母乳低聚糖與嬰兒腸道菌群相關性研究進展

袁慧芝，荀一萍，蒲曉璐，朱 宏，王世杰,,*

（1.河北科技大學食品與生物學院，河北 石家莊 050018；2.石家莊君樂寶乳業有限公司，河北 石家莊 050221）

腸道菌群是影響人體多種生理功能的重要因素，自生命早期建立后能夠影響宿主的整個生命周期[1]。出生后，嬰兒腸道經歷了復雜的微生物定植過程。已有研究表明喂養方式是調節胃腸道微生物群組成和代謝功能的關鍵因素[2]。母乳喂養的嬰兒在其生命的第一周中擁有更穩定的微生物群落（雙歧桿菌為優勢菌群），這對維持新生兒的健康起重要作用[3]。

母乳是嬰兒營養的“黃金標準”，也是生長期嬰兒的最佳營養來源[4]。母乳是一種由數百到數千種不同的生物活性成分組成的復雜生物流體，適合于嬰兒未成熟的消化系統和免疫系統，其中最豐富的物質之一是被稱為母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）的非共軛復合碳水化合物[5]。母乳喂養的許多有益效果可能都與特定HMOs的存在有關[6-7]。HMOs作為母乳中含量僅次于乳糖和脂類的第三大類固體成分[8]，因其具有影響多種腸道功能（上皮完整性、黏膜完整性、對致病性感染的易感性、微生物群落結構、短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）生成和維生素合成）的能力，在嬰兒營養中受到了廣泛關注[9-10]。HMOs具有多種生理功能，主要是通過腸道菌群的建立介導的[11]。因此了解HMOs在建立新生兒腸道微生物群中的作用至關重要。

1 HMOs的組成、結構和含量

1.1 單糖組成

HMOs是母乳中天然存在的聚合度不高于3的低聚糖的統稱[8]。它在乳糖分子的基礎上終端位置由5 種單體進行修飾，這5 種單體分別為葡萄糖（glucose，Glc）、半乳糖（galactose，Gal）、N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc）、巖藻糖（fucose，Fuc）和N-乙酰神經氨酸（也稱唾液酸，N-acetylneuraminic acid，Neu5Ac）[11]。HMOs每個分子包含3～32 個單糖，這些單糖通過不同的糖苷鍵連接[12-13]，構成了HMOs的多樣性和復雜性。盡管HMOs組分繁多，但是基于其核心結構可分為3 種：中性巖藻糖基化HMOs、中性非巖藻糖基化的HMOs和酸性或涶液酸化的HMOs，具體見表1。

表1 HMOs的類型[4]Table 1 Various types of HMOs[4]

1.2 主要成分結構及含量

目前，已在母乳中鑒定和表征了200多種不同的HMOs成分[14]。幾乎所有的HMOs在還原端都具有乳糖單元，處于還原端的乳糖核心（Gal-β-1,4-Glc）通過β-1,3-糖苷鍵連接半乳糖β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖（Gal-β-1,3-GlcNAc）或β-1,6-糖苷鍵連接N-乙酰基乳糖（Gal-β-1,4-GlcNAc）向外延伸，并且可以用巖藻糖或唾液酸進一步修飾這些核心HMOs結構，最終形成細長的線性結構或支鏈寡糖[15-16]。HMOs是結構上不同的非共軛聚糖，其組成對于每個哺乳期母親都是唯一的[17]。研究表明，HMOs組成取決于Lewis血型基因和分泌基因在母體基因組中的分布[18]。母乳中HMOs的含量會隨著嬰兒在成長過程中不斷變化的營養需求而發生改變，從而為嬰兒提供精準的保護[8,15,19]。HMOs在初乳中的質量濃度最高，達到20～23 g/L，然后在成熟母乳（母親產后11 d～9 個月分泌的乳汁）中質量濃度下降到12～14 g/L。與足月分娩的母親相比，早產母親的母乳中含有更高的HMOs濃度[20]。含有活性分泌基因（也稱FUT2基因）的母親為分泌型母親，其分泌的乳汁中含有α-1-2-巖藻糖基HMOs[15]。表2列舉了分泌型母親的乳汁中HMOs主要成分的結構及含量[21-22]。總體而言，分泌型母親的總HMOs濃度（（15.91±2.80）μmol/mL）高于非分泌型母親（（8.94±1.51）μmol/mL））[23]，并且據統計大約79%的母親為分泌型母親[20]。

表2 分泌型母親乳汁中HMOs主要成分結構及含量[21-22]Table 2 Structures and contents of main human milk oligosaccharides in secretory mother’s milk[21-22]

