人乳低聚糖研究进展.pdf

Chinese Journal of Practical Pediatrics Nov 2009 Vol 24 No 11 综述 文章编号 1005 2224 2009 11 0882 03 人乳低聚糖研究进展 王艳艳 彭咏梅 中图分类号 R72文献标志码 B 关键词 母乳 人乳低聚糖 生物学功能 Keywords breast milk human milk oligosaccharides HMO biological function 作者单位 复旦大学附属儿科医院 上海200032 电子信箱 wangyanyan 母乳是婴儿最佳的天然食品 母乳中各种营养素 如 蛋白质 脂肪 碳水化合物 矿物质 维生素等含量适中 比 例适当 最易于婴儿消化吸收 人类母乳的独特优势效 果 确定了母乳喂养对婴儿健康 营养 免疫 发育 心理 社会 经济和环境的八大益处 这些益处不仅可在近期内 减少婴儿发生中耳炎 呼吸道感染 泌尿道感染 感染性胃 肠炎及早产儿坏死性小肠结肠炎的危险 而且可降低远期 过敏 肥胖 肿瘤 冠心病等疾病的发生率 1 母乳的健康 促进效应可归功于母乳中存在多种生物活性因子 人乳 低聚糖 human milk oligosaccharides HMO 是人类母乳中 仅次于乳糖和脂肪的第3大固体组分 现已发现 其具重要 的生物学功能 HMO不仅具有抵御肠道病原微生物感染 的功能 还有维持肠道微生态平衡的作用 对HMO的研究 可为母乳喂养及运用 将母乳转化为治疗方法 预防剂 营 养品 和提高奶粉配方质量提供依据 现将近年来国内外 有关HMO的研究综述如下 1HMO简介 低聚糖 又叫寡糖 是指由3 10个单糖单位通过糖苷 键链接起来 形成直链或支链的一类低聚碳水化合物 其 分子通式一般可表示为 C6H10O5 n n 为3 10 甜度一般 只有蔗糖的30 60 难以被肠道消化吸收 HMO在初 乳中有较高的水平 占总初乳化合物的24 在出生后2 个月内 浓度稳定下降至15 19 2 初乳中HMO含量 为 22 23 g L 成熟乳中为 12 13 g L 人类母乳中中性 HMO占较大比重 达1 酸性HMO仅占0 1 3 Stahl等 4 检测到不同Lewis血型亚型中 母乳所含中性HMO种类不 同 Erney等 5 分析了大量不同地理分布人群的乳汁样本 发现9种中性HMO数量和质量存在地域性差异 不同个 体乳汁中HMO种类 数量和所带电荷不同 6 同一个体 在 泌乳的不同时期 乳汁中HMO含量也存在差异 7 人类母乳中所含HMO的量比其他哺乳动物乳汁高10 倍 100 倍 牛乳中低聚糖含量很少 1 g L 目前发现的惟 一例外是 大象乳汁中低聚糖浓度是人类母乳的3倍 占总 碳水化合物的10 但其化学结构及中性或酸性成分的比 例与人类母乳不同 8 2HMO的发现历程 1900 年Moro发现 人类母乳中含有促进双歧杆菌增殖 的因子 因此提出双歧因子的说法 1926 年Schonfeld 证 实 人类母乳中促进双歧杆菌生长的因子是非蛋白质成 分 1954 年Gyorgy证实 促进双歧杆菌增殖的因子大约是 10个单糖组成的碳水化合物 因此误认为是人类母乳中乳 糖的特性 当时称为人乳糖 1958 年Kuhn 发现 在牛乳中 额外添加N 乙酰 氨基葡萄糖可促进婴儿肠内双歧杆菌增 殖的现象 1999 年Coppa 等学者观察到 摄入母乳后 其 中有30 50 原始结构的HMO可在母乳喂养儿粪便中 检测到 2000年Engfer 等发现 HMO可耐受婴儿上消化道 酶类的水解 近年多项研究进一步证实 HMO在婴儿结肠 内发酵过程中可选择性地刺激双歧杆菌增殖 双歧杆菌确 能利用HMO在内的碳水化合物 已确定双歧杆菌中大约 10 的基因编码与碳水化合物代谢有关 9 相比而言 肠道 内其他菌群只有3 5 的基因涉及碳水化合物代谢 3HMO的合成过程 HMO由泌乳期乳腺细胞合成并随母乳分泌至体外 在哺乳期 HMO随母乳直接进入小儿消化道 其被消化分 解的不足5 绝大部分以原型排出体外 由此可推测 HMO不以提供能量和参与机体构造为主 10 Martin Sosa等 11 对从西班牙母亲的乳汁中分离出的少 量唾液酸HMO进行分析发现 在泌乳期的前32 d和前10 个月母乳中 唾液酸 HMO 水平均逐渐下降 2007 年 Asakuma等 12 对12名日本母亲泌乳前3 d乳汁中主要中性 HMO水平分析发现 在泌乳第1天乳汁中2 岩藻化乳糖 2 FL 和乳糖二岩藻四糖 LDFT 水平明显高于第2 3 882 中国实用儿科杂志 2009年11月 第24卷 第11期 天 而乳糖 N 四聚糖 LNT 水平第1 3天逐渐升高 目 前 尚不明确某种具体HMO的存在与否和数量多少对婴儿 