Latte bovino come fonte di oligosaccaridi funzionali per migliorare la salute umana

//Latte bovino come fonte di oligosaccaridi funzionali per migliorare la salute umana

Latte bovino come fonte di oligosaccaridi funzionali per migliorare la salute umana

Angela M. Zivkovic e Daniela Barile* 
Department of Food Science and Technology, and Foods for Health Institute, University of California, Davis, CA 95616 

“Bovine Milk as a Source of Functional Oligosaccharides for Improving Human Health” pubblicato da “Advances in Nutrition: An International Review Journal”.

Abstract

Gli oligosaccaridi del latte umano sono zuccheri complessi che funzionano come substrati di crescita selettiva per specifici batteri benefici a livello del sistema gastroenterico. Il latte bovino è una potenziale ed eccellente fonte commerciabile di analoghi di queste molecole uniche. Tuttavia, il latte bovino ha una concentrazione molto più bassa di questi oligosaccaridi e la maggior parte di queste molecole possiede strutture semplificate rispetto a quelle presenti nel latte umano. Queste specifiche caratteristiche strutturali degli oligosaccaridi derivati dal latte sono fondamentali affinché le molecole manifestino la capacità di incrementare, in maniera selettiva, la popolazione di batteri benefici e, allo stesso tempo,  di inibire o ridurre la possibilità di essere dei substrati ideali per batteri indesiderati e patogeni. Quindi, se i prodotti ottenuti dal latte bovino dovranno fornire benefici simili a quelli apportati dal latte umano, è importante individuare una specifica gamma di prodotti lattiero-caseari che possano essere ben commercializzabili dal punto di vista economico e che possano garantire composizioni oligosaccaride specifiche, che risulteranno essere benefiche per la salute se utilizzate come nuovi ingredienti negli alimenti o come integratori. Potenzialmente, il siero di latte risulta essere una buona fonte commerciale alternativa di oligosaccaridi complessi che somigliano, sia dal punto di vista strutturale che della grande variabilità, agli oligosaccaridi bioattivi contenuti nel latte umano. Perfezionando ulteriormente le tecniche di processazione di una vasta gamma di prodotti lattiero-caseari e i test funzionali per identificare i passaggi particolarmente utili a determinare un arricchimento dei batteri intestinali benefici, il futuro degli oligosaccaridi isolati dai prodotti lattiero-caseari come categoria alimentare e con comprovati effetti benefici sulla salute, è promettente. 

Introduzione

Il latte umano contiene un’ampia varietà di molecole bioattive, tra cui Ig e nucleotidi. Recentemente, gli oligosaccaridi del latte umano (HMO)3 sono stati riconosciuti come una nuova classe di potenti molecole bioattive. Gli HMO sono costituiti da un nucleo di lattosio unito mediante legami β1-3 o β1-6 a delle unità di galattosamina e ulteriormente circondato da residui di fucosio o di acido sialico in posizione terminale collegati, rispettivamente, mediante legami α1-2, -3 e -4 e α2-3 e – 6 (1-4). Questa variabilità di combinazioni e di legami del monosaccaride ha come risultato una matrice strutturalmente complessa di molecole oligosaccaridiche lineari e ramificate. Attualmente, l’unica fonte di molecole oligosaccaridiche con questa complessità strutturale  è il latte materno, cosa che ne limita la diffusione e l’utilizzo in gruppi di popolazioni diverse dai neonati allattati al seno. Probabilmente, molti dei benefici che gli oligosaccaridi del latte apportano ai neonati riguardo la loro salute, potrebbero essere riscontrati anche negli esseri umani di tutte le età, se le stesse tipologie di molecole e con le stesse funzioni venissero fornite con la dieta. I vantaggi degli HMO sono probabilmente correlati alla variabilità strutturale e funzionale delle componenti multiple che agiscono in sinergia e conferiscono protezione ai neonati. Gli HMO neutri (contenenti monomeri di N-acetil-glucosammina e fucosio) sono considerati i componenti più importanti ed utili sia per lo sviluppo del microbiota intestinale tipico dei neonati allattati al seno (2) sia per gli effetti diretti che hanno sul sistema immunitario (5). Infatti, si è visto che i batteri intestinali preferiscono consumare specifiche strutture molecolari (6-8). Recentemente si è notato che il Bifidobacterium longum ssp. Infantis (B. infantis), un bifidobatterio molto numeroso presente nel tratto gastroenterico di neonati in buona salute allattati al seno, sembra possedere una sequenza genica unica che gli permette di trasportare e metabolizzare specifiche molecole oligosaccaridiche presenti nel latte umano (9) e questo ci fa pensare ad uno specifico rapporto di coevoluzione tra questo particolare batterio e il neonato (10). Oppositamente, gli oligosaccaridi acidi (che presentano monomeri di acido sialico), svolgono un ruolo importante nella prevenzione dell’adesione dei batteri patogeni alla superficie epiteliale (11) e recentemente si è notato che vengono metabolizzati anche da B. infantis (8). Sono state utilizzate varie alternative per emulare la complessità strutturale degli HMO; da molto tempo molecole molto più semplici, come i frutto-oligosaccaridi (FOS) e i galatto-oligosaccaridi (GOS), vengono utilizzate come componenti dei prodotti dietetici. Queste semplici molecole possiedono un effetto prebiotico stimolante la crescita batterica di bifidobatteri e lattobacilli; tuttavia, questo effetto è viene considerato inconsistente, poiché 16 studi mostravano un effetto bifidogeno e 4 studi non mostravano alcun effetto nei neonati [revisionato in (12)]. FOS e GOS imitano anche alcune, ma non tutte, delle altre funzioni degli HMO, compresa la produzione di SCFA, il blocco dei patogeni e la modulazione del sistema immunitario[revisionato in (12)]. 

