Fragen Sie den Experten: Eine neue Studie über Oligosaccharide aus menschlicher Milch (HMO) zeigt, wie HMO-Kombinationen die Gesundheit von Säuglingen unterstützen können.

• Es ist jetzt möglich, eine ausgewählte Anzahl von Oligosacchariden aus menschlicher Milch (HMOs) - ein Hauptbestandteil der menschlichen Muttermilch, dem Goldstandard für Säuglingsnahrung - herzustellen und zu kombinieren, um Ernährungslösungen für das frühe Leben anzureichern.
• Zunehmende präklinische und klinische Erkenntnisse zeigen, dass HMO-Mischungen gesundheitliche Vorteile für Säuglinge bieten können.
• In diesem Blog erklärt die Hauptautorin eines neuen Übersichtsartikels über die biologischen Wirkungen strukturell unterschiedlicher HMO-Kombinationen,¹ Dr. Anita Wichmann, Lead Expert in Regulatory Affairs for Early Life Nutrition and Medical Nutrition bei dsm-firmenich, wie die Strukturen verschiedener HMOs ihren gesundheitlichen Nutzen beeinflussen und wie wir eine bessere Säuglingsernährung mit Kombinationen von HMOs unterstützen können.

HMOs sind eine vielfältige Gruppe von Kohlenhydraten, die in hohem Maße zur Gesundheit und Entwicklung von Säuglingen beitragen, insbesondere bei der Gestaltung der Mikrobiota von Säuglingen.² Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass HMOs auch eine wichtige Rolle beim Schutz vor Krankheitserregern spielen, das Immunsystem unterstützen und möglicherweise die Entwicklung des Gehirns und der kognitiven Fähigkeiten beeinflussen.^3,4,5

Bis vor kurzem waren diese grundlegenden Verbindungen nur für gestillte Säuglinge verfügbar. Die technologischen Entwicklungen des letzten Jahrzehnts haben es jedoch ermöglicht, bestimmte HMOs in großem Maßstab zur Anreicherung von Säuglingsnahrung zu produzieren - und klinische Studien zeigen, dass diese Lösungen die Gesundheit von Säuglingen positiv beeinflussen.⁶

Da die Zahl der HMOs, die in großem Maßstab hergestellt werden können, zunimmt, besteht ein dringender Bedarf, die einzigartigen und unterschiedlichen Auswirkungen einzelner HMOs und HMO-Mischungen besser zu verstehen. Dr. Anita Wichmann hat vor kurzem eine Übersichtsarbeit in Frontiers in Pediatrics veröffentlicht, in der sie die aktuelle Evidenz und die potenziellen gesundheitlichen Vorteile einer Kombination mehrerer HMOs mit unterschiedlichen Strukturen untersucht.¹ Wir haben uns mit Dr. Wichmann zusammengesetzt, um ihre Ergebnisse zu besprechen und zu erfahren, was die Zukunft für HMO-Innovationen im Bereich der frühkindlichen Ernährung bereithält.

1. Was ist über die verschiedenen HMO-Strukturen bekannt, und wie wirkt sich dies auf ihre Funktion aus?

"In der menschlichen Muttermilch wurden über 200 verschiedene HMOs nachgewiesen. Diese Kohlenhydrate bestehen jeweils aus einem Laktosekern (mit den beiden Zuckereinheiten Glukose und Galaktose) und weiteren Zuckermolekülen - wie Fukose, N-Acetylglukosamin oder Sialinsäure -, die in unterschiedlichen Strukturen angeordnet sind. Die Größe der HMOs variiert stark, wobei die kleinsten aus nur drei Zuckereinheiten bestehen (Laktose plus Fukose, z. B. 2'-Fucosyllactose, oder Laktose plus Sialinsäure, z. B. 3'-Sialyllactose) und die größten bis zu 14 enthalten (Abbildung 1). Diese Strukturen wirken sich auf die Funktionsweise der einzelnen HMOs und die von ihnen angebotenen Leistungen aus.