的营养需求和免疫调节机制发育是否有作用 4HMO的结构 目前常用的HMO分离和结构鉴定方法有 高效液相色 谱法 HPLC 毛细管电泳 CE 13 质谱分析法 MS 14 核磁 共振 荧光标记糖电泳和试剂阵列分析方法等 HMO保护婴儿抵御病原体攻击的能力很大程度上依 赖于特殊的HMO基序 人类母乳中HMO单体共有5种基 本结构 N 乙酰葡萄糖胺 GlcNAc L 岩藻糖 Fuc D 葡 萄糖 Glc D 半乳糖 Gal 和N 乙酰神经氨酸 唾液酸 NeuAc 这些单体以不同比例组合构成HMO 除极个别 HMO 目前分离得到的HMO其还原端都有一个乳糖基 糖链的延长是在酶作用下 在Gal残基非还原端通过 1 3 或 1 6键与GlcNAc连接 然后通过 1 3或 1 4键与另 一个Gal连接 这样就形成了许多HMO核心结构 这些核 心结构进一步变化是在这些核心部位或核心结构延长部 位再接上Fuc残基和 或 NeuAc残基 单糖结构的不同空 间构型 不同糖基序列 不同糖置换 和 键的延长 导致HMO广泛的同质异构现象 结构变化可以产生无数 HMO 不 同 结 构 人 类 母 乳 至 少 含 有 数 千 种 HMO Ninonuevo等 6 指出 在人类母乳总样本中已鉴定出大约200 种HMO分子 其中主要是中性的岩藻糖HMO 上述分离和鉴定方法技术繁琐 且可得到有关HMO多 样性的信息很少 不论是关于不同泌乳期母亲还是关于 HMO 的构成和整个泌乳期数量的信息都很少 考虑到 HMO与结构相关的不同功能 HMO构成上的详细变化和 在泌乳期母亲体内的种类仍有待于进一步研究 2 5HMO的生物学功能 人类母乳成分不仅能够满足新生儿在物质和能量上 的需求 而且对消化系统的早期发育 出生后免疫系统的 完善以及体内生态平衡的建立等必不可少 这是母乳替代 品所无法比拟的 虽然近年来营养学方面的研究已获长 足进展 但母乳替代品在添加了各种营养成分 如能量 蛋 白质 必需氨基酸 维生素和微量元素等之后 许多问题仍 无法解决 3 进一步研究和分析认为 HMO生物学功能应 受到重视 3 HMO生物学功能可以概括为以下4方面 5 1HMO对感染的防御功能病原微生物的致病机理有 共性 首先结合到其所要侵入的细胞表面 然后侵入细胞 释放毒素和摄取营养 并导致一系列临床症状发生 6 而 第一步的结合已证明是由致病微生物或毒素通过其表面 糖链末端与肠道上皮细胞表面受体结合完成 HMO成分 具有直接封闭肠道上皮细胞表面受体的功能 15 一些HMO由于含有和肠道表皮细胞表面受体类似的 结构 通过竞争性抑制 直接结合于病原微生物和毒素表 面 阻止其与肠道上皮细胞的结合 另一些则结合到消化 道黏膜上皮细胞的受体上 阻止病原微生物或毒素与肠道 上皮细胞的受体结合 从而防止感染的发生 2 HMO可作 为肠道致病菌的可溶性受体 对肠道致病菌产生的毒素起 直接抑制作用 Stepans等 16 对49对母亲 婴儿组合进行了 试点研究 结果显示 摄入母乳中以乳糖 N 岩藻五糖 LNF 为代表的HMO 与婴儿患呼吸系统和消化系统 疾病少密切相关 5 2HMO对肠道微生态平衡的维护功能HMO具有滋 养功能 通过刺激肠道有益菌群 双歧菌和乳酸菌 生长繁 殖 间接抑制有害菌群生长 以维持肠道微生态平衡 从而 保护婴儿肠道免受致病菌侵袭 HMO被看成是人类第一益 生元 prebiotics 17 益生元定义为一种可被选择性发酵的 食物成分 通过改变胃肠菌群的组成和活性 利于宿主的 舒适和健康 母乳喂养儿形成的肠道内优势双歧菌不仅 具抗感染作用 而且还具促进婴儿肠道局部和全身免疫系 统成熟的作用 18 Arslanoglu等 19 研究证明 给人工喂养儿补充HMO益 生元可以减少婴儿感染 尤其是呼吸道感染 的发生和复 发 婴儿早期应用HMO益生元对婴儿过敏和感染都有防 御作用 19 尽管具体机制仍在研究中 但这种益生元对肠 道微生物群免疫调节的修饰作用极有可能是其主要机 制 Costalos等 20 给足月儿补充益生元 以研究益生元对婴 儿生长和粪便菌群的作用 结果表明 补充益生元组正常 生长 且粪便中梭菌属和大肠埃希菌水平明显低于对照 组 而双歧菌水平明显高于对照组 迄今 低聚半乳糖 GOS 和低聚果糖 FOS 是被允许加入婴儿配方奶中的两 种益生元 5 3HMO对免疫系统的调节功能Hanson 21 认为 HMO 能间接影响人体非特异性免疫反应 其抗原决定簇在免疫 系统信息传递和免疫协调方面有着不可取代的作用 肠 道是人体最大免疫器官 拥有人体70 的免疫细胞 双歧菌 能刺激肠道产生免疫物质和抗体 增强细胞活性 从而提 高机体对病原菌和肿瘤的免疫力 5 4人类母乳HMO对新生儿大脑早期发育的促进功能 