 1 Sovvenzionato dalla California Dairy Research Foundation (10 GEB-02 NH); dall’University of California Discovery Program (05GEB01NHB); dal
National Institute of Environmental Health Sciences (P42ES004699); dal Dairy Research Institute; e dal CHARGE study (P01 ES11269).
2 Rivelazioni degli Autori: A. M. Zivkovic e D. Barile hanno ricevuto fondi di ricerca dal Dairy Research Institute e dalla California Dairy Research
Foundation.
3 Abbreviazioni utilizzate: B. infantis, Bifidobacterium longum ssp. Infantis; BMO, oligosaccaride del latte bovino; FOS, frutto-oligosaccaride; FT-ICR,
analizzatore a risonanza ionica ciclotronica a trasformata di Fourier; GOS, galatto-oligosaccaride; HMO, oligosaccaride del latte umano; NeuAc, acido
N-acetil neuraminico; NeuGc, acido N-glicolil neuraminico.
*A chi deve essere indirizzata la corrispondenza. E-mail: dbarile@ucdavis.edu.

Inoltre, questi oligosaccaridi più semplici non presentano la complessità strutturale e la diversità degli HMO; quindi, sono necessarie fonti migliori di oligosaccaridi complessi, che siano maggiormente in grado di imitare le strutture e le funzioni degli HMO, al fine di perfezionare la strategia di integrazione esistente. Recenti ricerche hanno dimostrato che il latte bovino contiene oligosaccaridi analoghi agli HMO, suggerendo un ruolo di protezione simile (13-15). Gli oligosaccaridi presenti nel latte bovino (BMO) sono strutturalmente simili a quelli del latte materno, ma la loro concentrazione nel latte è bassa, soprattutto nel latte maturo rispetto al latte precoce (cioè al colostro) (15). Sia il latte umano che quello bovino contengono elevate quantità di oligosaccaridi acidi conosciuti come sialo-oligosaccaridi, specialmente nelle fasi precoci dell’allattamento (15,16). Poiché il latte bovino maturo contiene solo piccole tracce di questi preziosi componenti, finora non è stato considerato una fonte sostitutiva ed efficace di oligosaccaridi per l’integrazione umana. Inoltre, la considerazione dei BMO come sostituti dell’HMO è stata ostacolata dalla mancanza di specifici metodi analitici utili a caratterizzare e quantificare accuratamente questi oligosaccaridi. Recentemente è stata sviluppata una metodica (che prevede la processazione di un numero elevato di campioni in tempi ridotti) per identificare i glucidi del latte umano e bovino che utilizza la MS ad alta precisione (17). Usando queste nuove tecniche, una certa gamma di prodotti lattiero-caseari (compreso il permeato di siero di latte ottenuto dalla produzione di formaggio), è stata identificata come nuova fonte di oligosaccaridi simili agli HMO (18). Questa review descriverà lo stato attuale delle conoscenze riguardanti gli effetti degli HMO sulla salute umana, fornirà una breve panoramica della struttura delle molecole e della disponibilità delle fonti di oligosaccaridi e poi si concentrerà sul latte bovino e sui prodotti lattiero-caseari come fonti di oligosaccaridi funzionali che imitano gli effetti benefici degli HMO. 

Analisi degli oligosaccaridi 

A causa della vasta eterogeneità degli oligosaccaridi, le metodiche per la loro caratterizzazione sono rimaste molto indietro rispetto a quelle messe a punto per gli acidi nucleici e per le proteine. Negli ultimi anni, la MS è diventata uno strumento essenziale per l’analisi degli oligosaccaridi visto la portata di informazioni ottenute con strumentazioni ad alta risoluzione e sensibilità. Recentemente è stato riesaminato l’utilizzo di una risonanza ionica ciclotronica a trasformata di Fourier (FT-ICR) nella rilevazione degli oligosaccaridi (19). Diverse caratteristiche della FT-ICR la rendono ideale per l’analisi degli oligosaccaridi: l’elevata risoluzione e l’accuratezza di massa forniscono facilmente la composizione in termini numerici di fucosio, glucosio o galattosio, N-acetil-glucosammina e acido sialico,  senza la necessità di utilizzare metodi di derivatizzazione approfonditi e costosi. Le due tecniche di ionizzazione più utili per l’analisi degli oligosaccaridi, la ionizzazione a elettrospray e il desorbimento/ionizzazione laser assistito da matrice, possono ora essere eseguite in FT-ICR, consentendo un rilevamento maggiore degli oligosaccaridi neutri e acidi. La disponibilità di tecniche affidabili di spettrometria di massa (MS) tandem, come la dissociazione indotta dalla collisione e la dissociazione infrarossa multifotonica combinata con qualsiasi metodo di ionizzazione in FT-ICR, le rendono un insieme di strumenti fondamentali per l’acquisizione di informazioni dettagliate sulle strutture glucidiche (19). L’analisi sistematica degli oligosaccaridi presenti nel latte bovino e nei prodotti derivati dal latte ora può essere compiuta utilizzando metodiche di recente introduzione, come la separazione con cromatografia liquida-chip e la MS ad elevate prestazioni, che includono analizzatori a tempo di volo e a quadrupolo (3,4 ). Attualmente per gli oligosaccaridi bovini sono disponibili solo pochi standard commerciali; perciò, ad oggi, il maggior numero di oligosaccaridi identificati sia nel latte umano (oltre 70 HMO completamente determinati) (3,4) che nel latte bovino (40 BMO) (14,15,18) è stato ottenuto mediante l’utilizzo di una combinazione di tecniche quali FT- ICR MS, digestione enzimatica e HPLC-chip/tempo di volo MS. 

