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janeiro 18, 2023

Explorando a relação entre os HMOs e a saúde intestinal do bebê

Conheça o trabalho da Prof.ª Takane Katayama nesta entrevista exclusiva sobre a relação entre os HMOs e a Bifidobacterium, com o apoio do Programa de Doação de HMOs da dsm-firmenich.

HMOs Nova ciência Início da vida

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Resumo
  • Os oligossacarídeos do Leite Humano (HMOs) são importantes componentes bioativos do Leite Humano que favorecem a colonização estável do gênero Bifidobacterium no intestino do bebê.1,2
  • Estudos demonstraram que as bifidobactérias são benéficas para a saúde do bebê, contribuindo para a maturação do sistema imunológico e oferecendo proteção contra infecções.3 Compreender a relação mecânica entre os HMOs e as bifidobactérias é fundamental para determinar plenamente os benefícios potenciais dos HMOs para a saúde do bebê.
  • Na primeira de uma série de entrevistas que investigam como o Programa de Doação de HMOs da dsm-firmenich tem apoiado pesquisas na área de HMOs, exploramos o trabalho da professora Takane Katayama, da Universidade de Kyoto, que se concentra na relação entre HMOs e a Bifidobacterium .4–9 A dsm-firmenich apoiou a pesquisa da professora Katayama fornecendo os HMOs para seus estudos.
Quais comunidades bacterianas de são predominantes no intestino do bebê e qual é a relação com o leite materno?

A microbiota intestinal está intimamente associada à saúde e às doenças humanas. Vários estudos demonstram sua formação durante os primeiros anos de vida e seus efeitos duradouros no metabolismo energético e no desenvolvimento imunológico.10,11 O gênero Bifidobacterium é o primeiro gênero bacteriano dominante e estável a colonizar o intestino humano.9 Estudos indicam que a amamentação induz uma microbiota intestinal infantil rica em Bifidobacterium, que é a população bacteriana predominante no intestino de bebês amamentados.6 As bifidobactérias permanecem como as bactérias predominantes no intestino infantil até o desmame, sugerindo que o leite materno contém um composto que estimula seletivamente o crescimento das bifidobactérias.

Na década de 1950, foi proposto pela primeira vez que o leite materno contivesse componentes não digeríveis chamados Oligossacarídeos do Leite Humano (HMOs), que consistem em fucose, galactose, ácido siálico, N-acetilglucosamina e glicose.12 No entanto, foi somente em 2011 que relatamos que certas espécies de Bifidobacterium eram capazes de utilizar os HMOs.6 Desde essa descoberta fundamental, as pesquisas em andamento têm se concentrado em investigar a capacidade total dos HMOs na manutenção de uma microbiota intestinal saudável em bebês.

 , de que forma as HMOs influenciam o microbioma infantil?

As HMOs são o terceiro componente sólido mais abundante no leite materno, depois da lactose e dos lipídios.13 Elas não são digeríveis, pois são resistentes à digestão pancreática, o que lhes permite chegar intactas ao cólon, onde podem ser utilizadas por espécies de Bifidobacterium.13

A formação do microbioma intestinal do bebê é influenciada pelo nível de consumo de HMO pelas espécies de Bifidobacterium e . De fato, verificou-se que a concentração fecal de HMOs estava negativamente correlacionada com a abundância fecal de Bifidobacterium em bebês.14 Para investigar como os HMOs influenciam positivamente o microbioma intestinal, identificamos e caracterizamos dois transportadores de fucosilactose (FL) da espécie Bifidobacterium longum infantis , da família .9 Nossa pesquisa revelou que os transportadores de FL estavam enriquecidos em amostras fecais de bebês amamentados e apresentavam correlação positiva com a formação de microbiota rica em bifidobactérias-em bebês amamentados.9 Por outro lado, as fezes de bebês alimentados com fórmula não apresentavam enriquecimento de genes de transportadores de FL, sugerindo que esses genes são exclusivos do ecossistema microbiano intestinal de bebês amamentados.

Esses estudos, juntamente com a importante descoberta de que as espécies de Bifidobacterium e utilizam HMOs, aceleraram as pesquisas que exploram a inclusão de HMOs em soluções nutricionais para bebês. Isso levou à comercialização da 2’-fucosilactose (2’FL) – o HMO mais abundante no leite materno.7

Quais são os mecanismos do metabolismo dos HMO pelas cepas de bifidobactérias?

Existem duas vias principais pelas quais as cepas de bifidobactérias podem utilizar os HMOs.9 Em primeiro lugar, certas espécies de Bifidobacterium possuem enzimas que degradam os HMOs em monossacarídeos e dissacarídeos, os quais são então importados para assimilação.5 Já outras espécies de Bifidobacterium utilizam transportadores do tipo cassete de ligação a ATP (ABC) para digerir os HMOs intactos intracelularmente.4

A chegada prioritária de certas espécies de Bifidobacterium
desempenha algum papel no desenvolvimento posterior da microbiota intestinal do bebê?

