,膳食開始成為嬰幼兒營養(yǎng)物質(zhì)的重要來源,一些其它膳食營養(yǎng)成分也開始發(fā)揮作用。
表2 影響生命早期大腦正常發(fā)育的因素Table 2 Factors affecting the normal development of the brain in early life
在生命早期階段,平衡膳食對大腦及神經(jīng)發(fā)育至關(guān)重要。合理配比的營養(yǎng)素攝入對神經(jīng)細胞的生長和連接、大腦功能的建立和發(fā)展、智力和認知能力的形成都起著關(guān)鍵作用。此外,在生命早期階段對個體營養(yǎng)素缺乏情況的針對性補充,則有利于保障大腦結(jié)構(gòu)的形成、神經(jīng)細胞的生長、突觸的形成和神經(jīng)信號的傳遞等。
生命早期大腦能量消耗可占機體總能量消耗的60%[18-19]。分娩后,新生兒大腦體積和體表面積會顯著增加,加之諸多神經(jīng)生理過程的發(fā)生,如皮質(zhì)分層、神經(jīng)細胞分化、突觸可塑性和成熟過程等,導(dǎo)致大腦對能量和營養(yǎng)的需求極大增加[18]。碳水化合物中的葡萄糖是其主要能量來源,而蛋白質(zhì)則在大腦的結(jié)構(gòu)維持中扮演著重要角色。氨基酸是蛋白質(zhì)的組成部分,也是許多神經(jīng)遞質(zhì)的前體,比如色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等;另有一些氨基酸本身就屬于神經(jīng)遞質(zhì),比如谷氨酸、γ-氨基丁酸等。胎兒無法直接從母體獲得蛋白質(zhì),需以母體氨基酸為原料自身合成[20]。脂肪尤其是脂肪酸,主要在神經(jīng)元突觸和細胞膜中富集,參與細胞膜流動、細胞能量代謝、突觸成熟以及髓鞘的形成等一系列神經(jīng)生理過程。在孕晚期,大量脂肪酸經(jīng)胎盤轉(zhuǎn)運至胎兒組織并在腦組織中富集,為出生后神經(jīng)發(fā)育提供儲備[21]。其中,多不飽和脂肪酸(Polyunsaturated fatty acids,PUFAs)對于胎兒神經(jīng)發(fā)育至關(guān)重要[22]。PUFAs 攝入不足可能導(dǎo)致智力發(fā)育低下、視力改變和認知、語言及運動發(fā)育異常。其中,n-3 和n-6 系列長鏈多不飽和脂肪酸(LCPUFAs)對神經(jīng)發(fā)育的影響尤為顯著,包括α-亞麻酸(α-Linoleic acid,ALA)、二十碳五烯酸(Eicosapentaenoic acid,EPA)和二十二碳六烯酸(Docosahexanoic acid,DHA)、亞麻酸(Linoleic acid,LA)和花生四烯酸(Arachidonic acid,AA)等。出生后,嬰幼兒自身合成DHA 和AA 的能力不足以維持大腦快速發(fā)育對LCPUFAs 的需要[23],因此宮內(nèi)LCPUFAs 儲備、母親乳汁和膳食成為嬰幼兒LCPUFAs 的重要的營養(yǎng)來源[20]。
圖1 宏量營養(yǎng)素在生命早期正常大腦發(fā)育中的作用[24]Fig.1 Role of macronutrients in normal brain development in the early life[24]
孕婦、乳母以及嬰幼兒是微量營養(yǎng)素缺乏發(fā)生的易感人群。嬰兒微量營養(yǎng)素缺乏常繼發(fā)于孕期和哺乳期母體微量營養(yǎng)素的不足[25]。妊娠期孕婦的微量營養(yǎng)素狀況,出生后至6 個月時乳母的微量營養(yǎng)素狀況,從輔食添加至2 歲時嬰幼兒的微量營養(yǎng)素狀況,共同決定了生命早期個體微量營養(yǎng)素水平,繼而影響大腦和神經(jīng)認知發(fā)育。
2.2.1 鐵 鐵是一種常見的微量營養(yǎng)素,孕期、嬰兒期和兒童早期是最容易出現(xiàn)缺乏的時期[26]。鐵不僅參與調(diào)控神經(jīng)發(fā)育的能量供應(yīng),同時也對髓鞘的形成、額葉皮質(zhì)和基底神經(jīng)節(jié)的發(fā)育至關(guān)重要[27-28]。鐵缺乏對大腦和神經(jīng)認知發(fā)育的影響具有一定的時間依賴性。研究發(fā)現(xiàn),孕早期胎兒鐵缺乏將增加孤獨癥的風(fēng)險;而孕中、晚期鐵缺乏分別能引起精神分裂和神經(jīng)認知功能缺陷的風(fēng)險增加[29]。出生時的鐵缺乏會破壞海馬的完整性,導(dǎo)致新生兒的認知記憶功能受損,神經(jīng)處理受到抑制;這種不良影響可能持續(xù)至出生后第4 年[30]。新生兒鐵儲備不足可能導(dǎo)致幼兒期早期出現(xiàn)產(chǎn)后鐵缺乏,從而引起嬰幼兒運動功能障礙、社交情感障礙,甚至增加成年后抑郁和焦慮的風(fēng)險[30]。
