Re: human milk oligosaccharides -- 신생아 장내 프리바이오틱스 기능 2021년 리뷰

[문형철]

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• Published: 28 May 2021

Gold standard for nutrition: a review of human milk oligosaccharide and its effects on infant gut microbiota

• Shunhao Zhang, 
• Tianle Li, 
• Jing Xie, 
• Demao Zhang, 
• Caixia Pi, 
• Lingyun Zhou & 
• Wenbin Yang 

Microbial Cell Factories volume 20, Article number: 108 (2021) Cite this article

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A Correction to this article was published on 21 July 2021

This article has been updated

Abstract

Human milk is the gold standard for nutrition of infant growth, whose nutritional value is mainly attributed to human milk oligosaccharides (HMOs). HMOs, the third most abundant component of human milk after lactose and lipids, are complex sugars with unique structural diversity which are indigestible by the infant. Acting as prebiotics, multiple beneficial functions of HMO are believed to be exerted through interactions with the gut microbiota either directly or indirectly, such as supporting beneficial bacteria growth, anti-pathogenic effects, and modulation of intestinal epithelial cell response. Recent studies have highlighted that HMOs can boost infants health and reduce disease risk, revealing potential of HMOs in food additive and therapeutics. The present paper discusses recent research in respect to the impact of HMO on the infant gut microbiome, with emphasis on the molecular basis of mechanism underlying beneficial effects of HMOs.

요약

모유는 유아 성장에 있어 영양의 황금 표준이며,

그 영양적 가치는 주로

모유 올리고당(HMO)에 기인합니다.

HMO는

유당과 지질 다음으로

모유에 가장 많이 함유된 성분으로,

유아의 소화 기관에서는

소화되지 않는 독특한 구조적 다양성을 가진 복합 당입니다.

프리바이오틱스 역할을 하는 HMO의 여러 가지 유익한 기능은

장내 미생물군과의 상호작용을 통해

직접 또는 간접적으로 발휘되는 것으로 여겨집니다.

예를 들어,

유익한 박테리아의 성장을 돕고,

병원성 미생물에 대한 저항력을 강화하며,

장 상피세포의 반응을 조절하는 등의 효과가 있습니다.

최근 연구에 따르면,

HMO는

유아의 건강을 증진하고 질병의 위험을 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌으며,

식품 첨가물 및 치료제로서의 잠재력을 보여주고 있습니다.

이 논문은 HMO가 유아 장내 미생물 군집에 미치는 영향에 관한 최근의 연구에 대해 논의하고, HMO의 유익한 효과의 기저에 있는 분자적 메커니즘에 중점을 두고 있습니다.

Background

It is widely acknowledged that breastfeeding is not only an evolutionary optimized means for feeding babies since ancient time but also the gold standard for infant nutrition, and World Health Organization (WHO) stipulates that mother should exclusively breastfeed her infant for the first 6 months since birth [1,2,3]. On the one hand, breastfeeding offer infants nutrients needed for healthy development and growth [4, 5]; on the other hand, breastfeeding also provide infants with protection against gastrointestinal and respiratory infections, and a reduced incidence of various diseases, such as obesity, diabetes, atopy, and asthma [6,7,8,9,10,11,12]. Besides, breastfeeding is beneficial to both babies and their mothers [13]. With recent advances and development in analytical tools for structural characterisation, scientists are engaged in the process of identifying the composition of human milk, which is featured by abundant and diverse human milk oligosaccharides (HMOs) [14]. Back to the end of the nineteenth century, the phenomenon that bottlefed infants had a much lower survival rate and a higher chance of infection in comparison to breastfed infants, aroused the scientific interest in the composition of human milk whose positive effects benefit infant health in early life. In 1900, differences in the bacteria composition between breastfed and non-breastfed infant feces were noted, and bifidobacteria seemed to enrich in breastfed infant stool [15]. With another 50-plus years efforts on HMO research, the bifidogenic factor in human milk was identified as oligosaccharides (OS) containing polysaccharides and N-acetylglucosamine (GlcNAc) [16,17,18]. Nowadays, more than 200 HMOs have been identified and many beneficial effects of human milk attribute to HMOs that are believed to be exerted through interactions with the gut microbiota [19].

Among components of human milk, lactose and lipids are the main source of energy to the infants which provide the uppermost source of carbohydrates at the average concentration of 30–70 g/L [20,21,22]. Compared with lactose and lipids, HMOs are the third largest solid component of human milk which are only slightly hydrolyzed and eventually accumulate in infant gastric intestinal tract. HMOs are complex carbohydrates and known to function as prebiotic serving as substrates for certain gut microbes in the colon tract due to their indigestible property to the infant [23, 24]. Though well regulated, the development of a healthy host-microbe symbiosis in the newborn gastrointestinal tract, which is an extremely complex and crucial biological process, is still a highly vulnerable period [25, 26]. Breastfed infants are featured by abundant bifidobacteria in gut microbiota, which is considered safe and beneficial to infants [27]. Besides, HMOs are increasingly linked to protection against causative organisms, such as pathogenic bacterium, virus, protozoan parasite, and fungus.

This review presents current advances in respect to the impact of HMO on the infant gut microbiome, and the critical insight into the beneficial effects of HMOs and the mechanism behind them.

배경

모유 수유가

고대부터 아기를 먹이는 데 최적화된 진화적 수단일 뿐 아니라

유아 영양의 황금 표준이라는 것은 널리 알려진 사실이며,

세계보건기구(WHO)는 출생 후 첫 6개월 동안은 모유만 먹여야 한다고 규정하고 있습니다[1,2,3].

모유 수유는

건강한 발달과 성장에 필요한 영양분을 아기에게 제공해 주는 한편,

위장 및 호흡기 감염으로부터 아기를 보호하고,

비만, 당뇨병, 아토피, 천식 등 다양한 질병의 발생률을 감소시킵니다 [6,7,8,9,10,11,12].

또한,

모유 수유는 아기와 엄마 모두에게 유익합니다 [13].

최근 구조적 특성화 분석 도구의 발전과 개발로 인해

과학자들은 풍부하고 다양한 모유 올리고당(HMO)이 특징인

모유의 구성을 확인하는 과정에 참여하고 있습니다 [14].

19세기 말,

젖병 수유 유아의 생존율이

모유 수유 유아에 비해 훨씬 낮고 감염 가능성이 더 높다는 사실이 밝혀지면서,

유아기의 건강에 긍정적인 영향을 미치는 모유의 성분에 대한 과학적 관심이 높아졌습니다.

1900년,

모유 수유 유아와 비수유 유아의 대변에 있는 박테리아의 구성에 차이가 있다는 사실이 밝혀졌고,

비피더스균이 모유 수유 유아의 대변에 더 많이 존재하는 것으로 나타났습니다 [15].

HMO 연구에 50년 이상 더 노력한 결과,

모유의 비피더스균 생성 인자가

다당류와 N-아세틸글루코사민(GlcNAc)을 함유한

올리고당류(OS)로 확인되었습니다[16,17,18].

현재 200개가 넘는 HMO가 확인되었으며,

장내 미생물과의 상호 작용을 통해 작용하는 것으로 여겨지는 HMO가

모유의 많은 유익한 효과를 설명하는 것으로 알려져 있습니다 [19].

모유의 성분 중 락토스와 지질은

영아에게 가장 중요한 탄수화물 공급원이며,

평균 농도 30-70g/L의 탄수화물을 제공합니다 [20,21,22].

락토스와 지질에 비해,

HMO는 모유의 세 번째로 큰 고체 성분으로,

약간만 가수분해되어 결국 유아의 위장관에 축적됩니다.

HMO는

복합 탄수화물이며,

유아의 소화 기관에 흡수되지 않는 특성 때문에

결장 내 특정 장내 미생물의 기질 역할을 하는 프리바이오틱스로 기능하는 것으로 알려져 있습니다 [23, 24].

잘 조절되어 있지만,

매우 복잡하고 중요한 생물학적 과정인 신생아의 위장관에서

건강한 숙주-미생물 공생의 발달은 여전히 매우 취약한 시기입니다 [25, 26].

모유를 먹는 유아의 장내 미생물 군집에는

비피더스균이 풍부하게 존재하는데,

이는 유아에게 안전하고 유익한 것으로 간주됩니다 [27].

게다가,

HMO는 병원성 박테리아, 바이러스, 원생 동물 기생충, 곰팡이 등

원인균에 대한 보호와 관련이 있는 것으로 점점 더 많이 알려져 있습니다.

이 리뷰는

HMO가 유아의 장내 미생물 군집에 미치는 영향에 관한 현재의 발전 상황과

HMO의 유익한 효과 및 그 뒤에 있는 메커니즘에 대한 중요한 통찰력을 제시합니다.

HMOs

Chemical structure of HMOs

HMO is a collective terms referring to a group of various OS which is present in human milk and they are made up of five basic units including one acid monosaccharide, namely sialic acid (Sia) or N-acetylneuraminic acid; one amino sugar which is known as GlcNAc; three monosaccharides which are l-fucose (Fuc), d-galactose (Gal), and d-glucose (Glc) [28]. Although the combination of these five building blocks in diverse directions and sequences is immense, only approximately 200 different HMOs have been characterized so far and 50 compositions of HMOs are assumed to represent 99% of HMO abundance in human mother’s milk [19, 24]. All HMOs contain a lactose core (Galβ-1,4Glc) at the reducing end [29], which can be further lengthened enzymatically by β1–3 or β1–6 linkage to either Galβ1–3GlcNAc (lacto-N-biose, LNB, type-1 chain) or to Galβ1–4GlcNAc (N-acetyllactosamine, type-2 chain) [30]. Besides, the core HMO structures can also be decorated by Sia via α2–3 or α2–6 linkages and/or Fuc via α1–2, α1–3, or α1–4 linkages at the terminal positions [30]. Therefore, HMO can be mainly classified into three groups: fucosylated OS (FucOS), sialylated OS (SiaOS), and neutral OS (Fig. 1).

HMO의 화학 구조

HMO는 모유에 존재하는 다양한 OS 그룹을 지칭하는 총칭으로,

시알산(Sia) 또는 N-아세틸뉴라민산이라는

하나의 산성 단당류,

글루코사민(GlcNAc)으로 알려진 하나의 아미노당,

l-푸코스(Fuc)라는 세 가지 단당류,

d-갈락토스(Gal), d-글루코스(Glc) [28].

이 다섯 가지 구성 요소의 조합은 다양하고 복잡하지만,

지금까지 약 200가지의 HMO만이 특성화되었고,

50가지의 HMO 조성은 모유에 존재하는 HMO의 99%를 차지하는 것으로 추정됩니다 [19, 24].

