人乳低聚糖與腸道菌群互作及其調節嬰兒免疫功能的研究進展

徐顥軒，劉婧雯，尚佳萃，孟祥晨

（東北農業大學食品學院，乳品科學教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150030）

人乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）是母乳特有的活性成分，其含量僅次于乳糖和脂類，結構和功能多樣，屬于復雜的混合低聚糖。嬰兒攝入的HMOs 中，有近97%～99%無法被胃酸和消化酶分解，因此大部分HMOs 能夠到達大腸，可作為益生元與腸道菌群相互作用，產生對嬰兒發育至關重要的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acid，SCFA）和乳酸等代謝產物。此外，HMOs 能夠作為信號分子，直接與宿主細胞表面的受體作用，在調節嬰兒腸道免疫、刺激嬰兒免疫系統的發育成熟、緩解過敏癥狀、治療早產兒的壞死性小腸結腸炎、治療腹瀉、促進大腦發育等方面具有重要意義。

HMOs 種類繁多，結構復雜，體外合成困難。目前，加入配方粉中的HMOs 多為在母乳中含量多且結構簡單的2'-巖藻糖基乳糖（2'-fucosyllactose，2'-FL），最近部分配方粉中也添加3'-唾液酸乳糖（3'-sialyllactose，3'-SL）和乳酰-N-新四糖（lacto-N-neotetraose，LNnT），同時2'-FL 也將作為膳食補充劑應用于成年人食品[1]。許多研究分析不同結構的HMOs與腸道微生物間的作用機制復雜多樣，在人體內所發揮的功能有所不同。深入了解每種HMOs 的分子作用機制，指導在嬰配粉中強化HMOs，使嬰配粉的功能更接近母乳，這對嬰配粉喂養嬰兒的腸道健康至關重要。因此，本文將綜述不同種類HMOs 被腸道微生物的利用情況及其功能，闡述HMOs 與免疫功能的關系，為嬰配粉的研發提供新思路。

1 HMOs 概述

1.1 HMOs 的結構與其在母乳中的含量

HMOs 是由3～22 個單糖組成的低聚糖，其結構多樣，基于質譜分析，迄今已發現并表征了200 多種HMOs。HMOs 的五個結構單元包括葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、巖藻糖和唾液酸[2]。所有HMOs的還原末端都有連接乳糖，并且可以通過不同數量的乳糖-N-二糖（Galβ1,3GlcNAc，1 型LacNAc）或N-乙酰乳糖胺（Galβ1,4GlcNAc，2 型LacNAc），以β鍵進行延伸。一些HMOs 具有高度復雜的多支鏈結構，其支鏈的形成與β1,6-N-乙酰葡糖胺基轉移酶密切相關，該轉移酶在N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc）的3 位或4 位上以β鍵連接添加半乳糖基，其可以通過1 型或2 型結構進一步擴展。此酶的重復作用會使HMOs 產生高度復雜的多分支結構[3]。

寡糖鏈的末端通過α1,2-、α1,3-和α1,4-巖藻糖基化以及α2,3-和α2,6-唾液酸化，形成以下三種主要類型的HMOs：中性巖藻糖基化HMOs，約占所有HMOs 種類中的35%～50%，包括2'-巖藻糖基乳糖（2'-FL）、3-巖藻糖基乳糖（3-fucosyllactose，3-FL）等；中性非巖藻糖基化HMOs，約占42%～55%，例如乳酰-N-六糖（lacto-N-hexaose，LNH）、乳糖-N-新四糖（LNnT）等；酸性唾液酸化HMOs，約占12%～14%，包括3'-唾液酸乳糖（3'-SL）、二唾液酸-乳糖-N-四糖（disialyl-lacto-N-tetraose，DSLNT）等。表1 列出了一些常見HMOs 的核心結構。母乳中，中性HMOs 含量占總HMOs 的80%以上，遠高于唾液酸化HMOs。

表1 三類主要的人乳低聚糖[5-8]Table 1 Three main types of human milk oligosaccharides[5-8]

研究表明，在母乳中存在的所有HMOs 中，2'-FL 含量最高，母乳中濃度約為0.45～4.04 g/L；其次是3-FL[4]，含量為0.07～0.86 g/L；LNT 的含量為0.18～1.18 g/L；LNnT 的含量為0.10～2.04 g/L；LNFP I 的含量為0.52～1.76 g/L；LNDFH I 的含量為0.12～1.38 g/L[5]。目前大多使用2'-FL 和3-FL 進行HMOs的體內外功能研究。

