Onderzoek naar de relatie tussen VLO's en de darmgezondheid van zuigelingen

Samenvatting

• Oligosacchariden van moedermelk (HMO's) zijn belangrijke bioactieve bestanddelen van moedermelk die de stabiele kolonisatie van het geslacht Bifidobacterium in de darm van zuigelingen ondersteunen.^1,2
• Studies hebben aangetoond dat bifidobacteriën goed zijn voor de gezondheid van zuigelingen, bijdragen aan de rijping van het immuunsysteem en bescherming bieden tegen infecties.³ Inzicht in het mechanisme tussen VLO's en bifidobacteriën is noodzakelijk om de potentiële voordelen van VLO's voor de gezondheid van zuigelingen volledig te kunnen vaststellen.
• In de eerste van een reeks interviews waarin wordt onderzocht hoe het HMO-donatieprogramma van dsm-firmenich onderzoek op het gebied van HMO's heeft ondersteund, verkennen we het werk van professor Takane Katayama van de Universiteit van Kyoto, die zich richt op de relatie tussen HMO's en Bifidobacterium.^4-9 dsm-firmenich heeft het onderzoek van professor Katayama ondersteund door de HMO's voor zijn studies te leveren.

Welke bacteriegemeenschappen zijn prominent aanwezig in de darmen van zuigelingen en wat is het verband met moedermelk?

De darmmicrobiota is nauw verbonden met gezondheid en ziekte bij de mens. Verschillende studies tonen aan dat deze bacterie zich al op jonge leeftijd vestigt en langdurige effecten heeft op het energiemetabolisme en de ontwikkeling van het immuunsysteem.^10,11 Bifidobacterium is het eerste dominante, stabiele bacteriegeslacht dat de menselijke darm koloniseert.⁹ Studies tonen aan dat borstvoeding een darmmicrobiota bij zuigelingen induceert die rijk is aan Bifidobacterium, die de overheersende bacteriepopulatie is in de darm van zuigelingen die borstvoeding krijgen.⁶ Bifidobacteriën blijven de overheersende bacteriën in de darm van zuigelingen tot het spenen, wat suggereert dat moedermelk een stof bevat die selectief de groei van bifodobacteriën stimuleert.

In de jaren 1950 werd voor het eerst voorgesteld dat moedermelk niet-verteerbare bestanddelen bevatte, genaamd humane melkoligosacchariden (HMO's) die bestaan uit fucose, galactose, siaalzuur, N-acetylglucosamine en glucose.¹² Het duurde echter tot 2011 toen we rapporteerden dat bepaalde soorten van Bifidobacterium in staat waren om HMO's te gebruiken.⁶ Sinds deze cruciale ontdekking is lopend onderzoek gericht op het onderzoeken van de volledige capaciteit van HMO's in het onderhouden van een gezonde darmmicrobiota bij zuigelingen.

Hoe beïnvloeden HMO's het microbioom van zuigelingen?

HMO's zijn het op twee na meest voorkomende vaste bestanddeel in moedermelk, na lactose en lipiden.¹³ Ze zijn niet verteerbaar, omdat ze resistent zijn tegen vertering door de alvleesklier, waardoor ze intact de dikke darm bereiken waar ze kunnen worden gebruikt door Bifidobacterium soorten.¹³

De vorming van het darmmicrobioom van zuigelingen wordt beïnvloed door de mate van HMO-consumptie door Bifidobacterium soorten. 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.

Deze onderzoeken, samen met de belangrijke ontdekking dat Bifidobacterium soorten HMO's gebruiken, hebben het onderzoek naar de opname van HMO's in zuigelingenvoeding versneld. Dit heeft geleid tot de commercialisering van 2'-fucosyllactose (2'FL) - het meest voorkomende HMO in moedermelk.⁷

Wat zijn de mechanismen van HMO-metabolisme door bifidobacteriële stammen?

Er zijn twee belangrijke manieren waarop bifidobacteriële stammen HMO's kunnen gebruiken.⁹ Ten eerste bezitten bepaalde Bifidobacterium soorten enzymen die HMO's afbreken tot monosachariden en disachariden, die vervolgens worden geïmporteerd voor assimilatie.⁵ Terwijl andere Bifidobacterium soorten ATP-binding cassette (ABC) transporters gebruiken om intacte HMO's intracellulair te verteren.⁴

Speelt de prioritaire aankomst van bepaalde Bifidobacterium soorten een rol in de verdere ontwikkeling van de darmmicrobiota van zuigelingen?