2 HMOs與嬰兒腸道微生物的關系

2.1 HMOs對嬰兒腸道微生物組成的影響

HMOs在形成和維持健康的嬰兒腸道菌群方面發揮著關鍵作用[24]。嬰兒的腸道微生物群組成與所代謝的HMOs有關，由于HMOs對上消化道的低胃液pH值和酶具有抵抗力，在嬰兒胃腸道的上部不能被消化[25]，因此大多數HMOs到達結腸，在結腸中它們作為特定微生物的底物（即充當益生元）影響胃腸道微生物群的組成和活性[21]。然而并非所有的HMOs都會導致胃腸道微生物群的組成和活性發生相同的變化，并對宿主的健康產生相同的影響。益生元效應可能是結構特異性的[26]，因此有必要了解母乳中特定的HMOs結構與嬰兒腸道微生物群組成之間的對應關系。

Underwood等[27]對美國早產兒的研究證明了HMOs的組成會影響嬰兒腸道微生物群，并且HMOs結構對嬰兒腸道吸收、尿液排泄和腸道微生物消耗方面產生顯著影響。關于嬰兒腸道菌群與HMOs體內消耗之間的聯系也已有研究。de Leoz等[24]結合糖組學和基因組學的最新進展證明了嬰兒糞便中HMOs的含量與腸道微生物群的組成之間的直接關系。他們觀察到在出生后的最初幾周，兩個健康嬰兒的腸道微生物群從非HMOs消耗的微生物群（腸桿菌科和葡萄球菌科）轉變為消耗HMOs的微生物群（擬桿菌科和雙歧桿菌科），糞便中HMOs豐度也相應降低。這些結果與HMOs在生命最初幾周塑造腸道微生物群的高選擇性益生元效應一致。Borewicz等[5]研究了1 個月大母乳喂養嬰兒的腸道微生物群組成與母乳中HMOs分布的關系。結果表明HMOs導致嬰兒腸道中61.5%的微生物群發生變化，其中2’-FL、LNT、LNnT、DFL、6’-SL、LNH、LNFPII、LNFPIII、LSTb、LSTc和3’-SL與其腸道菌群組成的差異有關，特別是與雙歧桿菌屬、擬桿菌屬和乳桿菌屬的系統發育型密切相關。這些結果說明HMOs組成與嬰兒腸道微生物群之間建立了相應的關系，并有助于更準確地描述發育中的嬰兒腸道微生物群落的生態學。HMOs與腸道菌的相關性如表3所示，每個細菌屬都與多個HMOs有關。

表3 HMOs譜與嬰兒腸道各種菌的相關性Table 3 Correlation between HMO profile of breast milk and intestinal bacteria in infants

2.2 嬰兒腸道微生物對HMOs的利用

HMOs會影響嬰兒腸道中有益微生物（例如雙歧桿菌）的種群[21]。嬰兒腸道菌群中某些細菌的富集可解釋為這些細菌具有消耗和代謝HMOs的能力[31]。HMOs是一組結構多樣的低聚糖，由于其結構的多樣性，不同的HMOs可以被不同的細菌代謝[26]。關于HMOs代謝的研究表明，1%的HMOs被吸收到循環系統中，其余的則被腸道微生物代謝并通過糞便和尿液排出體外[20]。

2.2.1 利用方式

嬰兒腸道相關雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）已經進化出兩種利用HMOs的方式（細胞內和細胞外消化）。兩歧雙歧桿菌（B. bifidum）和LnbX（一種重要的HMOs降解酶）陽性的長雙歧桿菌分泌細胞外糖苷酶降解細胞外HMOs，隨后釋放的單糖或二糖被導入到細胞中進一步降解[32-33]。相反，短雙歧桿菌（B. breve）、嬰兒雙歧桿菌（B. infantis）和LnbX陰性的長雙歧桿菌則通過特定的轉運體直接將完整的HMOs轉移到細胞內進行降解[32-33]。

這種依賴于轉運體的細胞內消化方式使雙歧桿菌能夠在競爭性生態系統中比其他腸道微生物更有效地捕獲碳源。然而，除了這種“自私”的方式外，雙歧桿菌還有另一種方式來支配生態系統，即物種/菌株之間可以協同利用HMOs[32]。Tannock等[34]研究了嬰兒腸道中兩歧雙歧桿菌的存在與雙歧桿菌屬優勢之間的關系。他們發現當兩歧雙歧桿菌占雙歧桿菌屬的10%以上時，相應的腸道微生物群中雙歧桿菌的豐度更高。該結果表明雙歧桿菌類群中存在HMOs降解物的交叉喂養，兩歧雙歧桿菌細胞外產生的HMOs降解物可以在不同種類的雙歧桿菌之間共享，進而促進其他雙歧桿菌物種的生長。