1.2 母乳中HMOs 的結構與含量的影響因素

不同母親的母乳HMOs 結構和含量存在很大差異，其影響因素有很多，例如母親自身體質、哺乳期、胎次、孕期狀況和環境因素等[9]。首先，源自分泌型與非分泌型母親的乳樣中HMOs 種類和濃度差異很大。分泌型母親的HMOs 主要有LNFP I、LNDFH I 和2'-FL 三種，而非分泌型母親的乳樣中LNFP II、3-FL 和LNDFH II 三種HMOs 的含量占主導。同時，分泌型母親的母乳中HMOs 濃度高于非分泌型，且所有個體HMOs 種類及含量因分泌者狀態而異[10]。其次，HMOs 的濃度在哺乳期內有所變化。Plows 等[6]在對西班牙亞裔母嬰的一項研究中發現，哺乳過程中大多數HMOs 的濃度都顯著降低，但2'-FL、LSTb和DSLNT 除外，它們的濃度變化與時間無明顯關系。3-FL 和3'-SL 濃度在哺乳期內顯著增加。3-FL的濃度，從哺乳期開始1 個月到24 個月時增加10 倍，3'-SL 則在同一時間段內增加2 倍[6]。哺乳母親自身狀況也會顯著影響母乳HMOs 含量，例如，胎次與某種HMOs 獨立相關，經產母親的HMOs 中LNnT和LNT 較高，3-FL 較低[10]。研究指出，母體孕前體重指數（pre-pregnancy body mass index，PPBMI）會影響HMOs 組成。母乳中2'-FL、其他巖藻糖基化HMOs 和總HMOs 的濃度隨著母親PPBMI 的增高而增加[11]。而LNnT 的濃度則與PPBMI 呈負相關[9]。同時，HMOs 的組成也可能會受到分娩后母親體重的影響，但潛在機制仍不明確[12]。此外，季節地域等環境因素也會影響HMOs 的組成與結構，例如Davis等[13]在針對非洲岡比亞的研究中發現，在雨季哺乳的母親產生的HMOs 濃度比在旱季哺乳的母親低。母親的飲食結構也會影響HMOs 的含量，一項研究發現維生素A 攝入量高的母乳中唾液酸化HMOs濃度較高[14]。未來的研究需要充分了解母親飲食影響HMOs 的組成及含量的具體機制。

1.3 HMOs 的人工合成方法

對于無法進行母乳喂養的嬰兒，為使嬰兒獲得充足營養，縮小母乳和嬰兒配方粉之間組成的差距，需額外補充HMOs，這在一定程度上利于嬰兒腸道的健康，然而從天然產物中分離獲得的HMOs 量很少，無法大規模添加到嬰配粉中，因此人工合成HMOs 的方法成為最佳的選擇[15]。

目前，HMOs 的合成方法包括化學法、微生物法、酶法、酶促合成法以及全細胞合成法等[16]，其中應用最廣泛的是化學法和酶促合成法。研究人員首先發明了化學合成法。HMOs 化學合成的主要挑戰是糖基化的立體和區域選擇性控制與繁瑣的保護基操作，即當化合物上的某一基團反應時，為避免其他基團被影響，反應前先將其他基團加以保護，當反應完成后再恢復。因此保護基操作的難度隨低聚糖鏈長和分支的增加而增大[17]。為解決上述問題，研究人員提出了“一鍋法”的HMOs 合成方法。其原理是通過調控糖基供體和受體的活性，使得兩步或者多步糖基化反應連續進行，從而避免糖基化反應過程中大量的保護基操作和中間體的分離純化，提高反應效率[15]。其中最典型的是WONG 等[18]研發的“程序化一鍋法”，它使高反應活性的模塊首先被活化。“預活化的一鍋合成法”規避了大量的保護基操作，使合成效率大幅度提高[19]。為克服化學合成法的自身局限性，人們開始研究生物合成方法。酶促合成反應因具有良好的立體和區域選擇性備受矚目。酶法合成中常用的兩類酶為糖基轉移酶和糖苷水解酶。目前，李蕓[20]通過酶法采用模塊串聯，實現了12 種巖藻糖基化HMOs 的大量合成。Saumonneau 等[21]對B.longum-α-1,3/4-L-巖藻糖苷酶進行設計，得到了對產物水解能力低、與受體結合能力增強、轉糖苷活性提高的突變酶，該酶以3-FL 為糖基供體，以LNT 為受體，可合成LNFP II。