모든 HMO는

환원 말단에 락토오스 코어(Galβ-1,4Glc)를 포함하고 있으며[29],

이는 β1-3 또는 β1-6 결합을 통해 Galβ1-3GlcNAc(락토-N-비오스, LNB, 1형 사슬) 또는

Galβ1-4GlcNAc(N-아세틸락토사민, 2형 사슬)에 효소적으로 더 길어질 수 있습니다. [30].

게다가,

핵심 HMO 구조는

Sia를 통해 α2-3 또는 α2-6 결합 및/또는 Fuc를 통해 α1-2, α1-3 또는 α1-4 결합을 통해

말단 위치에 장식될 수 있습니다 [30].

따라서,

HMO는

크게 퓨코실화 OS(FucOS), 시알릴화 OS(SiaOS), 중성 OS(Fig. 1)의

세 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다.

Fig. 1

Structures of main HMOs. HMO is made up of five basic units: Sia, GlcNAc, Fuc, Gal, and Glc [28]. All HMOs contain a lactose core which can be further lengthened by LNB (type-1 chain) or N-acetyllactosamine (type-2 chain) via either β1–3 or β1–6 linkage [30]. Based on the core HMO structures are sialylated and/or fucosylated, they can be mainly classified into three groups: FucOS, SiaOS, and neutral OS [30]. Structures of the main HMO are showed

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Concentration of HMOs in human milk

Human milk is regarded as the golden standard for newborn babies [20] thanks to its variable composition of nutrients which contributes to the protection against pathogenic bacteria or viruses [31], prevention against bowel inflammation, and constructive modulation of the immune system response during the development of infants [32, 33]. Although composition of human milk varies from person to person, HMOs are the main nutrients benefitting newborns’ growth. HMOs are abundantly present in human milk representing about 20% of all carbohydrate in colostrum [34, 35]. The stage of lactation determines HMOs amount in human milk which varies from 20–24 g/L in the earliest human milk to10–15 g/L in mature milk on average [20, 34,35,36]. On the one hand, the concentration and relative abundance of non FucOS and SiaOS declined with time, but on the other hand, the relative abundance of FucOS increased despite their decreased concentration [35]. In comparison to the amount of OS in cow’s milk (up to 1 g/L in the earliest milk and 0.05–0.1 g/L in mature milk which remarkably depends on inter-breed and seasonal difference), we can find that human milk has up to 22–26 times higher levels and a higher variety of OS, indicating that the composition and structure of HMOs may be far more complicated than OS in cow’s milk [37,38,39].

모유에 함유된 HMO의 집중력

모유는

병원성 박테리아나 바이러스로부터 신생아를 보호하고[20],

장 염증을 예방하며,

유아 발달 과정에서 면역 체계 반응을 건설적으로 조절하는 데 기여하는

다양한 영양소 구성 덕분에 신생아에게 가장 적합한 식품으로 간주됩니다[31, 33].

모유의 구성은 사람마다 다르지만,

HMO는 신생아의 성장에 도움이 되는 주요 영양소입니다.

모유에는

HMO가 풍부하게 함유되어 있으며,

초유에 함유된 탄수화물의 약 20%를 차지합니다 [34, 35].

수유 단계에 따라 모유에 함유된 HMO의 양이 결정되는데,

초기 모유에는 20-24g/L, 성숙기 모유에는 평균 10-15g/L가 함유되어 있습니다 [20, 34,35,36].

한편으로는,

비펩티드 FucOS와 SiaOS의 농도와 상대적 풍부도는 시간이 지남에 따라 감소했지만,

다른 한편으로는, 농도가 감소했음에도 불구하고 FucOS의 상대적 풍부도는 증가했습니다 [35].

젖소의 우유에 함유된 OS의 양과 비교해 보면

(초기 우유에서 최대 1g/L, 0.05-0. 성숙된 우유에서 1g/L(품종과 계절에 따라 현저하게 다름)인 반면,

사람의 모유에서는 최대 22~26배 더 높은 수준과 더 다양한 OS를 발견할 수 있습니다.

이는 HMO의 구성과 구조가

젖소의 우유에 있는 OS보다 훨씬 더 복잡할 수 있음을 나타냅니다 [37,38,39].

Endogenous synthesis of HMOs

The polymorphism of several genes contributes to wide variability of HMOs during the endogenous synthesis process. When it comes to biosynthesis of FucOS, Secretor (Se) gene and Lewis (Le) gene play important roles in encoding different fucosyltransferases to determine both the quantitative and qualitative composition of HMOs [34]. Activation of the Se gene leads to the expression‎ of α1-2-fucosyltransferase enzyme (FUT2) who is responsible for lengthening the terminal Gal of the type-1 chain of HMOs by Fuc via α1–2 linkage [40, 41]. The Le gene allows the expression‎ of α1–3/4-fucosyltransferase (FUT3) to add Fuc with α1–3/4 linkage to a subterminal GlcNAc of the type-1 chain of HMOs [42, 43]. According to the different expression‎ of both Se gene and Le gene, mothers can be classified as either positive (+) or negative (−) for both genes and divided into four different groups (Fig. 2): Se(+)Le(+), Se(−)Le(+), Se(+)Le(−), and Se(−)Le(−) [41, 44], where 70% are Se(+)Le(+), 20% Se(−)Le(+), 9% Se(+)Le(−), and 1% Se(−)Le(−) [36, 45,46,47]. For females who belong to the Se(+)Le( +) genotype and therefore have functional FUT2 and FUT3 enzymes, all types of FucOS can be found in their milk. The Se(−)Le( +) women produce milk containing FucOS with α1,3 and α1,4 linkages such as lacto-N-fucopentaose (LNFP) II, LNFP III, and 3-fucosyllactose (FL). Mothers with the Se(+)Le(−) genotype can synthesize LNFP I, LNFP III, 2′-FL, and 3-FL. Those identified as Se(−)Le(−) are capable of producing FucOS with α1,3 bonds such as LNFP III, LNFP V, and 3-FL. However, under some circumstances the biosynthesis of FusOS cannot be perfectly elucidated by the expression‎ of Se and Le genes, implying that there might be an unknown FUT taking part in this process or an unidentified synthetic pathway independent from FUT [19, 44, 48,49,50,51].

내인성 HMO 합성

여러 유전자의 다형성은 내인성 합성 과정에서 HMO의 광범위한 다양성에 기여합니다. FucOS 생합성에서 Secretor(Se) 유전자와 Lewis(Le) 유전자는 HMO의 양적, 질적 구성을 결정하는 다양한 fucosyltransferase를 암호화하는 데 중요한 역할을 합니다 [34]. Se 유전자의 활성화는 α1-2-fucosyltransferase 효소(FUT2)의 발현으로 이어집니다. 이 효소는 α1-2 결합을 통해 Fuc에 의해 HMO의 1형 사슬의 말단 Gal을 연장하는 역할을 합니다 [40, 41]. Le 유전자를 통해 α1-3/4-fucosyltransferase(FUT3)가 발현되어, α1-3/4 결합을 통해 fuc을 HMO의 1형 사슬의 말단 글루코노락티노실(GlcNAc)에 추가할 수 있습니다 [42, 43]. Se 유전자와 Le 유전자의 발현 정도에 따라, 산모는 두 유전자 모두에 대해 양성(+) 또는 음성(-)으로 분류될 수 있으며, 네 가지 그룹으로 나뉩니다(그림 2): Se(+)Le(+), Se(−)Le(+), Se(+)Le(−), Se(−)Le(−) [41, 44], 여기서 70%는 Se(+)Le(+)입니다. 20% Se(−)Le(+), 9% Se(+)Le(−), 그리고 1% Se(−)Le(−) [36, 45,46,47]. Se(+)Le(+) 유전자형을 가지고 있고, 따라서 기능적인 FUT2와 FUT3 효소를 가지고 있는 암컷의 경우, 모든 종류의 FucOS가 젖에서 발견될 수 있습니다. Se(−)Le(+) 유전자형 여성은 락토-N-푸코펜타오스(LNFP) II, LNFP III, 3-푸코실락토오스(FL)와 같은 α1,3 및 α1,4 결합을 가진 푸코스를 함유한 우유를 생산합니다. Se(+)Le(−) 유전자형을 가진 산모는 LNFP I, LNFP III, 2′-FL, 3-FL을 합성할 수 있습니다. Se(−)Le(−)로 확인된 사람들은 LNFP III, LNFP V, 3-FL과 같은 α1,3 결합을 가진 푸코스를 생산할 수 있습니다. 그러나 일부 상황에서는 Se와 Le 유전자의 발현으로 FusOS의 생합성을 완벽하게 설명할 수 없는데, 이는 이 과정에 알려지지 않은 FUT가 관여하거나 FUT와 무관한 미확인 합성 경로가 존재할 수 있음을 시사합니다 [19, 44, 48,49,50,51].

Fig. 2

Four phenotypes of FucOS were produced by Se and Le genes [41, 44]. Se and Le genes play an important role in determining the composition of FucOS [34]. FUT2 is encoded by the first gene whereas FUT3 is encoded by the second one [40,41,42,43]. According to the activation state of genes, mothers can be classified as either positive (+) or negative (−) for both genes, where 70% are Se(+)Le(+), 20% Se(−)Le(+), 9% Se(+)Le(−), and 1% Se(−)Le(−) [36, 45,46,47], and phenotypes to production of FucOS and main FucOS synthesized are showed

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As for biosynthesis of SiaOS, two genes namely Le and ABH are implicated in this process. Low levels of SiaOS are observed in the milk of mothers with the ABH(−)Le(−) genotype, while those representing the ABH(+)Le(+) genotype can express high levels of SiaOS such as disialyllacto-N-tetraose (DSLNT), LS-tetrasaccharide (LSTa), 3′-sialyllactose (SL), and 6′-SL [52,53,54].

Moreover, biosynthesis of core OS contributes to increased variability of HMO structures in human milk. There are four glycosyltransferases activated in this course: β3-galactosyltransferases and β4-galactosyltransferases are responsible for Gal relocation, while β1,3-N-acetylglucosaminyltransferase (iGnT) and β1,6-N-acetylglucosaminyltransferase (IGnT) are involved in the GlcNAc transfer [55, 56].