最近的研究證實擬桿菌也可能支配一些嬰兒的腸道菌群，擬桿菌作為微生物群中的主要發酵菌，具有利用來自腸環境的多種寡糖的能力[35]。這種特殊的糖酵解能力可歸因于擬桿菌基因組中多糖利用位點編碼的特殊機制，擬桿菌基因組中的每一個多糖利用位點似乎都負責感應和獲取不同種類的低聚糖或多糖[36]。一些擬桿菌已經被證明能夠利用HMOs、低聚果糖、黏蛋白和多種植物來源的寡糖和多糖[35]。

2.2.2 利用能力

新生兒腸道微生物在利用HMOs的能力上存在差異。到目前為止，在嬰兒腸道菌群中發現的兩大共生菌群，即雙歧桿菌屬和擬桿菌屬，被認為是HMOs的有效降解者[37]。

雙歧桿菌對HMOs的利用具有物種特異性差異。嬰兒雙歧桿菌具有很強的降解HMOs能力[31,38]。雖然兩歧雙歧桿菌利用HMOs的能力不如嬰兒雙歧桿菌，但其仍可以將HMOs降解為單糖[34-35]。Garrido等[38]在研究中測定了兩歧雙歧桿菌和嬰兒雙歧桿菌菌株利用混合HMOs和合成HMOs（LNT、LNnT、2’-FL、3’-FL和6’-SL）的能力，并通過RNA測序比較了主要代表性菌株的全基因組。結果表明嬰兒雙歧桿菌菌株表現出一致的HMOs利用模式，但兩歧雙歧桿菌菌株利用特定HMOs底物的能力比較多樣。相比之下，短雙歧桿菌和長雙歧桿菌對HMOs的分解能力更為有限[31]。假鏈雙歧桿菌（B. pseudocatenulatum）和卡氏雙歧桿菌（B. kashiwanohense）則幾乎無法利用HMOs，需要在其他雙歧桿菌HMOs降解產物的基礎上進一步生長[39]。

擬桿菌對復合多糖（膳食多糖如木聚糖、果聚糖或宿主衍生的聚糖）有著廣泛的偏好，有效地消耗大范圍的HMOs[35]。而新生兒腸道微生物群的其他菌屬，包括梭菌、腸球菌、大腸桿菌、葡萄球菌和鏈球菌自身不會降解HMOs[18]，但它們可能利用其他腸道細菌（如雙歧桿菌和擬桿菌）產生的部分分解產物或發酵終產物[18,28]。表4主要列舉出了雙歧桿菌屬與擬桿菌屬對HMOs的利用特征。

表4 腸道細菌對HMOS的利用Table 4 Utilization of HMOs by gut bacteria

2.2.3 產生的代謝產物

益生元促進健康的一種機制是通過益生元化合物的發酵來促進代謝產物的產生，結腸微生物群發酵HMOs可產生有益的代謝產物，如SCFA。可以產生SCFA的腸道細菌有擬桿菌、雙歧桿菌、乳桿菌等[45]。SCFA在腸道細菌群落與宿主之間的交流中起著關鍵作用，對新生兒的腸道健康至關重要[24]。盡管SCFA的主要作用是作為腸上皮細胞的能量來源，維持胃腸道的生長發育[24]，但越來越多的研究表明，SCFA具有更廣泛的系統效應，因為它們能夠充當信號分子參與基因表達的調控[46]。SCFA可以通過激活腸道中的游離脂肪酸受體和增加腸內循環性厭食激素來抑制食欲[47]，此外SCFA在免疫細胞的活化和分化中也起著重要作用[48-50]。發酵的主要產物是乙酸，它會降低腸道內的pH值，具有抑菌作用，能夠抑制病原菌的生長[16]。除乙酸外，發酵產物還包括丁酸和丙酸，丁酸和丙酸對腸道健康都很重要，因為它們可以與宿主上皮細胞相互作用，刺激黏蛋白釋放，增加黏膜血流量，調節免疫系統[21]。乳酸和琥珀酸是SCFA生產過程中的中間代謝產物，但研究較少[16]。

研究表明，丙酸和丁酸可以通過激活特定的G蛋白偶聯受體和修飾轉錄因子，在代謝和炎性疾病（如肥胖、糖尿病和炎癥性腸病等）中發揮作用[24]。Roduit等[51]通過高效液相色譜法測定了301 名兒童在1 歲時糞便樣本中的SCFA水平。他們還探討了SCFA水平與飲食、過敏和哮喘之間的關系。研究結果表明1 歲時糞便中丁酸和丙酸含量較高的兒童發生過敏反應的情況明顯較少，3～6 歲之間患哮喘的可能性較小；此外，這些兒童也不太可能出現食物過敏或過敏性鼻炎的情況。由此證明SCFA在減少過敏、哮喘和食物過敏方面發揮重要作用。