1.4 HMOs 應用

在部分發達國家，關于HMOs 應用的法規逐漸完善。截至目前，歐盟和美國已經分別批準2'-FL、LNnT、LNT、3'-SL、6'-SL 和3-FL 共6 種不同的HMO 的單個成分和它們的混合物作為新食品原料和“一般公認安全”（GRAS）物質，使用范圍包括嬰幼兒配方奶粉以及烘焙食品、乳制品、飲料等普通食品類別，使用量因申報單位不同而要求不一。其中，歐盟法規批準的2017/2470 規定2'-FL 在嬰兒和較大嬰兒配方奶粉中的單獨用量最高為1.2 g/L，兩種6′-SL 在嬰配粉中添加量最高為0.5 g/L。美國GRAS公告中涉及6′-SL 的共計5 個在嬰配粉中添加量最高為0.5 g/L。

澳大利亞新西蘭食品標準局（FSANZ）于2019年7 月22 日擬批準在嬰兒配方食品與其他產品中使用微生物發酵生產的2'-FL 或與LNnT 混合使用，并規定：如果僅添加2'-FL，2'-FL 不超過96 mg/100 kJ；如果添加2'-FL 和LNnT，則LNnT 不超過24 mg/100 kJ，并且2'-FL 和LNnT 的總和不超過96 mg/100 kJ。2021 年11 月8 日，FSANZ 對通過轉基因大腸桿菌菌株發酵生產的2'-FL 用于嬰兒配方食品、較大嬰兒配方食品和幼兒配方補充食品的應用申請發布批準報告，規定其最大添加量不得超過2.4 g/L[16]。

在我國，2021 年下半年，衛健委共受理了三款2'-FL 作為食品添加劑新品種的申報事項，此三款產品目前均已經在補正資料中。其中合成法來源的產品雖已于2021 年10 月發布了征求意見稿，但后續再次延期發補，目前處于資料補正階段。相信隨著未來研究的進展和中國相關法規的完善，HMOs 在中國將擁有廣闊的市場前景。

2 HMOs 與嬰兒腸道菌群的互作

嬰兒體內腸道菌群會在出生后和生命的最初的幾個月內迅速定植生長，腸道微生物的組成對宿主的代謝、免疫和神經系統的功能有重大影響。當腸道微生物多樣性降低或微生態失調時，會使兒童患上壞死性結腸炎、哮喘、自閉癥等疾病。

HMOs 對嬰兒腸道菌群的定植與平衡產生至關重要的影響。HMOs 對胃酸有抵抗力，不被消化酶分解，到達腸道時其結構不會發生任何變化，隨后可被一些腸道細菌充當食物來源進行發酵利用，同時產生短鏈脂肪酸，形成對腸道中部分有益微生物生長繁殖有利的酸性環境[22]。近年來，一些研究團隊采用體內和體外試驗，基于質譜法分析低聚糖的消耗以及細菌生長動力學等，試圖揭示各種存在于嬰兒腸道中的微生物，例如兩歧雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌、長雙歧桿菌、擬桿菌等對HMOs 的偏好與利用[23-24]。

2.1 巖藻基化HMOs 與腸道微生物間的作用機制

2.1.1 雙歧桿菌利用巖藻基化HMOs 的機制 雙歧桿菌利用HMOs 的方式包括細胞內消化和胞外降解兩種。短雙歧桿菌等可通過轉運蛋白將HMOs 以完整形式運輸進細胞內，利用胞內酶降解；兩歧雙歧桿菌等會在細胞外產生多種糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GH），例如1,2-α-L-巖藻糖苷酶、1,3-1,4-α-L-巖藻糖苷酶和唾液酸酶等先部分水解HMOs，再通過轉運蛋白將水解產物運輸至細胞質進一步降解，從而實現巖藻糖基化和唾液酸化HMOs 的有效利用。因此，雙歧桿菌菌株能否利用巖藻基化HMOs的決定性因素是菌體中是否含有編碼活性巖藻糖苷酶的基因以及ABC 轉運蛋白[25]。