Of note, besides various genes participating in HMOs biosynthesis, it is believed that there are other factors also influence endogenous synthesis of HMO. Though total HMO concentration decreased substantially over the course of lactation [35], a more significant decrease in HMO would occur in the effect of the seasonal changes and certain nutritional conditions of the mother. In Gambia, lactating mothers who nursed their children during the wet season produce milk with lower HMO concentration in comparison to those nursing in the dry season when the food is more plentiful and energy intake is higher [57]. Besides, a Canadian study suggests that other seasonal factors such as climate, sunlight, and allergen exposures might influence HMO synthesis in Canadian population [45]. Similarly, the HMO composition in breast milk may be changed when mothers are supplemented with a mixture of probiotics during late stages of pregnancy. Seppo et al. showed that the concentrations of 3-FL and 3′-SL were significantly higher in the colostrum of mothers who received probiotic supplementation than in control participants; however, the total concentration of HMOs still decreased in colostrum from the mothers in the probiotic supplementation group due to the lower levels of difucosyllacto-N-hexaose, lacto-N-tetraose (LNT), LNFP I, and 6′-SL [58]. Another study also indicated the positive association between SiaOS concentration and vitamin A intake [59], while a lipid-based nutrient supplement showed no effect on HMO concentration [60]. When it comes to the effect of maternal age, weight, body mass index, and parity on the endogenous synthesis of HMO, there is a contradiction between different studies [45, 47, 57, 61]. In brief, studies mentioned above all suggest that wide variability of HMOs due to the genes polymorphism and environmental condition may have different effects on gut microbiota development, infant health, and disease risk.

Metabolism of HMOs

HMOs are resistant against an infant’s digestive enzymes and can remain their special structural configuration through the proximal intestine, which has been affirmed by several clinical studies [54, 62,63,64]. Then they would reach the distal intestine serving as a substrate fermented by specific intestinal microbiota, such as Firmicutes, Proteobacteria, and especially Bifidobacterium spp. [39, 63, 65,66,67]. In particular, HMOs degradation mediated by Bifidobacterium spp. can be divided into two strategies. The first approach is initialed by the importation of complete HMOs into the cytoplasm through adenosine triphosphate binding cassette (ABC) transporter, which will be hydrolyzed by intracellular glycosidases, while the other one depends on cell wall-anchored secretory glycosyl hydrolases (GHs), which hydrolyze HMOs and release monosaccharides and disaccharides [68, 69]. For example, B. bifidum uses extracellular hydrolases releasing LNB which is the core structure of type-1 HMO, while B. infantis and B. breve use oligosaccharide transporters [70]. However, the HMOs degradation pattern of B. longum depends on strains and the existence of lactam-N-biogenase (LnbX). LnbX-negative B. longum utilizes oligosaccharide transporters to assimilate HMO derivatives internally, whereas LnbX-positive B. longum utilizes extracellular hydrolases [71]. Furthermore, depending on the consumption of certain HMOs, some microbes that are capable of catabolizing HMOs will obtain predomination over others [72, 73], which function as a probiotic shaping the infant’s intestinal microbiota [74, 75]. For instance, the predominant presence of intestinal bacteria from Bifidobacterium spp. has been related to human milk with a higher content of sialyllacto-N-tetraose b (LSTb), monofucosyllacto-N-hexaose (MFLNH)- III, DSLNT, LNFP I, LNFP III, and LNFP V; whereas 2’-FL, lacto-N-hexaose (LNH) and two of its isomers found in human milk benefited the growth of Bacteroides spp. [63, 66, 76].

After ingested, about 99% of HMO reach the intestine and nearly 45% of them are fermented by intestinal microbiota, while 1–4% and 40–50% of total HMOs ingested are excreted in the urine and feces, respectively [54, 62]. The remaining 1% are absorbed at concentrations of 0.10–0.20 g/L, resulting in plasma concentration of 0.01–0.10 mg/L [20, 77, 78]. According to Goehring et al. [54] and Vazquez et al. [78], 2′-FL and lacto-N-neotetraose (LNnT), which are smaller molecular weight HMOs, are absorbed quickly into bloodstream and excreted in the urine without metabolism, suggesting that certain HMOs in urine may reflect the mother’s secretor/nonsecretor status, whereas HMOs with fecal excretion varies remarkably correlating with infant’s different intestinal microbiota [62]. Notably, some novel HMOs that not related to common HMOs are found in infant's urine and feces due to microbial metabolism [62], showing differences in the metabolism patterns of HMOs. Furthermore, in contrast to traditional cognition that the infant has contact with mother’s HMOs through postnatal feeding, recent studies revealed that the fetus might have been already exposed to HMOs in utero given the presence of HMOs in mothers body fluid during pregnancy and in amniotic fluid at delivery [79, 80].

HMOs의 대사 작용

HMOs는 유아의 소화 효소에 저항성이 있으며,

여러 임상 연구에서 확인된 바와 같이 근위장까지 특별한 구조적 구성을 유지할 수 있습니다 [54, 62,63,64].

그런 다음,

Firmicutes, Proteobacteria, 특히 Bifidobacterium spp. [39, 63, 65,66,67]와 같은

특정 장내 미생물 군집에 의해 발효된 기질로서 원위 소장에 도달합니다.

특히,

Bifidobacterium spp.에 의해 매개되는 HMO 분해는

두 가지 전략으로 나눌 수 있습니다.

첫 번째 접근법은

아데노신 삼인산 결합 카세트(ABC) 수송체를 통해 세포질로 완전한 HMO를 수입하는 것으로 시작되며,

이 과정은 세포 내 글리코시다아제에 의해 가수분해됩니다.

다른 접근법은

세포벽에 고정된 분비 글리코실 가수분해효소(GH)에 의존하며,

이 효소는 HMO를 가수분해하여 단당류와 이당류를 방출합니다[68, 69].

예를 들어,

B. bifidum은 세포 외 가수분해 효소를 사용하여 1형 HMO의 핵심 구조인 LNB를 방출하는 반면,

B. infantis와 B. breve는 올리고당 수송체를 사용합니다[70].

그러나 B. longum의 HMO 분해 패턴은 균주와 락탐-N-바이오게나제(LnbX)의 존재 여부에 따라 달라집니다. LnbX-negative B. longum은 올리고당 수송체를 활용하여 HMO 유도체를 내부적으로 동화시키는 반면, LnbX-positive B. longum은 세포 외 가수분해 효소를 활용합니다 [71]. 또한, 특정 HMO의 소비량에 따라, HMO를 분해할 수 있는 일부 미생물이 다른 미생물보다 우세하게 될 수 있습니다 [72, 73], 이는 유아의 장내 미생물 군집을 형성하는 프로바이오틱스 역할을 합니다 [74, 75]. 예를 들어, Bifidobacterium spp.의 장내 세균의 우세한 존재는 시알릴락토-N-테트라오스 b(LSTb), 모노푸코실락토-N-헥사오스(MFLNH)-III의 함량이 더 높은 모유와 관련이 있습니다. DSLNT, LNFP I, LNFP III, LNFP V; 반면 2'-FL, 락토-N-헥사오스(LNH)와 모유에서 발견되는 두 가지 이성질체는 박테로이드 속의 성장을 촉진하는 것으로 나타났습니다. [63, 66, 76].

섭취된 HMO의 약 99%가 장에 도달하고,

그 중 약 45%가 장내 미생물총에 의해 발효되는 반면,

섭취된 총 HMO의 1-4%와 40-50%가 각각 소변과 대변으로 배설됩니다 [54, 62].

나머지 1%는 0.10-0.20 g/L의 농도로 흡수되어 혈장 농도 0.01-0.10 mg/L이 됩니다 [20, 77, 78].

Goehring et al. [54]과 Vazquez et al. [78], 2′-FL과 락토-N-네오테트라오스(LNnT)는

분자량이 더 작은 HMO로서,

혈액으로 빠르게 흡수되어 대사 없이 소변으로 배출되는데,

이는 소변 내 특정 HMO가 산모의 분비/비분비 상태를 반영할 수 있음을 시사하는 반면,

대변으로 배출되는 HMO는 유아의 장내 미생물 군집과 현저하게 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다 [62].

특히, 일반적인 HMO와는 관련이 없는 새로운 HMO가 유아의 소변과 대변에서 미생물 대사 작용으로 인해 발견되는 것으로 나타났습니다 [62], 이는 HMO의 대사 패턴에 차이가 있음을 보여줍니다. 또한, 전통적인 인식과는 달리, 유아는 출생 후 모유 수유를 통해 산모의 HMO와 접촉하게 된다는 사실과 달리, 최근 연구에 따르면 태아는 임신 중 산모의 체액과 출산 시 양수에 존재하는 HMO의 존재를 감안할 때 이미 자궁 내에서 HMO에 노출되었을 수 있다고 합니다 [79, 80].

Microbiota

HMOs once ingested begin to interact with various microbes including bacteria, viruses, protozoan parasites, and fungi inside the infant body leading to a series of constructive effects indirectly [81]. Therefore, a better understanding of neonate microbiota will definitely advance our insight into the positive role of HMOs.

After the process of giving birth, bacteria colonize in the relatively sterile gastrointestinal tract of the newborn rapidly, which marks the beginning of the highly complex formation of the microbiota [82, 83]. Therefore, the first year of newborn’s life is crucial for the establishment of the intestinal microbiome, which underlies the folate production, reduction of allergic diseases, increased immune responses to vaccinations, synthesis of essential vitamins and other molecules that serve as modulators of physiological responses and are used as energy source by the intestinal epithelium [84,85,86,87,88,89]. The earliest gut microbiome is characterized by the colonization of facultative anaerobes, such as streptococci, enterococci, and staphylococci [82]. As the main component of infant diet, the wide presence of HMO in human milk act as one of the most vital factors shaping the latter gut microbiome that represented by Bacteroides spp., Clostridium spp., and especially Bifidobacterium spp. with up to 90% of total microbes within the first 3 months of the baby’s life [90, 91].

