母乳低聚糖與嬰兒腸道菌群相關(guān)性研究進(jìn)展

袁慧芝，荀一萍，蒲曉璐，朱 宏，王世杰,,*

（1.河北科技大學(xué)食品與生物學(xué)院，河北 石家莊 050018；2.石家莊君樂寶乳業(yè)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(gè)生命周期[1]。出生后，嬰兒腸道經(jīng)歷了復(fù)雜的微生物定植過程。已有研究表明喂養(yǎng)方式是調(diào)節(jié)胃腸道微生物群組成和代謝功能的關(guān)鍵因素[2]。母乳喂養(yǎng)的嬰兒在其生命的第一周中擁有更穩(wěn)定的微生物群落（雙歧桿菌為優(yōu)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(yǎng)的“黃金標(biāo)準(zhǔn)”，也是生長期嬰兒的最佳營養(yǎng)來源[4]。母乳是一種由數(shù)百到數(shù)千種不同的生物活性成分組成的復(fù)雜生物流體，適合于嬰兒未成熟的消化系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)，其中最豐富的物質(zhì)之一是被稱為母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）的非共軛復(fù)合碳水化合物[5]。母乳喂養(yǎng)的許多有益效果可能都與特定HMOs的存在有關(guān)[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(jié)構(gòu)、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(yǎng)中受到了廣泛關(guān)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(dǎo)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(guān)重要。

1 HMOs的組成、結(jié)構(gòu)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(tǒng)稱[8]。它在乳糖分子的基礎(chǔ)上終端位置由5 種單體進(jìn)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，F(xiàn)uc）和N-乙酰神經(jīng)氨酸（也稱唾液酸，N-acetylneuraminic acid，Neu5Ac）[11]。HMOs每個(gè)分子包含3～32 個(gè)單糖，這些單糖通過不同的糖苷鍵連接[12-13]，構(gòu)成了HMOs的多樣性和復(fù)雜性。盡管HMOs組分繁多，但是基于其核心結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?；樘牵℅al-β-1,4-GlcNAc）向外延伸，并且可以用巖藻糖或唾液酸進(jìn)一步修飾這些核心HMOs結(jié)構(gòu)，最終形成細(xì)長的線性結(jié)構(gòu)或支鏈寡糖[15-16]。HMOs是結(jié)構(gòu)上不同的非共軛聚糖，其組成對于每個(gè)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(yǎng)需求而發(fā)生改變，從而為嬰兒提供精準(zhǔn)的保護(hù)[8,15,19]。HMOs在初乳中的質(zhì)量濃度最高，達(dá)到20～23 g/L，然后在成熟母乳（母親產(chǎn)后11 d～9 個(gè)月分泌的乳汁）中質(zhì)量濃度下降到12～14 g/L。與足月分娩的母親相比，早產(chǎn)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(jié)構(gòu)及含量[21-22]?？傮w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(jù)統(tǒng)計(jì)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(jié)構(gòu)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(guān)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(fā)揮著關(guān)鍵作用[24]。嬰兒的腸道微生物群組成與所代謝的HMOs有關(guān)，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(shù)HMOs到達(dá)結(jié)腸，在結(jié)腸中它們作為特定微生物的底物（即充當(dāng)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(dǎo)致胃腸道微生物群的組成和活性發(fā)生相同的變化，并對宿主的健康產(chǎn)生相同的影響。益生元效應(yīng)可能是結(jié)構(gòu)特異性的[26]，因此有必要了解母乳中特定的HMOs結(jié)構(gòu)與嬰兒腸道微生物群組成之間的對應(yīng)關(guān)系。

Underwood等[27]對美國早產(chǎn)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(jié)構(gòu)對嬰兒腸道吸收、尿液排泄和腸道微生物消耗方面產(chǎn)生顯著影響。關(guān)于嬰兒腸道菌群與HMOs體內(nèi)消耗之間的聯(lián)系也已有研究。de Leoz等[24]結(jié)合糖組學(xué)和基因組學(xué)的最新進(jìn)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(guān)系。他們觀察到在出生后的最初幾周，兩個(gè)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(zhuǎn)變?yōu)橄腍MOs的微生物群（擬桿菌科和雙歧桿菌科），糞便中HMOs豐度也相應(yīng)降低。這些結(jié)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(yīng)一致。Borewicz等[5]研究了1 個(gè)月大母乳喂養(yǎng)嬰兒的腸道微生物群組成與母乳中HMOs分布的關(guān)系。結(jié)果表明HMOs導(dǎo)致嬰兒腸道中61.5%的微生物群發(fā)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(guān)，特別是與雙歧桿菌屬、擬桿菌屬和乳桿菌屬的系統(tǒng)發(fā)育型密切相關(guān)。這些結(jié)果說明HMOs組成與嬰兒腸道微生物群之間建立了相應(yīng)的關(guān)系，并有助于更準(zhǔn)確地描述發(fā)育中的嬰兒腸道微生物群落的生態(tài)學(xué)。HMOs與腸道菌的相關(guān)性如表3所示，每個(gè)細(xì)菌屬都與多個(gè)HMOs有關(guān)。