不同種類的雙歧桿菌所能利用的巖藻基化HMOs 的種類與具體機制也不同。大多數雙歧桿菌都可利用2'-FL，其過程分為兩個階段：首先在胞外經GH 作用將其水解，接著利用ABC 轉運蛋白將2'-FL 從胞外轉運進入胞內，然后通過各種糖苷水解酶完成對2'-FL 的利用[25]，雙歧桿菌利用3-FL 的機制與利用2′-FL 的機制相似[24]。兩歧雙歧桿菌B.bifidum會在胞外分泌巖藻糖苷酶直接將2'-FL 水解[24]。B.longumsubsp.infantisATCC15697 則不同于其他雙歧桿菌屬，它存在于細胞質中，利用FL-轉運蛋白-1 和FL-轉運蛋白-2 轉運巖藻糖基化HMOs，其中FT-轉運蛋白-2 可以轉運復雜的HMOs，而FT-轉運蛋白-1 僅能轉運短的巖藻糖基化HMOs[26]。例如，B.longumsubsp.infantisATCC15697 在LNFP I 上生長良好[27]，說明LNFP I 可被長雙歧桿菌嬰兒亞種作為碳源而利用。

2.1.2 擬桿菌、羅氏菌屬對巖藻基化HMOs 的利用

而“新漢學”一詞進入中國官方話語系統，大概始于2012年國家漢辦設立的“新漢學計劃”，[13]這一計劃的目的是資助有志于中國研究的各國青年學者來華學習與合作研究，但該計劃并未從學術上界定“新漢學”這一概念。此后，2012年11月3日在北京召開的由國家漢辦和中國人民大學共同主辦的第三屆世界漢學大會，開始正式打出“新漢學”的旗號，其中有一個重要主題即“‘新漢學’的趨勢與展望”；并且，從大會的另外四個主題即“中國道路與世界經濟秩序”“文化差異與國際政治的走向”“傳統倫理與人類的未來”“中國典籍的翻譯及其當代意義：對譯及其差異”中，可以看出“新漢學”對傳統漢學內涵與外延的拓展。

Kijner 等[28]繪制了從嬰兒糞便中分離出的擬桿菌屬的生長曲線，并對擬桿菌分離株進行RNA 測序，證明了擬桿菌屬能夠利用HMOs。擬桿菌屬通常采用“外部降解”策略利用HMOs，該策略與菌體表面相關的碳水化合物結合蛋白和多糖利用位點所含有的能編碼分泌性糖苷水解酶的基因密切相關。即擬桿菌中的每一個多糖利用位點都具有識別和捕獲不同種類低聚糖的能力，從而使擬桿菌在細胞表面結合HMOs，并通過外膜SusC 型孔蛋白將其轉運到周質空間中被各種糖苷水解酶降解為更小的寡糖或單糖，隨后被運輸到細胞質中進一步降解。這種降解機制對不同HMOs 的利用能力存在很大差異，例如以糞便擬桿菌B.stercoris為代表的一些菌株不能利用任何HMOs 作為單一碳源生長，而其他如普通類桿菌B.vulgatus則在各種低聚糖中表現出生長特點，脆弱擬桿菌B.fragilis對非巖藻糖基化聚糖利用高于巖藻糖基化寡糖[23]，這表明擬桿菌屬細菌的代謝多樣性。擬桿菌屬在補充2'-FL 時，表現出顯著的生長加速和pH 降低，但與大多數雙歧桿菌屬相比，它們產生的乳酸和短鏈脂肪酸更少。當補充3-FL 時，多數擬桿菌屬均表現出明顯的α-L-巖藻糖苷酶活性，消耗40%或更多的3-FL，將3-FL 轉化為SCFAs（乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽），但只有普通擬桿菌ATCC8482 產生乳酸，同時pH 顯著降低[29]。由此可見，擬桿菌屬利用人乳低聚糖后產生的代謝產物也不盡相同。

羅氏菌屬中的R.inulinivorans表達糖苷水解酶GH136 中的兩種酶，這兩種酶存在于菌體細胞外膜上，并在細胞外水解巖藻糖基化的HMOs（LNFP I、LNDFH I 和LNDFH II），然后通過ABC 轉運蛋白將它們轉運到細胞質，實現對HMOs 的分解利用。當R.hominis存在時，細胞質中的GH136 會將LNT 轉化為乳糖和LNB[22]。