Bifidobacteria are gram-positive and heterofermentative obligate anaerobes which are among the first bacteria to inhabit human digestive tracts [92], with 78 species and 10 subspecies classified to date [93,94,95,96]. About ten (sub)species were isolated from human feces and certain species seem to be frequently found in the infant gut, such as B. breve and B. infantis [97,98,99,100], while other species, such as B. longum, B. pseudocatenulatum, and B. bifidum are likely to inhabit both in the infant and adult gut microbiome [101, 102]. Besides, Bifidobacterium spp. remain the dominant bacteria in infant gut microbiota during breast-feeding, yet the relative abundances quickly decline after weaning [98, 103], during when the compositional change takes place at species level [104], indicating the direct correlation between HMOs and developing infant microbiota. According to several studies, a significant decline in fecal HMOs was positively correlated with high levels of HMO-consuming bifidobacteria [76, 97]; furthermore, a specific β-galactosidase from B. longum was applied to catabolize HMOs in vitro, whose catabolized fragments were found to match with compounds identified in infant fecal samples [105]. Subsequent studies focus on the consumption of HMOs by Bifidobacterium spp. As Ward et al. reported, B. infantis ATCC 15697 was observed to use HMOs as a sole carbon source [106], and studies conducted by Garrido et al. showed a similar result that isolates of B. infantis grew well on pooled HMOs and individual HMO sugars while some examined strains of B. bifidum could not grow with 2′-FL and 6′-SL as a sole carbon source [68]. Notably, while HMOs are mainly consumed by bifidobacteria, it is undoubted that certain isolates of bifidobacteria have stronger capability to ferment HMOs, meanwhile, some types of HMO are more frequently assimilated by bifidobacteria than others. Therefore, accumulating studies have tried to figure out the mechanisms of how bifidobacteria catabolize HMOs and revealed that the consumption of HMO is well conserved among B. infantis strains, fermenting all classes of HMO [68, 107, 108]. Take B. infantis ATCC 15697 for example, this strain of B. infantis can utilize several types of HMO including sialylated and fucosylated molecules [108]. The genome sequence of B. infantis ATCC 15697 showed a great number of HMO-utilization genes located in a specific segment of the genome, namely HMO cluster I [109], whose expression‎ led to up-regulation of GHs [110] and family 1 solute binding proteins (SBPs) that is a part of ABC transporters for HMOs [111]. The process of HMO consumption begins with the SBPs-mediated importation of intact HMOs inside the cytoplasm, then HMOs were assimilated intracellularly by several GHs releasing large quantities of lactic and acetic acid, who play an important role in modulating intestinal physiology and protecting infant gut from pathogen colonization [112,113,114]. Besides, RNA-seq transcriptomic analysis also revealed that 6’-SL, lacto-N-tetraose, and LNnT could induce the expression‎ of HMO-utilization genes in the HMO cluster I, whereas alternate gene clusters other than HMO cluster I seem to be induced to utilize Fuc during growth in presence of 2’-FL and 3-FL [68]. In brief, all these analyses are crucial for further studies to deepen the understanding of regulatory networks behind HMO consumption and of how HMO consumption is associated with the gut microbiota establishment in breast-fed infants, underlying the design of novel HMO analogs targeting selected beneficial bifidobacteria [70, 115, 116].

Apart from promoting the growth of beneficial bacteria, HMO-mediated anti-bacterial effects have been observed in Campylobacter jejuni [117], Escherichia coli pathogenesis [31, 118], and Listeria monocytogenes [119,120,121]. HMOs can also act as antiviral agents to provide protection against a number of viral pathogens, such as norovirus [122, 123], rotavirus [124], and respiratory virus [125, 126], through several mechanisms. Besides, despite the limited studies which assess the activity of HMOs against protozoan parasites and fungal species, the findings from these studies demonstrated that HMOs can reduce infection by Entamoeba histolytica [127] and Candida albicans [128]. In conclusion, HMOs have a great influence on infant microbiota, indicating their potential as novel candidates for further developments in food additive to infant formula milk and therapeutics targeting pathogenic infection.

미생물군

일단 섭취된 HMO는 유아의 몸 안에서 박테리아, 바이러스, 원생동물 기생충, 곰팡이 등 다양한 미생물과 상호 작용하기 시작하여 간접적으로 일련의 건설적인 효과를 가져옵니다 [81]. 따라서 신생아 미생물군에 대한 이해가 깊어질수록 HMO의 긍정적인 역할에 대한 통찰력이 향상될 것입니다.

출산 과정이 끝나면, 비교적 무균 상태인 신생아의 위장관에 박테리아가 빠르게 서식하기 시작하는데, 이것이 바로 매우 복잡한 미생물 군집 형성의 시작입니다 [82, 83]. 따라서 신생아의 첫 해는 엽산 생산, 알레르기 질환 감소, 예방 접종에 대한 면역 반응 증가, 필수 비타민 합성 및 기타 생리적 반응을 조절하고 장 상피의 에너지 원으로 사용되는 분자의 기초가 되는 장내 미생물 군집의 형성에 매우 중요합니다 [84,85,86,87,88,89]. 초기 장내 미생물 군집은 연쇄상구균, 장구균, 포도상구균과 같은 통성 혐기성 세균의 집락이 특징입니다 [82].

유아 식단의 주요 구성 요소로서 모유에 HMO가 풍부하게 존재하는 것은

Bacteroides spp., Clostridium spp., 그리고 특히 Bifidobacterium spp.로 대표되는

장내 미생물 군집을 형성하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다.

아기가 태어난 후 첫 3개월 동안

전체 미생물의 최대 90%를 차지합니다 [90, 91].

Bifidobacteria는

그람 양성균이고, 이종발효성 혐기성 세균으로,

인간의 소화관에 서식하는 최초의 박테리아 중 하나입니다 [92].

현재까지

78종과 10개의 아종이 분류되어 있습니다 [93,94,95,96].

인간 대변에서

약 10여 종의 장내 세균이 분리되었으며,

B. breve와 B. infantis[97,98,99,100]와 같은 특정 종은

유아의 장에서 자주 발견되는 것으로 보이며,

B. longum, B. pseudocatenulatum, B. bifidum과 같은 다른 종은

유아와 성인의 장내 미생물 군집에 모두 존재할 가능성이 있습니다[101, 102].

또한, Bifidobacterium spp.는

모유 수유 기간 동안 유아 장내 미생물 군집에서 지배적인 박테리아로 남아 있지만,

이유 후 [98, 103] 종 수준에서 구성 변화가 일어나는 동안 [104] 상대적으로 풍부도가 급격히 감소하여,

HMO와 유아 미생물 군집의 발달 사이에 직접적인 상관 관계가 있음을 나타냅니다.

여러 연구에 따르면,

대변 내 HMO의 현저한 감소는

HMO를 소비하는 비피도박테리아의 높은 수준과 양의 상관관계가 있는 것으로 나타났습니다[76, 97];

또한,

B. longum의 특정 β-갈락토시다아제가 체외에서 HMO를 분해하는 데 사용되었으며,

분해된 단편이 유아 대변 샘플에서 확인된 화합물과 일치하는 것으로 밝혀졌습니다[105].

후속 연구에서는 Bifidobacterium spp.에 의한 HMO 소비에 초점을 맞추고 있습니다. Ward 외의 연구에 따르면, B. infantis ATCC 15697은 HMO를 유일한 탄소원으로 사용하는 것으로 관찰되었습니다 [106], 그리고 Garrido 외의 연구에 따르면, B. bifidum의 일부 균주는 2′-FL과 6′-SL을 유일한 탄소원으로 사용할 수 없는 반면, B. infantis의 분리 균주는 HMO 풀과 개별 HMO 당에서 잘 자란다는 유사한 결과가 나타났습니다 [68]. 특히, HMO는 주로 비피도박테리아에 의해 소비되지만, 비피도박테리아의 특정 분리주가 HMO를 발효하는 능력이 더 강하다는 것은 의심할 여지가 없습니다. 한편, 일부 유형의 HMO는 다른 유형보다 비피도박테리아에 의해 더 자주 동화됩니다. 따라서 비피도박테리아가 HMO를 분해하는 메커니즘을 파악하기 위한 연구가 축적되어 왔으며, B. infantis 균주 사이에서 HMO의 소비가 잘 보존되어 모든 종류의 HMO를 발효한다는 사실이 밝혀졌습니다 [68, 107, 108]. B. infantis ATCC 15697을 예로 들면, 이 B. infantis 균주는 시알릴화 및 푸코실화 분자를 포함한 여러 유형의 HMO를 활용할 수 있습니다 [108]. B. infantis ATCC 15697의 게놈 서열은 게놈의 특정 부분, 즉 HMO 클러스터 I [109]에 위치한 다수의 HMO 활용 유전자를 보여 주었는데, 이 유전자들의 발현은 GH [110]와 HMO용 ABC 수송체의 일부인 가족 1 수용체 결합 단백질(SBPs) [111]의 상향 조절을 유도했습니다. HMO 소비 과정은 세포질 내로 온전한 HMO를 SBP가 매개하는 수입으로 시작됩니다. 그런 다음 HMO는 장 생리학을 조절하고 병원균의 집락으로부터 유아 장을 보호하는 데 중요한 역할을 하는 다량의 젖산과 아세트산을 방출하는 여러 GH에 의해 세포 내로 흡수됩니다 [112,113,114]. 게다가, RNA-seq 전사체 분석은 6'-SL, 락토-N-테트라오스, LNnT가 HMO 클러스터 I에서 HMO 활용 유전자의 발현을 유도할 수 있다는 것을 밝혀냈으며, HMO 클러스터 I 이외의 대체 유전자 클러스터는 2'-FL과 3-FL이 존재하는 성장 환경에서 Fuc 활용을 유도하는 것으로 보입니다 [68]. 요약하자면, 이러한 모든 분석은 HMO 섭취에 대한 규제 네트워크에 대한 이해를 심화하고, 모유 수유 유아의 장내 미생물 군집 형성과 HMO 섭취의 연관성에 대한 이해를 심화하기 위한 추가 연구에 매우 중요합니다. 이는 선별된 유익한 비피더스균을 대상으로 하는 새로운 HMO 유사체의 설계에 기초가 됩니다 [70, 115, 116].

유익한 박테리아의 성장을 촉진하는 것 외에도, HMO 매개 항균 효과가 캄필로박터 제이누니 [117], 대장균 병인 [31, 118], 리스테리아 모노사이토제네스 [119,120,121]에서 관찰되었습니다. HMO는 또한 여러 가지 메커니즘을 통해 노로바이러스[122, 123], 로타바이러스[124], 호흡기 바이러스[125, 126]와 같은 여러 바이러스 병원체에 대한 보호를 제공하는 항바이러스 작용을 할 수 있습니다. 게다가, 원생동물 기생충과 곰팡이 종에 대한 HMO의 활성을 평가하는 제한된 연구에도 불구하고, 이러한 연구 결과에서 HMO가 엔타모에바 히스토리티카[127]와 칸디다 알비칸스[128]에 의한 감염을 감소시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 결론적으로, HMO는 유아 미생물 군집에 큰 영향을 미치므로, 유아용 조제 분유에 대한 식품 첨가물 및 병원성 감염을 표적으로 하는 치료제의 추가 개발을 위한 새로운 후보 물질로서의 잠재력을 보여줍니다.

