袁慧芝，荀一萍，蒲晓璐，朱 宏，王世杰,,*
（1.河北科技大学食品与生物学院，河北 石家庄 050018；2.石家庄君乐宝乳业有限公司，河北 石家庄 050221）
肠道菌群是影响人体多种生理功能的重要因素，自生命早期建立后能够影响宿主的整个生命周期[1]。出生后，婴儿肠道经历了复杂的微生物定植过程。已有研究表明喂养方式是调节胃肠道微生物群组成和代谢功能的关键因素[2]。母乳喂养的婴儿在其生命的第一周中拥有更稳定的微生物群落（双歧杆菌为优势菌群），这对维持新生儿的健康起重要作用[3]。
母乳是婴儿营养的“黄金标准”，也是生长期婴儿的最佳营养来源[4]。母乳是一种由数百到数千种不同的生物活性成分组成的复杂生物流体，适合于婴儿未成熟的消化系统和免疫系统，其中最丰富的物质之一是被称为母乳低聚糖（human milk oligosaccharides，HMOs）的非共轭复合碳水化合物[5]。母乳喂养的许多有益效果可能都与特定HMOs的存在有关[6-7]。HMOs作为母乳中含量仅次于乳糖和脂类的第三大类固体成分[8]，因其具有影响多种肠道功能（上皮完整性、黏膜完整性、对致病性感染的易感性、微生物群落结构、短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFA）生成和维生素合成）的能力，在婴儿营养中受到了广泛关注[9-10]。HMOs具有多种生理功能，主要是通过肠道菌群的建立介导的[11]。因此了解HMOs在建立新生儿肠道微生物群中的作用至关重要。
1 HMOs的组成、结构和含量
1.1 单糖组成
HMOs是母乳中天然存在的聚合度不高于3的低聚糖的统称[8]。它在乳糖分子的基础上终端位置由5 种单体进行修饰，这5 种单体分别为葡萄糖（glucose，Glc）、半乳糖（galactose，Gal）、N-乙酰氨基葡萄糖（N-acetylglucosamine，GlcNAc）、岩藻糖（fucose，Fuc）和N-乙酰神经氨酸（也称唾液酸，N-acetylneuraminic acid，Neu5Ac）[11]。HMOs每个分子包含3～32 个单糖，这些单糖通过不同的糖苷键连接[12-13]，构成了HMOs的多样性和复杂性。尽管HMOs组分繁多，但是基于其核心结构可分为3 种：中性岩藻糖基化HMOs、中性非岩藻糖基化的HMOs和酸性或涶液酸化的HMOs，具体见表1。
表1 HMOs的类型[4]Table 1 Various types of HMOs[4]
1.2 主要成分结构及含量
目前，已在母乳中鉴定和表征了200多种不同的HMOs成分[14]。几乎所有的HMOs在还原端都具有乳糖单元，处于还原端的乳糖核心（Gal-β-1,4-Glc）通过β-1,3-糖苷键连接半乳糖β-1,3-N-乙酰氨基葡萄糖（Gal-β-1,3-GlcNAc）或β-1,6-糖苷键连接N-乙酰基乳糖（Gal-β-1,4-GlcNAc）向外延伸，并且可以用岩藻糖或唾液酸进一步修饰这些核心HMOs结构，最终形成细长的线性结构或支链寡糖[15-16]。HMOs是结构上不同的非共轭聚糖，其组成对于每个哺乳期母亲都是唯一的[17]。研究表明，HMOs组成取决于Lewis血型基因和分泌基因在母体基因组中的分布[18]。母乳中HMOs的含量会随着婴儿在成长过程中不断变化的营养需求而发生改变，从而为婴儿提供精准的保护[8,15,19]。HMOs在初乳中的质量浓度最高，达到20～23 g/L，然后在成熟母乳（母亲产后11 d～9 个月分泌的乳汁）中质量浓度下降到12～14 g/L。与足月分娩的母亲相比，早产母亲的母乳中含有更高的HMOs浓度[20]。含有活性分泌基因（也称FUT2基因）的母亲为分泌型母亲，其分泌的乳汁中含有α-1-2-岩藻糖基HMOs[15]。表2列举了分泌型母亲的乳汁中HMOs主要成分的结构及含量[21-22]。总体而言，分泌型母亲的总HMOs浓度（（15.91±2.80）µmol/mL）高于非分泌型母亲（（8.94±1.51）µmol/mL））[23]，并且据统计大约79%的母亲为分泌型母亲[20]。
