Znaczenie HMO w kształtowaniu mikrobiomu jelitowego: przegląd dowodów i wyników klinicznych

Sympozjum NNI podczas Kongresu N&G (International Conference on Nutrition and Growth) poświęcone było Oligosacharydom mleka ludzkiego (HMO) - ich roli w rozwoju mikrobioty jelitowej i wpływie na krótko- i długoterminowe zdrowie niemowląt. W trakcie prezentacji omówiono historię badań nad HMO, przedstawiono najnowsze wyniki oraz przyszłe kierunki rozwoju tej dziedziny, mające na celu zwiększenie zrozumienia ich kluczowej roli w procesie wzrostu i rozwoju.

HMO w mleku matki a HMO uzyskiwane metodami biotechnologicznym, gdzie jesteśmy w 2023 roku?

Prof. Hanna Szajewska

Zróżnicowane strukturalnie i funkcjonalnie, oligosacharydy mleka kobiecego (HMO) przyczyniają się do wielu korzyści, wynikających z karmienia piersią. Obserwacje kliniczne u niemowląt karmionych piersią oraz podstawowe badania na zwierzętach pomagają nam lepiej zrozumieć fizjologiczne funkcje HMO. Biotechnologicznie otrzymywane HMO (bio-HMO) są obecnie przedmiotem zainteresowania, a randomizowane badania kliniczne niemowląt karmionych preparatami mleka modyfikowanego potwierdzają znaczenie klinicznie określonych bio-HMO.

Korzyści płynące z karmienia piersią, takie jak zmniejszone ryzyko infekcji żołądkowo-jelitowych oraz infekcji dróg oddechowych, zależą w dużej mierze od obecności w mleku matki związków bioaktywnych, w tym zróżnicowanych strukturalnie i funkcjonalnie oligosacharydów mleka ludzkiego (HMO). Chociaż HMO nie mają wartości odżywczej, oferują wiele istotnych korzyści zdrowotnych, takich jak działanie prebiotyczne (tj. sprzyjają wzrostowi pożytecznych drobnoustrojów jelitowych), działanie przeciwdrobnoustrojowe i funkcje immunomodulacyjne. Dowody wskazują, że różnice w profilu HMO mleka matki wpływają na funkcjonowanie jelit i mózgu niemowląt, a także na odporność. Oligosacharydy mleka kobiecego mogą również wpływać na ryzyko wystąpienia niektórych chorób u dziecka, w tym martwiczego zapalenia jelit u wcześniaków, alergii i otyłości.

Dzięki postępowi biotechnologii możliwe jest wyprodukowanie wybranych HMO, w związku z czym coraz częściej dodaje się je do preparatów do początkowego i dalszego żywienia niemowląt. Ważne jest jednak, aby odróżnić HMO występujące naturalnie w mleku kobiecym od tych wytwarzanych biotechnologicznie. Chociaż mają one identyczną strukturę, wytwarzane biotechnologicznie HMO nie pochodzą z mleka matki. Biotechnologicznie otrzymywane HMO (bio-HMO) są przedmiotem zainteresowania badaczy, a randomizowane badania kliniczne u niemowląt karmionych mlekiem modyfikowanym, potwierdzają ich znaczenie kliniczne, tak jak np. w przypadku 2'-fukozylolaktozy (2'-FL) i lakto-N-neotetraozy (LNnT). Ostatnio dopuszczono kolejne bio-HMO, takie jak difukozylolaktoza (DFL), lacto-N-tetraoza (LNT), sól sodowa 3' sialolaktozy (3'-SL) i sól sodowa 6' sialolaktozy (6'-SL), jako nowe składniki receptur w kilku krajach.

Po trzech latach wirtualnych spotkań, ta prezentacja na N&G 2023 będzie przeglądem, z perspektywy klinicznej, aktualnych informacji na temat HMO naturalnie występujących w mleku ludzkim, jak również bio-HMO. Podkreślony zostanie wpływ poszczególnych HMO na funkcje biologiczne, w szczególności w kontekście odporności i funkcji poznawczych. Zostanie przedstawiony przegląd najnowszych badań nad preparatami dla niemowląt zawierających wybrane bio-HMO. Przedstawione zostaną luki w istniejącej wiedzy wraz z propozycjami jak je rozwiązać.

