HMOS

HMOS (англ. Human Milk Oligosaccharides, олигосахариды грудного молока) — это сложные углеводы, являющиеся третьим по количеству (после лактозы и липидов) твёрдым компонентом грудного молока человека. Они представляют собой группу из более чем 200 различных структурных соединений, которые не перевариваются в верхних отделах желудочно-кишечного тракта ребёнка, но выполняют ключевые биологические функции: служат пребиотиками для избирательной стимуляции роста полезной микрофлоры, модулируют иммунную систему и обеспечивают защиту от патогенов.

История открытия и изучения

Первые упоминания о наличии в грудном молоке особых веществ, стимулирующих рост определённых бактерий, относятся к началу XX века. В 1900 году австрийский педиатр Теодор Эшерих (первооткрыватель кишечной палочки Escherichia coli) заметил, что микрофлора детей на грудном вскармливании отличается от таковой у детей на искусственном. В 1930-х годах американский педиатр Пол Дьёрдьи (Paul György) экспериментально доказал, что в грудном молоке содержится «фактор роста бифидобактерий» (бифидус-фактор). Однако химическая природа этого фактора была установлена лишь в 1950-х годах, когда шведский биохимик Арне Тиселиус (нобелевский лауреат) и его коллеги идентифицировали олигосахариды как ключевые компоненты.

Систематическое изучение HMOS началось в 1980–1990-х годах с развитием методов аналитической химии, в частности высокоэффективной жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. К началу XXI века было идентифицировано более 200 различных структур HMOS, а их биологические функции стали предметом интенсивных исследований. В 2010-х годах были разработаны промышленные методы ферментативного синтеза и биотехнологического производства отдельных HMOS (например, 2'-фукозиллактозы, 2'-FL), что позволило добавлять их в смеси для искусственного вскармливания.

Химическая структура и классификация

HMOS представляют собой линейные или разветвлённые олигосахариды, состоящие из пяти основных моносахаридов:

• D-глюкоза (Glc)
• D-галактоза (Gal)
• N-ацетилглюкозамин (GlcNAc)
• L-фукоза (Fuc)
• N-ацетилнейраминовая кислота (сиаловая кислота, Neu5Ac)

Все HMOS имеют на восстанавливающем конце остаток лактозы (Galβ1-4Glc), который может быть удлинён остатками N-ацетилглюкозамина и галактозы с образованием цепочек различной длины — от 3 до 20 моносахаридных единиц. Классификация HMOS основана на их структуре и типе модификации:

По типу фукозилирования

• Фукозилированные HMOS — содержат остатки фукозы, присоединённые к галактозе или N-ацетилглюкозамину. Примеры: 2'-фукозиллактоза (2'-FL), 3-фукозиллактоза (3-FL).
• Нефукозилированные HMOS — не содержат фукозы. Примеры: лакто-N-тетраоза (LNT), лакто-N-неотетраоза (LNnT).

По типу сиалирования

• Сиалилированные HMOS — содержат остатки сиаловой кислоты. Примеры: 3'-сиалиллактоза (3'-SL), 6'-сиалиллактоза (6'-SL).
• Несиалилированные HMOS — не содержат сиаловой кислоты.

По длине цепи

• Короткоцепочечные HMOS — степень полимеризации от 3 до 5.
• Среднецепочечные HMOS — от 6 до 10.
• Длинноцепочечные HMOS — более 10.

Концентрация и состав HMOS в грудном молоке варьируют в зависимости от генетических факторов (в частности, от статуса секретора по антигенам системы Льюис), лактационного периода, диеты матери и других параметров. Наибольшая концентрация HMOS наблюдается в молозиве (до 20–25 г/л), к концу первого месяца лактации она снижается до 10–15 г/л, а к 6 месяцам — до 5–10 г/л.

Биологические функции

HMOS не перевариваются ферментами желудочно-кишечного тракта ребёнка (амилазами, гликозидазами) и в неизменённом виде достигают толстой кишки, где служат субстратом для метаболизма микрофлоры. Основные функции HMOS включают:

Пребиотическое действие

HMOS избирательно стимулируют рост бифидобактерий (в первую очередь Bifidobacterium longum subsp. infantis, Bifidobacterium bifidum) и некоторых лактобацилл. Эти бактерии обладают ферментами, способными расщеплять HMOS, в то время как многие потенциально патогенные микроорганизмы (например, Escherichia coli, Clostridium difficile) не могут использовать их в качестве источника энергии. В результате HMOS способствуют формированию доминирующей бифидобактериальной микрофлоры у детей на грудном вскармливании, что снижает риск развития инфекций и аллергических заболеваний.

Антиадгезивное действие

HMOS структурно имитируют гликановые рецепторы на поверхности эпителиальных клеток кишечника, к которым прикрепляются патогенные микроорганизмы (вирусы, бактерии, простейшие). Связываясь с патогенами, HMOS блокируют их адгезию к слизистой оболочке, предотвращая колонизацию и инфицирование. Например, 2'-FL эффективно ингибирует связывание Campylobacter jejuni (возбудителя острых кишечных инфекций), а фукозилированные HMOS — ротавирусов и норовирусов.