Stato attuale delle conoscenze

Benefici degli HMO 

Poiché passano indigeriti l’intestino prossimale, gli HMO arrivano intatti nel colon, dove agiscono come prebiotici favorendo la crescita e l’insediamento di microrganismi gastrointestinali commensali o benefici (2,6,9,20). Gli HMO possono essere anche assorbiti, in misura minima, nel tratto gastroenterico (2,21) e in seguito a questo, sono stati evidenziati una serie di effetti immunomodulatori a livello di tessuti mucosi e metabolici: gli oligosaccaridi inibiscono il reclutamento delle cellule del sistema immunitario nel polmone (22), riducono le reazione allergiche a livello della pelle (23), inibiscono il reclutamento e l’adesione delle cellule immunitarie alle cellule endoteliali (24) e stimolano la produzione di citochine da parte delle cellule immunitarie ematiche (5). Gli oligosaccaridi possono essere anche assorbiti direttamente dal lume intestinale da parte delle cellule dendritiche (25), con potenziali effetti conseguenti alle ben note capacità immunomodulatrici di queste stesse cellule (26). Gli HMO interagiscono direttamente con le cellule dell’epitelio intestinale (27) e con le cellule enteroendocrine. Infine, gli HMO possiedono dei ben noti effetti antibatterici e prevengono l’infezione e l’adesione sia da parte di batteri patogeni, come Escherichia coli enterotossigeni(28), che di virus come l’HIV (29). Per questo, gli HMO presentano un ampio spettro di funzioni protettive e immuno-modulatorie mediate sia dal loro ruolo di prebiotici, utili per l’aumento della flora microbica benefica specifica, sia dalla loro interazione diretta con l’epitelio e con il sistema immunitario. 

Oligosaccaridi del latte come prebiotici 

L’importanza dei prebiotici, o degli ingredienti che vengono fermentati selettivamente e che modificano il microbiota intestinale, nel mantenimento della salute dell’intestino e della salute umana in generale, ha guadagnato un crescente interesse (30). I prebiotici aumentano la crescita di bifidobatteri e di lattobacilli a scapito di altri gruppi di batteri potenzialmente nocivi quali clostridi, enterococchi, eubatteri, enterobatteri ed altri. Di conseguenza, una dieta con quantità significative di prebiotici selezionati alimenterebbe selettivamente i batteri saccarolitici (bifidobatteri e lattobacilli), permettendo loro di dominare come popolazione a livello intestinale  e di competere con i batteri potenzialmente dannosi, creando così un ambiente acido meno favorevole allo sviluppo di agenti patogeni (31-34). L’utilizzo di prebiotici con la dieta è un modo pratico ed efficace per manipolare il microbiota intestinale. La colonizzazione microbica dell’intestino umano inizia alla nascita, quando il neonato viene esposto ad un ambiente esterno ricco di batteri differenti. I primi batteri che colonizzano l’intestino del neonato sono importanti nel determinare la composizione microbica degli ultimi tratti dell’intestino stesso (35). Questi batteri colonizzanti influenzano la risposta immunitaria (36), rendendo l’ambiente intestinale più favorevole alla loro sopravvivenza e meno favorevole a quella delle specie microbiche con cui sono in competizione (37). Le prove evidenziano che un microbiota infantile sano è principalmente costituito da bifidobatteri e lattobacilli; questo tipo di composizione è considerata molto importante per lo sviluppo di un sistema immunitario completamente funzionale (38). Le alterazioni del microbiota intestinale dei neonati sono state associate allo sviluppo di allergie e di altre malattie. Ci sono molti documenti che mettono in evidenza una correlazione diretta tra l’esposizione a Staphylococcus aureus e ai clostridi durante l’infanzia e le allergie che si manifestano a partire dall’età di 2 anni (39-41). Il microbiota intestinale dei neonati alimentati esclusivamente con latte materno contiene fino al 90% di bifidobatteri, mentre il microbiota dei neonati alimentati con latte artificiale somiglia più a quello degli adulti (32,33,42). Come si sia sviluppato e mantenuto nel tempo uno specifico microbiota legato all’assunzione di latte umano e dominato dalla presenza di bifidobatteri e lattobacilli è stato oggetto di una vasta ricerca. La fermentazione degli HMO richiede la capacità di degradare, con l’aiuto di enzimi, le loro strutture complesse nella loro componente monosaccaridica, nonché la capacità di trasportare sia gli oligosaccaridi residui che i monosaccaridi intatti (9,43,44). Recenti studi suggeriscono che la frazione neutra degli HMO contenente fucosio potrebbe svolgere un ruolo importante nello sviluppo del tipico microbiota dei neonati alimentati al seno (45). 