Effects of HMO on infant gut microbiota

Diverse functions of HMOs have been demonstrated, such as regulating microbiota composition, protecting against pathogen adhesion and infection, and modulating epithelial cell response. In the section below, we will focus on the functions that attribute to HMOs and the mechanism underlying the beneficial effects of HMOs.

Effects of HMO on microbiota composition

HMOs have an important influence on bacteria colonization in the intestine that is necessary for infant health. In early life, 1014 bacteria colonized the intestine [129]. The first year of infant life is critical for intestinal microbiome establishment, and infant diet is of importance for gut microbiome development [90]. HMOs are not digested in the top half of the gastrointestinal tract of infants, due to the lack of GHs and intestinal membrane transporters [130, 131]. As a consequence of high concentration, HMOs can reach both the small and large intestine, where they serve as substrates for resident microbes, affecting the composition and activity of the gastrointestinal microbiota [132] (Fig. 3A). HMOs are specifically known to support the growth of beneficial microorganisms, such as Bifidobacterium [133], which is generally calculating for 50–90% of the total bacterial population detected in the feces of breastfed infants [134]. Genomic analysis of particular infant-derived Bifidobacterial strains has revealed that aggregation of transporters, GHs, and carbohydrate-binding proteins contributes to the degradation of HMOs [135]. The expression‎ of HMOs-degrading enzymes is mainly limited to B. breve, B. bifidum, B. longum, and B. infantis [136, 137]. Besides, Bifidobacteria and Lactobacilli express sialidases and fucosidases to cleave Sia and Fuc, respectively, indicating the coevolution of these species and HMOs [107].

유아 장내 미생물 군집에 미치는 HMO의 영향

미생물 군집 구성 조절, 병원균 부착 및 감염으로부터 보호, 상피 세포 반응 조절 등 HMO의 다양한 기능이 입증되었습니다. 아래 섹션에서는 HMO의 기능과 HMO의 유익한 효과를 뒷받침하는 메커니즘에 초점을 맞출 것입니다.

미생물 군집 구성에 미치는 HMO의 영향

HMO는

유아 건강에 필요한 장내 세균 군집화에 중요한 영향을 미칩니다.

유아기 초기에

1014개의 세균이 장에 서식합니다 [129].

유아기의 첫 1년은

장내 미생물 군집 형성에 매우 중요하며,

유아의 식습관은 장내 미생물 군집의 발달에 중요한 역할을 합니다 [90].

HMO는 GH와 장막 수송체의 부족으로 인해 유아의 위장관 상부에서 소화되지 않습니다 [130, 131].

HMO의 높은 농도의 결과로,

HMO는 소장과 대장에 도달할 수 있으며,

그곳에서 상주 미생물의 기질로 작용하여 위장 미생물 군집의 구성과 활동에 영향을 미칩니다 [132] (그림 3A).

HMO는

특히 비피도박테리움[133]과 같은 유익한 미생물의 성장을 돕는 것으로 알려져 있는데,

이 미생물은 일반적으로 모유 수유 유아의 대변에서 검출되는 전체 세균 개체군의

50~90%를 차지합니다[134].

유아에서 유래된 특정 비피도박테리움 균주의 게놈 분석 결과,

수송체, GH, 탄수화물 결합 단백질의 응집이

HMO의 분해에 기여한다는 사실이 밝혀졌습니다[135].

HMO 분해효소의 발현은

주로 B. breve, B. bifidum, B. longum, B. infantis에 한정되어 있습니다 [136, 137].

또한,

Bifidobacteria와 Lactobacilli는 각각 Sia와 Fuc를 분해하는 시알리다아제와 푸코시다아제를 발현하여,

이들 종과 HMO의 공진화를 나타냅니다 [107].

Fig. 3

Schematic summary of main effects of HMOs. A HMOs stimulate growth of beneficial bactria, such as Bififidobacteria, and inhibit growth of harmful bacteria to regulate gut microbiota composition [132]. B HMOs serve as pathogen binding decoy receptors to prevent pathogens from binding to epithelial cell receptors [149]. C HMOs alter glycocalyx [171], influence epithelial cell proliferation [168] and modulate tight junction protein expression‎ [167], thereby reducing permeability of the gut barrier

이 그림은 **HMO(Human Milk Oligosaccharides, 또는 유사 구조의 식물성 올리고당 포함)**가 장내 미생물 균형과 장벽 기능에 어떤 긍정적 영향을 미치는지를 단계별로 나타낸 개략도입니다. 그림에는 A, B, C 세 구역으로 구분되어, 각각이 HMOs의 작용 기전을 시각적으로 요약해줍니다

(A) 유익균 증식 및 유해균 억제

• Beneficial Bacteria 증가, Harmful Bacteria 감소
  HMOs는 bifidobacteria와 같은 유익균의 성장을 촉진하고, 병원성균(혹은 잠재적으로 해로운 세균)의 증식을 억제하는 작용을 합니다.

• 장내 미생물 구성 조절
  이를 통해 전체적인 장내 미생물 균형(gut microbiota composition)을 유리하게 바꿔, 소화기 건강 및 면역 기능 강화에 기여합니다.

(B) 병원성 미생물 및 바이러스 차단(Decoy Effect)

• Pathogen & Virus “Decoy” 역할
  HMOs는 장 상피세포와 병원성 미생물이 결합할 수 있는 리간드(수용체) 부위를 흉내내어, 병원체가 실제 세포 표면 대신 HMOs에 먼저 결합하게 만듭니다(“결합 미끼” 기전).

• 감염성 질환 예방
  이로써 미생물이 장 세포에 부착하거나 침투하지 못하도록 방해하여, 장 상피 손상과 감염 가능성을 낮춥니다.

(C) 장 상피 구조 강화 및 투과성 조절

• Glycocalyx와 Tight Junction에 대한 영향
  HMOs는 장 상피세포 표면의 당단백층(글리코칼릭스, glycocalyx) 구성을 바꾸고, 세포 증식(proliferation) 및 Tight Junction 단백질 발현을 조절합니다.

• 장벽 투과성 감소
  이러한 변화는 상피세포 간 밀착연결(tight junction)의 기능을 향상시켜, 장벽 투과성을 줄이고 외부 병원체나 독성물질의 침입을 막아줍니다.

Bifidobacterium also have an impact on other microorganisms composition. Asakuma et al. found that B. bifidum can secrete GHs to degrade HMOs extracellularly, and then leave metabolized sugars outside the cells, which are utilized by other bacteria to produce short chain fatty acids (SCFAs) such as butyrate and propionate [138]. Butyric acid and propionic acid are essential for intestinal health given that they can interact with host epithelial cells to stimulate mucin release, increase mucosal blood flow, and regulate immunity [139, 140]. E. hallii, which is a common member of the adult gut microbiota, cannot grow by using Fuc. However, when cocultured with B. infantis, it can utilize 1,2-propanediol (1,2-PD), which is produced by B. infantis through resolving Fuc, revealing a trophic interaction between E. hallii and B. infantis [141].

Apart from the capability of HMOs to modulate the composition of Bifidobacteria in the intestinal tract, they can directly interact with other bacteria and affect the distribution of gut microbes. 2'-FL, 3-FL, 3'-SL, 6'-SL, and lactodifucotetraoseare (LDFT) are metabolized by many Bacteroides [142]. Besides, HMO-derivatives LNB and Lacto-N-Triose II can be used by L. casei [143]. In conclusion, though the species of gut microbes except bifidobacteria have low capacity, they still play an important role in intestinal homeostasis of breastfed infants [144].

Additionally, HMOs can pass gut-barrier so that they have an effect outside the intestines [145]. HMOs have been demonstrated to activate G protein-coupled receptors (GPCRs) which can influence almost every physiological function, such as development, taste, olfaction, regulating heart rate, hormone signaling, and neurotransmission [146] in two ways: one pathway is direct activation by 6′-SL and LNT, the second is increased production of kynurenic acid (KYNA) by the microbiota which in turn activates GPR35 [147].

HMO가 유아 장내 미생물 군집에 미치는 영향

HMO의 다양한 기능이 입증되었습니다.

예를 들어,

미생물 군집 구성 조절, 병원균 부착 및 감염으로부터 보호, 비피도박테리움 조절 등입니다.

또한,

HMO는

다른 미생물 군집 구성에도 영향을 미칩니다.

Asakuma 등은 B. bifidum이 GH를 분비하여 세포 외에서 HMO를 분해한 다음,

대사된 당을 세포 외부에 남겨두면

다른 박테리아가 이를 활용하여 부티레이트와 프로피오네이트와 같은 단쇄 지방산(SCFA)을

생산할 수 있다는 사실을 발견했습니다 [138].

부티르산과 프로피온산은

숙주 상피세포와 상호 작용하여 점액 분비를 촉진하고,

점막의 혈류를 증가시키며,

면역력을 조절할 수 있다는 점에서 장 건강에 필수적입니다 [139, 140].

성인 장내 미생물 군집의 일반적인 구성원인E. hallii는 Fuc를 이용하여 성장할 수 없습니다.

그러나 B. infantis와 함께 배양하면 B. infantis가 Fuc를 분해하여 생성하는 1,2-프로판디올(1,2-PD)을 이용할 수 있어, E. hallii와 B. infantis 사이에 영양 상호 작용이 일어남을 보여줍니다 [141].

HMO가

장내 비피더스균의 구성을 조절하는 능력 외에도,

다른 박테리아와 직접 상호 작용하여 장내 미생물의 분포에 영향을 미칠 수 있습니다.

2'-FL, 3-FL, 3'-SL, 6'-SL,

그리고 락토디프우코테트라오스(LDFT)는

많은 박테로이드에 의해 대사됩니다 [142].

게다가,

HMO 유도체인 LNB와 Lacto-N-Triose II는 L. casei [143]에 의해 사용될 수 있습니다.

결론적으로,

비피도박테리아를 제외한 장내 미생물 종은 능력이 낮지만,

모유 수유 유아의 장내 항상성에서 여전히 중요한 역할을 합니다 [144].

또한,

HMO는 장벽을 통과할 수 있으므로

장 밖에서도 효과가 있습니다 [145].

HMO는

발달, 미각, 후각, 심박수 조절, 호르몬 신호, 신경 전달 등

거의 모든 생리적 기능에 영향을 미칠 수 있는

G 단백질 결합 수용체(GPCR)를 활성화하는 것으로 밝혀졌습니다 [146].

두 가지 경로가 있습니다.