表2 分泌型母亲乳汁中HMOs主要成分结构及含量[21-22]Table 2 Structures and contents of main human milk oligosaccharides in secretory mother’s milk[21-22]
2 HMOs与婴儿肠道微生物的关系
2.1 HMOs对婴儿肠道微生物组成的影响
HMOs在形成和维持健康的婴儿肠道菌群方面发挥着关键作用[24]。婴儿的肠道微生物群组成与所代谢的HMOs有关，由于HMOs对上消化道的低胃液pH值和酶具有抵抗力，在婴儿胃肠道的上部不能被消化[25]，因此大多数HMOs到达结肠，在结肠中它们作为特定微生物的底物（即充当益生元）影响胃肠道微生物群的组成和活性[21]。然而并非所有的HMOs都会导致胃肠道微生物群的组成和活性发生相同的变化，并对宿主的健康产生相同的影响。益生元效应可能是结构特异性的[26]，因此有必要了解母乳中特定的HMOs结构与婴儿肠道微生物群组成之间的对应关系。
Underwood等[27]对美国早产儿的研究证明了HMOs的组成会影响婴儿肠道微生物群，并且HMOs结构对婴儿肠道吸收、尿液排泄和肠道微生物消耗方面产生显着影响。关于婴儿肠道菌群与HMOs体内消耗之间的联系也已有研究。de Leoz等[24]结合糖组学和基因组学的最新进展证明了婴儿粪便中HMOs的含量与肠道微生物群的组成之间的直接关系。他们观察到在出生后的最初几周，两个健康婴儿的肠道微生物群从非HMOs消耗的微生物群（肠杆菌科和葡萄球菌科）转变为消耗HMOs的微生物群（拟杆菌科和双歧杆菌科），粪便中HMOs丰度也相应降低。这些结果与HMOs在生命最初几周塑造肠道微生物群的高选择性益生元效应一致。Borewicz等[5]研究了1 个月大母乳喂养婴儿的肠道微生物群组成与母乳中HMOs分布的关系。结果表明HMOs导致婴儿肠道中61.5%的微生物群发生变化，其中2’-FL、LNT、LNnT、DFL、6’-SL、LNH、LNFPII、LNFPIII、LSTb、LSTc和3’-SL与其肠道菌群组成的差异有关，特别是与双歧杆菌属、拟杆菌属和乳杆菌属的系统发育型密切相关。这些结果说明HMOs组成与婴儿肠道微生物群之间建立了相应的关系，并有助于更准确地描述发育中的婴儿肠道微生物群落的生态学。HMOs与肠道菌的相关性如表3所示，每个细菌属都与多个HMOs有关。
表3 HMOs谱与婴儿肠道各种菌的相关性Table 3 Correlation between HMO profile of breast milk and intestinal bacteria in infants
2.2 婴儿肠道微生物对HMOs的利用
HMOs会影响婴儿肠道中有益微生物（例如双歧杆菌）的种群[21]。婴儿肠道菌群中某些细菌的富集可解释为这些细菌具有消耗和代谢HMOs的能力[31]。HMOs是一组结构多样的低聚糖，由于其结构的多样性，不同的HMOs可以被不同的细菌代谢[26]。关于HMOs代谢的研究表明，1%的HMOs被吸收到循环系统中，其余的则被肠道微生物代谢并通过粪便和尿液排出体外[20]。
2.2.1 利用方式
婴儿肠道相关双歧杆菌属（Bifidobacterium）已经进化出两种利用HMOs的方式（细胞内和细胞外消化）。两歧双歧杆菌（B. bifidum）和LnbX（一种重要的HMOs降解酶）阳性的长双歧杆菌分泌细胞外糖苷酶降解细胞外HMOs，随后释放的单糖或二糖被导入到细胞中进一步降解[32-33]。相反，短双歧杆菌（B. breve）、婴儿双歧杆菌（B. infantis）和LnbX阴性的长双歧杆菌则通过特定的转运体直接将完整的HMOs转移到细胞内进行降解[32-33]。
