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janvier 18, 2023

Exploration de la relation entre les HMO et la santé intestinale des nourrissons

Découvrez les travaux du professeur Takane Katayama dans cette séance de questions-réponses exclusive sur la relation entre les HMO et Bifidobacterium, soutenue par le programme de dons d'HMO de dsm-firmenich.

HMO Nouvelle science Les débuts de la vie

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Résumé
  • Les oligosaccharides du lait humain (HMO) sont des composants bioactifs importants du lait maternel qui favorisent la colonisation stable du genre Bifidobacterium dans l'intestin du nourrisson.1,2
  • Des études ont démontré que les bifidobactéries sont bénéfiques pour la santé des nourrissons, contribuant à la maturation du système immunitaire et offrant une protection contre les infections.3 Il est impératif de comprendre le lien mécanique entre les HMO et les bifidobactéries pour évaluer pleinement les avantages potentiels des HMO pour la santé des nourrissons.
  • Dans la première d'une série d'interviews sur la manière dont le programme de dons de HMO de dsm-firmenich a soutenu la recherche dans le domaine des HMO, nous explorons le travail du professeur Takane Katayama, de l'université de Kyoto, qui se concentre sur la relation entre les HMO et Bifidobacterium.4-9 dsm-firmenich a soutenu la recherche du professeur Katayama en lui fournissant les HMO nécessaires à ses études.
Quelles sont les communautés bactériennes les plus importantes dans l'intestin du nourrisson et quel est le lien avec le lait maternel ?

Le microbiote intestinal est intimement lié à la santé et aux maladies humaines. Plusieurs études démontrent son établissement au début de la vie et ses effets durables sur le métabolisme énergétique et le développement immunitaire.10,11 Bifidobacterium est le premier genre bactérien dominant et stable à coloniser l'intestin humain.9 Des études indiquent que l'allaitement maternel induit un microbiote intestinal riche en Bifidobacterium, qui est la population bactérienne prédominante dans l'intestin des nourrissons allaités.6 Les bifidobactéries restent les bactéries prédominantes dans l'intestin du nourrisson jusqu'au sevrage, ce qui suggère que le lait maternel contient un composé qui stimule sélectivement la croissance des bifodobactéries.

Dans les années 1950, il a été proposé pour la première fois que le lait maternel comprenait des composants non digestibles appelés oligosaccharides du lait humain (HMO), composés de fucose, de galactose, d'acide sialique, de N-acétylglucosamine et de glucose.12 Toutefois, ce n'est qu'en 2011 que nous avons signalé que certaines espèces de Bifidobacterium étaient capables d'utiliser les HMO.6 Depuis cette découverte cruciale, la recherche continue s'est concentrée sur l'étude de la pleine capacité des HMO à maintenir un microbiote intestinal sain chez les enfants en bas âge.

Quelle est l'influence des HMO sur le microbiome du nourrisson ( ) ?

Les HMO sont le troisième composant solide le plus abondant dans le lait humain, après le lactose et les lipides.13 Ils ne sont pas digestibles, car ils résistent à la digestion pancréatique, ce qui leur permet d'atteindre le côlon intact où ils peuvent être utilisés par Bifidobacterium species.13

La formation du microbiome intestinal du nourrisson est influencée par le niveau de consommation d'HMO par les espèces de Bifidobacterium . En effet, la concentration fécale d'HMO s'est révélée être en corrélation négative avec l'abondance fécale de Bifidobacterium chez les nourrissons.14 Pour étudier comment les HMO influencent positivement le microbiome intestinal, nous avons identifié et caractérisé deux transporteurs de fucosyllactose (FL) de l'espèce Bifidobacterium longum infantis .9 Notre recherche a révélé que les transporteurs FL étaient enrichis dans les échantillons fécaux des nourrissons allaités et positivement corrélés avec la formation d'un microbiote riche en bifidobactéries-chez les nourrissons allaités.9 Alors que les fèces des nourrissons nourris au lait maternisé n'étaient pas enrichies en gènes de transporteurs FL, ce qui suggère que les gènes sont exclusifs à l'écosystème microbien intestinal des nourrissons allaités.