除了碳水化合物的發酵之外，腸道中的保護性微生物也可以自行產生對人體有益的活性物質[52]。雙歧桿菌作為益生菌，能夠產生對新生兒健康至關重要的維生素，如兩歧雙歧桿菌和嬰兒雙歧桿菌可產生大量的硫胺素、葉酸、生物素和煙酸，而短雙歧桿菌和長雙歧桿菌是核黃素、吡哆醇、鈷胺素和抗壞血酸的公認生產者[53]。腸道中富含雙歧桿菌可減少嬰兒糞便微生物群中氨、吲哚、對甲酚等代謝物的生成[53]。據報道，乳桿菌通過調節宿主代謝，具有改變腸道神經系統的功能[54]。羅伊氏乳桿菌是組胺的有效產生者，組胺是與腸道病理學相關的重要神經遞質，可調節腸道免疫功能、運動性、通透性和分泌能力[54]。腸道內的保護性細菌還包括擬桿菌，擬桿菌是已知唯一能產生鞘脂的腸道共生體。鞘脂是脂族氨基醇，是所有真核細胞和一些原核細胞膜中普遍存在的結構成分，最近被確定為炎癥性腸病患者糞便中代謝差異最大的代謝產物[55]。它們是重要的信號分子，在調節炎癥、免疫和自噬中起著重要作用[55]。這些腸道保護性微生物群產生的代謝產物可以影響生物體內各種生理和代謝過程，在調節嬰兒的正常生長方面發揮著重要作用。

3 HMOs配方奶粉對嬰兒腸道微生物群的影響

嬰兒配方奶粉通常通過增加僅在母乳中發現的成分含量來更好地模擬母乳的復雜性。目前嬰兒配方奶粉主要還是包含牛乳成分，缺少人體母乳中發現的關鍵生物活性成分（如HMOs）[56]，因此配方奶粉喂養和母乳喂養嬰兒的腸道微生物群存在很大不同[57]。已有研究表明配方奶粉可能會導致嬰兒的腸道微生物組分缺乏雙歧桿菌，從而影響嬰兒的免疫發育[58-59]，而HMOs可以通過促進雙歧桿菌的定植，有益于配方奶粉喂養嬰兒腸道微生物群的建立[60]。

Steenhout等[60]研究發現食用添加2’-FL（1 g/L）和LNnT（0.5 g/L）配方奶粉的嬰兒，其腸道微生物群組成顯著不同于喂食無補充的配方奶粉的嬰兒，腸道中雙歧桿菌的含量更高，大腸桿菌和消化鏈球菌的含量較少，并且腸道微生物群和代謝特征在組成和功能等多個方面都更加接近母乳喂養的嬰兒。

4 結 語

母乳喂養對嬰兒胃腸道微生物群的選擇性定植和成熟（隨著嬰兒的成長，微生物系統發育的多樣性逐漸增加，經過大約2.5 年的發育接近成人微生物系統，表明達到成熟）至關重要。母乳不僅為微生物在母親和嬰兒之間的轉移提供了重要的媒介，而且還含有高濃度的低聚糖，進一步促進了微生物的定植。對于不能母乳喂養的新生兒而言，喂養添加HMOs的嬰兒配方奶粉是一個更好的選擇。HMOs代表了新生兒營養學的下一個前沿領域，如今商業化生產的HMOs越來越多，HMOs的有益特性使其具有潛力成為改善嬰兒腸道微生物群生態失調的功能性成分。此前國外已有商品化的添加2’-FL和LNnT的嬰幼兒配方奶粉，近期歐盟委員會又批準了LNT在嬰幼兒配方奶粉中的應用，但我國法規尚未允許HMOs在嬰幼兒配方奶粉中使用。

雖然HMOs的有益作用已得到廣泛證明，但是關于HMOs合成、代謝和功能的許多問題仍未得到解答，HMOs調節整個腸道微生物群的機制尚待研究。另外，HMOs與母乳中其他生物活性成分（如細胞因子、免疫球蛋白和抗菌肽）之間復雜的相互作用及其對嬰兒腸道微生物群的影響也有待闡明。未來的研究應著眼于母嬰配對、大樣本和縱向樣本收集，樣本盡可能包括多樣化的人群，以進一步闡明HMOs對嬰兒腸道健康所發揮的作用。要了解HMOs作為改變后代早期腸道微生物群的潛力，首先要明確在腸道環境中，什么是預防疾病的有益微生物群；其次還要確定HMOs中的哪些成分是促進建立這種有益微生物群所必需的。