Protezione fornita dagli oligosaccaridi del latte nei confronti dello sviluppo di infezioni causate da agenti patogeni 

La mucosa intestinale è la superficie più grande del corpo umano ed è tra i tessuti più fortemente glicosilati (39). Questa mucosa  è coperta da glicani complessi, come glicoproteine, glicolipidi, mucine ed altri (46). La funzione principale di questi glicani è la mediazione della comunicazione tra la mucosa e l’ambiente extracellulare e comprende la comunicazione cellula-cellula, la discriminazione molecolare, le funzioni di barriera e le diverse attività di segnalazione. Per superare questa barriera, il primo step dell’infezione batterica e virale è quello di riconoscere e legarsi a specifici glicani di superficie della cellula della mucosa intestinale, dove gli oligosaccaridi sialilati e fucosilati sono i bersagli primari (12). Poiché molti oligosaccaridi del latte contengono unità strutturali omologhe a queste strutture glucidiche, è stato suggerito che possano agire come analoghi del recettore solubile andando ad inibire l’adesione di agenti patogeni e impedendo così l’infezione (47). Infatti, gli HMO sono sintetizzati dalle stesse glicosil e fucosil tranferasi, enzimi responsabili della formazione dei glicani presenti sui diversi tipi cellulari (48, 49). Gli oligosaccaridi del latte fucosilati e sialilati, inibiscono il legame dei patogeni bloccando il legame dei batteri sugli oligosaccaridi bersaglio presenti sulla superficie della mucosa intestinale (20,33). Gli oligosaccaridi del latte hanno attività inibitoria per quanto riguarda l’adesione sia di batteri Gram-negativi che Gram-positivi (50). 

Fonti vegetali e sintetiche di oligosaccaridi 

In assenza di un analogo commercializzabile delle molecole complesse degli HMO, l’industria che si occupa della formulazione di latte artificiale per l’infanzia utilizza, come oligosaccaridi prebiotici, inulina, FOS, GOS, lattulosio e gli oligosaccaridi acidi provenienti dalla pectina (12). L’ampia disponibilità di queste strutture semplici ha consentito di svolgere numerosi studi in vitro, umani e animali, per mettere in evidenza i loro potenziali effetti prebiotici. Informazioni complete sui FOS e GOS e sui loro aspetti clinici e prebiotici sono disponibili nelle review di Roberfroid (30) e di Boehm e Moro (12). Anche se queste molecole si sono dimostrate efficaci in un certo numero di endpoint funzionali, come nella diminuzione delle percentuali di dermatite atopica nei neonati alimentati con latte artificiale (23), FOS e GOS sono strutturalmente molto diversi da HMO e BMO (Figura 1). Mentre FOS e GOS sono catene lineari, HMO e BMO sono strutture ramificate e contengono elementi strutturali come fucosio, acido sialico e N-acetil glucosamina che risultano essere invece completamente assenti in FOS e GOS. Inoltre, non presentano la complessa struttura intrinseca che è caratteristica degli HMO e degli BMO risultante dal numero elevato di possibili legame β e α-glicosidici presenti in questi oligosaccaridi. 