Ces études, ainsi que la découverte importante que les espèces de Bifidobacterium utilisent les HMO, ont accéléré la recherche sur l'inclusion des HMO dans les solutions de nutrition infantile. Cela a conduit à la commercialisation du 2'-fucosyllactose (2'FL), l'HMO le plus abondant dans le lait humain.7

Quels sont les mécanismes du métabolisme des HMO par les souches bifidobactériennes ?

Il existe deux voies principales par lesquelles les souches bifidobactériennes peuvent utiliser les HMO.9 Tout d'abord, certaines espèces Bifidobacterium possèdent des enzymes qui dégradent les HMO en monosaccharides et disaccharides, qui sont ensuite importés pour être assimilés.5 Alors que d'autres espèces Bifidobacterium utilisent des transporteurs ABC (ATP-binding cassette) pour digérer les HMO intacts au niveau intracellulaire.4

L'arrivée prioritaire de certaines espèces de Bifidobacterium joue-t-elle un rôle dans le développement ultérieur du microbiote intestinal des nourrissons ?

L'établissement de nouvelles espèces de Bifidobacterium dans une communauté microbienne peut dépendre de l'ordre et/ou du moment de leur arrivée - un phénomène connu sous le nom d'effet de priorité. Les bifidobactéries sont des bactéries hétérogènes dont les différentes espèces et souches possèdent des capacités divergentes à utiliser les HMO, ce qui est en partie responsable de la formation de la communauté bifidobactérienne.

Par exemple, l'espèce Bifidobacterium breve (B. breve) a des capacités limitées d'assimilation des HMO car seulement 10 % des souches B. breve possèdent des gènes de transport FL et ne peuvent assimiler que le lacto-N-tétraose et le lacto-N-néotétrose.8 Néanmoins, B. breve devient parfois l'espèce dominante dans les communautés Bifidobacterium de l'intestin du nourrisson car elle peut bénéficier d'effets de priorité pendant la formation de la communauté médiée par les HMO. Par exemple, si B. breve arrive dans des environnements riches en HMO plus tôt ou en même temps que d'autres espèces, il peut utiliser le fucose et d'autres sucres dégradants qui sont libérés des HMO par d'autres espèces de Bifidobacterium, et ainsi dominer la communauté. Les données montrent que l'abondance des espèces B. breve chez les nourrissons de 4 mois était statistiquement plus élevée lorsque B. breve avait été détectée à la naissance.8 Ces résultats indiquent que, outre la capacité d'assimilation des HMO de chaque espèce, le moment de la colonisation peut également influencer la trajectoire de maturation du microbiote intestinal du nourrisson.

Pourquoi l'homme a-t-il évolué pour synthétiser des quantités plus importantes d'oligosaccharides non digestibles que les autres primates ?

Tous les laits de primates contiennent des oligosaccharides, mais seul le lait humain en fait le troisième composant solide le plus abondant.15 Il est intéressant de noter que la présence d'un microbiote riche en bifidobactéries n'a été signalée que chez les nourrissons humains, et non chez d'autres primates. La prévalence des gènes d'assimilation des HMO dépend des espèces et des souches de Bifidobacterium . Par conséquent, la richesse des espèces d'HMO peut correspondre à l'occurrence variée des gènes d'assimilation des HMO dans le genre Bifidobacterium, de sorte que la diversité de cette espèce est maintenue entre les différents individus.

Comment voyez-vous l'évolution de la recherche et des applications HMO à l'avenir ?

La formation d'un microbiote intestinal sain chez les nourrissons en complétant les préparations par des HMO reste une priorité dans les études d'application. Un objectif important de la recherche sur les HMO est la prévention des maladies, comme l'entérocolite nécrosante (ENC), l'une des maladies les plus graves affectant les prématurés.16 Aux États-Unis, de nouvelles découvertes indiquent qu'un seul HMO, le disialyllacto-N-tetraose (DSLNT), peut potentiellement prévenir la pathologie de l'ENC.13 Cette découverte met en évidence le potentiel prometteur de l'utilisation des HMO pour réduire le risque d'une maladie mortelle chez les nourrissons.