Иммуномодулирующее действие

HMOS могут напрямую взаимодействовать с иммунными клетками (дендритными клетками, макрофагами, лимфоцитами) через рецепторы, такие как Toll-подобные рецепторы (TLR) и лектины C-типа. Это приводит к модуляции продукции цитокинов, созреванию иммунных клеток и формированию толерантности к комменсальным бактериям. Кроме того, HMOS способствуют снижению воспалительных реакций в кишечнике, что важно для профилактики некротизирующего энтероколита у недоношенных детей.

Влияние на развитие мозга

Сиалилированные HMOS (3'-SL, 6'-SL) являются источником сиаловой кислоты — важного компонента ганглиозидов и сиалогликопротеинов, участвующих в формировании синапсов и миелинизации нервных волокон. Исследования на животных моделях показывают, что добавление сиалилированных олигосахаридов в рацион способствует улучшению когнитивных функций и памяти.

Применение в детском питании

Традиционные смеси для искусственного вскармливания (на основе коровьего молока) содержат лишь следовые количества олигосахаридов, что является одной из причин отличий микрофлоры и иммунного статуса детей на искусственном вскармливании. С начала 2010-х годов в ряде стран (США, страны Евросоюза, Япония) началось промышленное производство отдельных HMOS методами ферментативного синтеза и бактериальной ферментации (с использованием генетически модифицированных штаммов Escherichia coli или Bacillus subtilis). Наиболее часто используемые HMOS в детских смесях:

• 2'-фукозиллактоза (2'-FL) — самый распространённый HMOS в грудном молоке (до 30% от общего количества). Одобрен для использования в детских смесях Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) и Европейским агентством по безопасности пищевых продуктов (EFSA) с 2015 года.
• Лакто-N-неотетраоза (LNnT) — часто используется в комбинации с 2'-FL.
• 3'-сиалиллактоза (3'-SL) и 6'-сиалиллактоза (6'-SL) — добавляются реже, в основном в смеси для недоношенных детей.

Клинические исследования показывают, что добавление HMOS в смеси приближает состав микрофлоры кишечника детей на искусственном вскармливании к таковому у детей на грудном вскармливании, снижает частоту респираторных и кишечных инфекций, а также уменьшает риск развития аллергических заболеваний. Однако полное воспроизведение сложного профиля HMOS грудного молока (более 200 соединений) в настоящее время невозможно, и большинство смесей содержат лишь 1–3 вида синтезированных HMOS.

Исследования и перспективы

Активно изучается роль HMOS в профилактике некротизирующего энтероколита (НЭК) у недоношенных детей — тяжёлого воспалительного заболевания кишечника с высокой летальностью. В доклинических исследованиях на животных моделях HMOS (особенно 2'-FL и 6'-SL) продемонстрировали способность снижать выраженность воспаления и повреждения кишечной стенки. Проводятся клинические испытания по оценке эффективности HMOS в профилактике НЭК у новорождённых с экстремально низкой массой тела (менее 1500 г).

Другие направления исследований включают:

• Влияние на аллергические заболевания — изучается способность HMOS модулировать иммунный ответ и снижать риск развития атопического дерматита и пищевой аллергии.
• Роль в метаболизме — предполагается, что HMOS могут влиять на энергетический обмен и предотвращать развитие ожирения в детском возрасте.
• Использование в качестве фармацевтических субстанций — разрабатываются препараты на основе HMOS для лечения и профилактики инфекций желудочно-кишечного тракта (например, для борьбы с Clostridium difficile).

Интересные факты

• Концентрация HMOS в грудном молоке человека в 10–100 раз выше, чем в молоке коров, коз или других сельскохозяйственных животных. Это связано с эволюционной адаптацией к формированию уникальной кишечной микрофлоры у младенцев.
• Состав HMOS у разных женщин может существенно различаться в зависимости от генетических вариантов генов FUT2 (фукозилтрансфераза 2) и FUT3. Женщины с неактивным геном FUT2 (так называемые «несекреторы») имеют значительно меньше фукозилированных HMOS в молоке, что, по некоторым данным, связано с повышенным риском инфекций у их детей.
• HMOS не только защищают ребёнка от инфекций, но и могут служить источником питания для некоторых комменсальных бактерий, которые, в свою очередь, продуцируют короткоцепочечные жирные кислоты, необходимые для поддержания здоровья кишечника.
• В 2023 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) рекомендовала включать HMOS в состав детских смесей для недоношенных детей, однако окончательные клинические рекомендации находятся в стадии разработки.

Источники

• Bode L. Human milk oligosaccharides: every baby needs a sugar mama. Glycobiology. 2012;22(9):1147-1162.
• Donovan SM, Comstock SS. Human milk oligosaccharides influence neonatal mucosal and systemic immunity. Annals of Nutrition and Metabolism. 2016;69(Suppl 2):42-51.
• German JB, Freeman SL, Lebrilla CB, Mills DA. Human milk oligosaccharides: evolution, structures and bioselectivity as substrates for intestinal bacteria. Nestlé Nutrition Workshop Series: Pediatric Program. 2008;62:205-222.
• Jantscher-Krenn E, Bode L. Human milk oligosaccharides and their potential benefits for the breast-fed neonate. Minerva Pediatrica. 2012;64(1):83-99.
• Thurl S, Munzert M, Henker J, et al. Variation of human milk oligosaccharides in relation to milk groups and lactational periods. British Journal of Nutrition. 2010;104(9):1261-1271.
• Zivkovic AM, German JB, Lebrilla CB, Mills DA. Human milk glycobiome and its impact on the infant gastrointestinal microbiota. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2011;108(Suppl 1):4653-4658.