O estabelecimento de novas espécies de Bifidobacterium e em uma comunidade microbiana pode depender da ordem e/ou do momento de sua chegada — um fenômeno conhecido como efeito de prioridade. As bifidobactérias são bactérias heterogêneas, com diferentes espécies e cepas que apresentam capacidades divergentes de utilizar HMOs, o que é, em parte, responsável por influenciar a formação da comunidade de bifidobactérias.

Por exemplo, a espécie Bifidobacterium breve (B. breve) possui capacidade limitada de assimilação de HMO, já que apenas 10% das cepas B. breve possuem genes transportadores FL e são capazes de assimilar apenas a lacto-N-tetraose e a lacto-N-neotetrose.8 No entanto, B. breve às vezes se torna a espécie dominante nas comunidades intestinais infantis de Bifidobacterium , pois pode se beneficiar de efeitos de prioridade durante a formação da comunidade mediada por HMO. Por exemplo, se B. breve chegar a ambientes ricos em HMO antes ou ao mesmo tempo que outras espécies, ela pode utilizar a fucose e outros açúcares de degradação liberados dos HMOs por outras espécies de Bifidobacterium, passando assim a dominar a comunidade. Os dados mostram que a abundância da espécie B.

breve da em bebês de 4 meses era estatisticamente maior quando a B. breve da era detectada ao nascimento.8 Esses resultados indicam que, além da capacidade de assimilação de HMOs de cada espécie, o momento da colonização também pode influenciar a trajetória de maturação da microbiota intestinal infantil.
Por que os seres humanos evoluíram para sintetizar quantidades maiores de oligossacarídeos não digeríveis do que outros primatas?

Todo leite de primatas contém oligossacarídeos, mas apenas o leite materno os inclui como o terceiro componente sólido mais abundante.15 Curiosamente, a presença de microbiota rica em bifidobactérias foi relatada apenas em bebês humanos, e não em outros primatas. A prevalência de genes de assimilação de HMO depende das espécies e cepas dBifidobacterium. Portanto, a riqueza de espécies de HMO pode corresponder à ocorrência variada de genes de assimilação de HMO no gênero Bifidobacterium, de modo que a diversidade dessas espécies seja mantida entre diferentes indivíduos.

Como você vê a evolução da pesquisa e das aplicações das HMO no futuro?

A formação de uma microbiota intestinal saudável em bebês por meio da suplementação de fórmulas com HMOs continua sendo uma alta prioridade nos estudos de aplicação. Um objetivo importante na pesquisa sobre HMOs é a prevenção de doenças, como a ocorrência de enterocolite necrosante (NEC), uma das doenças mais graves que afetam bebês prematuros.16 Nos EUA, novas descobertas indicam que um único HMO, a disialil-lacto-N-tetraose (DSLNT), tem o potencial de prevenir a patologia da NEC.13 Essa descoberta destaca o potencial promissor da utilização de HMOs para reduzir o risco de uma doença com risco de vida em bebês.

Além disso, os HMOs poderiam impedir a ligação de vírus e toxinas aos glicanos de superfície das células epiteliais, uma vez que os HMOs compartilham uma estrutura semelhante à desses glicanos, o que lhes permite desviar as adesões patogênicas e prevenir a infecção.17–19

Sobre o Programa de Doações para HMO da dsm-firmenich

O Programa de Doação de HMO utiliza a biblioteca de HMO da dsm-firmenich, que consiste em cerca de 20 estruturas e misturas diferentes de HMO. O programa permite que cientistas de ponta na área de HMO colaborem com a dsm-firmenich por meio do acesso aos HMOs e da ciência de ponta. Até o momento, a dsm-firmenich já apoiou mais de 100 projetos de pesquisa em todo o mundo.

Professora Takane Katayama

Katayama obteve seu doutorado em 1999 pela Universidade de Kyoto. Em seguida, Katayama isolou geneticamente duas enzimas de uma Bifidobacterium : a 1,2-α-L-fucosidase e a endo-α-N-acetilgalactosaminidase, ambas as quais atuam sobre (ou decompõem) glicanas do hospedeiro. Em seguida, Katayama investigou a funcionalidade dos genes e enzimas responsáveis pela degradação dos HMOs. Seu trabalho contribuiu significativamente para nossa compreensão da relação entre os HMOs no leite materno e as espécies de Bifidobacterium e no intestino do bebê.