2.2.2 鋅 鋅在海馬、小腦,前額皮質(zhì),皮質(zhì)和邊緣系統(tǒng)含量豐富[31]。鋅參與構(gòu)成大腦生長發(fā)育相關(guān)的酶,與神經(jīng)細胞的生成、遷移,突觸和髓鞘形成有關(guān),對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育和神經(jīng)傳遞至關(guān)重要[31]。生命早期鋅缺乏與一些發(fā)育缺陷有關(guān),如學(xué)習(xí)記憶能力低下;而產(chǎn)前或嬰兒期鋅劑補充有助于運動發(fā)育,包括信息處理速度和注意力的改善[32]。
2.2.3 碘 碘以甲狀腺素和三碘甲狀腺原氨酸的形式參與大腦發(fā)育。碘缺乏被認為是全球可預(yù)防性精神功能受損的主要原因[33-34]。在孕期,碘影響胎兒神經(jīng)組織分化發(fā)生的時間[20]。孕期碘缺乏會破壞胎兒神經(jīng)元生成、神經(jīng)細胞遷移、突觸和髓鞘的形成,從而引起出生后嬰幼兒出現(xiàn)先天性異常,如地方性克汀病、亞臨床認知和運動功能缺陷等[35]。輕-中度碘缺乏將增加后代注意缺陷多動障礙(Attention Deficit Hyperactivity Disorder,ADHD)的發(fā)生風(fēng)險;嚴重碘缺乏可能造成胎兒不可逆的神經(jīng)系統(tǒng)損害,導(dǎo)致明顯的智力發(fā)育遲緩。在產(chǎn)后,碘決定出生后形成髓鞘的膠質(zhì)細胞數(shù)量,在神經(jīng)認知發(fā)育中發(fā)揮一定作用。乳汁碘水平在一定程度上能夠預(yù)測幼兒運動發(fā)育能力[20]。
2.2.4 水溶性維生素 葉酸(維生素B9)、維生素B12和維生素B6是3 種與神經(jīng)發(fā)育密切相關(guān)的水溶性維生素。孕期葉酸缺乏可能會導(dǎo)致神經(jīng)管畸形(Neural tube defects,NTDs)、先天性心臟病、唇腭裂、唐氏綜合征等出生缺陷的發(fā)生。隨機試驗和大型前瞻性及回顧性研究的大量證據(jù)表明:圍孕期補充葉酸和膳食強化可有效減少NTDs 的發(fā)生和再發(fā)[36-41]。
維生素B12以腺苷鈷胺素和甲基鈷胺素的形式存在,是髓鞘形成相關(guān)的酶促反應(yīng)中的重要輔酶,因此維生素B12的營養(yǎng)狀況影響神經(jīng)元細胞的發(fā)育和髓鞘的形成。出生后6 個月維生素B12的缺乏會引起神經(jīng)髓鞘形成或脫髓鞘延遲、神經(jīng)營養(yǎng)因子和神經(jīng)毒性細胞因子失衡以及神經(jīng)細胞乳酸堆積,繼而損害神經(jīng)系統(tǒng)正常發(fā)育[42]。孕期和哺乳期母體的維生素B12缺乏可能會影響嬰幼兒的大腦發(fā)育和認知功能[42]。有研究發(fā)現(xiàn),孕期維生素B12缺乏的后代發(fā)生大腦發(fā)育遲緩和NTDs 的風(fēng)險增加[26]。嬰幼兒維生素B12的攝入不足會導(dǎo)致其出現(xiàn)一系列神經(jīng)癥狀,如易怒、冷漠和大腦發(fā)育遲緩等[42]。
維生素B6的主要活性形式為吡哆醛-5-磷酸,以輔酶的形式參與氨基酸的合成、分解和相互轉(zhuǎn)化,并限制多巴胺、色氨酸和γ-氨基丁酸和去甲腎上腺素的合成。維生素B6的水平對這些神經(jīng)遞質(zhì)的合成產(chǎn)生具有重要影響[33]。
2.2.5 脂溶性維生素 作為脂溶性維生素的代表,維生素A 和維生素D 在現(xiàn)有研究中較多地被報道與神經(jīng)發(fā)育相關(guān)。其中,維生素A 主要在胚胎期合成,調(diào)節(jié)發(fā)育相關(guān)的靶基因的表達以及器官發(fā)生[43],可參與調(diào)控突觸的可塑性、學(xué)習(xí)記憶和睡眠等神經(jīng)系統(tǒng)功能[44]。嬰幼兒主要從母親的乳汁中獲得維生素A 以維持自身儲備,從而保障中樞神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育。孕期維生素A 缺乏易引起胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育畸形,嚴重時可引起干眼癥、角膜潰瘍和失明;而維生素A 過量則具有致畸效應(yīng),誘導(dǎo)脊柱裂、腦積水、腭裂、無眼、肢體畸形等的發(fā)生[33]。
維生素D 在大腦結(jié)構(gòu)形成、神經(jīng)元分化、神經(jīng)傳導(dǎo)和突出可塑性、軸突連接、神經(jīng)化學(xué)和多巴胺發(fā)生等過程發(fā)揮重要作用[45]。胎兒維生素D 的獲取主要依賴于母體的胎盤轉(zhuǎn)運,研究表明產(chǎn)前維生素D 缺乏會造成成年期神經(jīng)系統(tǒng)生理過程的持續(xù)改變,從而造成兒童期智力和語言發(fā)育低下的風(fēng)險增加[45]。
