HMO와 유아 장 건강의 관계 살펴보기

요약

• 모유 올리고당(HMO)은 모유의 중요한 생리 활성 성분으로, 영아의 장에서 비피더스균 속의 안정적인 군집화를 지원합니다.^1,2
• 연구에 따르면 비피더스균은 면역 체계의 성숙에 기여하고 감염을 예방하는 등 유아 건강에 유익한 것으로 나타났습니다.³ HMO와 비피더스균 사이의 메커니즘적 연관성을 이해하는 것은 유아 건강에 대한 HMO의 잠재적 이점을 완전히 확인하는 데 필수적입니다.
• dsm-firmenich의 HMO 기증 프로그램이 HMO 분야의 연구를 어떻게 지원했는지 알아보는 인터뷰 시리즈 중 첫 번째 시간에는 HMO와 비피더스균의 관계에 초점을 맞춘 교토대학교 카타야마 타카네 교수의 연구를 살펴봅니다.^4-9 dsm-firmenich는 카타야마 교수의 연구를 위해 HMO를 제공함으로써 그의 연구를 지원했습니다.

유아의 장에서 두드러지는 박테리아 군집은 무엇이며 모유와의 연관성은 무엇인가요?

장내 미생물은 인간의 건강 및 질병과 밀접한 관련이 있습니다. 여러 연구에 따르면 비피도박테리아는 생후 초기에 확립되어 에너지 대사와 면역 발달에 오래 지속되는 효과가 있습니다.^10,11 비피더스균 은 인간의 장에 서식하는 최초의 우세하고 안정적인 세균 속입니다.⁹ 연구에 따르면 모유 수유는 모유 수유 유아의 장에서 우세한 세균 집단인 비피더스균 이 풍부한 유아 장내 미생물을 유도합니다.⁶ 모유는 이유식 때까지 유아 장에서 우세한 세균을 유지하며, 모유에는 비피더스균 성장을 선택적으로 자극하는 화합물이 포함되어 있음을 시사합니다.

1950년대에 모유에는 포도당, 갈락토스, 시알산, N-아세틸글루코사민 및 포도당으로 구성된 모유 올리고당(HMO)이라는 소화가 불가능한 성분이 포함되어 있다고 처음 제안되었습니다.¹² 그러나 2011년에야 특정 종의 비피더스균 이 HMO를 활용할 수 있다고 보고했습니다.⁶ 이 중요한 발견 이후, 지속적인 연구는 유아의 건강한 장내 미생물을 유지하는데 있어 HMO의 전체 능력을 조사하는 데 중점을 두고 있습니다.

HMO가 유아 마이크로바이옴에 미치는 영향 ?

HMO는 유당과 지질에 이어 모유에서 세 번째로 풍부한 고형 성분입니다.¹³ 췌장에서 소화가 잘 되지 않아 대장에 그대로 도달하여 비피도박테리아 종.^13.

유아 장내 미생물 군집의 형성은 비피도박테리움 종의 HMO 섭취 수준에 의해 영향을 받습니다. Indeed, the fecal concentration of HMOs was found to be negatively correlated with the fecal abundance of Bifidobacterium in infants.¹⁴ To investigate how HMOs positively influence the gut microbiome, we identified and characterized two fucosyllactose (FL) transporters from the Bifidobacterium longum infantis species.⁹ Our research revealed that the FL transporters were enriched in fecal samples from breastfed infants and positively correlated with bifidobacteria-rich microbiota formation in breastfed infants.⁹ Whereas the feces of formula fed infants was not enriched with FL transporter genes, suggesting that the genes are exclusive to the breastfed infant gut microbial ecosystem.

이러한 연구와 함께 비피도박테리움 종은 HMO를 활용한다는 중요한 발견으로 인해 유아 영양 솔루션에 HMO를 포함시키는 연구가 가속화되었습니다. 그 결과 모유에서 가장 풍부한 HMO인 2'-후코실락토스(2'FL)가 상용화되었습니다.⁷

비피더스균 균주에 의한 HMO 대사의 메커니즘은 무엇인가요?

비피더스균 균주가 HMO를 활용할 수 있는 두 가지 주요 경로가 있습니다.⁹ 첫째, 특정 비피더스균 종은 HMO를 단당류와 이당류로 분해하는 효소를 가지고 있으며, 이를 통해 동화됩니다.⁵ 반면 다른 비피더스균 종은 ATP 결합 카세트(ABC) 수송체를 사용하여 세포 내에서 온전한 HMO를 소화합니다.⁴

특정 비피도박테리움 종의 우선 도착이 유아 장내 미생물의 추가 발달에 중요한 역할을 하나요?