하나는 6′-SL과 LNT에 의한 직접적인 활성화이고,

다른 하나는 미생물총에 의한 키누렌산(KYNA)의 생산 증가로,

이는 GPR35를 활성화시킵니다 [147].

Effects of HMO on preventing pathogen infection

Several bacteria, viruses, fungi, and protozoan parasite need to adhere to the glycocalyx (the carbohydrate-rich layer coating epithelial cells) first to invade the host and cause diseases [148], while HMOs can prevent the infection by acting as soluble decoy receptors, which combine with pathogens to avoid them from binding to epithelial cell surface receptors, therefore, the pathogens would pass gastrointestinal tract harmlessly [149] (Fig. 3B).

Bacterial infection

Campylobacter jejuni seems to be one of the most common causes of diarrhea which leads to infants death [150]. 2'-FL acts as a soluble decoy receptor for C. jejuni, reducing the colonization of C. jejuni by 80% [117, 151]. Enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) can cause serious diarrheal disease leading to high mortality rates in infants. A significant reduction of the pathogenic colonization is observed in cultured epithelial cells by pre-incubating EPEC with mixed HMO components [118]. 2′-FL and LNFP I not only reduce the adhesion of pathogens but also decrease pathogenicity by binding to heat-labile enterotoxin type 1 [31]. It also plays a role in immunity and urinary system. Lately, He et al. found that lipopolysaccharide-mediated inflammation was directly inhibited by 2'-FL during the process of enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) invading T84 and H4 intestinal epithelial cells [152]. Similarly, uropathogenic Escherichia coli (UPEC) would be prevented from attaching to epithelial cell monolayers in the presence of 15 mg/mL HMOs, which delay the p38 MAPK and p65 NF-κB signaling pathways [153].

Aside from decreasing the adhesion and invasion of pathogens, HMOs can modify the gene expression‎ of epithelial surface and inhibit the growth of pathogens to reduce their infection. After pre-incubating with HMOs, genes of Caco-2Bbe gut cells that mediate the adhesion between intestinal epithelial cells and L. monocytogenes would be downregulated due to the activation of unfolded protein response and eIF2 signaling [119]. Another study revealed that growth and biofilm formation of Group B Streptococci (GBS) can be modulated by HMOs as well. In specific, the concentration of HMOs between 1–2 mg/L delays the growth of GBS up to 96–98%, and LNT and lacto-N-difucohexaose (LNDFH)-I showed the highest capability of inhibition [121]. Besides, the combination of HMOs and vancomycin or ciprofloxacin will improve the curative effect of these antibiotics [120, 154].

병원체 감염 예방에 대한 HMO의 효과

여러 박테리아, 바이러스, 곰팡이, 원생동물 기생충은

숙주를 침범하여 질병을 유발하기 전에

먼저 당단백질(탄수화물이 풍부한 층으로 상피 세포를 덮고 있는 물질)에 부착해야 합니다 [148].

반면,

HMO는 수용성 미끼 수용체 역할을 함으로써

감염을 예방할 수 있습니다.

HMO는

병원균과 결합하여 병원균이 상피 세포 표면 수용체에 결합하는 것을 방지하므로,

병원균은 위장관을 무사히 통과하게 됩니다 [149] (그림 3B).

세균 감염

캄필로박터 제이준니는

유아 사망을 유발하는 설사의 가장 흔한 원인 중 하나인 것으로 보입니다 [150].

2'-FL은 캄필로박터 제이준니에 대한 수용체 역할을 하는 수용체로서,

캄필로박터 제이준니의 집락화를 80%까지 감소시킵니다 [117, 151].

장병원성 대장균(EPEC)은 심각한 설사병을 유발하여

유아 사망률을 높일 수 있습니다.

EPEC를 혼합 HMO 성분과 함께 사전 배양하면

배양된 상피 세포에서 병원성 식민지화가 현저하게 감소하는 것으로 관찰되었습니다 [118].

2′-FL과 LNFP I은 병원체의 부착을 감소시킬 뿐만 아니라

열에 불안정한 장 독소 1형에 결합하여 병원성을 감소시킵니다 [31].

또한 면역과 비뇨기계에도 중요한 역할을 합니다.

최근에 He 등은 장 독소성 대장균(ETEC)이 T84 및 H4 장 상피 세포를 침범하는 과정에서 2'-FL이 리포다당체 매개 염증을 직접 억제한다는 사실을 발견했습니다 [152]. 마찬가지로, 대장균(UPEC)은 15mg/mL의 HMO가 존재하는 경우, p38 MAPK 및 p65 NF-κB 신호 전달 경로를 지연시켜 상피 세포 단층에 부착하는 것을 방지할 수 있습니다 [153].

병원체의 부착과 침입을 감소시키는 것 외에도, HMO는 상피 표면의 유전자 발현을 조절하고 병원체의 성장을 억제하여 감염을 감소시킬 수 있습니다. HMOs로 사전 배양한 후, 장 상피 세포와 L. monocytogenes 사이의 접착을 매개하는 Caco-2Bbe 장 세포의 유전자는 unfolded protein response와 eIF2 신호 전달의 활성화로 인해 하향 조절될 것입니다 [119]. 또 다른 연구에 따르면, 그룹 B 연쇄상구균(GBS)의 성장과 생물막 형성이 HMOs에 의해 조절될 수 있다고 합니다. 특히, 1-2mg/L 사이의 HMO 농도는 GBS의 성장을 최대 96-98%까지 지연시키고, LNT와 락토-N-디푸코헥사오스(LNDFH)-I는 가장 높은 억제 능력을 보였습니다 [121].

또한,

HMO와 반코마이신 또는 시프로플록사신의 병용은

이러한 항생제의 치료 효과를 향상시킵니다 [120, 154]. 

Viral infections

HMOs can improve infant resistance to two fatal gastrointestinal infections caused by rotavirus and norovirus [124, 155]. Mechanical studies revealed that HMOs provided protection against viral infections by mimicking receptor sites to prevent viruses from entering host cells [156] and stimulate immunity through γ-interferon and IL-10 expression‎ to decrease virulence [157].

Most recently, 2′-FL, 3′-SL, and 6′-SL were demonstrated to have a notable antiviral activity against G1P[8] and G2P[4] rotavirus. 2′-FL significantly inhibited G1P[8] rotavirus infection, while a conjugate of 3′-SL and 6′-SL had the strongest ability to inhibit G2P[4] rotavirus infection [124]. However, HMOs cannot inhibit all kinds of rotavirus infections, such as neonatal rotavirus G10P[11], it has a dose-dependent enhancement in infectivity with the increased concentration of LNT and LNnT [155].

HMOs have also been shown to function as antiviral agents to prevent norovirus infection. Histo-blood group antigens (HBGAs), which function as key binding sites for norovirus adhesion, are carbohydrate epitopes not only present in the surface of red blood cells, but also in mucosal epithelium of the gastrointestinal tracts, genitourinary tracts, and the respiratory tubes [28]. They also act as free oligosaccharide fluids in the physiological system [158, 159]. Norovirus can bind to high-mass HMOs containing abundant α-fucose due to the similar structure to HBGAs [122], resulting in the reduced infection of breastfed infants. Similarly, Fuc and Glc were the fermentation products of 2’-FL and 3’-FL, which can connect to GI.1, GII.17, and GII.10 noroviruses by interacting with amino acids expressed in noroviruses to prevent norovirus from binding to HBGAs [123, 160].

In addition to preventing the gut virus, HMOs also can inhibit respiratory virus infections [161]. 2′-FL has been shown to reduce viral load of respiratory syncytial virus [162]. And further research showed that the 2′-FL is possible to enhance innate and adaptive immunity in influenza-specific murine model [125].

바이러스 감염

HMO는 로타바이러스와 노로바이러스에 의한 두 가지 치명적인 위장 감염에 대한 유아의 저항력을 향상시킬 수 있습니다 [124, 155]. 기계적 연구에 따르면, HMO는 바이러스가 숙주 세포에 침입하는 것을 막기 위해 수용체 부위를 모방함으로써 바이러스 감염에 대한 보호를 제공하고, γ-인터페론과 IL-10 발현을 통해 면역력을 자극하여 독성을 감소시킵니다 [157].

가장 최근에는 2′-FL, 3′-SL, 6′-SL이 G1P[8] 및 G2P[4] 로타바이러스에 대해 주목할 만한 항바이러스 작용을 하는 것으로 밝혀졌습니다. 2′-FL은 G1P[8] 로타바이러스 감염을 상당히 억제하는 반면, 3′-SL과 6′-SL의 복합체는 G2P[4] 로타바이러스 감염을 억제하는 능력이 가장 강했습니다 [124]. 그러나 HMO는 신생아 로타바이러스 G10P[11]와 같은 모든 종류의 로타바이러스 감염을 억제할 수 없으며, LNT 및 LNnT의 농도가 증가함에 따라 감염성이 용량 의존적으로 향상됩니다[155].

HMO는 또한 노로바이러스 감염을 예방하는 항바이러스 작용을 하는 것으로 나타났습니다. 노로바이러스의 부착을 위한 주요 결합 부위로서 작용하는 조직-혈액형 항원(HBA)은 적혈구 표면뿐만 아니라 위장관, 비뇨생식기, 호흡기 점막 상피에도 존재하는 탄수화물 항원입니다 [28]. 또한 생체 내에서는 유리 올리고당 액체 역할을 합니다 [158, 159]. 노로바이러스는 HBGA와 유사한 구조 때문에 α-푸코스를 풍부하게 함유한 고질량 HMO에 결합할 수 있으며, 그 결과 모유 수유 중인 영아의 감염이 감소합니다. 마찬가지로, Fuc과 Glc는 2'-FL과 3'-FL의 발효 산물로, 노로바이러스가 HBGAs에 결합하는 것을 막기 위해 노로바이러스에서 발현되는 아미노산과 상호 작용하여 GI.1, GII.17, GII.10 노로바이러스에 연결될 수 있습니다 [123, 160].

장내 바이러스 감염을 예방하는 것 외에도, HMO는 호흡기 바이러스 감염을 억제할 수 있습니다 [161]. 2′-FL은 호흡기 세포 융합 바이러스의 바이러스 부하를 감소시키는 것으로 나타났습니다 [162]. 그리고 추가 연구에 따르면, 2′-FL은 인플루엔자 특이적 쥐 모델에서 선천성 및 적응성 면역을 강화할 수 있는 것으로 나타났습니다 [125].

