营养君百科——HMOs人乳低聚糖

乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）由5种基本的单糖按照不同比例结合成的结构多样的低聚糖，这5种单糖分别是D-葡萄糖（D-glucose，Glc）、D-半乳糖（D-galactose，Gal）、N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc）、L-岩藻糖（L-fucose，Fuc）和唾液酸（sialic acid，Sia），所有的这些单糖通过不同的糖苷键与乳糖进行连接，从而形成HMOs的不同结构，其中N-乙酰神经氨酸（Neu5Ac）是唾液酸最主要的存在形式。HMOs可分为中性母乳寡糖和酸性母乳寡糖，中性母乳寡糖是包含岩藻糖基的低聚糖，酸性母乳寡糖是包含唾液酸及其硫酸盐结构的低聚糖，母乳低聚糖是众多低聚糖的复杂混合物，目前已经证明人乳中有200多种低聚糖，牛乳中有50多种低聚糖。牛乳与人乳内低聚糖的含量相差很大：人初乳中HMO含量为22-23 g／L，成熟乳中为12-13 g／L，而牛乳中只有微量的BMO。

HMOs是人类母乳中的第三大固体组分，仅次于乳糖和脂肪，具有维持肠道微生态平衡、抑制肠道病原微生物感染、调节免疫反应、促进婴幼儿大脑发育等多种重要的生理作用。大量研究表明，HMOs是抗粘连抗菌素，可作为诱饵受体，防止病原体附着在婴儿粘膜表面，降低病毒、细菌和原生动物寄生虫感染的风险。此外，HMOs还可调节上皮细胞和免疫细胞反应，减少粘液细胞浸润和激活，降低坏死性小肠结肠炎的风险，并为婴儿提供唾液酸，使其成为脑发育和认知的潜在必需营养素。

A.益生元作用：促益抑害；B.抗粘附抗菌作用：诱饵；C.小肠上皮细胞调控：基因表达、表面糖改变、细胞应答改变；D.免疫调节：平衡T细胞应答、调节细胞因子产生；E.调节白细胞滚动和粘附：促进白细胞滚动以达到炎症部位；F.大脑发育的营养素：唾液酸化HMOs、发育和认知；

 

HMOs是众多低聚糖的复杂混合物，具有多种结构和功能，其中HMOs作为益生元在婴儿肠道健康方面发挥着积极作用。HMOs与肠道健康相关的两个重要的生物学功能，一是HMOs作为双歧杆菌因子，为肠道微生物菌群提供营养驱动力，促进肠道菌群微生态平衡。二是HMOs作为抗粘附性抗菌剂，对抗肠道易感染的病毒和细菌，防止婴幼儿高风险的肠道炎等疾病的发生。

 

HMOs的功能

（1）HMOs促进肠道菌群微生态平衡

HMOs是母乳中富含的复合碳水化合物，但这些分子不能为婴儿提供能量。相反，这些低聚糖是指导和支持在婴儿体内保障健康的肠道微生物的关键，这些肠道微生物主要是有益的肠道微生物，如双歧杆菌。婴儿出生的第一年，对肠道微生物组的建立至关重要，肠道微生物是一个由大量微生物组成的复杂群落，类似于人体细胞的数量 ^[1]。

 

母乳支持健康婴儿肠道微生物群，通常由双歧杆菌占主导地位。这些细菌可以代表总微生物群的90%^[2]。这种影响的部分原因是母乳中含有大量的HMOs。这些分子原封不动地进入婴儿的结肠，刺激有益微生物如双歧杆菌的生长^[3]。双歧杆菌的基因组中含有大量利用碳水化合物的基因^[4]。一些双歧杆菌已被证明能够利用HMOs^[5]。

 