"HMOs werden im Allgemeinen auf der Grundlage ihrer Zuckerzusammensetzung in eine der drei großen Strukturklassen eingeteilt:

• Fucosylierte Fucose enthaltend
• Neutralkernhaltiges N-Acetylglucosamin
• Sialylierte Sialinsäure enthaltend

Abbildung 1. (A) Alle HMOs haben ein Lactose-Grundgerüst, das mit Fucose, Sialinsäure oder Einheiten aus N-Acetylglucosamin und Galactose erweitert werden kann. (B) 2'-Fucosyllactose (2'-FL) ist ein Beispiel für ein fucosyliertes HMO. (C) Komplexe HMOs können verzweigt und mit Fucose, Sialinsäure und/oder N-Acetylglucosamin modifiziert sein.

"In der menschlichen Muttermilch variieren Art und Menge der verschiedenen HMO-Strukturen je nach Individuum und im Laufe der Stillzeit, da sich die Bedürfnisse des Säuglings entwickeln, aber fucosylierte HMOs machen tendenziell den größten Anteil (60-70%) des HMO-Pools aus.^7,8

HMOs werden von den Bakterien im Darm des Säuglings aufgespalten, wodurch das Darmmikrobiom "gefüttert" wird und die verschiedenen Zuckereinheiten freigesetzt werden. Einige Bakterienarten im Darm können ein breites Spektrum an strukturell unterschiedlichen HMOs verwerten, während andere nur eine begrenzte Kapazität haben. Je nach ihrer spezifischen Struktur können die freigesetzten Zuckereinheiten dann als Wachstumssubstrate für andere Darmbakterien fungieren (d.h. cross-feeding), Darmprozesse wie Entzündungen modulieren oder absorbiert werden und andere Bereiche des Körpers, einschließlich des Gehirns, beeinflussen.

2. Wie könnte die Erhöhung der Zahl der HMOs in der Säuglingsernährung die Gesundheit besser unterstützen?

"Angesichts des Einflusses der HMO-Struktur auf ihre Funktionsweise wird angenommen, dass eine größere Anzahl und strukturelle Vielfalt von HMOs ein breiteres Spektrum an gesundheitlichen Vorteilen bieten würde - und es gibt eine wachsende Zahl wissenschaftlicher Belege, die diese Theorie unterstützen.

"In einer kürzlich durchgeführten In-vitro-Studie wurde beispielsweise berichtet, dass eine Mischung aus sechs HMOs - zwei aus jeder Strukturklasse - eine größere Abundanz und Vielfalt von Bifidobacteriacaea (der dominierenden Bakteriengruppe in der Darmmikrobiota gestillter Säuglinge) im Vergleich zu nur einem oder zwei HMOs fördert.⁹ Diese Ergebnisse wurden durch klinische Studien an Säuglingen weiter untermauert, in denen festgestellt wurde, dass Mischungen aus fünf HMOs die Zusammensetzung der Darmmikrobiota näher an die von gestillten Säuglingen heranführten.^10,11

"In Bezug auf die Gesundheit des Neugeborenen-Immunsystems ist die Funktion der HMO in hohem Maße von der Struktur abhängig, selbst innerhalb der großen Klassen. Interessanterweise unterscheiden sich 3'-Sialyllactose (3'-SL) und 6'-Sialyllactose (6'-SL) - die aus denselben drei Zuckereinheiten bestehen, aber unterschiedliche 3D-Strukturkonformationen aufweisen - in ihrer Fähigkeit, die Infektiosität spezifischer Atemwegsviren in vitro zu verringern.¹² Darüber hinaus deuten Daten aus der präklinischen Forschung darauf hin, dass 2'-Fucosyllactose (2'-FL) - ein fucosyliertes HMO - sowie 3'-SL und 6'-SL, sialylierte HMOs, eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Gehirns und der Kognition spielen könnten, allerdings über unterschiedliche Mechanismen.¹³

"Zusammengenommen deuten diese Erkenntnisse darauf hin, dass die Anreicherung von Säuglingsnahrungslösungen mit einer größeren Anzahl von HMOs ein breiteres Spektrum an gesundheitlichen Vorteilen bieten würde, auch wenn weitere klinische Interventionsstudien erforderlich sind, um dies besser zu belegen.