2.3.1 活性脂質(zhì) 大腦脂質(zhì)主要由膽固醇、甘油磷脂(包括磷脂酰膽堿和磷脂酰乙醇胺)以及鞘磷脂等組成,其中磷脂是構(gòu)成生物膜重要的物質(zhì),約占嬰兒大腦總干物質(zhì)的四分之一[46]。大腦中磷脂主要包含5 種:神經(jīng)鞘磷脂(Sphingomyelin,SM)、磷脂酰絲氨酸(Phosphatidylserine,PS)、磷脂酰乙醇胺(Phosphatidylethanolamine,PE)磷脂酰肌醇(Phosphatidylinositol,PI)和磷脂 酰膽堿(Phosphatidyl cholines,PC),被統(tǒng)稱為腦磷脂群。
SM 由神經(jīng)酰胺的C-1 羥基上連接磷酸膽堿(或磷酸乙醇胺)構(gòu)成,是母乳中含量最多的磷脂,占總磷脂含量的36%[46]。SM 與生命早期髓鞘的形成有關(guān),是髓鞘的主要成分。PS 由頭部的親水性甘油骨架和尾部兩個較長鏈烴的親油基團組成。研究表明,PS 暴露有助于小膠質(zhì)細胞識別神經(jīng)元并介導(dǎo)突觸消除,維持神經(jīng)回路中突觸信號傳遞的平衡[47-48]。PS 還能夠維持細胞外基質(zhì)和質(zhì)膜之間正常信號傳遞,進而介導(dǎo)下游實現(xiàn)乙酰膽堿生成、多巴胺的釋放、適應(yīng)性免疫等生理過程[49]。PE占哺乳動物細胞磷脂總量的15%~25%,有兩種主要的合成途徑:內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic reticulum,ER)中的二 磷酸胞 苷(Cytidine diphosphate,CDP)-乙醇胺途徑和線粒體中的磷脂酰絲氨酸脫羧酶(PSD)途徑。PSD 途徑有助于細胞PE 水平,并與CDP-乙醇胺途徑協(xié)同作用以維持PE 穩(wěn)態(tài),進而調(diào)節(jié)神經(jīng)元膜融合、膽固醇穩(wěn)態(tài)、線粒體功能和自噬[50]。PI 由磷酸1,2-二酯酰甘油和肌醇組成?;ㄉ南┧岬榷嗖伙柡陀坞x脂肪酸能夠富集在細胞膜的PI 上,并由膜磷脂上的磷脂酶活動所釋放,發(fā)揮對神經(jīng)信號傳遞和突觸可塑性的調(diào)節(jié)作用[51]。PC 狹義上又被稱為卵磷脂,是由極性的磷酸根和酯化醇以及非極性的兩條長烴鏈尾部組成。PC 能夠與體內(nèi)乙酰基生成乙酰膽堿,補充PC能有效加速體內(nèi)乙酰膽堿的轉(zhuǎn)化,還可以使大腦神經(jīng)突觸更加發(fā)達,促進嬰幼兒大腦神經(jīng)系統(tǒng)與腦容積的增長,增強記憶力等功能[52]。
母乳中的磷脂主要存在于乳脂肪球膜(Milk fat globule membrane,MFGM)中。中國人群的嬰兒研究隊列表明,MFGM 的補充能夠抑制蛋白質(zhì)降解途徑,以及通常在喂養(yǎng)奶粉的嬰兒中增強的胰島素原性氨基酸水平,同時可以促進脂肪酸氧化和酮生成,這一特征可能有利于大腦發(fā)育[53]。目前,母乳是嬰兒膳食脂質(zhì)的唯一來源[54]。在人的乳腺中,產(chǎn)乳細胞以MFGM 包圍的球狀體的形式釋放乳汁。MFGM 由3 層極性脂質(zhì)、糖脂和蛋白質(zhì)組成,這種獨特而復(fù)雜的MFGM 結(jié)構(gòu)提供了包括磷脂、神經(jīng)節(jié)苷脂在內(nèi)的活性脂質(zhì)來源[55]。MFGM 中的各類成分對大腦發(fā)育都發(fā)揮一定的作用,目前嬰兒配方奶粉一般也通過富含MFGM 的原料帶入活性脂類。中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會發(fā)布的《乳脂肪球膜及其配料的科學(xué)共識》指出,現(xiàn)有研究表明添加MFGM 及磷脂的嬰幼兒配方乳粉可促進嬰兒大腦認知發(fā)育[56]。
2.3.2 膽堿 膽堿是一種帶正電荷的四價堿基,是所有生物膜的組成成分。人體中膽堿主要依靠膳食提供,在食物中水溶性膽堿主要以游離膽堿、磷酸膽堿和甘油磷膽堿形式存在,脂溶性則主要包括磷脂酰膽堿和鞘磷脂形式。膽堿能夠以濃度梯度擴散的方式通過血腦屏障,并以膜結(jié)合磷脂的形式儲存在腦內(nèi)[57-58]。膽堿在神經(jīng)系統(tǒng)中主要發(fā)揮3 種作用:1)在膽堿?;D(zhuǎn)移酶的催化下形成乙酰膽堿,而乙酰膽堿作為一種神經(jīng)遞質(zhì)發(fā)揮神經(jīng)化學(xué)信號傳導(dǎo)作用,進而影響情緒、認知、記憶等功能[59];2)作為甲基供體,通過調(diào)節(jié)甲基化改變神經(jīng)元的基因表達,從而調(diào)節(jié)神經(jīng)活動;3)保持細胞膜的結(jié)構(gòu)完整性和脂質(zhì)介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)[58,60]。Hunter 等[61]研究發(fā)現(xiàn),母親懷孕期間的血漿膽堿濃度與子代的大腦發(fā)育密切相關(guān),包括新生兒的頭圍和認知能力。Caudill 等[62]在妊娠晚期的美國孕婦中進行為期12 周的隨機、雙盲干預(yù)實驗,設(shè)置高(930 mg/d)、低(480 mg/d)兩個劑量組,證明孕期高膽堿攝入能夠提升嬰幼兒在視覺注意任務(wù)中的反應(yīng)速度。