BMO 

Il latte bovino, e in particolare il colostro, sono una fonte di oligosaccaridi semplici e complessi simili agli HMO (14-16) (Fig. 1). Nel colostro di bovine frisone sono state identificate ventiquattro diverse strutture acide contenenti N-acetilesosamina, acido N-acetilneuraminico (NeuAc), acido N-glicilneuraminico (NeuGc) o acido sialico, nonché 16 strutture oligosaccaridiche neutre (16). Poiché il latte bovino fluido contiene solo poche tracce di questi componenti preziosi, l’utilizzo di una differente gamma di prodotti derivati dai latticini (in particolare di permeato di siero di latte) per l’estrazione su larga scala, è stato oggetto di recenti indagini. La propensione verso l’utilizzo di frazioni specifiche del siero deriva dalla sua ampia disponibilità e dal basso costo che esso ha rispetto ad altri sottoprodotti della lavorazione del latte. Il permeato di siero di latte è un sottoprodotto ottenuto dopo che il siero, residuato dalla lavorazione del formaggio, viene fatto passare attraverso una membrana da ultrafiltrazione per concentrare le proteine contenute al suo interno. Le proteine presenti nel siero di latte sono trattenute dalla membrana, mentre le molecole più piccole come il lattosio e i sali passano attraverso la membrana andando a costituire il permeato di siero di latte. Recentemente è stata definita la composizione di un certo numero di oligosaccaridi neutri e acidi presenti nel permeato di siero di latte e tra questi molti avevano una composizione identica a quella degli HMO (18). Delle 15 strutture oligosaccaridiche acide identificate nel permeato di siero di latte, 3 sono state ritrovate anche nell’HMO e delle 8 strutture oligosaccaridiche neutre identificate, 4 sono state ritrovate anche nell’ HMO (18). Un’ulteriore differenza tra gli oligosaccaridi ottenuti dal permeato del siero di latte e quelli del latte bovino è che mentre in quest’ultimo sono stati riscontrati 7 diversi oligosaccaridi contenenti NeuGc, nel permeato del siero si è evidenziata soltanto una simile struttura (18). Una possibile causa della diversità che riguarda la distribuzione dei componenti acidi è da identificare nella specifica fase di lattazione durante la quale è stato prelevato il latte utilizzato nell’analisi. La letteratura più recente ha sottolineato che gli oligosaccaridi acidi diminuiscono notevolmente ed immediatamente dopo la prima mungitura e continuano a diminuire nelle seguenti (16,51,52). Tao et al. (15) hanno evidenziato che il latte maturo (120 giorni di lattazione) conteneva solo tracce di NeuGc (0,2% di oligosaccaridi totali), mentre il contenuto di oligosaccaridi neutri totale è aumentato rispetto a quello del colostro. L’acido sialico NeuGc si ritrova in tutti i mammiferi tranne che negli esseri umani. La mancanza di questo zucchero è dovuta ad una mutazione dell’enzima citidina monofosfato-NeuAc idrossilasi che si è verificata nella linea degli ominidi successivamente alla sua divergenza dal ceppo delle grandi scimmie avvenuta circa 3 milioni di anni fa (53). Ci sono prove che la mancata produzione di NeuGc possa essere coinvolta nello sviluppo di una resistenza alle infezioni causate da alcuni agenti patogeni microbici, che i recettori del sistema immunitario (in grado di riconoscere i residui dell’acido sialico) possano essere modulati in maniera differente da NeuGc piuttosto che da NeuAc e che alcuni alimenti contenenti NeuGc possano portare ad un suo accumulo e ad un suo riconoscimento da parte del sistema immunitario durante certe condizioni infiammatorie (53). Anche se non esistono associazioni chiare tra il consumo di NeuGc e il rischio o l’incidenza di malattia, in alcune popolazioni sensibili può essere utile ridurre l’assunzione di oligosaccaridi contenenti NeuGC. Il siero, essendo un sottoprodotto della lavorazione del formaggio (durante la quale si utilizza latte maturo), contiene naturalmente bassi valori di NeuGc. Le prove preliminari indicano che il permeato di siero, che viene ulteriormente trasformato mediante filtrazione con membrana, può avere una concentrazione totale di oligosaccaridi liberi maggiore di 10 volte rispetto a quella del latte bovino. Questa concentrazione è notevolmente elevata rispetto a quella riportata nella letteratura corrente, nella quale si afferma che il latte bovino contiene solo oligosaccaridi in tracce. La concentrazione di BMO nei vari tipi di siero può essere aumentata di 4 volte, rispetto a quella del permeato del siero di latte, se si va ad eliminare il lattosio residuo. Queste scoperte ci consentono di offrire sostanze alternative promettenti per la produzione industriale di oligosaccaridi che siano funzionalmente simili a quelli trovati nel latte umano. 

Potenziali implicazioni sanitarie delle nuove fonti di BMO che mimano gli effetti benefici degli HMO 

Un’ulteriore grande sfida, che si aggiunge a quella di isolare gli oligosaccaridi dal latte bovino e da una specifica gamma di  prodotti lattiero caseari, è quella che prevede di incrementare il loro contenuto riducendo contemporaneamente il lattosio e gli altri zuccheri semplici che non possiedono attività prebiotiche specifiche e desiderate. Anche il contenuto residuo di sali minerali può rappresentare un ostacolo all’utilizzo di questi ingredienti nel settore delle produzioni di latte per l’infanzia e in altre applicazioni sanitarie. Ad oggi, in seguito al miglioramento delle metodiche di sintesi, sono disponibili in commercio gli oligosaccaridi del latte più piccoli (54), ma non sono ancora disponibili prodotti commercializzabili che riproducano la grande varietà di oligosaccaridi contenuti al suo interno. Una argomentazione che sostiene la necessità di avere strutture oligosaccaridiche più complesse e ben definite rispetto a quelle già disponibili in commercio (cioè FOS e GOS) riguarda il fatto che la correlazione struttura-funzione, coinvolta nel mediare gli effetti benefici cruciali sulla salute, sia altamente specifica della struttura stessa. Ad esempio, in uno studio recente che ha messo a confronto le proprietà relative al passaggio trans-epiteliale a livello gastrointestinale e quelle immunomodulanti degli oligosaccaridi acidi dal latte umano, del latte di vacca e della pectina, sebbene tutte le strutture siano state trasportate attraverso le cellule epiteliali, soltanto le molecole derivate dal latte umano hanno indotto (in monociti derivanti dal sangue del cordone) la produzione di citochine sopprimenti l’atopia (55). In un modello murino di infezione, le specifiche molecole latto-N-fucopentaosio III e latto-N-neotetraosio abbondanti negli HMO, hanno indotto la produzione di IL-10, una citochina anti-infiammatoria (56). La molecola latto-N-neotetraosio è stata rilevata in concentrazioni significative (10% degli oligosaccaridi totali) anche nel latte bovino maturo (15). Gli studi sulla crescita batterica, nei quali sono state eseguite analisi dettagliate, mediante MS, riguardo il consumo di oligosaccaridi con una determinata struttura hanno evidenziato differenze ceppo-specifiche per quanto riguarda la crescita e il consumo anche tra specie molto correlate tra loro. Ad esempio, B. infantis ha raggiunto una densità cellulare 4 volte superiore quando veniva coltivato esclusivamente in HMO purificati rispetto ai suoi parenti stretti B. breve e B. longum bv. longum (6). Inoltre, mentre B. infantis consumava il 64% del totale degli HMO, tra cui 5 dei più numerosi HMO a catena più corta e 3 di quelli a catena più lunga, B. breve e B. longum bv. longum consumavano, rispettivamente, il 35% e il 24% e soltanto un oligosaccaride, il latto-N-tetraosio (6). Pertanto, il potenziale dei  BMO come nuova fonte di componenti funzionali che promuovano la salute e che possano agire come prebiotici selettivi è allettante, proprio perché può fornire una miscela di oligosaccaridi in grado di imitare la complessità strutturale degli HMO. 