这种依赖于转运体的细胞内消化方式使双歧杆菌能够在竞争性生态系统中比其他肠道微生物更有效地捕获碳源。然而，除了这种“自私”的方式外，双歧杆菌还有另一种方式来支配生态系统，即物种/菌株之间可以协同利用HMOs[32]。Tannock等[34]研究了婴儿肠道中两歧双歧杆菌的存在与双歧杆菌属优势之间的关系。他们发现当两歧双歧杆菌占双歧杆菌属的10%以上时，相应的肠道微生物群中双歧杆菌的丰度更高。该结果表明双歧杆菌类群中存在HMOs降解物的交叉喂养，两歧双歧杆菌细胞外产生的HMOs降解物可以在不同种类的双歧杆菌之间共享，进而促进其他双歧杆菌物种的生长。
最近的研究证实拟杆菌也可能支配一些婴儿的肠道菌群，拟杆菌作为微生物群中的主要发酵菌，具有利用来自肠环境的多种寡糖的能力[35]。这种特殊的糖酵解能力可归因于拟杆菌基因组中多糖利用位点编码的特殊机制，拟杆菌基因组中的每一个多糖利用位点似乎都负责感应和获取不同种类的低聚糖或多糖[36]。一些拟杆菌已经被证明能够利用HMOs、低聚果糖、黏蛋白和多种植物来源的寡糖和多糖[35]。
2.2.2 利用能力
新生儿肠道微生物在利用HMOs的能力上存在差异。到目前为止，在婴儿肠道菌群中发现的两大共生菌群，即双歧杆菌属和拟杆菌属，被认为是HMOs的有效降解者[37]。
双歧杆菌对HMOs的利用具有物种特异性差异。婴儿双歧杆菌具有很强的降解HMOs能力[31,38]。虽然两歧双歧杆菌利用HMOs的能力不如婴儿双歧杆菌，但其仍可以将HMOs降解为单糖[34-35]。Garrido等[38]在研究中测定了两歧双歧杆菌和婴儿双歧杆菌菌株利用混合HMOs和合成HMOs（LNT、LNnT、2’-FL、3’-FL和6’-SL）的能力，并通过RNA测序比较了主要代表性菌株的全基因组。结果表明婴儿双歧杆菌菌株表现出一致的HMOs利用模式，但两歧双歧杆菌菌株利用特定HMOs底物的能力比较多样。相比之下，短双歧杆菌和长双歧杆菌对HMOs的分解能力更为有限[31]。假链双歧杆菌（B. pseudocatenulatum）和卡氏双歧杆菌（B. kashiwanohense）则几乎无法利用HMOs，需要在其他双歧杆菌HMOs降解产物的基础上进一步生长[39]。
拟杆菌对复合多糖（膳食多糖如木聚糖、果聚糖或宿主衍生的聚糖）有着广泛的偏好，有效地消耗大范围的HMOs[35]。而新生儿肠道微生物群的其他菌属，包括梭菌、肠球菌、大肠杆菌、葡萄球菌和链球菌自身不会降解HMOs[18]，但它们可能利用其他肠道细菌（如双歧杆菌和拟杆菌）产生的部分分解产物或发酵终产物[18,28]。表4主要列举出了双歧杆菌属与拟杆菌属对HMOs的利用特征。
表4 肠道细菌对HMOS的利用Table 4 Utilization of HMOs by gut bacteria
2.2.3 产生的代谢产物
益生元促进健康的一种机制是通过益生元化合物的发酵来促进代谢产物的产生，结肠微生物群发酵HMOs可产生有益的代谢产物，如SCFA。可以产生SCFA的肠道细菌有拟杆菌、双歧杆菌、乳杆菌等[45]。SCFA在肠道细菌群落与宿主之间的交流中起着关键作用，对新生儿的肠道健康至关重要[24]。尽管SCFA的主要作用是作为肠上皮细胞的能量来源，维持胃肠道的生长发育[24]，但越来越多的研究表明，SCFA具有更广泛的系统效应，因为它们能够充当信号分子参与基因表达的调控[46]。SCFA可以通过激活肠道中的游离脂肪酸受体和增加肠内循环性厌食激素来抑制食欲[47]，此外SCFA在免疫细胞的活化和分化中也起着重要作用[48-50]。发酵的主要产物是乙酸，它会降低肠道内的pH值，具有抑菌作用，能够抑制病原菌的生长[16]。除乙酸外，发酵产物还包括丁酸和丙酸，丁酸和丙酸对肠道健康都很重要，因为它们可以与宿主上皮细胞相互作用，刺激黏蛋白释放，增加黏膜血流量，调节免疫系统[21]。乳酸和琥珀酸是SCFA生产过程中的中间代谢产物，但研究较少[16]。