미생물 군집에서 새로운 비피도박테리움 종의 출현은 도착 순서 및/또는 시기에 따라 달라질 수 있으며, 이러한 현상을 우선순위 효과라고 합니다. 비피더스균은 서로 다른 종과 균주를 가진 이종 박테리아로, HMO를 활용하는 다양한 능력을 가지고 있으며 이는 비피더스균 커뮤니티 형성에 일부 영향을 미칩니다.

예를 들어, 비피도박테리움 브레베 (B. 브레베) 종은 B. 브레베 균주의 10%만이 FL 수송체 유전자를 가지고 있고 락토-N-테트라오스 및 락토-N-네오테트로스만 동화시킬 수 있기 때문에 HMO 동화 능력이 제한적입니다.⁸ 그럼에도 B. 브레베 가 유아 장 Bifidobacterium 커뮤니티에서 지배적인 종이 되는 경우가 있는데, 이는 HMO 매개 커뮤니티 형성 중에 우선 효과를 누릴 수 있기 때문입니다. 예를 들어, B. 브레브 가 다른 종보다 일찍 또는 같은 시기에 HMO가 풍부한 환경에 도착하면 다른 비피도박테리움 종에 의해 HMO에서 방출되는 과당 및 기타 분해 당을 활용하여 커뮤니티를 지배할 수 있습니다. 데이터에 따르면 생후 4개월 영아의 B. 브레브 종의 풍부도는 출생 시 B. 브레브 검출 시 통계적으로 더 높았습니다.⁸ 이러한 결과는 각 종의 HMO 동화 능력 외에도 식민지화 시기가 영아 장내 미생물의 성숙 궤적에도 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다.

인간은 왜 다른 영장류보다 더 많은 양의 비소화성 올리고당을 합성하도록 진화했을까요?

모든 영장류의 우유에는 올리고당이 포함되어 있지만, 모유에만 올리고당이 세 번째로 풍부한 고형 성분으로 포함되어 있습니다.¹⁵ 흥미롭게도 비피더스균이 풍부한 미생물의 발생은 다른 영장류가 아닌 인간 유아에게만 보고되었습니다. HMO 동화 유전자의 유병률은 비피도박테리움 종 및 균주에 따라 달라집니다. 따라서 HMO 종의 다양성은 비피도박테리움 속 비피도박테리움 에서 다양한 HMO 동화 유전자의 발생과 일치할 수 있으므로 이 종의 다양성은 여러 개체 사이에서 유지될 수 있습니다.

앞으로 HMO 연구와 애플리케이션이 어떻게 발전할 것으로 보시나요?

분유에 HMO를 보충하여 유아의 건강한 장내 미생물을 형성하는 것은 응용 연구에서 최우선 순위로 남아 있습니다. 미숙아에게 영향을 미치는 가장 심각한 질병 중 하나인 괴사성 장염(NEC)과 같은 질병을 예방하는 것이 HMO 연구의 중요한 목표입니다.¹⁶ 미국에서 새로운 발견에 따르면 단일 HMO인 디실릴락토-N-테트라오스(DSLNT)가 NEC 병리를 잠재적으로 예방할 수 있습니다.¹³ 이 발견은 유아의 생명을 위협하는 질병의 위험을 잠재적으로 줄이기 위해 HMO를 활용할 수 있다는 유망한 가능성을 강조합니다.

또한, HMO는 이러한 글리칸과 유사한 구조를 공유하므로 바이러스와 독소가 상피 세포의 표면 글리칸에 결합하는 것을 방지하여 병원성 유착을 차단하고 감염을 예방할 수 있습니다.^17-19

dsm-firmenich의 HMO 기부 프로그램 정보

HMO 기부 프로그램은 약 20가지의 다양한 HMO 구조와 혼합물로 구성된 dsm-firmenich의 HMO 라이브러리를 활용합니다. 이 프로그램을 통해 HMO 분야의 선도적인 과학자들은 HMO 접근성 및 최첨단 과학을 통해 dsm-firmenich와 협업할 수 있습니다. 현재까지 dsm-firmenich는 전 세계에서 100개가 넘는 연구 프로젝트를 지원했습니다.

카타야마 타카네 교수

카타야마는 1999년 교토대학교에서 박사 학위를 받았습니다. 이후 카타야마는 비피도박테리움 에서 1,2-α-l-푸코시다아제와 엔도-α-N-아세틸갈락토사민다제라는 두 가지 효소를 유전적으로 분리했으며, 이 두 효소는 모두 숙주 글리칸에 작용(또는 분해)합니다. 다음으로 카타야마는 HMO 분해를 담당하는 유전자와 효소의 기능을 조사했습니다. 그의 연구는 모유 속 HMO와 유아 장내의 비피도박테리움 종 사이의 관계를 이해하는 데 크게 기여했습니다.