Conclusioni

C’è la necessità, non ancora soddisfatta, di trovare fonti alternative da cui ottenere una miscela ampiamente diversificata di oligosaccaridi simili a quelli contenuti nel latte umano. Lo sviluppo di metodiche (attuabili da un punto di vista commerciale) per produrre oligosaccaridi che imitino le strutture e le funzioni biologiche degli HMO, può avere un’importanza sia dal punto di vista sanitario, che dal punto di vista economico, poiché può far aumentare il valore di certi prodotti lattiero-caseari attualmente inutilizzati. Sarà necessario sviluppare ulteriori metodiche di elaborazione, arricchimento e purificazione per ottimizzare il contenuto di oligosaccaridi nel latte bovino e nelle specifiche gamme di prodotti lattiero caseari derivati da questo latte, per far si che le molecole analoghe a quelle individuate nel latte umano possano essere sfruttate al meglio, mentre quelle che non vi si riscontrano vengano declassate o escluse e le altre sostanze, come il lattosio, i minerali e i sali vengano ridotte o eliminate. Le prove raccolte fino ad oggi in questa review mettono in evidenza le opportunità e le sfide relative al fatto che i BMO possano diventare una nuova fonte di oligosaccaridi HMO-mimetici, con la stessa diversità strutturale e specificità che sono alla base dei numerosi effetti benefici apportati dagli oligosaccaridi del latte umano. 

Riconoscimenti

D.B e A.M.Z. hanno scritto l’articolo. Entrambi gli autori hanno la responsabilità primaria del contenuto finale. 