母乳中部分HMO末端黏附高浓度的唾液酸 唾液酸参与 人脑组织中神经节苷脂和糖蛋白的构成 与神经突触和神 经传导关系密切 因此母乳喂养有助于增强神经突触发生 和促进婴儿神经系统发育 22 6未来工作展望 母乳是胎儿出生后母体能提供的最后物质保证 第1 次母乳喂哺是新生儿消化器官获取能量和物质的开始 初乳中的HMO 以极高浓度进入新生儿消化道 像一层保 护性覆盖物一样 铺垫在婴儿尚未成熟的消化道表皮黏膜 细胞表面 在HMO保护下 消化系统逐渐成熟 随着婴儿 对营养需求不断增加 消化系统暴露于外界病原微生物的 机会也不断增多 在此阶段 进入消化道内的大部分病原 菌及其毒素会受到HMO的封闭和清洗 与此同时 HMO 883 Chinese Journal of Practical Pediatrics Nov 2009 Vol 24 No 11 还帮助新生的消化道逐渐建立一个健康的肠道内部生态 环境 从而最大限度地降低消化道疾病的发生 21 HMO的 这种循序渐进 立体和全方位的保护兼培养性功能 为新 生儿以消化系统为主的发育和成熟提供了宝贵的时间和 良好的环境 然而 由于母乳替代品的盲目使用 自然条 件下所建立的肠道生态平衡在人工喂养儿体内迟迟难以 建立 更为严重的是 由于抗生素的滥用 肠道菌群失调 现象日趋严重 由此引发出各种健康问题 在抗生素与病 原微生物毫无止境的对抗中 人体外部生态环境和人体内 部生态环境一同面临着越来越严重的挑战 在新生儿最 初发育阶段和成年后 HMO研究有着不可估量的营养学和 卫生学意义 由于HMO仅在泌乳期乳腺细胞中合成 难以研究其生 物合成路径 人类母乳与其他物种的低聚糖在数量和种 类上有很大差别 限制了应用动物模型模拟HMO的摄取 代谢 药物动力学和机能研究 2 但因HMO的独特性和在 婴儿配方奶粉中缺乏的现状 研究母乳中HMO及其对婴儿 健康和疾病影响仍具很好的前景 参考文献 1 Schack Nielsen L Michaelsen KF Advances in our understand ing of the biology of human milk and its effects on the offspring J J Nutr 2007 137 2 503 510 2 Macfarlane GT Steed S Macfarlane H Bacterial metabolism and health related effects of galacto oligosaccharides and other pre biotics J J Appl Microbiol 2008 104 2 305 344 3 Boehm G Stahl B Jelinek J et al Prebiotic carbohydrates in hu man milk and formulas J Acta Pediatrica 2005 94 S449 18 21 4 Stahl B Thurl S Henker J et al Detection of four human milk groups with respect to Lewis blood group dependent oligosac charides by serologic and chromatographic analysis J Adv Exp Med Biol 2001 501 299 306 5 Erney RM Malone WT Skelding MB et al Variability of human milk neutral oligosaccharides in a diverse population J J Pedi atr Gastroenterol Nutr 2000 30 2 181 192 6 Ninonuevo MR Park Y Yin H et al A strategy for annotating the human milk glycome J J Agric Food Chem 2006 54 20 7471 7480 7 Chaturvedi P Morrow AL Newburg DS et al Fucosylated human milk oligosaccharides vary between individuals and over the course of lactation J Glycobiology 2001 11 5 365 372 8 Osthoff G Dicken 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