3. Was sind die größten Herausforderungen bei der Untersuchung der Auswirkungen einzelner HMOs und HMO-Mischungen?

"Die Durchführung qualitativ hochwertiger klinischer Studien an Kleinkindern erfordert ein robustes Studiendesign, angemessene Stichprobengrößen, eine komplexe Logistik und erhebliche finanzielle Mittel. Aufgrund dieser Komplexität und der hohen Kosten ist es nicht möglich, klinische Studien durchzuführen, in denen die physiologischen Wirkungen jedes HMO und jeder Kombination verglichen werden. Daher sind präklinische Studien der Schlüssel zum Verständnis der individuellen und synergetischen Wirkungen von HMOs und zur Auswahl der Mischungen mit dem größten Potenzial zur Förderung der Gesundheit und Entwicklung von Säuglingen. Dies schafft die Voraussetzungen für klinische Studien und gibt uns die besten Erfolgschancen.

4. Welche HMOs können derzeit in großem Maßstab hergestellt werden und welche Hindernisse stehen der Herstellung weiterer HMOs entgegen?

"Derzeit stehen sieben HMOs für die großtechnische Produktion zur Verfügung:

• 2'-FL
• 3-Fucosyllactose (3-FL)
• 2'-FL/Difucosyllactose (DFL)
• Lacto-N-Tetraose (LNT)
• Lacto-N-Neotetraose (LNnT)
• 3'-SL
• 6'-SL

"Diese gehören zu den am häufigsten vorkommenden HMOs aus jeder der drei großen Strukturklassen, und sie gehören auch zu den kleinsten HMO-Strukturen, da sie alle aus nur drei bis vier Zuckereinheiten bestehen.

"Diese kleineren HMOs werden von gentechnisch veränderten Bakterien in einer begrenzten Anzahl von enzymatischen Schritten hergestellt. Die Herstellung größerer HMOs - die aus fünf oder mehr Zuckereinheiten bestehen - stellt jedoch eine technische Herausforderung dar, da mehr enzymatische Schritte erforderlich sind und die größeren Strukturen von den Bakterien schwerer ausgeschieden werden können. Um die kommerzielle Produktion dieser größeren, komplexeren HMOs zu unterstützen, müssen daher alternative Technologien entwickelt und optimiert werden. Bei dsm-firmenich entwickeln wir diesen Bereich, um auf vielversprechenden Forschungsergebnissen aufzubauen, die auf potenziell einzigartige und wichtige Gesundheitsvorteile für einige größere HMO-Strukturen hinweisen."

5. Um die Vorteile von HMO-Kombinationen besser zu verstehen, auf welche Bereiche muss sich die Forschung in Zukunft besonders konzentrieren?

"Das derzeitige Wissen über die Mechanismen und den gesundheitlichen Nutzen von HMOs basiert größtenteils auf kleineren HMO-Strukturen, da diese besser verfügbar sind. Das HMO-Feld würde jedoch sehr von vorklinischen Untersuchungen einer größeren Vielfalt von Strukturen - und Kombinationen von Strukturen - profitieren, um ihre unterschiedlichen und einzigartigen Rollen besser zu erfassen. Darüber hinaus sind klinische Studien erforderlich, um die (durch präklinische Daten belegten) Vorteile einer Kombination mehrerer HMOs für die Immunität und die Gehirnentwicklung zu validieren. Weitere Untersuchungen könnten auch das Potenzial von HMO-Mischungen für andere Gesundheitsbereiche, wie etwa die Stoffwechselfunktion, aufzeigen.  

"Durch kontinuierliche Investitionen in die HMO-Produktion und -Forschung können wir die Kombinationen finden, die das größtmögliche Spektrum an Vorteilen bieten und die Ernährung von Kleinkindern weltweit verbessern.