LETTERATURA CITATA 

  1. German JB, Freeman SL, Lebrilla CB, Mills DA. Human milk oligosaccharides: evolution, structures and bioselectivity as substrates for intestinal bacteria. Nestle Nutr Workshop SerPediatr Program. 2008;62: 205–18, discussion 218–22.
  2. Kunz C, Rudloff S, Baier W, Klein N, Strobel S. Oligosaccharides in human milk: structural, functional, and metabolic aspects. Annu Rev Nutr. 2000;20:699–722.
  3. Wu S, Grimm R, German JB, Lebrilla CB. Annotation and structural analysis of sialylated human milk oligosaccharides. J Proteome Res. 2011;10:856–68.
  4. Wu S, Tao N, German JB, Grimm R, Lebrilla CB. Development of an annotated library of neutral human milk oligosaccharides. J Proteome Res. 2010;9:4138–51.
  5. Eiwegger T, Stahl B, Schmitt J, Boehm G, Gerstmayr M, Pichler J, Dehlink E, Loibichler C, Urbanek R, et al. Human milk-derived oligosaccharides and plant-derived oligosaccharides stimulate cytokine production of cord blood T-cells in vitro. Pediatr Res. 2004;56:536–40.
  6. LoCascio RG, Ninonuevo MR, Freeman SL, Sela DA, Grimm R, Lebrilla CB, Mills DA, German JB. Glycoprofiling of bifidobacterialconsumption of human milk oligosaccharides demonstrates strain specific, preferential consumption of small chain glycans secreted in early human lactation. J Agric Food Chem. 2007;55:89149.
  7. Marcobal A, Barboza M, Froehlich JW, Block DE, German JB, LebrillaCB, Mills DA. Consumption of human milk oligosaccharides by gutrelatedmicrobes. J Agric Food Chem. 2010;58:5334–40.
  8. Sela DA, Li Y, Lerno L, Wu S, Marcobal AM, German JB, Chen X, Lebrilla CB, Mills DA. An infant-associated bacterial commensal utilizes breast milk sialyloligosaccharides. J Biol Chem. Epub 2011 Feb 2.
  9. Sela DA, Chapman J, Adeuya A, Kim JH, Chen F, Whitehead TR, Lapidus A, Rokhsar DS, Lebrilla CB, et al. The genome sequence of Bifidobacteriumlongum subsp. infantis reveals adaptations for milk utilization within the infant microbiome. Proc Natl AcadSci USA. 2008; 105:18964–9.
  10. Zivkovic AM, German JB, Lebrilla CB, Mills DA. Microbes and Health Sackler Colloquium: human milk glycobiome and its impact on the infant gastrointestinal microbiota. ProcNatlAcad Sci USA. Epub 2010 Aug 4.
  11. Guggenbichler JP, De Bettignies-Dutz A, Meissner P, Schellmoser S, Jurenitsch J. Acidic oligosaccharides from natural sources block adherence of Escherichia coli on uroepithelial cells. Pharm Pharmacol Lett. 1997;7:35–8.
  12. Boehm G, Moro G. Structural and functional aspects of prebiotics used in infant nutrition. J Nutr. 2008;138:S1818–28.
  13. Gopal PK, Gill HS. Oligosaccharides and glycoconjugates in bovine milk and colostrum. Br J Nutr. 2000;84 Suppl 1:S69–74.
  14. Tao N, DePeters EJ, Freeman S, German JB, Grimm R, Lebrilla CB. Bovine milk glycome. J Dairy Sci. 2008;91:3768–78.
  15. Tao N, DePeters EJ, German JB, Grimm R, Lebrilla CB. Variations in bovine milk oligosaccharides during early and middle lactation stages analyzed by high-performance liquid chromatography-chip/mass spectrometry. J Dairy Sci. 2009;92:2991–3001.
  16. Barile D, Marotta M, Chu C, Mehra R, Grimm R, Lebrilla CB, German JB. Neutral and acidic oligosaccharides in Holstein-Friesian colostrum during the first 3 days of lactation measured by high performance liquid chromatography on a microfluidic chip and time-of-flight mass spectrometry. J Dairy Sci. 2010;93:3940–9.
  17. Ninonuevo MR, Lebrilla CB. Mass spectrometric methods for analysis of oligosaccharides in human milk. Nutr Rev. 2009;67 Suppl 2:S216–26.
  18. Barile D, Tao N, Lebrilla CB, Coisson JD,Arlorio M, German JB. Permeate from cheese whey ultrafiltration is a source of milk oligosaccharides. Int Dairy J. 2009;19:524–30.
  19. Park Y, Lebrilla CB. Application of Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry to oligosaccharides. Mass Spectrom Rev. 2005;24:232–64.
  20. Newburg DS. Neonatal protection by an innate immune system of human milk consisting of oligosaccharides and glycans. J Anim Sci. 2009; 87:26–34.
  21. Gnoth MJ, Rudloff S, Kunz C, Kinne RK. Investigations of the in vitro transport of human milk oligosaccharides by a Caco-2 monolayer using a novel high performance liquid chromatography-mass spectrometry technique. J Biol Chem. 2001;276:34363–70.
  22. Sonoyama K, Watanabe H, Watanabe J, Yamaguchi N, Yamashita A, Hashimoto H, Kishino E, Fujita K, Okada M, et al. Allergic airway eosinophilia is suppressed in ovalbumin-sensitized Brown Norway rats fed raffinose and alpha-linked galactooligosaccharide. J Nutr. 2005; 135:538–43.
  23. Gruber C, van Stuijvenberg M, Mosca F, Moro G, Chirico G, Braegger CP, Riedler J, Boehm G, Wahn U. Reduced occurrence of early atopic dermatitis because of immunoactive prebiotics among low-atopy-risk infants. J Allergy Clin Immunol. 2010;126:791–7.
  24. Bode L, Kunz C, Muhly-Reinholz M, Mayer K, Seeger W, Rudloff S. Inhibition of monocyte, lymphocyte, and neutrophil adhesion to endothelial cells by human milk oligosaccharides. Thromb Haemost. 2004; 92:1402–10.
  25. Niess JH, Brand S, Gu X, Landsman L, Jung S, McCormick BA, Vyas JM, Boes M, Ploegh HL, et al. CX3CR1-mediated dendritic cell accessto the intestinal lumen and bacterial clearance. Science. 2005;307:254–8.
  26. Rescigno M, Di Sabatino A. Dendritic cells in intestinal homeostasis and disease. J Clin Invest. 2009;119:2441–50.
  27. Braunstein J, Qiao L, Autschbach F, Schurmann G, Meuer S. T cells of the human intestinal lamina propria are high producers of interleukin- 10. Gut. 1997;41:215–20.