2.3.3 唾液酸與母乳低聚糖 唾液酸家族是由α-酮糖醛酸組成的一類九碳單糖衍生物,主要存在于脊椎動物、無脊椎動物和微生物中[63-64]。自然界中存在50 多種唾液酸,其中N-乙酰神經(jīng)氨酸(N-acetylneuraminic acid,Neu5Ac)含量占整個唾液酸家族的99%以上[65]。Neu5Ac 在人腦中含量特別豐富,參與調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)生、細胞間識別、突觸-髓鞘膜相互作用和神經(jīng)元塑性等[66-68]。外源性補充Neu5Ac 的健康效應(yīng)在嚙齒動物[69-71]和仔豬[67]中也得到廣泛研究,包括提高學(xué)習(xí)記憶能力,改善認知行為表現(xiàn),增加大腦中神經(jīng)節(jié)苷脂含量等。2017年5 月國家衛(wèi)健委正式批準Neu5Ac 作為一種新食品原料,同年6 月歐洲食品安全局通過了關(guān)于Neu5Ac 作為一種新型食品原料安全性的科學(xué)意見[72]。
母乳低聚糖(Human milk oligosaccharides,HMOs)是母乳中含量僅次于乳糖和脂肪的固體成分?,F(xiàn)有研究表明早期哺乳期(即1 個月)總HMOs 含量、2’-巖藻糖基乳糖(2’-Fucosyllactose,2’-FL)、6’-唾液酸乳糖(6’-Sialyllactose,6’-SL)和3’-唾液酸乳糖(3’-Sialyllactose,3’-SL)與后期嬰兒(即6 至24 月齡)的認知、語言和運動能力發(fā)展水平呈正相關(guān)[73]。對純母乳喂養(yǎng)嬰兒的研究發(fā)現(xiàn),產(chǎn)后1 個月母乳中2’-FL 含量每增加1 μg/mL,嬰兒24 月齡的認知發(fā)展得分增加0.59[74]。此外,6’-SL 與18 月齡嬰兒的整體運動技能和認知發(fā)展評分呈正相關(guān)[75],3’-SL 與嬰兒的語言能力發(fā)展水平顯著正相關(guān)[76]。
2.3.4 牛磺酸 ?;撬幔?-氨基乙磺酸),一種含硫的非必需氨基酸,是大腦發(fā)育過程中含量最豐富的氨基酸之一[77]。在人和多種哺乳動物中,隨著大腦逐漸發(fā)育成熟,牛磺酸的含量逐漸降低,提示牛磺酸在大腦發(fā)育過程中發(fā)揮重要作用[77-78]。?;撬峋哂芯S持細胞膜穩(wěn)定、細胞體積調(diào)節(jié)、線粒體蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)位、抗氧化、抗神經(jīng)毒性,以及調(diào)節(jié)細胞內(nèi)鈣離子水平等多種生理功能[79-80]。在胎兒和新生兒的大腦發(fā)育過程中,?;撬嶂饕獏⑴c調(diào)節(jié)神經(jīng)前體細胞的增殖、新生成神經(jīng)元的遷移,以及神經(jīng)元突觸的形成[77]。一項在早產(chǎn)兒中開展的隨機對照試驗發(fā)現(xiàn),用添加?;撬岬呐浞侥谭畚桂B(yǎng)的嬰兒,其腦干聽覺誘發(fā)電位反應(yīng)比無?;撬崤浞侥谭畚桂B(yǎng)的嬰兒更成熟[81]。
2.3.5 葉黃素 葉黃素是一種非維生素A 原的類胡蘿卜素[82],其與同分異構(gòu)體玉米黃質(zhì)是嬰兒大腦內(nèi)含量最高的類胡蘿卜素[83]。葉黃素在嬰兒大腦內(nèi)的聚集提示其在大腦發(fā)育過程中扮演重要角色[84]。研究表明,產(chǎn)后4 個月成熟乳中葉黃素與膽堿含量越高,6 月齡嬰兒的識別記憶能力越好[84]。此外,母親孕早、中期葉黃素及玉米黃質(zhì)攝入量越高,兒童6~10 歲時的言語智力和行為調(diào)節(jié)能力表現(xiàn)更佳[85]。
