Untersuchung des Zusammenhangs zwischen HMOs und der Darmgesundheit von Säuglingen

Zusammenfassung

• Oligosaccharide aus Muttermilch (HMOs) sind wichtige bioaktive Bestandteile der menschlichen Muttermilch, die die stabile Besiedlung des Säuglingsdarms durch die Gattung Bifidobacterium unterstützen.^1,2
• Studien haben gezeigt, dass Bifidobakterien sich positiv auf die Gesundheit von Säuglingen auswirken, zur Reifung des Immunsystems beitragen und Schutz vor Infektionen bieten.³ Das Verständnis des mechanistischen Zusammenhangs zwischen HMOs und Bifidobakterien ist unerlässlich, um die potenziellen Vorteile von HMOs für die Gesundheit von Säuglingen vollständig zu erfassen.
• Im ersten Teil einer Interviewreihe, in der untersucht wird, wie das HMO-Spendenprogramm von dsm-firmenich die Forschung auf dem Gebiet der HMOs unterstützt hat, beleuchten wir die Arbeit von Professor Takane Katayama von der Universität Kyoto, die sich auf den Zusammenhang zwischen HMOs und dem Bifidobakterium „“ konzentriert.^4–9 dsm-firmenich hat die Forschung von Professor Katayama durch die Bereitstellung der HMOs für seine Studien unterstützt.

Welche Bakteriengemeinschaften der Gattung „ “ spielen im Darm von Säuglingen eine wichtige Rolle und in welchem Zusammenhang stehen sie mit der Muttermilch?

Die Darmmikrobiota steht in engem Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit und Krankheit. Mehrere Studien belegen, dass sie sich bereits in der frühen Lebensphase etabliert und langfristige Auswirkungen auf den Energiestoffwechsel und die Entwicklung des Immunsystems hat.^10,11 Bifidobacterium ist die erste dominante, stabile Bakteriengattung, die den menschlichen Darm besiedelt.⁹ Studien deuten darauf hin, dass Stillen eine Säuglingsdarmmikrobiota hervorbringt, die reich an Bifidobacterium ist, der vorherrschenden Bakterienpopulation im Darm gestillter Säuglinge.⁶ Bifidobakterien bleiben bis zum Abstillen die vorherrschenden Bakterien im Säuglingsdarm, was darauf hindeutet, dass Muttermilch eine Verbindung enthält, die das Wachstum von Bifidobakterien selektiv stimuliert.

In den 1950er Jahren wurde erstmals die Hypothese aufgestellt, dass Muttermilch unverdauliche Bestandteile enthält, die als Oligosaccharide aus Muttermilch (HMOs) bezeichnet werden und aus Fucose, Galactose, Sialinsäure, N-Acetylglucosamin und Glukose bestehen.¹² Erst im Jahr 2011 berichteten wir jedoch, dass bestimmte Arten von Bifidobacterium in der Lage sind, HMOs zu verwerten.⁶ Seit dieser bahnbrechenden Entdeckung konzentriert sich die laufende Forschung darauf, das volle Potenzial von HMOs für die Aufrechterhaltung einer gesunden Darmmikrobiota bei Säuglingen zu untersuchen.

Inwiefern beeinflussen HMOs das Mikrobiom von Säuglingen?

HMOs sind nach Laktose und Lipiden der dritthäufigste feste Bestandteil der Muttermilch.¹³ Sie sind unverdaulich, da sie der Verdauung durch die Bauchspeicheldrüse widerstehen, sodass sie den Dickdarm unverändert erreichen, wo sie von Bifidobacterium-Arten verwertet werden können.¹³

Die Entwicklung des Darmmikrobioms bei Säuglingen wird durch den Grad der HMO-Aufnahme durch die Arten „“ und „Bifidobacterium “ beeinflusst. Tatsächlich zeigte sich bei Säuglingen eine negative Korrelation zwischen der HMO-Konzentration im Stuhl und der Häufigkeit von „“ Bifidobacterium im Stuhl.¹⁴ Um zu untersuchen, wie HMOs das Darmmikrobiom positiv beeinflussen, haben wir zwei Fucosyllactose (FL)-Transporter aus der Art „“ Bifidobacterium longum infantis identifiziert und charakterisiert.⁹ Unsere Forschung ergab, dass die FL-Transporter in Stuhlproben von gestillten Säuglingen angereichert waren und positiv mit der Bildung einer bifidobakterienreichen Mikrobiota-bei gestillten Säuglingen korrelierten.⁹ Der Stuhl von Säuglingen, die mit Säuglingsnahrung ernährt wurden, wies hingegen keine Anreicherung an FL-Transporter-Genen auf, was darauf hindeutet, dass diese Gene ausschließlich im mikrobiellen Ökosystem des Darms gestillter Säuglinge vorkommen.

Diese Studien sowie die wichtige Erkenntnis, dass die Arten „“ und „Bifidobacterium“ HMOs verwerten, haben die Forschung zur Einbeziehung von HMOs in Säuglingsnahrungsprodukte vorangetrieben. Dies hat zur Kommerzialisierung von 2’-Fucosyllactose (2’FL) geführt – dem am häufigsten vorkommenden HMO in der Muttermilch.⁷

Wie sehen die Mechanismen des HMO-Stoffwechsels durch Bifidobakterienstämme aus?

Es gibt zwei Hauptwege, über die Bifidobakterien-Stämme HMOs verwerten können.⁹ Erstens verfügen bestimmte Bifidobacterium-Arten über Enzyme, die HMOs zu Monosacchariden und Disacchariden abbauen, die anschließend zur Assimilation aufgenommen werden.⁵ Andere Bifidobacterium-Arten hingegen nutzen ATP-bindende Kassettentransporter (ABC-Transporter), um intakte HMOs intrazellulär zu verdauen.⁴

Spielt das vorzeitige Eintreffen bestimmter Arten von Bifidobacterium () eine Rolle bei der weiteren Entwicklung der Darmmikrobiota von Säuglingen?

Professor Takane Katayama

Katayama promovierte 1999 an der Universität Kyoto. Anschließend isolierte Katayama genetisch zwei Enzyme aus „“ Bifidobacterium: 1,2-α-L-Fucosidase und Endo-α-N-Acetylgalactosaminidase, die beide auf Glykane des Wirts einwirken (bzw. diese abbauen). Anschließend untersuchte Katayama die Funktionsweise der Gene und Enzyme, die für den Abbau von HMO verantwortlich sind. Seine Arbeit hat wesentlich zu unserem Verständnis der Beziehung zwischen den HMOs in der Muttermilch und den Arten der Gattungen Bifidobacterium und aus der Gattung im Darm von Säuglingen beigetragen.