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janvier 18, 2023

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

Découvrez les travaux du professeur Takane Katayama dans cette interview exclusive consacrée à la relation entre les HMO et les bifidobactéries, réalisée dans le cadre du programme de dons de HMO de dsm-firmenich.

HMO Nouvelle science Les débuts de la vie

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Résumé
  • Les oligosaccharides du lait maternel (HMO) sont des composants bioactifs importants du lait maternel qui favorisent la colonisation stable des genres Bifidobacterium dans l'intestin du nourrisson.1,2
  • Des études ont démontré que les bifidobactéries sont bénéfiques pour la santé des nourrissons, car elles contribuent à la maturation du système immunitaire et offrent une protection contre les infections.3 Il est indispensable de comprendre le lien mécanistique entre les HMO et les bifidobactéries afin de déterminer pleinement les bienfaits potentiels des HMO sur la santé des nourrissons.
  • Dans le premier volet d’une série d’entretiens consacrés au rôle joué par le programme de dons d’HMO de dsm-firmenich dans le soutien à la recherche dans le domaine des HMO, nous nous penchons sur les travaux du professeur Takane Katayama, de l’université de Kyoto, qui portent sur la relation entre les HMO et le bifidobactérie .4–9 dsm-firmenich a soutenu les recherches du professeur Katayama en lui fournissant les HMO nécessaires à ses études.
Quelles sont les communautés bactériennes de l’ qui prédominent dans l’intestin du nourrisson et quel est le lien avec le lait maternel ?

Le microbiote intestinal est étroitement lié à la santé et aux maladies chez l'être humain. Plusieurs études démontrent sa mise en place au cours des premières années de vie et ses effets durables sur le métabolisme énergétique et le développement immunitaire.10,11 Le genre Bifidobacterium est le premier genre bactérien dominant et stable à coloniser l'intestin humain.9 Des études indiquent que l’allaitement maternel favorise le développement d’un microbiote intestinal riche en Bifidobacterium, qui constitue 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 bifidobactéries.

Dans les années 1950, il a été suggéré pour la première fois que le lait maternel contenait des composants non digestibles appelés Oligosaccharides du lait maternel (HMO), composés de fucose, de galactose, d’acide sialique, d’-N--acétylglucosamine et de glucose.12 Ce n’est toutefois qu’en 2011 que nous avons rapporté que certaines espèces de Bifidobacterium étaient capables d’utiliser les HMO.6 Depuis cette découverte majeure, les recherches en cours se sont concentrées sur l’étude du potentiel complet des HMO dans le maintien d’un microbiote intestinal sain chez les nourrissons.

Dans quelle mesure les HMO ( ) influencent-ils le microbiome du nourrisson ?

Les HMO constituent le troisième composant solide le plus abondant du lait maternel, après le lactose et les lipides.13 Ils sont non digestibles, car ils résistent à la digestion pancréatique, ce qui leur permet d’atteindre le côlon intacts, où ils peuvent être utilisés par les espèces de Bifidobacterium.13

La formation du microbiote intestinal du nourrisson est influencée par le niveau de consommation d’HMO par les espèces de Bifidobacterium et de . En effet, il a été démontré que la concentration fécale en HMO était négativement corrélée à l’abondance fécale d’, Bifidobacterium, chez les nourrissons.14 Afin d’étudier comment les HMO influencent positivement le microbiote intestinal, nous avons identifié et caractérisé deux transporteurs de fucosyllactose (FL) issus de l’espèce Bifidobacterium longum infantis .9 Nos recherches ont révélé que les transporteurs de FL étaient présents en plus grande quantité dans les échantillons de selles des nourrissons allaités et qu’ils étaient positivement corrélés à la formation d’un microbiote riche en bifidobactéries-chez ces nourrissons.9 En revanche, les selles des nourrissons nourris au lait maternisé ne présentaient pas de concentration accrue de gènes de transporteurs de FL, ce qui suggère que ces gènes sont spécifiques à l’écosystème microbien intestinal des nourrissons allaités.

Ces études, associées à la découverte majeure selon laquelle certaines espèces de Bifidobacterium et de utilisent les HMO, ont donné un nouvel élan aux recherches visant à intégrer les HMO dans les solutions nutritionnelles destinées aux nourrissons. Cela a conduit à la commercialisation du 2’-fucosyllactose (2’FL), l’HMO le plus abondant dans le lait maternel.7

Quels sont les mécanismes du métabolisme des HMO par les souches de bifidobactéries ?

Il existe deux voies principales par lesquelles les souches de bifidobactéries peuvent utiliser les HMO.9 Premièrement, certaines espèces de Bifidobacterium possèdent des enzymes qui dégradent les HMO en monosaccharides et en disaccharides, lesquels sont ensuite importés pour être assimilés.5 D'autres espèces de Bifidobacterium utilisent quant à elles des transporteurs de type « ATP-binding cassette » (ABC) pour digérer les HMO intacts au sein de la cellule.4

L'arrivée précoce de certaines espèces de Bifidobacterium issues d's joue-t-elle un rôle dans le développement ultérieur du microbiote intestinal du nourrisson ?

L'implantation de nouvelles espèces de Bifidobacterium

au sein d'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 constituent un groupe hétérogène de bactéries comprenant différentes espèces et souches, qui présentent des capacités variables à utiliser les HMO, ce qui explique en partie les variations observées dans la formation de la communauté bifidobactérienne.