De vestiging van nieuwe Bifidobacterium soorten in een microbiële gemeenschap kan afhangen van de volgorde en/of timing van hun aankomst - een fenomeen dat bekend staat als een prioriteitseffect. Bifidobacteriën zijn heterogene bacteriën met verschillende soorten en stammen die uiteenlopende capaciteiten hebben om HMO's te gebruiken en dit is gedeeltelijk verantwoordelijk voor de vorming van de bifidobacteriële gemeenschap.

Bijvoorbeeld, de Bifidobacterium breve (B. breve) soort heeft beperkte HMO-assimilatiecapaciteiten aangezien slechts 10% van B. breve stammen FL-transportergenen bezitten en ze alleen lacto-N-tetraose en lacto-N-neotetrose kunnen assimileren.⁸ Desalniettemin wordt B. breve soms de dominante soort in darmgemeenschappen van jonge kinderen Bifidobacterium omdat het kan profiteren van prioriteitseffecten tijdens de HMO-gemedieerde gemeenschapsvorming. Als bijvoorbeeld B. breve eerder in een HMO-rijke omgeving aankomt dan of op hetzelfde moment als andere soorten, kan het fucose en andere afbrekende suikers gebruiken die vrijkomen uit HMO's door andere Bifidobacterium soorten, en zo de gemeenschap domineren. Uit de gegevens blijkt dat de abundantie van B. breve soorten in 4 maanden oude zuigelingen statistisch hoger was wanneer B. breve werd gedetecteerd bij de geboorte.⁸ Deze resultaten geven aan dat, naast de HMO-assimilatiecapaciteit van elke soort, de timing van kolonisatie ook het maturatietraject van de darmmicrobiota van zuigelingen kan beïnvloeden.

Waarom is de mens geëvolueerd om grotere hoeveelheden niet-verteerbare oligosachariden te synthetiseren dan andere primaten?

Alle melk van primaten bevat oligosacchariden, maar alleen mensenmelk bevat ze als op twee na meest voorkomende vaste component.¹⁵ Interessant genoeg is het voorkomen van microbiota rijk aan bifidobacteriën alleen gerapporteerd bij menselijke zuigelingen, niet bij andere primaten. De prevalentie van HMO-assimilatiegenen is afhankelijk van Bifidobacterium soorten en stammen. De rijkdom aan HMO-soorten kan dus overeenkomen met het gevarieerde voorkomen van HMO-assimilatiegenen in het genus Bifidobacterium, zodat de diversiteit van deze soort behouden blijft tussen verschillende individuen.

Hoe ziet u HMO onderzoek en toepassingen evolueren in de toekomst?

Het vormen van een gezonde darmmicrobiota bij zuigelingen door flesvoeding aan te vullen met HMO's blijft een hoge prioriteit in toepassingsstudies. Een belangrijk doel van HMO-onderzoek is het voorkomen van ziekten, zoals necrotiserende enterocolitis (NEC), een van de ernstigste ziekten bij premature kinderen.¹⁶ In de VS hebben nieuwe bevindingen aangetoond dat een enkele HMO, disialyllacto-N-tetraose (DSLNT), mogelijk NEC-pathologie kan voorkomen.¹³ Deze ontdekking benadrukt het veelbelovende potentieel van het gebruik van HMO's voor het mogelijk verminderen van het risico op een levensbedreigende ziekte bij zuigelingen.

Daarnaast zouden HMO's de binding van virussen en toxines aan oppervlakteglycanen op epitheelcellen kunnen voorkomen, omdat HMO's een vergelijkbare structuur hebben als deze glycanen, waardoor ze pathogene adhesies kunnen afbuigen en infectie kunnen voorkomen.^17-19

Over het HMO donatieprogramma van dsm-firmenich

Het HMO-donatieprogramma maakt gebruik van de HMO-bibliotheek van dsm-firmenich, die bestaat uit bijna 20 verschillende HMO-structuren en -mengsels. Het programma stelt toonaangevende wetenschappers op het gebied van HMO in staat om samen te werken met dsm-firmenich via HMO-toegankelijkheid en baanbrekende wetenschap. Tot nu toe heeft dsm-firmenich meer dan 100 onderzoeksprojecten over de hele wereld ondersteund.

Professor Takane Katayama

Katayama promoveerde in 1999 aan de Universiteit van Kyoto. Hierna isoleerde Katayama genetisch twee enzymen van Bifidobacterium, 1,2-α-l-fucosidase en endo-α-N-acetylgalactosamindase, die beide werken op (of afbreken van) gastheerglycanen. Vervolgens onderzocht Katayama de functionaliteit van genen en enzymen die verantwoordelijk zijn voor HMO-afbraak. Zijn werk heeft aanzienlijk bijgedragen aan ons begrip van de relatie tussen HMO's in moedermelk en Bifidobacterium soorten in de darmen van zuigelingen.