  28. Martin-Sosa S, Martin MJ, Hueso P. The sialylated fraction of milk oligosaccharides is partially responsible for binding to enterotoxigenic and uropathogenic Escherichia coli human strains. J Nutr. 2002;132: 3067–72.
  29. Hong P, Ninonuevo MR, Lee B, Lebrilla C, Bode L. Human milk oligosaccharides reduce HIV-1-gp120 binding to dendritic cell-specific ICAM3-grabbing non-integrin (DC-SIGN). Br J Nutr. 2009;101:482–6.
  30. Roberfroid M. Prebiotics: the concept revisited. J Nutr. 2007;137: S830–7.
  31. Bezkorovainy A. Probiotics: determinants of survival and growth in the gut. Am J ClinNutr. 2001;73:S399–405.
  32. Rivero-Urgell M, Santamaria-Orleans A. Oligosaccharides: application in infant food. Early Hum Dev. 2001;65 Suppl:S43–52.
  33. Newburg DS, Ruiz-Palacios GM, Morrow AL. Human milk glycans protect infants against enteric pathogens. Annu Rev Nutr. 2005;25:37–58.
  34. Morrow AL, Ruiz-Palacios GM, Jiang X, Newburg DS. Human-milk glycans that inhibit pathogen binding protect breast-feeding infants against infectious diarrhea. J Nutr. 2005;135:1304–7.
  35. Gronlund MM, Lehtonen OP, Eerola E, Kero P. Fecal microflora in healthy infants born by different methods of delivery: permanent changes in intestinal flora after cesarean delivery. J PediatrGastroenterolNutr. 1999;28:19–25.
  36. Martino DJ, Currie H, Taylor A, Conway P, Prescott SL. Relationship between early intestinal colonization, mucosal immunoglobulin A production and systemic immune development. Clin Exp Allergy. 2008;38: 69–78.
  37. Biasucci G, Benenati B, Morelli L, Bessi E, Boehm G. Cesarean delivery may affect the early biodiversity of intestinal bacteria. J Nutr. 2008;138:S1796–800.
  38. Seifert S, Watzl B. Inulin and oligofructose: review of experimental data on immune modulation. J Nutr. 2007;137:S2563–7.
  39. Nagler-Anderson C. Man the barrier! Strategic defences in the intestinal mucosa. Nat Rev Immunol. 2001;1:59–67.
  40. Bjorksten B, Naaber P, Sepp E, Mikelsaar M. The intestinal microflora in allergic Estonian and Swedish 2-year-old children. ClinExp Allergy. 1999;29:342–6.
  41. Kalliomaki M, Kirjavainen P, Eerola E, Kero P, Salminen S, Isolauri E. Distinct patterns of neonatal gut microflora in infants in whom atopy was and was not developing. J Allergy ClinImmunol. 2001;107:129–34.
  42. Favier CF, Vaughan EE, De Vos WM, Akkermans AD. Molecular monitoring of succession of bacterial communities in human neonates. ApplEnvironMicrobiol. 2002;68:219–26.
  43. LoCascio RG, Desai P, Sela DA, Weimer B, Mills DA. Broad conservation of milk utilization genes in Bifidobacteriumlongum subsp. infantisas revealed by comparative genomic hybridization. ApplEnvironMicrobiol. 2010;76:7373–81.
  44. Sela DA, Mills DA. Nursing our microbiota: molecular linkages between bifidobacteria and milk oligosaccharides. Trends Microbiol. 2010;18:298–307.
  45. Arslanoglu S, Moro GE, Boehm G. Early supplementation of prebiotic oligosaccharides protects formula-fed infants against infections during the first 6 months of life. J Nutr. 2007;137:2420–4.
  46. Newburg DS, Walker WA. Protection of the neonate by the innate immune system of developing gut and of human milk. Pediatr Res. 2007; 61:2–8.
  47. Urashima T, Odaka G, Asakuma S, Uemura Y, Goto K, Senda A, Saito T, Fukuda K, Messer M, et al. Chemical characterization of oligosaccharides in chimpanzee, bonobo, gorilla, orangutan, and siamang milk or colostrum. Glycobiology. 2009;19:499–508.
  48. Newburg DS. Are all human milks created equal? Variation in human milk oligosaccharides. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 2000;30:131–3.
  49. Erney RM, Malone WT, SkeldingMB, Marcon AA, Kleman-Leyer KM, O’Ryan ML, Ruiz-Palacios G, Hilty MD, Pickering LK, et al. Variability of human milk neutral oligosaccharides in a diverse population. J PediatrGastroenterolNutr. 2000;30:181–92.
  50. Hakkarainen J, Toivanen M, Leinonen A, Frangsmyr L, Stromberg N, Lapinjoki S, Nassif X, Tikkanen-Kaukanen C. Human and bovinemilk oligosaccharides inhibit Neisseria meningitidis pili attachment in vitro. J Nutr. 2005;135:2445–8.
  51. McJarrow P, van Amelsfort-Schoonbeek J. Bovine sialyl oligosaccharides: seasonal variations in their concentrations in milk, and a comparison of the colostrums of Jersey and Friesian cows. Int Dairy J. 2004;14:571–9.
  52. Nakamura T, Kawase H, Kimura K, Watanabe Y, Ohtani M, Arai I, Urashima T. Concentrations of sialyloligosaccharides in bovine colostrum and milk during the prepartum and early lactation. J Dairy Sci. 2003;86:1315–20.
  53. Varki A. Loss of N-glycolylneuraminic acid in humans: mechanisms, consequences, and implications for hominid evolution. Am J PhysAnthropol. 2001; Suppl 33:54–69.
  54. Roussel F, Takhi M, Schmidt RR. Solid-phase synthesis of a branched hexasaccharide using a highly efficient synthetic strategy. J Org Chem. 2001;66:8540–8.
  55. Eiwegger T, Stahl B, Haidl P, Schmitt J, Boehm G, Dehlink E, UrbanekR, Szepfalusi Z. Prebiotic oligosaccharides: in vitro evidence for gastrointestinal epithelial transfer and immunomodulatory properties. PediatrAllergyImmunol. 2010;21:1179–88.
  56. Velupillai P, Harn DA. Oligosaccharide-specific induction of interleukin 10 production by B220+ cells from schistosome-infected mice: a mechanism for regulation of CD4+ T-cell subsets. Proc Natl AcadSci USA. 1994;91:18–22.

 

 
 

 

 

Print Friendly, PDF & Email

About the Author:

Ruminantia - Lo spazio in rete dell'Allevatore. I migliori professionisti del settore a supporto dell'allevatore italiano, con informazioni aggiornate e articoli scientifici.

Scrivi un commento