Protozoan parasite infections

Beyond acting as an inhibitor of bacterial and viral pathogens, HMOs significantly prevent protozoan parasite infections as well. Entamoeba histolytica is an anaerobic amoebozoan which causes 55,000 deaths worldwide every year [163]. An in vitro study demonstrated that LNT which contains the terminal Gal structure can act as soluble decoy receptors to prevent Entamoeba histolytica from attaching to intestinal epithelial HT-29 cells [127].

Fungal infection

The impact of intestinal fungus on infant health is especially significant in early gestational age. For example, the invasion rate of systemic candidiasis in infants approximately reaches 10% and the mortality rate is about 20% [164]. A recent study showed that HMOs downregulated ALS3 that encoded the C. albicans hyphal-specific adhesion, and nascent hyphae expression‎, resulting in the reduced adhesion between C. albicans and epithelial cells at early infection phase. Additionally, the intestinal epithelial cell binding sites on the surface of C. albicans are blocked by HMOs as well [128].

원생동물 기생충 감염

박테리아와 바이러스 병원체의 억제 작용 외에도, HMO는 원생동물 기생충 감염을 크게 예방합니다. Entamoeba histolytica는 혐기성 아메바로, 매년 전 세계적으로 55,000명의 사망자를 발생시키고 있습니다 [163]. 시험관 내 연구에 따르면, 말단 갈 구조를 포함하고 있는 LNT가 Entamoeba histolytica가 장 상피 HT-29 세포에 부착하는 것을 방지하는 수용체 역할을 할 수 있는 것으로 나타났습니다 [127].

곰팡이 감염

장내 곰팡이가 유아 건강에 미치는 영향은 특히 임신 초기 단계에서 두드러집니다. 예를 들어, 유아의 전신 칸디다증 침입률은 약 10%에 달하고, 사망률은 약 20%에 달합니다 [164]. 최근 연구에 따르면, HMO는 C. albicans 균사의 특이적 부착을 암호화하는 ALS3를 하향 조절하고, 초기 감염 단계에서 C. albicans와 상피 세포 사이의 부착을 감소시킵니다. 또한, C. albicans 표면의 장 상피 세포 결합 부위도 HMO에 의해 차단됩니다 [128].

Effects of HMOs on modulating epithelial cell responses

HMOs not only influence microbes intensely but also have a direct effect on intestinal epithelial cells (Fig. 3C). The intestinal epithelium covering the small intestine and colon is regarded as a paramount part of innate immunity, serving as a physical and speed limit barrier between intestinal cavity and circulatory system [165]. The tight junctions connecting epithelial cells determine the permeability of the epithelium, which is known as permselective barrier. It modulates the process of macromolecules and ions passing the pore and leak ways, avoiding the absorption of harmful microbes and compounds, and regulating the transportation of electrolytes and nutrients [166]. HMOs can modulate the expression‎ of tight junction protein, thereby decrease the permeability and enhance the barrier effect of the epithelium. 2-′FL, 6-′SL, or LNnT can arrest G2/M cell-cycle of HT-29 and Caco-2Bbe, which belongs to small intestinal cell lines, to inhibit the proliferation of HT-29 and Caco-2Bbe in preconfluent phase, leading to the maturation of HT-29 and Caco-2Bbe given that the differentiation and proliferation are inversely proportional in preconfluent cultures; besides, the high concentration of LNnT and 2′-FL can also enhance barrier function and promote digestion [167]. Further study showed that whether HT-29 and Caco-2Bbe were treated with individual or compositional 2′-FL, 3′-SL and 6′-SL, the proliferation of them would be reduced and the differentiation would be increased in preconfluent transformation, all of which can promote the maturation of HT-29 and Caco-2Bbe cell lines [168]. Furthermore, HMOs can upregulate the expression‎ of Muc2 which is the predominant form of mucin in the small intestine leading to descended bacterial adhesion and permeability of the intestinal epithelium [169].

The unproper development of glycocalyx on neonatal gut epithelium will disorder the gastrointestinal system [170]. A recent study indicated that 2′‐FL and 3′‐FL promoted glycocalyx development in a structure‐dependent fashion and gut barrier will be enhanced subsequently [171]. Besides, the transformation from sialylation to fucosylation benefits the maturation of intestinal epithelium [172], which means HMOs can regulate intestinal epithelial cells through modulation of intestinal glycome [173]. Angeloni et al. discovered that the expression‎ of sialyltransferases ST3Gal1, ST3Gal2, and ST3Gal4 would be decreased in the presence of 3′‐FL, leading to the reduction of α2-3-, α2-6-sialylation on Caco-2Bbe surface, which results in the reduced adhesion of E. coli by 50% [174].

HMOs also show indirect effects on epithelium after fermented by B. infantis. A study has reported that the conditioned media of B. infantis (BCM) enhanced expression‎ of occludin and junctional adhesion molecule in either HT-29 or Caco-2Bbe, which can improve intestinal barrier function [175]. BCM also increased claudin-1 protein expression‎, by which the gut barrier was strengthened [176]. And the BCM might prevent IL-1b stimulation to protect Caco-2Bbe through NF-κB pathway as well [177].

상피세포 반응을 조절하는 HMO의 효과

HMO는 미생물에 강렬한 영향을 미칠 뿐 아니라 장 상피세포에도 직접적인 영향을 미칩니다(그림 3C). 소장과 결장을 덮고 있는 장 상피는 선천성 면역의 가장 중요한 부분으로 간주되며, 장강과 순환계 사이의 물리적 및 속도 제한 장벽 역할을 합니다[165]. 상피 세포를 연결하는 촘촘한 접합부는 상피의 투과성을 결정하는데, 이를 선택적 투과 장벽이라고 합니다. 이 장벽은 기공과 누출 경로를 통과하는 거대 분자와 이온의 과정을 조절하여 유해한 미생물과 화합물의 흡수를 방지하고, 전해질과 영양분의 수송을 조절합니다 [166]. HMO는 타이트 접합 단백질의 발현을 조절하여 투과성을 감소시키고 상피의 장벽 효과를 향상시킬 수 있습니다. 2-FL, 6-SL 또는 LNnT는 HT-29와 소장 세포주인 Caco-2Bbe의 G2/M 세포주기를 억제하여 전유동 단계에서 HT-29와 Caco-2Bbe의 증식을 억제할 수 있습니다. 전구세포 배양에서 분화와 증식이 반비례한다는 점을 감안할 때, HT-29와 Caco-2Bbe의 성숙으로 이어집니다. 또한, LNnT와 2′-FL의 고농도는 장벽 기능을 강화하고 소화를 촉진할 수 있습니다 [167]. 추가 연구에 따르면 HT-29와 Caco-2Bbe가 개별 또는 복합 2′-FL, 3′-SL, 6′-SL로 처리되었을 때, 전유동 변형에서 증식이 감소하고 분화가 증가하여 HT-29와 Caco-2Bbe 세포주의 성숙을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다 [168]. 또한, HMO는 소장에서 점액의 주된 형태인 Muc2의 발현을 증가시켜 세균 부착과 장 상피의 투과성을 감소시킵니다 [169].

신생아 장 상피에서 글리코칼릭스의 부적절한 발달은 위장 시스템을 교란시킵니다 [170]. 최근의 연구에 따르면, 2′-FL과 3′-FL은 구조에 따라 당단백질(glycocalyx)의 발달을 촉진하고, 장벽이 강화된다는 사실이 밝혀졌습니다 [171]. 또한, 시알릴화에서 푸코실화로의 전환은 장 상피의 성숙에 도움이 됩니다 [172]. 이는 HMO가 장 당단백질(glycome)의 조절을 통해 장 상피 세포를 조절할 수 있음을 의미합니다 [173]. Angeloni 등은 3′-FL이 존재할 때 sialyltransferases ST3Gal1, ST3Gal2, ST3Gal4의 발현이 감소하여 Caco-2Bbe 표면의 α2-3-, α2-6-sialylation이 감소하여 E. coli의 접착력이 50% 감소한다는 것을 발견했습니다 [174].

HMO는 또한 B. infantis에 의해 발효된 후 상피에 간접적인 영향을 미칩니다. 한 연구에 따르면 B. infantis(BCM)의 배양 배지는 HT-29 또는 Caco-2Bbe에서 occludin과 junctional adhesion molecule의 발현을 향상시켜 장벽 기능을 개선할 수 있다고 합니다 [175]. BCM은 또한 장벽을 강화하는 claudin-1 단백질 발현을 증가시켰습니다 [176]. 그리고 BCM은 IL-1b 자극을 억제하여 NF-κB 경로를 통해 Caco-2Bbe를 보호할 수도 있습니다 [177].

Conclusion and future perspectives

HMOs are complex carbohydrates synthesized in breast gland which are abundant in human milk. Different kinds of HMOs directly or indirectly modulate the infant’s physiological systems by regulating microbial composition, preventing pathogens adhesion and invasion, and regulating intestinal epithelial cell response.

Currently, HMOs have been synthesized artificially as additives in infant milk formulations for the infants who cannot be fed with breast milk to support their growth and provide protection against different diseases which have a high morbidity in babys’ early years [171, 178]. Some studies have shown the superior assimilation and toleration of 2′-FL and LNnT by infants [179, 180], meanwhile other HMOs still have challenges in expensive synthesis. Given that, the European Union and the United State consider 2′-FL and LNnT are qualified to be used in infant formula [181]. A clinical study showed that formula with 2’-FL can inhibit inflammatory cytokine production and the results of the formula group are similar to the breastfed group [182]. The other study revealed that the formula 2′-FL and LNnT would keep infants healthy whose parents have respiratory tract infections and bronchitis [180]. Recently, it was found that the addition of 2′-FL and LNnT to infant formula would shift the microbiota toward the microbiota of breastfed babies, which would increase the quantity of Bifidobacteria and decrease the number of Clostridium difficile [183].