（2）HMOs对抗肠道病毒和细菌

HMOs对肠道健康的有益表现同时还表现在抗病毒和细菌，避免高风险腹泻等疾病的发生，从而保障肠道健康和婴幼儿健康。HMOs可以通过向非致病性共生菌提供竞争优势来间接控制病原体，还可以通过用作抗粘附性抗菌剂来直接减少微生物感染^[6]。许多病毒、细菌或原生动物病原体需要附着在粘膜表面，以定居或侵入宿主并引起疾病。诺如病毒或轮状病毒是婴幼儿严重腹泻的最常见原因之一，每年导致近50万人死亡^[7]。据报道，作为抗粘连抗菌剂的HMO还可用于空肠弯曲杆菌感染，空肠弯曲杆菌感染是细菌性腹泻和婴儿死亡的最常见原因之一^[8-9]。一项前瞻性研究证实了岩藻糖基化HMO对减少空肠弯曲菌相关性腹泻发病率的有益作用。

 

HMOs抗粘连抗菌效果可能不限于细菌和病毒，它们也可能适用于某些原生动物寄生虫，如溶组织内阿米巴，它会引起阿米巴痢疾或阿米巴肝脓肿^[10]。溶组织内阿米巴的定殖和侵入需要附着在宿主的结肠粘膜上。不能附着的寄生虫被带到下游，随粪便排出，不会引起疾病。溶组织大肠杆菌的主要毒力因子之一是半乳糖凝集素/半乳糖凝集素，它促进寄生虫附着以及肠道上皮细胞的杀死和吞噬。在与人肠上皮细胞系的共培养中，一些HMOs显著降低了溶组织大肠杆菌的附着和细胞毒性_^[11]。

 

除了对肠道健康的有效调节，另外还有研究发现HMOs还具有免疫调节、促进大脑发育等功效：

 

免疫调节作用

HMOs可以调节淋巴细胞细胞因子的产生，还可以减少免疫系统中选择素介导的细胞间相互作用，从而发挥免疫作用。

 

促进大脑发育

婴儿大脑的快速发育对营养物质的供应提出了极高的要求，含唾液酸基的神经节苷脂和含多聚唾液酸基的糖蛋白是大脑组织的重要成分，因而唾液酸基化的HMOs与神经发育及认知功能有关，有助于促进婴儿大脑发育。

 

市场与应用

由于HMOs对婴儿的多种功效，目前全球已有多家企业在婴幼儿配方奶粉产品中添加HMOs，市场前景广阔。我国目前尚未批准HMO作为婴儿配方食品的配料，HMO产品的主要市场主要集中在欧美地区和中东地区。雀巢和达能较早在欧洲地区推出了较高含量的2'-FL产品，但是与母乳中2'-FL的平均含量水平相比仍存在一定的差距。中东地区HMOs产品的数量仅此于欧洲，以雀巢和Abbott的产品为主^[12]。

 

政策法规

在中国，2017年原国家卫生和计划生育委员会将N-乙酰神经氨酸批准为新食品原料。国家食品安全风险评估中心分别在2016年、2021年和2022年4月对2'-岩藻糖基乳糖食品营养强化剂发布过征求意见。2022年10月，对2'-岩藻糖基乳糖和乳糖-N-新四糖两种营养强化剂公开征求意见。2023年2月10日，再次对2'-岩藻糖基乳糖生产菌信息公开征求意见。目前，HMOs已在多个国家/地区被批准使用。

 

市场前景

由于天然来源的HMOs成分复杂较难开发，商业化的多种HMOs的应用案例暂时较少，且成本较高。相比于化学、酶法合成来说，目前有一种比较主流的合成方法——全细胞生物合成，可直接利用微生物细胞内产生的糖基转移酶进行HMOs的合成，不需要进行酶的提取纯化，且核苷酸供体也可由细胞代谢产生，大大降低了成本，具有相对成熟的规模化生产技术与工艺，这种合成生物学方法为HMOs的商业化开发及产业化带来了曙光。

 