En outre, les HMO pourraient empêcher les virus et les toxines de se lier aux glycanes de surface des cellules épithéliales, car les HMO ont une structure similaire à celle de ces glycanes, ce qui leur permet de dévier les adhésions pathogènes et de prévenir l'infection.17-19

À propos du programme de don HMO de dsm-firmenich

Le programme de dons HMO utilise la bibliothèque HMO de dsm-firmenich qui comprend près de 20 structures et mélanges HMO différents. Le programme permet à des scientifiques de premier plan dans le domaine des HMO de collaborer avec dsm-firmenich grâce à l'accessibilité des HMO et à la science de pointe. À ce jour, dsm-firmenich a soutenu plus de 100 projets de recherche dans le monde entier.

Professeur Takane Katayama

Katayama a obtenu son doctorat en 1999 à l'université de Kyoto. Katayama a ensuite isolé génétiquement deux enzymes de Bifidobacterium, la 1,2-α-l-fucosidase et l'endo-α-N-acetylgalactosamindase, qui agissent toutes deux sur les glycanes de l'hôte (ou les décomposent). Katayama a ensuite étudié la fonctionnalité des gènes et des enzymes responsables de la dégradation des HMO. Ses travaux ont largement contribué à notre compréhension de la relation entre les HMO présents dans le lait maternel et les espèces de Bifidobacterium dans l'intestin du nourrisson.

En savoir plus

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Références

  1. Lewis ZT, Totten SM, Smilowitz JT, Popovic M, Parker E, Lemay DG et al. Le statut maternel de la fucosyltransférase 2 affecte les communautés de bifidobactéries intestinales des nourrissons allaités. Microbiome 2015 ; 3. doi:10.1186/s40168-015-0071-z.
  2. Chichlowski M, de Lartigue G, Bruce German J, Raybould HE, Mills DA. Les bifidobactéries isolées chez les nourrissons et cultivées sur des oligosaccharides de lait humain affectent la fonction épithéliale intestinale. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2012 ; 55: 321-327.
  3. Doare K le, Holder B, Bassett A, Pannaraj PS. Le lait maternel : Une contribution utile au développement du microbiote et de l'immunité du nourrisson. Front Immunol. 2018 ; 9. doi:10.3389/fimmu.2018.00361.
  4. Katayama T. Host-derived glycans serve as selected nutrients for the gut microbe : Oligosaccharides du lait humain et bifidobactéries. Biosci Biotechnol Biochem. 2016 ; 80: 621-632.
  5. Katayama T, Sakuma A, Kimura T, Makimura Y, Hiratake J, Sakata K et al. Clonage moléculaire et caractérisation de la 1,2-α-L-fucosidase (AfcA) de Bifidobacterium bifidum, une nouvelle glycosidase inversante (famille des glycosides hydrolases 95). J Bacteriol 2004 ; 186: 4885-4893.
  6. Asakuma S, Hatakeyama E, Urashima T, Yoshida E, Katayama T, Yamamoto K et al. Physiologie de la consommation d'oligosaccharides du lait humain par les bifidobactéries associées à l'intestin du nourrisson. Journal of Biological Chemistry 2011 ; 286: 34583-34592.
  7. Ojima MN, Asao Y, Nakajima A, Katoh T, Kitaoka M, Gotoh A et al. Diversification d'un transporteur de fucosyllactose au sein du genre Bifidobacterium. Appl Environ Microbiol. 2022 ; 88:e0143721.
  8. Ojima MN, Jiang L, Arzamasov AA, Yoshida K, Odamaki T, Xiao J et al. Les effets prioritaires façonnent la structure des communautés de Bifidobacterium de type infantile sur les oligosaccharides du lait humain. ISME Journal 2022 ; 16: 2265-2279.
  9. Sakanaka M, Ejby Hansen M, Gotoh A, Katoh T, Yoshida K, Odamaki T et al. L'adaptation évolutive des systèmes d'absorption du fucosyllactose favorise la symbiose entre les bifidobactéries et les nourrissons. Sci Adv. 2019 Aug 28;5(8):eaaw7696.
  10. Puccio G, Alliet P, Cajozzo C, Janssens E, Corsello G, Sprenger N et al. Effets des préparations pour nourrissons contenant des oligosaccharides de lait humain sur la croissance et la morbidité : Un essai multicentrique randomisé. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2017 ; 64: 624-631.
  11. Vandenplas Y, Żołnowska M, Berni Canani R, Ludman S, Tengelyi Z, Moreno-Álvarez A et al. Effets d'une préparation fortement hydrolysée complétée par deux oligosaccharides de lait humain sur la croissance, la tolérance, la sécurité et le risque d'infection chez les nourrissons allergiques aux protéines du lait de vache : Un essai randomisé et multicentrique. Nutriments 2022 ; 14: 530.
  12. Kunz C. Historical Aspects of Human Milk Oligosaccharides (Aspects historiques des oligosaccharides du lait humain). Advances in Nutrition 2012 ; 3: 430S-439S.
  13. Bode L. Oligosaccharides du lait humain : Chaque bébé a besoin d'une "sugar mama". Glycobiologie. 2012 ; 22: 1147-1162.
  14. Sakanaka M, Gotoh A, Yoshida K, Odamaki T, Koguchi H, Xiao JZ et al. Différentes voies d'assimilation des oligosaccharides du lait humain par les Bifidobacterium associés à l'intestin du nourrisson : Prévalence de l'ensemble de gènes et corrélation avec la formation d'un microbiote riche en bifidobactéries. Nutrients. 2020 ; 12. doi:10.3390/nu12010071.
  15. Urashima, T., Katayama, T., Fukuda, K., & Hirabayashi, J. (2021). Oligosaccharides du lait humain et immunité innée. Dans Comprehensive Glycoscience (2e éd., Vol. 5). Elsevier B.V.