2.3.6 益生菌 益生菌的核心功能是改善人體胃腸道健康。近年來隨著“腸-腦軸”理論證據(jù)鏈的逐漸完善,益生菌在調(diào)控神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)功能中的作用逐漸凸顯。2013 年《Cell》雜志首次報道了孕期高脂飲食誘發(fā)的炎癥可能是子代自閉癥風(fēng)險來源之一,而在生命早期補充脆弱擬桿菌,能夠調(diào)節(jié)血清中菌群代謝衍生物水平(如4-乙基苯酚硫酸鹽),進而減輕子代自閉樣行為[86]。Sgritta 等[87]通過多種新生自閉小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn),補充羅伊氏乳桿菌可通過恢復(fù)子代催產(chǎn)素水平,改善大腦腹側(cè)被蓋區(qū)可塑性并逆轉(zhuǎn)社交行為缺陷。另外,益生菌可以保護個體免受生命早期應(yīng)激引起情緒功能障礙,尤其是對突觸形成、神經(jīng)遞質(zhì)合成和神經(jīng)內(nèi)分泌激素釋放具有顯著改善作用[88-90]。Zhu 等[91]的研究表明,孕期補充短雙歧桿菌能夠賦予子代更強的應(yīng)激抵抗能力,減少其與抑郁、焦慮相關(guān)的情緒反應(yīng)和行為,其機制與上調(diào)海馬中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子和神經(jīng)遞質(zhì)5-羥色胺的合成,下調(diào)糖皮質(zhì)激素釋放相關(guān)。近年來,母乳已成為益生菌資源挖掘的重要對象,盡管這些微生物的來源尚未形成共識[92]。母乳中有很多常見的益生菌,如長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、格氏乳桿菌、唾液聯(lián)合乳桿菌、鼠李糖乳酪桿菌等[93]。在母乳中,雙歧桿菌屬和乳桿菌屬的相對豐度為1%~5%,含量為104~105CFU/mL[94-95]。通過益生菌喂養(yǎng)及多生物樣本的宏基因組研究發(fā)現(xiàn),母親口服的雙歧桿菌可通過“口腔-腸道-乳腺軸”垂直傳遞給嬰兒,實現(xiàn)適應(yīng)遺傳選擇的定殖[96]。
目前,諸多證據(jù)表明母體營養(yǎng)對維持健康妊娠和支持胎兒發(fā)育具有重要作用。懷孕前和產(chǎn)前階段提供的營養(yǎng)物質(zhì)不僅為大腦的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ),還可能通過表觀遺傳機制對胎兒大腦進行“編程”[97]。在大腦發(fā)育的這一關(guān)鍵時期,如果不能提供關(guān)鍵的營養(yǎng)物質(zhì),可能會導(dǎo)致大腦功能的終生缺陷。例如,營養(yǎng)不良可能會通過各種渠道影響認知和學(xué)習(xí)結(jié)果,導(dǎo)致大腦發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化,限制與他人互動的能力,從而減少從互動中學(xué)習(xí),降低動機水平,并導(dǎo)致更高的焦慮。綜上,孕期營養(yǎng)干預(yù)對優(yōu)化子代大腦及神經(jīng)認知發(fā)育具有重要的作用。
3.1.1 宏量營養(yǎng)素 懷孕期間營養(yǎng)缺乏的極端案例(比如饑荒)為了解營養(yǎng)不良對大腦發(fā)育的長期影響提供了重要的人群證據(jù)[97]。不同國家的研究顯示,母親孕期營養(yǎng)不良的子女會出現(xiàn)不同程度的認知功能下降[98]。針對宏量營養(yǎng)素缺乏的人群,在孕期及子代出生后2 年內(nèi)補充高能量、高蛋白營養(yǎng),可以改善子代神經(jīng)發(fā)育,具體表現(xiàn)在知識、算術(shù)、閱讀和詞匯測試中得分更高,在信息處理任務(wù)中的反應(yīng)時間也更快[99]。一項由64 名澳大利亞母子組成的隊列研究,在探究母親在懷孕期間攝入的宏量營養(yǎng)素與4 歲兒童認知和行為結(jié)果之間的關(guān)系時,發(fā)現(xiàn)兒童行為智商與母親淀粉攝入量呈負相關(guān),而與其它宏量營養(yǎng)素?zé)o顯著相關(guān)性[100]。
3.1.2 微量營養(yǎng)素 單一或多種微量營養(yǎng)素補充是針對育齡婦女和孕婦的重要營養(yǎng)干預(yù)措施之一。大腦發(fā)育過程中易缺乏鐵,且補充鐵對大腦發(fā)育的益處已得到充分研究,因此補充鐵是最常見的營養(yǎng)干預(yù)措施之一。嚴重的母體鐵缺乏和有限的母體-胎兒鐵轉(zhuǎn)運,可導(dǎo)致新生兒鐵缺乏和相關(guān)的長期認知障礙。然而,產(chǎn)前補鐵對兒童認知發(fā)育的影響并不明確。產(chǎn)前補充鐵通常與補充葉酸同時進行,這種對孕婦的營養(yǎng)干預(yù)措施在尼泊爾的人群隊列雙盲試驗研究中被證實,成功地改善了子代的認知功能,而在中國進行的試驗中卻沒有顯示出任何影響[101-102]。此外,有研究表明,營養(yǎng)素干預(yù)的劑量對子代的認知功能影響顯著。在越南的一項人群隊列研究中,在鐵蛋白水平較低的人群中,每周補充鐵被發(fā)現(xiàn)在改善后代的認知功能得分方面優(yōu)于每天補充鐵。也有研究表明,非缺鐵的女性補充鐵可能會導(dǎo)致其子女出現(xiàn)不良行為后果[101-102]。因此,在補充鐵之前對孕婦的鐵缺乏狀況進行評估是必要的。另外,很少有研究單獨考察葉酸補充劑的影響,也沒有研究證明它能有效改善兒童的認知功能[102]。