为了更好的服务婴幼儿配方奶粉企业，深耕并进一步挖掘功能性营养物质的潜力，嘉必优公司已经着手布局HMOs产品的功效研究并进一步探究可能的机制，同时在专利布局上也希望建立技术壁垒，打造专利护城河。截至目前，嘉必优基于已有的合成生物学技术平台，开展了2'-岩藻糖基乳糖（2'-FL）、3'-唾液酸乳糖（3'-SL）、6'-唾液酸乳糖（6'-SL）、乳糖-N-新四糖（LNnT）等高附加值的战略性产品的开发。

 

嘉必优是国内最早从事以微生物合成法生产多不饱和脂肪酸及脂溶性营养素的高新技术企业，经过多年积累，建成了合成生物学研究室，构建了不同来源底盘表达体系，可进行精准基因编辑、多基因片段组装及共表达、酵母基因组重排及菌种高通量筛选与测试，并初步搭建了生物信息学分析技术平台。嘉必优将利用新技术革命的机会，以合成生物学为技术底盘，瞄准前沿生物科技，持续挖掘生物科技领域的无限可能，以生物科技赋能生命营养与健康。

 

【参考文献】

[1]Sender, R., Fuchs, S., Milo, R., 2016. Revised estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLoS Biol. 14, e1002533.

[2]Yatsunenko, T., Rey, F.E., Manary, M.J., Trehan, I., Dominguez-Bello, M.G., Contreras, M., 2012. Human gut microbiome viewed across age and geography.Nature 486.

[3]Garrido, D., Dallas, D.C., Mills, D.A., 2013a. Consumption of human milk glycoconjugates

by infant-associated bifidobacteria: mechanisms and implications.Microbiology 159, 649e664.

[4]Khoroshkin, M.S., Leyn, S.A., Van Sinderen, D., Rodionov, D.A., 2016. Transcriptional

regulation of carbohydrate utilization pathways in the Bifidobacterium genus. Front. Microbiol. 7, 120.

[5]Pamela Thomson, Daniel A. Medina, Daniel Garrido, Human milk oligosaccharides and infant gut bifidobacteria: Molecular strategies for their utilization, Food Microbiology 75 (2018) 37e46

[6]Kunz C, Rudloff S, Baier W, Klein N, Strobel S. 2000. Oligosaccharides in human milk: Structural, functional, and metabolic aspects. Annu Rev Nutr.20:699–722.

[7] Tate JE, Burton AH, Boschi-Pinto C, Steele AD, Duque J, Parashar UD.2012. 2008 estimate of worldwide rotavirus-associated mortality in children younger than 5 years before the introduction of universal rotavirus vaccination programmes: A systematic review and meta-analysis. Lancet Infect Dis. 12:136–141.

[8]Ruiz-Palacios GM, Cervantes LE, Ramos P, Chavez-Munguia B, Newburg DS. 2003. Campylobacter jejuni binds intestinal H (O) antigen (Fucα1,2Galβ1, 4GlcNAc), and fucosyloligosaccharides of human milk inhibit its binding and infection. J Biol Chem. 278:14112–14120.

[9]Morrow AL, Ruiz-Palacios GM, Altaye M, Jiang X, Guerrero ML, Meinzen-Derr JK, Farkas T, Chaturvedi P, Pickering LK, Newburg DS. 2004. Human milk oligosaccharides are associated with protection against diarrhea in breast-fed infants. J Pediatr. 145:297–303.

[10]Pritt BS, Clark CG. 2008. Amebiasis. Mayo Clin Proc. 83:1154–1159; quiz 1159–1160.

[11]Jantscher-Krenn E, Lauwaet T, Bliss LA, Reed SL, Gillin FD, Bode L. 2012. Human milk oligosaccharides reduce Entamoeba histolytica attachment and cytotoxicity in vitro. Br J Nutr. doi: http://dx.doi.org/10.1017/S0007114511007392.

[12]《母乳低聚糖：功能、法规管理及应用前景》

 

 ——部分内容来源袁丽霞《人乳低聚糖（HMOs）与婴幼儿肠道健康》，致谢！