Wpływ HMO na dojrzewanie mikrobiomu jelitowego niemowląt we wczesnym okresie życia

Shaillay Kumar Dogra

Mikrobiom jelitowy szybko ewoluuje, przy czym różne czynniki wpływają na jego dojrzewanie. Oligosacharydy mleka ludzkiego (HMO) mogą mieć wpływ na rozwój mikrobiomu jelitowego. Przeprowadziliśmy ocenę końcowych wyników dotyczących mikrobiomu jelitowego w ramach randomizowanych, kontrolowanych badań na niemowlętach karmionych preparatami z dodatkiem HMO.

Mikrobita jelitowa niemowląt to dynamiczny ekosystem, który ulega zmianom od urodzenia aż do około 2-3 roku życia. Następnie, w późniejszym etapie rozwoju, ewoluuje w kierunku mikrobioty jelitowej dorosłego. Uważa się, że kształtowanie mikrobiomu we wczesnym okresie życia (Early Life Microbiome - ELM) ma trwałe konsekwencje dla zdrowia przez całe życie (1).
Rodzaj porodu, stosowanie antybiotyków oraz sposób karmienia to czynniki mające wpływ na profil ELM. Rozwój mikrobiomu niemowląt zależy również od położenia geograficznego, miejsca zamieszkania (wieś, miasto), liczby rodzeństwa oraz diety w okresie odstawienia od piersi (2).

ELM niemowląt karmionych preparatem do początkowego żywienia niemowląt (IF) różni się znacząco od mikrobioty jelitowej niemowląt karmionych wyłącznie piersią. Mleko matki zawiera unikatowe składniki, które stymulują selektywny wzrost i aktywność pożytecznych bakterii. Przykładowo, oligosacharydy mleka ludzkiego (HMO) są chętnie metabolizowane przez enzymy bakterii Bifidobacterium, które są ważne dla rozwoju mikrobiomu jelitowego niemowląt w pierwszych miesiącach życia (3).

W randomizowanym, podwójnie zaślepionym, kontrolowanym wieloośrodkowym badaniu klinicznym (4), zdrowe niemowlęta urodzone o czasie otrzymywały albo standardowy preparat dla początkowego żywienia niemowląt (grupa kontrolna), albo ten sam preparat, wzbogacony o 2 HMO (2'-fukozylolaktoza i lakto-N-neotetraoza) od momentu przyjęcia do badania (0 do 14 dni) do 6 miesiąca życia. Następnie, do 12 miesiąca życia, wszystkie niemowlęta otrzymywały tę samą formułę bez dodatku HMO. Niemowlęta karmione piersią (BF) stanowiły grupę referencyjną.

Analizując sekwencje genu 16S rRNA z próbek kału niemowląt w wieku 3 i 12 miesięcy, stwierdzono 7 typów mas kałowych (w zależności od zawartości mikroorganizmów, obecnych w pobranych próbkach; FCT - fecal community types) z różnicami w ich liczebności. W wieku 3 miesięcy skład w grupie badanej (n = 58) był bliższy BF (n = 35), niż kontrolnej (n = 63), co wykazano za pomocą analiz między grupami alfa i beta i rozkładu FCT.