研究表明，丙酸和丁酸可以通过激活特定的G蛋白偶联受体和修饰转录因子，在代谢和炎性疾病（如肥胖、糖尿病和炎症性肠病等）中发挥作用[24]。Roduit等[51]通过高效液相色谱法测定了301 名儿童在1 岁时粪便样本中的SCFA水平。他们还探讨了SCFA水平与饮食、过敏和哮喘之间的关系。研究结果表明1 岁时粪便中丁酸和丙酸含量较高的儿童发生过敏反应的情况明显较少，3～6 岁之间患哮喘的可能性较小；此外，这些儿童也不太可能出现食物过敏或过敏性鼻炎的情况。由此证明SCFA在减少过敏、哮喘和食物过敏方面发挥重要作用。
除了碳水化合物的发酵之外，肠道中的保护性微生物也可以自行产生对人体有益的活性物质[52]。双歧杆菌作为益生菌，能够产生对新生儿健康至关重要的维生素，如两歧双歧杆菌和婴儿双歧杆菌可产生大量的硫胺素、叶酸、生物素和烟酸，而短双歧杆菌和长双歧杆菌是核黄素、吡哆醇、钴胺素和抗坏血酸的公认生产者[53]。肠道中富含双歧杆菌可减少婴儿粪便微生物群中氨、吲哚、对甲酚等代谢物的生成[53]。据报道，乳杆菌通过调节宿主代谢，具有改变肠道神经系统的功能[54]。罗伊氏乳杆菌是组胺的有效产生者，组胺是与肠道病理学相关的重要神经递质，可调节肠道免疫功能、运动性、通透性和分泌能力[54]。肠道内的保护性细菌还包括拟杆菌，拟杆菌是已知唯一能产生鞘脂的肠道共生体。鞘脂是脂族氨基醇，是所有真核细胞和一些原核细胞膜中普遍存在的结构成分，最近被确定为炎症性肠病患者粪便中代谢差异最大的代谢产物[55]。它们是重要的信号分子，在调节炎症、免疫和自噬中起着重要作用[55]。这些肠道保护性微生物群产生的代谢产物可以影响生物体内各种生理和代谢过程，在调节婴儿的正常生长方面发挥着重要作用。
3 HMOs配方奶粉对婴儿肠道微生物群的影响
婴儿配方奶粉通常通过增加仅在母乳中发现的成分含量来更好地模拟母乳的复杂性。目前婴儿配方奶粉主要还是包含牛乳成分，缺少人体母乳中发现的关键生物活性成分（如HMOs）[56]，因此配方奶粉喂养和母乳喂养婴儿的肠道微生物群存在很大不同[57]。已有研究表明配方奶粉可能会导致婴儿的肠道微生物组分缺乏双歧杆菌，从而影响婴儿的免疫发育[58-59]，而HMOs可以通过促进双歧杆菌的定植，有益于配方奶粉喂养婴儿肠道微生物群的建立[60]。
Steenhout等[60]研究发现食用添加2’-FL（1 g/L）和LNnT（0.5 g/L）配方奶粉的婴儿，其肠道微生物群组成显着不同于喂食无补充的配方奶粉的婴儿，肠道中双歧杆菌的含量更高，大肠杆菌和消化链球菌的含量较少，并且肠道微生物群和代谢特征在组成和功能等多个方面都更加接近母乳喂养的婴儿。
4 结 语
母乳喂养对婴儿胃肠道微生物群的选择性定植和成熟（随着婴儿的成长，微生物系统发育的多样性逐渐增加，经过大约2.5 年的发育接近成人微生物系统，表明达到成熟）至关重要。母乳不仅为微生物在母亲和婴儿之间的转移提供了重要的媒介，而且还含有高浓度的低聚糖，进一步促进了微生物的定植。对于不能母乳喂养的新生儿而言，喂养添加HMOs的婴儿配方奶粉是一个更好的选择。HMOs代表了新生儿营养学的下一个前沿领域，如今商业化生产的HMOs越来越多，HMOs的有益特性使其具有潜力成为改善婴儿肠道微生物群生态失调的功能性成分。此前国外已有商品化的添加2’-FL和LNnT的婴幼儿配方奶粉，近期欧盟委员会又批准了LNT在婴幼儿配方奶粉中的应用，但我国法规尚未允许HMOs在婴幼儿配方奶粉中使用。
虽然HMOs的有益作用已得到广泛证明，但是关于HMOs合成、代谢和功能的许多问题仍未得到解答，HMOs调节整个肠道微生物群的机制尚待研究。另外，HMOs与母乳中其他生物活性成分（如细胞因子、免疫球蛋白和抗菌肽）之间复杂的相互作用及其对婴儿肠道微生物群的影响也有待阐明。未来的研究应着眼于母婴配对、大样本和纵向样本收集，样本尽可能包括多样化的人群，以进一步阐明HMOs对婴儿肠道健康所发挥的作用。要了解HMOs作为改变后代早期肠道微生物群的潜力，首先要明确在肠道环境中，什幺是预防疾病的有益微生物群；其次还要确定HMOs中的哪些成分是促进建立这种有益微生物群所必需的。