表3 HMOs譜與嬰兒腸道各種菌的相關(guān)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(xì)菌的富集可解釋為這些細(xì)菌具有消耗和代謝HMOs的能力[31]。HMOs是一組結(jié)構(gòu)多樣的低聚糖，由于其結(jié)構(gòu)的多樣性，不同的HMOs可以被不同的細(xì)菌代謝[26]。關(guān)于HMOs代謝的研究表明，1%的HMOs被吸收到循環(huán)系統(tǒng)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(guān)雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）已經(jīng)進(jìn)化出兩種利用HMOs的方式（細(xì)胞內(nèi)和細(xì)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(xì)胞外糖苷酶降解細(xì)胞外HMOs，隨后釋放的單糖或二糖被導(dǎo)入到細(xì)胞中進(jìn)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(zhuǎn)運(yùn)體直接將完整的HMOs轉(zhuǎn)移到細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行降解[32-33]。

這種依賴于轉(zhuǎn)運(yùn)體的細(xì)胞內(nèi)消化方式使雙歧桿菌能夠在競爭性生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)，即物種/菌株之間可以協(xié)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(yōu)勢之間的關(guān)系。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩歧雙歧桿菌占雙歧桿菌屬的10%以上時(shí)，相應(yīng)的腸道微生物群中雙歧桿菌的豐度更高。該結(jié)果表明雙歧桿菌類群中存在HMOs降解物的交叉喂養(yǎng)，兩歧雙歧桿菌細(xì)胞外產(chǎn)生的HMOs降解物可以在不同種類的雙歧桿菌之間共享，進(jìn)而促進(jìn)其他雙歧桿菌物種的生長。

最近的研究證實(shí)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(fā)酵菌，具有利用來自腸環(huán)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(diǎn)編碼的特殊機(jī)制，擬桿菌基因組中的每一個(gè)多糖利用位點(diǎn)似乎都負(fù)責(zé)感應(yīng)和獲取不同種類的低聚糖或多糖[36]。一些擬桿菌已經(jīng)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(fā)現(xiàn)的兩大共生菌群，即雙歧桿菌屬和擬桿菌屬，被認(rèn)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(qiáng)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(jié)果表明嬰兒雙歧桿菌菌株表現(xiàn)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(chǎn)物的基礎(chǔ)上進(jìn)一步生長[39]。

擬桿菌對復(fù)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(xì)菌（如雙歧桿菌和擬桿菌）產(chǎn)生的部分分解產(chǎn)物或發(fā)酵終產(chǎn)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(xì)菌對HMOS的利用Table 4 Utilization of HMOs by gut bacteria

2.2.3 產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物

益生元促進(jìn)健康的一種機(jī)制是通過益生元化合物的發(fā)酵來促進(jìn)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，結(jié)腸微生物群發(fā)酵HMOs可產(chǎn)生有益的代謝產(chǎn)物，如SCFA?？梢援a(chǎn)生SCFA的腸道細(xì)菌有擬桿菌、雙歧桿菌、乳桿菌等[45]。SCFA在腸道細(xì)菌群落與宿主之間的交流中起著關(guān)鍵作用，對新生兒的腸道健康至關(guān)重要[24]。盡管SCFA的主要作用是作為腸上皮細(xì)胞的能量來源，維持胃腸道的生長發(fā)育[24]，但越來越多的研究表明，SCFA具有更廣泛的系統(tǒng)效應(yīng)，因?yàn)樗鼈兡軌虺洚?dāng)信號分子參與基因表達(dá)的調(diào)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(nèi)循環(huán)性厭食激素來抑制食欲[47]，此外SCFA在免疫細(xì)胞的活化和分化中也起著重要作用[48-50]。發(fā)酵的主要產(chǎn)物是乙酸，它會降低腸道內(nèi)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(fā)酵產(chǎn)物還包括丁酸和丙酸，丁酸和丙酸對腸道健康都很重要，因?yàn)樗鼈兛梢耘c宿主上皮細(xì)胞相互作用，刺激黏蛋白釋放，增加黏膜血流量，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)[21]。乳酸和琥珀酸是SCFA生產(chǎn)過程中的中間代謝產(chǎn)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(lián)受體和修飾轉(zhuǎn)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(fā)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(shí)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(guān)系。研究結(jié)果表明1 歲時(shí)糞便中丁酸和丙酸含量較高的兒童發(fā)生過敏反應(yīng)的情況明顯較少，3～6 歲之間患哮喘的可能性較??；此外，這些兒童也不太可能出現(xiàn)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(fā)揮重要作用。