2.2 非巖藻基化HMOs 與腸道微生物間的作用機制

部分雙歧桿菌產生的細胞內糖苷水解酶GHs 能將唾液酸和巖藻糖從HMOs 的核心結構中去除，而未被降解的非巖藻基化HMOs 會被其他相應的腸道微生物產生的水解酶分解利用。例如乳糖-N-四糖（LNT）會被B.longum亞種表達乳糖-N-生物苷酶（GH136）分解，也可被B.bifidum產生的酶（GH20）水解為乳糖-N-二糖（LNB）和乳糖。隨后這些產物通過LNB 轉運蛋白運輸進細胞質中，由乳-N-二糖磷酸化酶（LNBP、GH112）進一步將它們降解轉化為半乳糖-1-磷酸（Gal-1-P）和相應的N-乙酰葡糖胺[22]。雙歧桿菌還可利用乳-N-二糖（LNB），Rubio-Del-Campo 等[30]發現包括B.bifidum、B.breve和B.longumsubsp.在內的所有測試菌株可在體外發酵LNB。可利用LNnT 的雙歧桿菌較多，B.bifidum對LNnT等復雜的HMOs 可進行細胞外水解，B.longumsubsp.infantis和B.breve能將一些完整的LNnT 導入細胞[31]，其中，B.longum中含有的β-半乳糖苷酶和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶會依次作用而水解乳糖-N-新四糖（LNnT），分別釋放出Gal 和GlcNAc[32]。β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶的同源基因也存在于B.breveUCC2003，因此B.breveUCC2003 也可以消化細胞質中的LNnT，但該菌株不能分解利用巖藻糖基化HMOs[33]。此外，研究發現B.dentiumY510 和Y521 菌株也可利用LNT 和LNnT，使環境pH 適度降低。

目前研究證明除雙歧桿菌外其他菌種對非巖藻糖基化HMOs 的利用不明顯。腸球菌屬、脂溶乳桿菌屬、乳桿菌屬、乳酸桿菌屬、葡萄球菌屬和鏈球菌屬的部分測試菌株均不能利用非巖藻基化HMOs 生長[34]。

2.3 腸道微生物對唾液酸化HMOs 的利用

2.3.1 雙歧桿菌對唾液酸化HMOs 的利用 HMOs中的唾液酸部分可保護其免受細菌利用。具有α2-3 唾液酸酶活性的可利用HMOs 的雙歧桿菌菌株在沒有體外水解牛奶聚糖中的α2-6 鍵的情況下不會發酵唾液酸化乳低聚糖。因此，長雙歧桿菌嬰兒ATCC15697 亞種利用二唾液酸-乳糖-N-四糖（DSLNT）并產生具有活性的高效NanH2α2-6 唾液酸酶對實現唾液酸化HMOs 的分解代謝具有重要意義[35]。其他種雙歧桿菌可利用的唾液酸化HMOs 多為3'-SL 和6'-SL 兩種。Yu 等[29]證明，當在培養基中添加一定濃度的3'-SL 時，B.longumJCM7007、7009、7010、7011、11347 及ATCC15697 會誘導神經氨酸酶活性，消化培養基中40%以上的3'-SL，將3'-SL 代謝成乳酸和短鏈脂肪酸，促進細菌的生長。而在培養基中添加6'-SL 時，細菌誘導神經氨酸酶的水平更高。不同菌種代謝HMOs 所產生的產物也不同，B.longumJCM1272 代謝3'-SL 僅產生短鏈脂肪酸。B.longumJCM7009、7010、7011 和11347 消化6'-SL 產生大量乳酸和短鏈脂肪酸，B.longumJCM7007 只能將其代謝為乳酸，但B.longumJCM-1260、1272 及ATCC15708 僅產生SCFA，不產生乳酸。

2.3.2 其他微生物對唾液酸化HMOs 的利用 研究發現，可利用3'-SL 和6'-SL 的微生物較多。多形類桿菌B.thetaiotaomicronATCC29148 能誘導神經氨酸酶活性消耗3'-SL。普通擬桿菌Bacteroides vulgatus可利用3'-SL 和6'-SL。脆弱類桿菌Bacteroides fragilis可利用6'-SL 進行生長和代謝，但不能利用3'-SL[29,36]。以上菌種均將唾液酸化HMOs 代謝為短鏈脂肪酸。