  1. Lewis ZT, Totten SM, Smilowitz JT, Popovic M, Parker E, Lemay DG et al. O estado da fucosiltransferase 2 materna afeta as comunidades de bifidobactérias intestinais de bebês amamentados. Microbiome 2015; 3. doi:10.1186/s40168-015-0071-z.
  2. Chichlowski M, de Lartigue G, Bruce German J, Raybould HE, Mills DA. As bifidobactérias isoladas de bebês e cultivadas em Oligossacarídeos do Leite Humano afetam a função epitelial intestinal. J Pediatr Gastroenterol Nutr 2012; 55: 321–327.
  3. Doare K le, Holder B, Bassett A, Pannaraj PS. Leite materno: uma contribuição significativa para o desenvolvimento da microbiota e da imunidade do bebê. Front Immunol. 2018; 9. doi:10.3389/fimmu.2018.00361.
  4. Katayama T. Os glicanos derivados do hospedeiro servem como nutrientes específicos para a microbiota intestinal: Oligossacarídeos do Leite Humano e bifidobactérias. Biosci Biotechnol Biochem. 2016; 80: 621–632.
  5. Katayama T, Sakuma A, Kimura T, Makimura Y, Hiratake J, Sakata K, et al. Clonagem molecular e caracterização da 1,2-α-L-fucosidase (AfcA) de Bifidobacterium bifidum, uma nova glicosidase invertente (família 95 das glicosidases hidrolases). J Bacteriol 2004; 186: 4885–4893.
  6. Asakuma S, Hatakeyama E, Urashima T, Yoshida E, Katayama T, Yamamoto K, et al. Fisiologia do consumo de Oligossacarídeos do Leite Humano pelas bifidobactérias associadas ao intestino do lactente. Journal of Biological Chemistry 2011; 286: 34583–34592.
  7. Ojima MN, Asao Y, Nakajima A, Katoh T, Kitaoka M, Gotoh A, et al. Diversificação de um transportador de fucosilactose no gênero Bifidobacterium. Appl Environ Microbiol. 2022; 88:e0143721.
  8. Ojima MN, Jiang L, Arzamasov AA, Yoshida K, Odamaki T, Xiao Jet al. Os efeitos de prioridade moldam a estrutura das comunidades de Bifidobacterium do tipo infantil nos Oligossacarídeos do Leite Humano. ISME Journal 2022; 16: 2265–2279.
  9. Sakanaka M, Ejby Hansen M, Gotoh A, Katoh T, Yoshida K, Odamaki T, et al. A adaptação evolutiva nos sistemas de captação de fucosilactose sustenta a simbiose entre bifidobactérias e bebês. Sci Adv. 28 de agosto de 2019;5(8):eaaw7696.
  10. Puccio G, Alliet P, Cajozzo C, Janssens E, Corsello G, Sprenger N, et al. Efeitos da fórmula infantil com Oligossacarídeos do Leite Humano no crescimento e na morbidade: um estudo multicêntrico randomizado. 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. Efeitos de uma fórmula extensivamente hidrolisada, suplementada com dois Oligossacarídeos do Leite Humano, sobre o crescimento, a tolerabilidade, a segurança e o risco de infecção em bebês com alergia à proteína do leite de vaca: um estudo randomizado e multicêntrico. Nutrients 2022; 14: 530.
  12. Kunz C. Aspectos históricos dos oligossacarídeos do Leite Humano. Advances in Nutrition 2012; 3: 430S-439S.
  13. Bode L. Oligossacarídeos do Leite Humano: todo bebê precisa de uma “mamãe açucarada”. Glycobiology. 2012; 22: 1147–1162.
  14. Sakanaka M, Gotoh A, Yoshida K, Odamaki T, Koguchi H, Xiao JZ et al. Várias vias utilizadas pelas Bifidobacterium associadas ao intestino do lactente para assimilar os Oligossacarídeos do Leite Humano: prevalência do conjunto de genes e sua correlação com a formação de uma microbiota rica em bifidobactérias. Nutrients. 2020; 12. doi:10.3390/nu12010071.
  15. Urashima, T., Katayama, T., Fukuda, K., & Hirabayashi, J. (2021). Oligossacarídeos do Leite Humano e imunidade inata. Em Comprehensive Glycoscience (2ª ed., Vol. 5). Elsevier B.V.

    Warren, C. D., Chaturvedi, P., Newburg, A. R., Oftedal, O. T., Tilden, C. D., & Newburg, D. S. (2001). Comparação de oligossacarídeos em amostras de leite de seres humanos e de doze outras espécies. 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. Oligossacarídeos do Leite Humano DSLNT e a microbiota intestinal em bebês prematuros são fatores preditivos de enterocolite necrosante. Gut. 2021: 70:2273-2282.
  17. Lin AE, Autran CA, Szyszka A, Escajadillo T, Huang M, Godula K e cols. Os oligossacarídeos do Leite Humano inibem o crescimento do Streptococcus do grupo 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. Oligossacarídeos do Leite Humano inibem a adesão às células Caco-2 de patógenos causadores de diarreia: Escherichia coli, Vibrio cholerae e Salmonella fyris. Pediatr Res 2006; 59: 377–382.
  19. Weichert S, Jennewein S, Hüfner E, Weiss C, Borkowski J, Putze J e cols. A 2′-fucosil-lactose e a 3-fucosil-lactose produzidas por bioengenharia inibem a adesão da Pseudomonas aeruginosa e de patógenos entéricos a linhagens celulares intestinais e respiratórias humanas. Nutrition Research 2013; 33: 831–838

Saiba mais

Baixe nosso infográfico para saber mais sobre como a dsm-firmenich está apoiando a pesquisa e a inovação da HMO na área de Nutrição para o Início da Vida.

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