除了碳水化合物的發(fā)酵之外，腸道中的保護(hù)性微生物也可以自行產(chǎn)生對人體有益的活性物質(zhì)[52]。雙歧桿菌作為益生菌，能夠產(chǎn)生對新生兒健康至關(guān)重要的維生素，如兩歧雙歧桿菌和嬰兒雙歧桿菌可產(chǎn)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(rèn)生產(chǎn)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(jù)報(bào)道，乳桿菌通過調(diào)節(jié)宿主代謝，具有改變腸道神經(jīng)系統(tǒng)的功能[54]。羅伊氏乳桿菌是組胺的有效產(chǎn)生者，組胺是與腸道病理學(xué)相關(guān)的重要神經(jīng)遞質(zhì)，可調(diào)節(jié)腸道免疫功能、運(yùn)動性、通透性和分泌能力[54]。腸道內(nèi)的保護(hù)性細(xì)菌還包括擬桿菌，擬桿菌是已知唯一能產(chǎn)生鞘脂的腸道共生體。鞘脂是脂族氨基醇，是所有真核細(xì)胞和一些原核細(xì)胞膜中普遍存在的結(jié)構(gòu)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(chǎn)物[55]。它們是重要的信號分子，在調(diào)節(jié)炎癥、免疫和自噬中起著重要作用[55]。這些腸道保護(hù)性微生物群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物可以影響生物體內(nèi)各種生理和代謝過程，在調(diào)節(jié)嬰兒的正常生長方面發(fā)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(fā)現(xiàn)的成分含量來更好地模擬母乳的復(fù)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(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵生物活性成分（如HMOs）[56]，因此配方奶粉喂養(yǎng)和母乳喂養(yǎng)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(dǎo)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(fā)育[58-59]，而HMOs可以通過促進(jìn)雙歧桿菌的定植，有益于配方奶粉喂養(yǎng)嬰兒腸道微生物群的建立[60]。

Steenhout等[60]研究發(fā)現(xiàn)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(bǔ)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(gè)方面都更加接近母乳喂養(yǎng)的嬰兒。

4 結(jié) 語

母乳喂養(yǎng)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(tǒng)發(fā)育的多樣性逐漸增加，經(jīng)過大約2.5 年的發(fā)育接近成人微生物系統(tǒng)，表明達(dá)到成熟）至關(guān)重要。母乳不僅為微生物在母親和嬰兒之間的轉(zhuǎn)移提供了重要的媒介，而且還含有高濃度的低聚糖，進(jìn)一步促進(jìn)了微生物的定植。對于不能母乳喂養(yǎng)的新生兒而言，喂養(yǎng)添加HMOs的嬰兒配方奶粉是一個(gè)更好的選擇。HMOs代表了新生兒營養(yǎng)學(xué)的下一個(gè)前沿領(lǐng)域，如今商業(yè)化生產(chǎn)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(tài)失調(diào)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(zhǔn)了LNT在嬰幼兒配方奶粉中的應(yīng)用，但我國法規(guī)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(guān)于HMOs合成、代謝和功能的許多問題仍未得到解答，HMOs調(diào)節(jié)整個(gè)腸道微生物群的機(jī)制尚待研究。另外，HMOs與母乳中其他生物活性成分（如細(xì)胞因子、免疫球蛋白和抗菌肽）之間復(fù)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(yīng)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(jìn)一步闡明HMOs對嬰兒腸道健康所發(fā)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(huán)境中，什么是預(yù)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(jìn)建立這種有益微生物群所必需的。