羅氏菌屬也可利用部分唾液酸化HMOs 進行生長代謝。Wang 等[38]分別采集產后3 個月的母乳喂養和配方粉喂養嬰兒的糞便，同時收集母乳樣本進行HMOs 的提取和純化。通過細菌16S rRNA 基因測序，發現羅氏菌屬的豐度與二唾液酸-乳糖-N-四糖（DSLNT）的濃度呈負相關，證明了羅氏菌屬對DSLNT 的利用。

2.4 腸道微生物間的交叉喂養

各腸道菌群間的代謝存在交叉喂養現象，交叉喂養是指一種細菌所產生的代謝產物可作為其他微生物的底物，從而促進其生長的現象[39]。研究表明，兩歧雙歧桿菌在總雙歧桿菌屬的占比超過10%時，嬰兒腸道菌群中雙歧桿菌的豐度更高[40]，證明兩歧雙歧桿菌降解HMOs 的產物可被不同種類的雙歧桿菌利用，促進其他種雙歧桿菌的生長。腸球菌，鏈球菌等本身雖不會降解HMOs，但它們可能會利用部分分解產物或其他腸道細菌（如雙歧桿菌和擬桿菌）產生的發酵終產物[38]。通過不同微生物對HMOs 分解產物的有效利用可實現腸道菌群的生長與平衡，對人體腸道健康具有重要意義。

2.5 HMOs 的濃度與嬰兒腸道微生物群的豐度之間的關系

HMOs 的濃度會顯著影響嬰兒腸道菌群的豐富度，促進有益菌的生長。Frese 等[41]報告，從第7 d到第28 d 對母乳喂養的嬰兒連續施加B.infantisEVC001 發現嬰兒糞便中HMOs 濃度降低，同時糞便中菌群豐度增加。研究小組使用B.breveM-16V 也報告了類似的觀察結果，因此，HMOs 的糞便濃度與嬰兒糞便中一些雙歧桿菌的豐度呈負相關。Shang 等[42]收集了中國濟寧（n=27）和哈爾濱（n=32）的健康、足月、自然分娩、純母乳喂養的1 月齡嬰兒的新鮮糞便樣本及同一天的母乳樣本進行分析，研究發現，濟寧母親母乳HMOs 濃度高于哈爾濱母乳，嬰兒腸道雙歧桿菌豐度也高于哈爾濱嬰兒，其中母乳LNFP I 和DSLNT 水平與雙歧桿菌豐度呈顯著正相關（P<0.05），而3-FL 和LNFP III 水平與雙歧桿菌豐度呈現負相關。擬桿菌豐度與3-FL、LNFP II 水平呈正相關，乳桿菌豐度與母乳中的3-FL、LDFT 和LNDFH II 濃度呈正相關。盡管不同菌種的豐度與HMOs 濃度的相關性并不完全一致，但毋庸置疑的是，HMOs 的濃度對腸道微生物的組成有顯著影響。

2.6 嬰兒腸道微生物利用HMOs 的作用效果

HMOs 作為嬰兒身體發育的關鍵物質，已被證明可促進有益腸道菌群發展，刺激嬰兒大腦早期生長[43]。已有臨床研究表明，在嬰兒配方奶粉中加入2'-FL 和LNnT 是安全的，對嬰兒健康有顯著好處，例如使用添加HMOs 的嬰配粉的嬰兒患支氣管炎和下呼吸道疾病的較少，且出生后前12 個月的抗生素使用率明顯下降[44]。這些臨床結果與微生物群發育的有益調節有關[45-46]。綜上，嬰兒腸道微生物可利用HMOs 而對自身健康產生有利影響。

3 HMOs 對嬰兒的免疫調節作用

3.1 HMOs 通過調節腸道菌群提供免疫保護

如前文所述，HMOs 可在嬰兒生命的最初幾周塑造腸道微生物群，使一些可利用HMOs 的有益菌定植生長。因此，HMOs 可通過調節宿主的腸道微生物組成，降低各種病原微生物對各種細胞受體的結合親和力，從而提高腸道免疫功能。某些擬桿菌和雙歧桿菌可分解HMOs 產生乙酸和丁酸，可以降低腸道的pH，抑制致病菌的生長，這些短鏈脂肪酸對維持腸道健康也有著重要作用。此外，HMOs 還可以通過影響細菌粘附素的表達增強益生菌菌株的粘附能力，延長益生菌的腸道轉運時間并增加宿主與微生物或微生物與微生物的相互作用，對感染性疾病提供進一步保護[47]。