Par exemple, l’espèce Bifidobacterium breve (B. breve) présente des capacités limitées d’assimilation des HMO, puisque seules 10 % des souches de B. breve possèdent des gènes de transporteurs FL et ne sont capables d’assimiler que le lacto-N-tétraose et le lacto-N-néotétraose.8 Néanmoins, B. breve devient parfois l’espèce dominante dans les communautés intestinales des nourrissons Bifidobacterium car elle peut bénéficier d’effets de priorité lors de la formation de la communauté induite par les HMO. Par exemple, si B. breve arrive dans des environnements riches en HMO avant ou en même temps que d'autres espèces, elle peut utiliser le fucose et d'autres sucres issus de la dégradation des HMO libérés par d'autres

espèces de Bifidobacterium , et ainsi dominer la communauté. Les données montrent que l’abondance des espèces B. breve chez les nourrissons âgés de 4 mois était statistiquement plus élevée lorsque B. breve était détectée à la naissance.8 Ces résultats indiquent qu’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 les êtres humains ont-ils évolué de manière à synthétiser des quantités plus importantes d'oligosaccharides non digestibles que les autres primates ?

Le lait de tous les primates contient des oligosaccharides, mais seul le lait maternel en fait un composant solide occupant la troisième place en termes d’abondance.15 Il est intéressant de noter que la présence d’un microbiote riche en bifidobactéries n’a été observée que chez les nourrissons humains, et non chez les autres primates. La prévalence des gènes d'assimilation des HMO dépend de l''espèce et de la souche de Bifidobacterium. Par conséquent, la richesse en espèces de HMO pourrait correspondre à une présence variable des gènes d'assimilation des HMO au sein du genre Bifidobacterium, ce qui permettrait de maintenir la diversité de cette espèce entre les différents individus.

Comment envisagez-vous l'évolution future de la recherche et des applications dans le domaine des HMO ?

La mise en place d'un microbiote intestinal sain chez les nourrissons grâce à l'ajout d'HMO dans les préparations pour nourrissons reste une priorité majeure dans les études d'application. L’un des principaux objectifs de la recherche sur les HMO est la prévention des maladies, telles que l’entérocolite nécrosante (NEC), l’une des affections les plus graves touchant les prématurés.16 Aux États-Unis, de nouvelles découvertes indiquent qu’un seul HMO, le disialyllacto-N-tétrose (DSLNT), pourrait potentiellement prévenir l’apparition de la NEC.13 Cette découverte met en évidence le potentiel prometteur de l’utilisation des HMO pour réduire le risque d’une maladie potentiellement mortelle chez les nourrissons.

De plus, les HMO pourraient empêcher la liaison des virus et des toxines aux glycanes de surface des cellules épithéliales, car ils présentent une structure similaire à celle de ces glycanes, ce qui leur permet de repousser les adhésions pathogènes et de prévenir l’infection.17–19

À propos du programme de dons « HMO » de dsm-firmenich

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

Professeur Takane Katayama

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

  1. Lewis ZT, Totten SM, Smilowitz JT, Popovic M, Parker E, Lemay DG, et al. Le statut de la fucosyltransférase 2 maternelle influe sur 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 des nourrissons et cultivées sur des Oligosaccharides du lait maternel ont une incidence sur 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 ciblée au développement du microbiote et du système immunitaire du nourrisson. Front Immunol. 2018 ; 9. doi:10.3389/fimmu.2018.00361.
  4. Katayama T. Les glycanes provenant de l'hôte constituent des nutriments spécifiques pour le microbiote intestinal : Oligosaccharides du lait maternel 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 95 des glycoside hydrolases). J Bacteriol 2004 ; 186 : 4885–4893.
  6. Asakuma S, Hatakeyama E, Urashima T, Yoshida E, Katayama T, Yamamoto K, et al. Physiologie de l'assimilation des oligosaccharides du lait maternel 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 de priorité déterminent la structure des communautés de Bifidobacterium de type infantile sur les oligosaccharides du lait maternel. 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. 28 août 2019 ; 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 du lait maternel sur la croissance et la morbidité : Un essai randomisé multicentrique. 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 largement hydrolysée enrichie de deux Oligosaccharides du lait maternel sur la croissance, la tolérance, la sécurité et le risque d’infection chez les nourrissons présentant une allergie aux protéines du lait de vache : Essai randomisé multicentrique. Nutrients 2022 ; 14 : 530.
  12. Kunz, C. Aspects historiques des oligosaccharides du lait maternel. Advances in Nutrition 2012 ; 3 : 430S-439S.
  13. Bode L. Oligosaccharides du lait maternel : Tous les bébés ont 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. Différents mécanismes d'assimilation des oligosaccharides du lait maternel par les Bifidobacterium associés à l'intestin du nourrisson : Prévalence de cet ensemble de gènes et sa corrélation avec la formation d'un microbiote riche en bifidobactéries. Nutrients. 2020 ; 12. doi:10.3390/nu12010071.
  15. Urashima, T., Katayama, T., Fukuda, K.,&t Hirabayashi, J. (2021). Les oligosaccharides du lait maternel et l'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 présents dans des échantillons de lait provenant de l'être humain 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 maternel DSLNT et le microbiote intestinal chez les prématurés permettent de prédire l’entérocolite nécrosante. Bien. 2021 : 70:2273-2282.
  17. Lin AE, Autran CA, Szyszka A, Escajadillo T, Huang M, Godula K et al. Les oligosaccharides du lait maternel 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 maternel inhibent l'adhésion des agents pathogènes responsables de la diarrhée 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 d'agents pathogènes entériques aux lignées cellulaires intestinales et respiratoires humaines. Nutrition Research 2013 ; 33 : 831-838

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