另一種對大腦發(fā)育至關(guān)重要的微量營養(yǎng)素是碘。補充碘對嚴重缺碘地區(qū)嬰兒和兒童的認知功能有一定的積極影響[103-104]。雖然在妊娠后期孕婦補充碘能給子代神經(jīng)發(fā)育一些益處,但是在早期階段補充碘的影響效果可能更顯著[103]。然而,圍產(chǎn)期補碘是否比妊娠早期補充碘更有效尚不明確[104]。此外,雖然觀察性研究表明母親補充鋅與兒童認知功能之間存在正相關(guān)關(guān)系,但是來自隨機對照試驗的證據(jù)很少,現(xiàn)有研究結(jié)果還不能完全證實孕婦補鋅對改善子代認知功能有效[105-106]。
3.1.3 復(fù)合營養(yǎng)素 由于發(fā)展中國家營養(yǎng)不良程度很高,含有多種微量營養(yǎng)素的復(fù)合補充劑相比單一的補充劑更具成本效益,因此,利用復(fù)合補充劑來改善子代認知功能越來越引起人們的興趣。值得注意的是,多種微量營養(yǎng)素復(fù)合干預(yù)試驗中的對照組通常包含營養(yǎng)素干預(yù),而不是完全不進行營養(yǎng)素干預(yù)。雖然薈萃分析顯示補充多種微量營養(yǎng)素并不能對所有人有效[106-107],但是此類干預(yù)措施可以改善貧血和營養(yǎng)不良母親的子代的認知能力[101-102,108]。此外,評估補充計劃的長期影響也很重要,因為大腦直到成年才會發(fā)育和成熟,某些結(jié)果可能只有在以后的生活中才會顯現(xiàn)出來。例如,Prado 等[108]評估了補充多種微量營養(yǎng)素的印度尼西亞母親的子代在3.5 歲時的認知功能,發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)干預(yù)僅對貧血和營養(yǎng)不良母親的子代認知功能有積極影響。然而,在對9~12 歲的同一兒童進行的重新評估時,Prado 等[109]發(fā)現(xiàn),母親營養(yǎng)干預(yù)對所有兒童的認知功能都有積極影響(相當(dāng)于半年的教育),尤其對貧血母親的孩子的認知功能影響更大(相當(dāng)于1 年的教育)。
嬰幼兒出生后至2 歲階段腦質(zhì)量逐漸增加,主要是由于神經(jīng)細胞體積的增大和樹突的增多、加長,以及髓鞘的形成和發(fā)育[4]。此時,家庭社會的影響及營養(yǎng)因素都會影響大腦的發(fā)育。研究顯示,60%的營養(yǎng)素與6~20 月齡時早期發(fā)育期的大腦成熟情況呈正相關(guān),20%的營養(yǎng)素與20~30 月齡時的大腦髓鞘形成有顯著關(guān)聯(lián),37%的營養(yǎng)素與30~60 月齡時的大腦發(fā)育呈正相關(guān)[110]。
3.2.1 宏量營養(yǎng)素 基于不同種類及攝入比例的宏量營養(yǎng)素干預(yù)策略,對0~2 歲嬰幼兒具有顯著不同的重要影響[20]。在臨床人群試驗中,膳食脂肪尤其是PUFAs,比如LA、ALA、DHA 和AA 的研究較多。幾項觀察性研究報告稱,產(chǎn)前孕婦和產(chǎn)后母乳中的高DHA 水平似乎可以提高嬰幼兒特定的認知能力[111-113]。此外,LA 和ALA 之間的平衡比例也很重要[114]。一項韓國960 名孕婦的前瞻性環(huán)境與健康隊列研究表明,妊娠期母親膳食攝入LA/ALA 的比值與6 月齡后代的心理發(fā)育指數(shù)和精神運動發(fā)育指數(shù)得分呈負相關(guān)[115]。一項在法國進行的關(guān)于精神運動發(fā)育和兒童健康的產(chǎn)前、產(chǎn)后早期決定因素的觀察性隊列研究顯示,初乳和母乳中高水平的LA 與兒童2~3 歲時較差的運動和認知得分有關(guān)[116]。雖然觀察性人群試驗在脂肪酸對嬰幼兒大腦發(fā)育的影響方面得到的結(jié)果比較一致,但是干預(yù)性的臨床試驗在DHA 這類PUFA 上得到的結(jié)果卻差異很大。大多數(shù)隨機對照干預(yù)試驗顯示:在嬰兒配方奶粉中添加DHA 和AA,對足月嬰兒的神經(jīng)發(fā)育沒有任何有益影響[117]。雖然是否應(yīng)該在兒童飲食中添加PUFA 用以保障大腦和神經(jīng)的正常發(fā)育仍存爭議,但是也有研究表明在嬰兒1 歲時的膳食中補充一定劑量(0.32%)的DHA,可以幫助提升嬰幼兒的認知能力[118-119]。然而,當(dāng)給予超過0.64%劑量的DHA 時,反而可能會對嬰幼兒后期的認知發(fā)展產(chǎn)生負面影響[120]。在生命早期補充蛋白質(zhì)可以改善兒童心理教育表現(xiàn),使得其在知識、數(shù)字能力、閱讀和詞匯測試方面的得分顯著高于那些只接受能量補充的兒童[121]。最近的研究表明,色氨酸和支鏈氨基酸等的攝入也可能是神經(jīng)發(fā)育過程中的重要影響因素。例如,在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,色氨酸的代謝物5-羥色胺參與情緒、行為和認知功能的調(diào)節(jié),而膳食中支鏈氨基酸的攝入與大腦的功能也密切相關(guān)[122-124]。