3.2 HMOs 改善腸道屏障

腸道健康和屏障功能是先天免疫的第一道防線，在早期新生兒生命中相當重要。HMOs 分解產物短鏈脂肪酸在免疫細胞的激活和分化，改善腸上皮免疫防御功能方面發揮重要作用，并且與炎癥和過敏性疾病有關。例如SCFA 可以通過與宿主上皮的相互作用促進腸上皮細胞成熟并刺激粘蛋白釋放，而粘蛋白可以構成腸道粘液防止腸道感染[48-49]。Raqib等[50]證明短鏈脂肪酸中丁酸鹽增加了人類大腸上皮細胞的抗菌肽的表達，同時丁酸鹽還調節T 細胞數量和活性的增加，抑制中性粒細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞和效應T 細胞的聚集和促炎活性[51]。

HMOs 可以改變上皮細胞表面的糖基化模式來支持腸道屏障。Angeloni 等[52]使用微陣列聚糖分析表明3'-SL 誘導Caco-2 細胞系胞外糖基化模式的改變，使Caco-2 細胞中腸致病性大腸桿菌減少50%。同時，2'-FL 和3-FL 的存在顯著增加了白蛋白的厚度，而3-FL 增加了白蛋白的覆蓋面積和Caco-2 細胞糖萼中的硫酸乙酰肝素和透明質酸的含量，有利于提高上皮細胞表面糖萼的穩定性，減少病原菌粘附，增強結腸上皮修復和先天免疫的穩態[53]。

3.3 HMOs 直接調節免疫系統

3.3.1 HMOs 與免疫細胞作用影響免疫系統 不同結構的HMOs 通過與免疫細胞和上皮細胞表面上表達的凝集素或toll 樣受體（toll-like receptors，TLR）相互作用，刺激嬰兒免疫發育。目前發現多種凝集素，包括半乳糖凝集素、唾液酸結合免疫球蛋白型凝集素（Siglecs）、選擇素和C 型凝集素。它們在不同免疫細胞的表面表達，例如中性粒細胞、巨噬細胞、樹突狀細胞、嗜堿性粒細胞、嗜酸性粒細胞和自然殺傷（natural killer cells，NK）細胞[22]。大多數凝集素受體在與多價碳水化合物配體交聯后通過多聚化形成信號通路[54]，誘導細胞內信號轉導，影響促炎/抗炎細胞因子的表達及誘導適應性免疫反應。而TLR 能識別結合腸上皮屏障附近的樹突狀細胞（dendriticcells，DC），導致T 細胞分化或T 細胞B 細胞相互作用，并通過嗜中性粒細胞、淋巴細胞和單核細胞與影響免疫細胞群和細胞因子分泌的內皮細胞相互作用顯示全身效應[48,55]。Xiao 等[56]證實HMOs 會誘導人單核細胞衍生的樹突狀細胞部分成熟，并提高白細胞介素-6（interleukin-6，IL-6）和IL-10、IL-27 的含量，從而刺激B 細胞和T 細胞增殖，分泌抗體，抑制前炎癥細胞因子產生。Goehring 等[57]研究了添加2'-FL 的配方粉對健康足月嬰兒免疫功能生物標志物的影響，結果表明，含有2'-FL 組的IL-1α、IL-1β、IL-6 以及抗炎IL-1 受體拮抗劑的血漿濃度與母乳喂養嬰兒相似。He 等[58]研究了初乳HMOs 對完整的未成熟的人腸黏膜的影響，發現初乳HMOs 降低了促炎細胞因子（IL-1β和IL-8）的水平，同時刺激了與組織修復和穩態相關的細胞因子的表達。由此可見，母乳中HMOs 會通過信號轉導影響炎癥細胞因子的表達。

3.3.2 HMOs 可維持嬰兒免疫系統Th1/Th2 反應的平衡 新生兒的免疫系統不成熟，主要依靠Th2 型反應而進行體液免疫抵御細胞外病原體不是Th1 型細胞免疫。3'-SL 則會刺激腸系膜淋巴結CD11c+樹突狀細胞導致細胞因子釋放，促進T 輔助細胞向Th1 和Th17 表型轉變[59]。證明HMOs 的存在提高了Th1 極化的表達，改善嬰兒Th1/Th2 細胞因子的平衡。HMOs 還可抑制Th2 極化的表達。Eiwegger等[60]將來自于臍帶血的單核細胞暴露于混合的唾液酸化HMO 中，發現酸性HMOs 會促進IFN-γ和IL-10 的產生，抑制Th2 反應，使免疫反應轉向更平衡的Th1/Th2 模式，從而增強對病原體感染的防御并減輕新生兒腸粘膜對食物過敏和自身免疫性疾病的易感性。