The application of HMOs in therapeutic area has been reported in recent years. For instance, HMOs have therapeutic potential in food allergies. HMO supplementation study was conducted in an ovalbumin sensitized mouse model consuming 2′-FL and 6′-FL. As a consequence, 2′-FL and 6′-FL would indirectly stabilize mast cells by inducing expression‎ of T regulatory cells, and activate the IL-10(+) regulatory cells to reduce the symptoms of food allergy [184]. Especially, 6′-FL can suppress the immune system greatly by decreasing inflammatory factors and chemokines, which inhibit inflammatory cells from flocking in the intestine [184]. Analogously, FUT2-dependent breast milk oligosaccharides reduced the occurrence of IgE-associated disease and IgE-associated eczema in cesarean section born infants [185]. In contrast to these findings, pro-inflammatory effect of 3′-SL was reported in a mesenteric lymph node CD11(+) dendritic cells exposed to 3′-SL, which can generate cytokines that increase the quantity of Th1 and Th17 immune cell [186]. Besides, clinical studies have confirmed that HMOs contribute to the positive effects of human milk against necrotizing enterocolitis (NEC) which is a fatal gastrointestinal disease in very low birth weight (VLBW) infants [187]. DSLNT in breast milk could be used to prevent NEC in formula-fed infants, and its concentration in the mother’s milk could act as a potential non-invasive marker to identify whether infants are at risk of NEC [187], while another study including 96 mothers and 106 VLBW infants demonstrated a contradictory result that DSLNT was not significantly associated with NEC [178]. 2′-FL, 3′-SL, 6′-SL, and LNnT also have a protective effect on the development of autoimmune diseases such as type-1 diabetes (T1D) which is caused by autoimmune destruction of insulin-producing β cells of the pancreas. Animal research revealed that HMOs were prone to balance Th1/Th17 immune responses of non-obese diabetic (NOD)-mice, which would reduce T1D occurrence rate and inhibit pancreatic insulitis progress [125]. Metabolic products of HMOs have been demonstrated in field of cognition development [67]. An animal study showed the dietary 2′-FL improved cognitive abilities, learning and memory in rodents [188]. Furthermore, 3’-SL and 6’-SL were able to supported normal microbial communities and behavioral responses in stressor-exposed mice to prevent stressor-induced effect, and the result revealed the evidence of gut microbiota-brain axis [189].

HMOs not merely affect infants, but also have an influence on adults. 2′‐FL and LNnT can change the microorganisms composition of adults, which increasing the amount of Bifidobacterium and Actinobacteria, and decreasing Proteobacteria and Firmicute [190]. Another study revealed that Caco-2Bbe treated with 2′-FL for 3 weeks showed reduced permeability of monolayers, and tight junction proteins, such as claudin-5 and claudin-8 were upregulated, which strengthen the gut barrier in adults [191].

In conclusion, HMO plays a special role in the prevention and treatment of diseases, thereby maintaining the health of infants and adults. Therefore, the prospect of HMO will be exciting, both for the prevention of single disease and multiple combined diseases.

결론 및 향후 전망

HMO는 모유에 풍부하게 함유되어 있는 유선에서 합성되는 복합 탄수화물입니다. 여러 종류의 HMO는 미생물 구성을 조절하고, 병원균의 부착과 침입을 방지하며, 장 상피 세포 반응을 조절함으로써 유아의 생리적 체계를 직접 또는 간접적으로 조절합니다.

현재, 모유를 먹일 수 없는 유아의 성장을 돕고 유아기 질병에 대한 보호를 제공하기 위해 유아용 분유에 첨가제로 합성된 HMO가 사용되고 있습니다 [171, 178]. 일부 연구에 따르면 2'-FL과 LNnT가 유아의 흡수 및 내약성이 우수하다고 합니다 [179, 180], 한편 다른 HMO는 여전히 고가의 합성 과정에서 어려움을 겪고 있습니다. 따라서 유럽연합과 미국은 2'-FL과 LNnT가 유아용 조제 분유에 사용될 수 있는 것으로 간주합니다 [181]. 임상 연구에 따르면 2'-FL이 함유된 조제 분유는 염증성 사이토카인 생성을 억제할 수 있으며, 그 결과는 모유 수유 그룹과 유사합니다 [182]. 또 다른 연구에 따르면 2′-FL과 LNnT가 부모가 호흡기 감염과 기관지염에 걸린 유아의 건강을 유지하는 데 도움이 된다고 합니다 [180]. 최근에는 유아용 조제 분유에 2′-FL과 LNnT를 첨가하면 모유 수유 유아의 미생물 군집으로 미생물 군집이 이동하여 비피도박테리아의 양이 증가하고 클로스트리듐 디피실레의 수가 감소한다는 사실이 밝혀졌습니다 [183].

최근 몇 년 동안 치료 분야에서 HMO의 적용이 보고되었습니다.

예를 들어, HMO는 식품 알레르기에 치료 효과가 있을 수 있습니다.

HMO 보충 연구는 2'-FL과 6'-FL을 섭취하는 오발부민 민감성 마우스 모델에서 수행되었습니다. 결과적으로, 2′-FL과 6′-FL은 T 조절 세포의 발현을 유도함으로써 비만 세포를 간접적으로 안정화시키고, IL-10(+) 조절 세포를 활성화시켜 음식 알레르기 증상을 감소시킵니다 [184]. 특히, 6′-FL은 염증 세포가 장에 몰려드는 것을 억제하는 염증 인자와 케모카인을 감소시킴으로써 면역 체계를 크게 억제할 수 있습니다 [184]. 비슷하게, FUT2 의존성 모유 올리고당은 제왕절개 분만으로 태어난 유아의 IgE 관련 질환과 IgE 관련 습진의 발생을 감소시켰습니다 [185]. 이와는 대조적으로, 3′-SL에 노출된 장간막 림프절 CD11(+) 수지상 세포에서 3′-SL의 전염증 효과가 보고되었으며, 이 세포는 Th1 및 Th17 면역세포의 수를 증가시키는 사이토카인을 생성할 수 있습니다 [186]. 게다가, 임상 연구에 따르면 HMO가 저체중 출생 체중(VLBW) 유아에게 치명적인 위장병인 괴사성 장염(NEC)에 대한 모유의 긍정적인 효과를 촉진한다는 사실이 확인되었습니다 [187]. 모유에 함유된 DSLNT는 분유를 먹는 영아의 NEC 예방에 사용될 수 있으며, 모유의 DSLNT 농도는 영아가 NEC에 걸릴 위험이 있는지 여부를 식별하는 잠재적인 비침습적 지표로 작용할 수 있습니다 [187]. 반면, 96명의 산모와 106명의 VLBW 영아를 대상으로 한 또 다른 연구에서는 DSLNT가 NEC와 유의미한 관련이 없다는 상반된 결과가 나왔습니다 [178]. 2′-FL, 3′-SL, 6′-SL, LNnT도 췌장의 인슐린을 생산하는 β 세포의 자가면역 파괴로 인해 발생하는 제1형 당뇨병(T1D)과 같은 자가면역질환의 발병을 예방하는 효과가 있습니다. 동물 연구에 따르면, HMO는 비만 당뇨병(NOD) 쥐의 Th1/Th17 면역 반응의 균형을 맞추는 경향이 있어, T1D 발생률을 감소시키고 췌장염의 진행을 억제하는 것으로 나타났습니다 [125]. HMO의 대사 산물은 인지 발달 분야에서 입증되었습니다 [67]. 동물 연구에 따르면, 식이 2′-FL은 설치류의 인지 능력, 학습 및 기억력을 향상시키는 것으로 나타났습니다 [188]. 또한, 3'-SL과 6'-SL은 스트레스 요인에 노출된 생쥐의 정상적인 미생물 군집과 행동 반응을 지원하여 스트레스 요인에 의한 영향을 방지할 수 있었고, 그 결과 장내 미생물 군집-뇌 축의 증거가 밝혀졌습니다 [189].

HMO는 유아뿐만 아니라 성인에게도 영향을 미칩니다. 2'-FL과 LNnT는 성인의 미생물 구성을 변화시켜 비피도박테리움과 액티노박테리아의 양을 늘리고 프로테오박테리아와 퍼미쿠테의 양을 줄입니다 [190]. 또 다른 연구에 따르면, 2'-FL로 3주 동안 처리된 Caco-2Bbe는 단층막의 투과성이 감소하고, 클라우딘-5 및 클라우딘-8과 같은 단단한 접합 단백질이 상향 조절되어 성인의 장 장벽을 강화하는 것으로 나타났습니다 [191].

결론적으로, HMO는 질병의 예방과 치료에 특별한 역할을 수행함으로써 유아와 성인의 건강을 유지하는 데 기여합니다.

따라서, 단일 질병의 예방과 여러 질병의 복합 예방 모두에서 HMO의 전망은 매우 밝습니다.

Availability of data and materials

Not applicable.

Change history

• 21 July 2021

  A Correction to this paper has been published: https://doi.org/10.1186/s12934-021-01612-4

Abbreviations

WHO:

World Health Organization

HMOs:

Human milk oligosaccharides

OS:

Oligosaccharides

GlcNAc:

N-acetylglucosamine

Sia:

Sialic acid

Fuc:

l-fucose

Gal:

d-galactose

Glc:

d-glucose

LNB:

Lacto-N-biose

FucOS:

Fucosylated OS

SiaOS:

Sialylated OS

Se:

Secretor

Le:

Lewis

FUT2:

α1-2-Fucosyltransferase enzyme

FUT3:

α1–3/4-Fucosyltransferase

LNFP:

Lacto-N-fucopentaose

FL:

Fucosyllactose

DSLNT:

Disialyllacto-N-tetraose

LSTa:

LS-tetrasaccharide

SL:

Sialyllactose

iGnT:

β1,3-N-acetylglucosaminyltransferase

IGnT:

β1,6-N-acetylglucosaminyltransferase

LNT:

Lacto-N-tetraose

ABC:

Adenosine triphosphate binding cassette

GHs:

Glycosyl hydrolases

LnbX:

Lactam-N-biogenase

LSTb:

Sialyllacto-N-tetraose b

MFLNH:

Monofucosyllacto-N-hexaose

LNH:

Acto-N-hexaose

LNnT:

Lacto-N-neotetraose

SBPs:

Family 1 solute binding proteins

SCFAs:

Short chain fatty acids

1,2-PD:

1,2-Propanediol

LDFT:

Lactodifucotetraoseare

GPCRs:

G protein-coupled receptors

KYNA:

Kynurenic acid

EPEC:

Enteropathogenic Escherichia coli

ETEC:

Enterotoxigenic Escherichia coli

UPEC:

Uropathogenic Escherichia coli

GBS:

Group B Streptococci

LNDFH:

Lacto-N-difucohexaose

HBGAs:

Histo-blood group antigens

BCM:

Conditioned media of B. infantis

NEC:

Necrotizing enterocolitis

VLBW:

Very low birth weight

LNDH I:

Lacto-N-difucohexaose

T1D:

Type-1 diabetes

NOD:

Non-obese diabetic

References

1. Gallie S, Vocking K, Post JA, Van De Heijning B, Acton D, Van Der Beek EM, Van Baalen T. A novel infant milk formula concept: Mimicking the human milk fat globule structure. Coll Surf B Biointerfaces. 2015;136:329–39. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2015.09.024.

   Article CAS Google Scholar