3.2.2 微量營養(yǎng)素 微量營養(yǎng)素對正常的神經(jīng)發(fā)育同樣至關(guān)重要。例如,鐵對能量生產(chǎn)、氧氣運輸和DNA 合成至關(guān)重要。研究顯示,在妊娠和嬰兒期補充鐵可能對兒童的認知發(fā)展產(chǎn)生積極影響,然而,補鐵對認知功能的積極影響似乎僅在貧血的兒童中觀察到[101,125-126]。在智利的一項嬰兒隊列研究顯示,向日常鐵攝入正常的嬰兒額外提供鐵,可能對未來長期認知發(fā)展產(chǎn)生負面影響[101]。因此,在補充鐵之前對嬰幼兒的鐵缺乏狀況進行評估是必要的。對于在嬰幼兒時期補充鋅的作用,科學(xué)界存在不同的觀點。根據(jù)一篇系統(tǒng)綜述的分析,鋅攝入量對兒童的智力和運動發(fā)育沒有顯著影響[127]。然而,另一篇人群試驗的系統(tǒng)綜述則認為,補充鋅對認知功能的影響可能取決于補充劑量和干預(yù)的持續(xù)時間[128]。針對碘在0~2 歲嬰幼兒神經(jīng)發(fā)育中的作用,一項觀察性研究的結(jié)果表明:初乳中碘的水平可預(yù)測嬰兒18 個月時的運動發(fā)育能力,而與其他能力無關(guān)[129]。而一項在碘缺乏癥高發(fā)病率地區(qū)進行的對兒童補充碘的研究顯示,補充碘只能改善3 歲以下兒童的認知功能[130]。
維生素對嬰幼兒早期認知發(fā)育的影響已有多項人群研究。尼泊爾的一項包含330 名兒童的觀察性試驗發(fā)現(xiàn),2~12 月齡時血漿的維生素B12水平與5 歲時的社會感知任務(wù)和視覺空間能力的發(fā)展和表現(xiàn)相關(guān)[132]。另一項在印度開展的橫斷面研究(650 名兒童)結(jié)果顯示,4 月齡時的血漿維生素B12狀態(tài)與12~14 月齡的發(fā)育評分增加相關(guān)[133]。然而,在年齡較大的兒童中,補充葉酸、維生素B2、B6、B12和鈣并不影響其認知能力[134]。而一項來自中國的前瞻性隊列(363 對母嬰)研究指出,新生兒臍帶血中維生素D 的水平與其發(fā)展到16~18月齡時的神經(jīng)認知能力之間呈現(xiàn)倒U 型關(guān)系[135]。
3.2.3 復(fù)合營養(yǎng)素 除了采用單一的宏量營養(yǎng)素或微量營養(yǎng)素對0~2 歲嬰幼兒進行營養(yǎng)干預(yù)之外,將不同種類的營養(yǎng)素進行合理復(fù)配,也能對具有特定需求的嬰幼兒大腦及神經(jīng)認知的良好發(fā)育起到積極作用。對具有蛋白質(zhì)補充需求的0~2 歲嬰幼兒來說,針對性地補充適當(dāng)比例的蛋白質(zhì),能夠為正常的神經(jīng)發(fā)育提供必要元素,從而可以彌補因蛋白質(zhì)缺乏而對大腦和神經(jīng)發(fā)育所造成的潛在不良影響。例如,臨床隨機對照試驗已證實補充含乳鐵蛋白、骨橋蛋白和乳脂肪球膜的復(fù)合營養(yǎng)素對嬰兒神經(jīng)發(fā)育有益[136]。對由于客觀原因無法進行母乳喂養(yǎng)或母乳供給量不足的嬰幼兒來說,單一種類的營養(yǎng)素難以滿足大腦和神經(jīng)發(fā)育的需求,因此含多種成分的復(fù)合營養(yǎng)素補充顯得尤為重要。而配方奶粉可以作為復(fù)合營養(yǎng)素的良好載體,從而保障0~2 歲時嬰幼兒大腦及神經(jīng)認知的發(fā)育。現(xiàn)有的臨床試驗表明,嬰兒在前1 歲半內(nèi)接受含復(fù)合營養(yǎng)素(包括:乳脂肪球膜、低聚果糖、菊粉、嬰兒雙歧桿菌、鼠李糖乳桿菌、AA、DHA、神經(jīng)節(jié)苷脂、核苷酸、唾液酸)的配方奶粉喂養(yǎng)能夠有效保障其神經(jīng)發(fā)育,縮小其與母乳喂養(yǎng)嬰兒神經(jīng)發(fā)育之間的差距[137]。綜上,對0~2 歲處于特殊情況下的嬰幼兒進行針對性的復(fù)合營養(yǎng)素補充,可以作為保障其大腦和神經(jīng)正常發(fā)育的策略之一。
本文通過對生命早期1000 天大腦發(fā)育與營養(yǎng)科學(xué)證據(jù)的系統(tǒng)性梳理,提出以下科學(xué)觀點和建議:
1)生命早期1000 天內(nèi)是對大腦的良好營養(yǎng)供給的“窗口期”,不宜錯過。生命早期大腦會經(jīng)歷胚胎期和嬰兒期的快速發(fā)育,至幼兒期漸趨平穩(wěn)。在此期間,大腦的發(fā)育涉及胚胎板的形成、神經(jīng)板的建立、神經(jīng)管的塑造,以及腦部細胞的分化和遷移、突觸的形成和重塑等重要生理進程,伴隨著嬰幼兒認知和行為能力的快速發(fā)育。生命早期的營養(yǎng)缺乏或失衡可能會導(dǎo)致大腦發(fā)育異常,增加后期神經(jīng)認知障礙的發(fā)生風(fēng)險,并且所導(dǎo)致的不良后果難以通過后期的營養(yǎng)補充進行彌補。
2)營養(yǎng)素的均衡供給與合理搭配,對生命早期大腦發(fā)育至關(guān)重要?,F(xiàn)有諸多證據(jù)表明母體良好、均衡的營養(yǎng)素供給對于胎兒的健康發(fā)育和腦發(fā)育具有重要意義。此外,在生命早期尤其是出生后兩年內(nèi),營養(yǎng)素的平衡供給和針對缺乏營養(yǎng)素的個性化補充,在大腦認知行為發(fā)育中發(fā)揮了重要作用。其中均衡的宏量營養(yǎng)素和微量營養(yǎng)素能夠保障大腦發(fā)育過程中的能量消耗和物質(zhì)合成,有利于大腦形成精密的生理結(jié)構(gòu),傳遞正常的神經(jīng)遞質(zhì),行使高級的生理功能等,特別是對于兒童的運動、行為、認知等能力的形成具有重要的支持作用。
3)生命早期的營養(yǎng)支持或額外補充應(yīng)該兼顧母親和嬰兒的需求。對生命早期階段孕婦及嬰兒的營養(yǎng)素缺乏狀況進行評估,以確保處于孕期和哺乳期的母親能夠提供充足、豐富的營養(yǎng)來支持胎兒和嬰兒的生長與發(fā)育。母乳是嬰兒最佳的天然食物,母親的飲食對母乳中的營養(yǎng)物質(zhì)含量有重要影響,因此鼓勵母親保持均衡的飲食,在保障自身機體健康的同時確保嬰兒獲得足夠的營養(yǎng)。在提倡母乳喂養(yǎng)的同時,對由于客觀原因不能進行母乳喂養(yǎng)或者母乳量不足以滿足嬰兒每天需求的情況,可及時提供適當(dāng)?shù)膵胗變号浞侥谭垡詽M足其營養(yǎng)需求。確保嬰兒在關(guān)鍵時期獲得足夠的營養(yǎng)支持,以促進大腦和身體的正常發(fā)育。
4)各種營養(yǎng)元素在生命早期1000 天大腦發(fā)育中的具體作用和機制仍需更多的科學(xué)證據(jù)。雖然當(dāng)前生命早期各種營養(yǎng)元素與大腦發(fā)育之間確切關(guān)系的科學(xué)證據(jù)和文獻報道與日俱增,但是關(guān)于生命早期各類營養(yǎng)元素對大腦發(fā)育影響的臨床研究證據(jù)仍然有限。除了需要更多揭示生命早期營養(yǎng)與大腦發(fā)育之間分子機制的基礎(chǔ)研究外,還需要更多臨床觀察性和干預(yù)性的追蹤研究來驗證各種營養(yǎng)物質(zhì)的存在和補充的具體臨床意義,以及是否能夠?qū)胗變旱纳窠?jīng)認知發(fā)育產(chǎn)生臨床相關(guān)的近期或遠期影響。
顧問:
陳衛(wèi) 中國工程院院士、江南大學(xué)
項目組專家(按姓氏漢語筆畫排序):
丁鋼強 中國疾病預(yù)防控制中心營養(yǎng)與健康所
王碩 南開大學(xué)公共衛(wèi)生與健康研究院
王慧 上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院
劉學(xué)波 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院
許雅君 北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院
張霆 首都兒科研究所
陳錚 中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會
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共同執(zhí)筆人:
王剛 江南大學(xué)食品學(xué)院
劉志剛 西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院
周雅琳 北京大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院
田培郡 江南大學(xué)食品學(xué)院
邢小龍 南開大學(xué)公共衛(wèi)生與健康研究院
趙月亮 上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院
閆媛媛 上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院
羅江釗 中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會
李文田 江南大學(xué)食品學(xué)院
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