3.4 HMOs 阻止病原體粘附、抗病毒特性

近年來大量體外和體內研究表明，HMOs 具有抗菌、抗病毒特性，這些研究結果讓人們認識到了HMOs 預防致病性細菌感染的可能性。HMOs 可通過充當可溶性受體作為誘餌直接阻止致病性細菌進入。許多病毒、細菌和原生動物病原體會識別細胞，粘附在細胞表面，然后入侵宿主并引起疾病。HMOs的化學結構類似于附著在上皮細胞表面的聚糖，因此病原體和毒素能識別并結合HMOs，而不結合上皮細胞表面的聚糖，從而不粘附目標細胞，避免對胃腸道產生危害[61]。已有動物實驗研究證明這一機制有助于嬰兒預防感染性腹瀉、壞死性小腸結腸炎，并且可以直接抑制B 族鏈球菌的生長，其中，B 族鏈球菌是引起新生兒侵入性細菌感染的主要原因[62-64]。Coppa 等[65]將HMOs 分為高分子量和低分子量的酸性和中性寡糖，研究表明：酸性部分（主要是3'-SL）對霍亂病毒、大腸桿菌O119 和Salmonellafyris的粘附具有抑制作用，中性高分子量部分（主要是LNFP）顯著抑制大腸桿菌O119 和霍亂病毒的粘附，而中性低分子量部分（主要是3-FL）則拮抗大腸桿菌O119 和Salmonellafyris的粘附。研究學者們還證明，2'-FL 會抑制空腸桿菌和鈣化病毒與腸道粘液的結合[62]，還能抑制空腸桿菌在人類上皮細胞HT-29 和HEp-2 以及小鼠腸粘膜中誘發的炎癥[66]。2′-FL 和DSLNT 作為母乳中保護腸道健康的成分，在預防及治療壞死性小腸結腸炎中也起到了積極的作用[67]。吳曉彬等[68]實驗證明巖藻糖基化HMOs 對無乳鏈球菌有抗菌作用，但對大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌無效或抗菌效果不佳。

4 總結與展望

近年來，在嬰配粉中補充HMOs 已成為嬰配粉研發的趨勢，部分發達國家已批準將2'-FL、LNnT和3'-SL 等六種HMOs 作為嬰配粉的補充劑。因此，深入了解HMOs 的結構與功能至關重要。HMOs的結構多樣，在母乳中的組成和含量受母親自身體質、飲食結構和環境等多種因素影響。目前，部分HMOs 已成功實現人工合成，但合成的產量低，分離難度大，且結構復雜的HMOs 無法合成，需發掘更多合成HMOs 的新型原料和方法，攻堅關鍵技術，從而實現HMOs 的量產。

雙歧桿菌、擬桿菌和腸球菌等腸道微生物能分別利用不同種類的HMOs，進而實現自身的定植與生長，對平衡嬰兒腸道菌群有重要意義。不同結構的HMOs 還會通過與各種細胞上的凝集素或toll 樣受體相互作用，維持嬰兒免疫系統Th1/Th2 反應平衡以調節嬰兒免疫功能，同時能阻止病原體粘附、抵抗病毒入侵。但是目前除2'-FL、3-FL、3'-SL 外，其他種類HMOs 結構與功能的研究并不完善，還不完全清晰其在嬰兒體內與腸道微生物的互作機制，以及對嬰兒免疫系統發育的影響機制，然而幾乎每種HMOs 都有不同的益處，明確它們中的每一個的活性都將提高HMOs 在臨床應用上的價值。因此仍需更加深入地研究HMOs 的特點及其對嬰幼兒健康的影響。此外，HMOs 及其代謝產物與某些腸道微生物或母乳中其他活性成分的相互作用，或可在嬰幼兒腸道菌群健康和免疫發育方面有更好的效果。未來還可針對母親特異性個體以及HMOs 相關基因型，預測母乳中HMOs 的種類與含量，為嬰兒進行個性化營養定制。