    Warren, C. D., Chaturvedi, P., Newburg, A. R., Oftedal, O. T., Tilden, C. D., & Newburg, D. S. (2001). Comparaison des oligosaccharides dans les échantillons de lait de l'homme et de douze autres espèces. Advances in Experimental Medicine and Biology, 501, 325-332
  16. Masi AC, Embleton ND, Lamb CA, Young G, Granger CL, Najera J, Smith DP, Hoffman KL, Petrosino JF, Bode L, Berrington JE, Stewart CJ. Les oligosaccharides du lait humain DSLNT et le microbiome intestinal des prématurés prédisent l'entérocolite nécrosante. Le boyau. 2021 : 70:2273-2282.
  17. Lin AE, Autran CA, Szyszka A, Escajadillo T, Huang M, Godula K et al. Les oligosaccharides du lait humain inhibent la croissance des streptocoques du groupe B. Journal of Biological Chemistry 2017 ; 292 : 11243-11249.
  18. Coppa G v, Zampini L, Galeazzi T, Facinelli B, Ferrante L, Capretti R et al. Les oligosaccharides du lait humain inhibent l'adhésion des pathogènes diarrhéiques aux cellules Caco-2 : Escherichia coli, Vibrio cholerae et Salmonella fyris. Pediatr Res 2006 ; 59 : 377-382.
  19. Weichert S, Jennewein S, Hüfner E, Weiss C, Borkowski J, Putze J et al. Le 2′-fucosyllactose et le 3-fucosyllactose issus de la bio-ingénierie inhibent l'adhésion de Pseudomonas aeruginosa et des pathogènes entériques aux lignées cellulaires intestinales et respiratoires humaines. Nutrition Research 2013 ; 33 : 831-838
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