Chociaż Bifidibakterie dominowały w dwóch typach FCT, liczebność ich była znacznie wyższa w jednym z typów FCT. Suplementacja HMO wpłynęła na wzrost liczby niemowląt z dominującym typem FCT BiH (zbliżonym do tego obserwowanego u niemowląt karmionych piersią), kosztem zmniejszenia liczby niemowląt z FCT Bi (obserwowanym u niemowląt karmionych mlekiem modyfikowanym). Co istotne, niemowlęta z dominującym typem FCT BiH w wieku 3 miesięcy istotnie rzadziej wymagały stosowania antybiotyków w pierwszym roku życia niż te z FCT Bi. (4)

W innym randomizowanym, kontrolowanym badaniu nad niemowlętami karmionymi mlekiem modyfikowanym wzbogaconym 5 HMO (5, 6), niemowlęta karmione sztucznie (w wieku 7-21 dni w momencie włączenia do badania) zostały losowo przydzielone do grupy kontrolnej (CG, n=154), preparaty do początkowego żywienia niemowląt bazujące na mleku krowim [IF] do 6. miesiąca życia, mleko następne [FUF] do 12. miesiąca, mleka modyfikowane powyżej 12 miesiąca życia [GUM] do 15. miesiąca lub do takiego samego schematu żywienia wzbogacanego niższą (TG1, 1,5 g/L, n=155) lub wyższą (TG2, 2,5 g/L, n=153) koncentracją HMO w IF, a następnie identyczną FUF (0,5 g/L) i GUM (0,4 g/L) dla obu grup TG1 i TG2.

Próbki kału (wyjściowe w wieku 3, 6, 12, 15 miesięcy) zostały wykorzystane do profilowania mikrobiomu. Przeprowadzono analizę z wykorzystaniem rodzaju, gatunku lub składu CAZyme (enzymy węglowodanowe), na danych referencyjnych pochodzących od niemowląt karmionych piersią, zapisanych równolegle (HMG-VD, n=31). Modele te zostały następnie zastosowane do CG, TG1 i TG2 w celu przewidywania wieku mikrobiomu oraz zidentyfikowania wartości odstających (mikrobiom dla wieku z-score: |MAZ| > 3). Trajektorie rozwoju mikrobiomu dla każdej grupy zostały porównane z trajektorią referencyjną HMG-VD.

Przy użyciu modelu opartego na genach (10 cech, R2=0,862), trajektorie TG zbiegały się z trajektorią referencyjną wcześniej niż CG, co oznacza, że istotnie różniły się do około 11,4 miesiąca (dla CG), ~9,4 miesiąca (dla TG1) oraz ~9,6 miesiąca (dla TG2) (patrz: rycina). Po interwencji wartości odstające były znacznie zmniejszone w grupie TG w porównaniu z CG (ogólny test trendu: p=0,0002), a zmiany te były istotne podczas wizyt kontrolnych (3-6 miesiąca: p=0,0002; 12-15 miesiąca: p=0,0377). Trendy obserwowane w innych modelach były podobne.

Wykazano, że IF, FUF i GUM z dodatkiem 5 HMO modyfikują ścieżkę dojrzewania mikrobiomu jelitowego niemowląt w kierunku tego, który występuje u niemowląt z grupy referencyjnej (karmionych piersią i urodzonych siłami natury).

*Aby uprościć obraz i interpretację szybko zmieniającego się mikrobiomu jelitowego niemowląt, stosuje się podejście łączące rozwój mikrobiomu we wczesnym okresie życia z wiekiem niemowlęcia i korzysta się z podobnych ram statystycznych jak w przypadku siatek centylowych WHO, aby porównać rozwój mikrobiomu poszczególnych niemowląt z referencyjną ścieżką rozwoju. Najpierw, na podstawie określonych kryteriów (takich jak sposób porodu, urodzenie w terminie, czas wyłącznego karmienia piersią, parametry rozwoju niemowlęcia oraz stan zdrowia), wybiera się "referencyjna" grupa niemowląt. Następnie stosuje się model uczenia maszynowego do przewidywania wieku na podstawie zebranych danych. Przewidywany wiek dziecka na podstawie próbki kału jest porównywany z referencyjnymi danymi dla tego samego wieku, co pozwala na naturalną zmienność.

Ścieżka rozwoju mikrobiomu uważa się za prawidłową, jeśli mieści się w trajektorii referencyjnej, np. pod względem współczynników z-score (1, 2, 7).

Przegląd wyników badań w języku angielskim: https://bit.ly/Znaczenie_HMO