HRB背後的科學原理

HRB的主要特點

母乳：嬰兒營養的最佳來源

母乳的組成

母乳是嬰兒最理想的營養來源，對嬰兒的健康發展起著至關重要的作用。它的秘訣在於其精妙獨特的成分。

母乳含有嬰兒生長發育所需的重要營養素和獨特的生物活性分子，其中包括碳水化合物（主要是乳糖）、脂肪、蛋白質、母乳寡糖（HMO）、維生素和礦物質、免疫因子、生長激素、母乳微生物群以及溶菌酶等抗菌成分。

母乳中含有雙歧桿菌增殖因子

母乳在嬰兒腸道菌叢的建構中發揮重要作用，而嬰兒腸道菌叢通常以雙歧桿菌為主。這種富含雙歧桿菌的腸道菌叢被認為能為嬰兒帶來許多健康益處。已有研究報告，配方奶餵養嬰兒的腸道菌群與母乳餵養嬰兒的腸道菌群存在差異，配方奶餵養嬰兒的腸道菌群中雙歧桿菌含量較低[1]。母乳中含有多種生物活性因子，這些因子可能作為選擇性因子，促進嬰兒腸道中雙歧桿菌的富集。人類乳寡糖（HMO）和溶菌酶被認為是母乳中兩種促進雙歧桿菌生長的因子。

Reference:

  1. 1Tannock G. W., Lawley B., Munro K., Pathmanathan S. G., Zhou S. J., Makrides M., et al. . (2013). Comparison of the compositions of the stool microbiotas of infants fed goat milk formula, cow milk-based formula, or breast milk. Appl. Environ. Microbiol. 79, 3040-3048.

HRB與母乳高度親和

Minami et al., Beneficial Microbes. (2016)

在一項體外研究中，評估了 37 株雙歧桿菌在人類乳汁中生長的能力。
結果清楚地表明，從嬰兒中分離出的所有HRB菌株，包括短雙歧桿菌（B. breve）和長雙歧桿菌嬰兒亞種（B. longum subsp. infantis），均能在人乳中良好生長，而成人型HRB（長雙歧桿菌長亞種，B. longum subsp. longum）則表現出菌株特異性。同時，大多數非HRB菌株在人類乳中培養過夜後無法生長甚至死亡[1]。

與我們的觀察結果一致，Tannock等人（2013）比較了母乳哺育和配方奶餵養嬰兒糞便中的微生物群組成，發現母乳餵養嬰兒糞便中雙歧桿菌屬HRB菌種（如長雙歧桿菌和短雙歧桿菌）的含量更高[2]。此外，一項交叉臨床研究報告稱，早產兒補充嬰兒長雙歧桿菌（B. longum subsp. infantis）兩週後，其腸道菌群中雙歧桿菌的豐度高於補充動物雙歧桿菌乳亞種（B. animalis subsp. lactis）兩週後[3]。

Reference:

  1. 1Minami, J., Odamaki, T., Hashikura, N., Abe, F. and Xiao, J., 2016. Lysozyme in breast milk is a selection factor for bifidobacterial colonisation in the infant intestine. Beneficial Microbes 7: 53-60.
  2. 2Tannock G. W., Lawley B., Munro K., Pathmanathan S. G., Zhou S. J., Makrides M., et al. . (2013). Comparison of the compositions of the stool microbiotas of infants fed goat milk formula, cow milk-based formula, or breast milk. Appl. Environ. Microbiol. 79, 3040-3048.
  3. 3Underwood, M.A., Kalanetra, K.M., Bokulich, N.A., Lewis, Z.T., Mirmiran, M., Tancredi, D.J. and Mills, D.A., 2013. A comparison of two probiotic strains of bifidobacteria in premature infants. Journal of Pediatrics 163: 1585-1591.

HMO的代謝

什麼是HMO？

Prepared from Kunz et al., 2000, Annu Rev Nutr

母乳寡糖（HMO）是母乳中含量豐富且特有的非結合型複雜碳水化合物。已知它們是母乳中含量第三高的成分，僅次於乳糖和脂肪酸，具有雙歧桿菌增殖作用，可選擇性地促進嬰兒型HRB的生長，有助於腸道菌叢的定植。

人類乳寡糖（HMO）包含超過200種不同的分子結構。三種嬰兒型人乳寡醣雙歧桿菌（HRB）表現出強烈的HMO代謝能力。例如，雙歧桿菌（B. bifidum）在細胞外將HMO分解為單醣和二糖，這些單醣和二糖可以被自身吸收，並透過交叉餵食與其他雙歧桿菌共享。相較之下，嬰兒雙歧桿菌（B. longum subsp. infantis）幾乎完整地攝取HMO，並在細胞內將其降解[1]。

嬰兒型HRB專門利用 HMO

Prepared from Odamaki et al., 2015. Int J Genom.

一些研究表明，嬰兒雙歧桿菌（B. longum subsp. infantis）可以利用人乳低聚醣（HMO）作為唯一的HRB並旺盛生長[2,3]。 HRB和非HRB基因組的比較也證明了HRB同化LNT的功能能力[3]，特別是嬰兒型HRB，如嬰兒雙歧桿菌（B. longum subsp. infantis），它被認為是利用HMO的典型細菌[4]。

這些研究表明，嬰兒型人類HRB經歷了特定的遺傳適應，並與嬰兒宿主進行了嚴格的協同進化。這些研究也揭示了嬰兒型HRB在利用人類乳寡醣（HMO）的特殊性。

Reference:

  1. 1Ojima MN, et al. Priority effects shape the structure of infant-type Bifidobacterium communities on human milk oligosaccharides. ISME J. 2022;16(9):2265-2279.
  2. 2Asakuma, S., Hatakeyama, E., Urashima, T., Yoshida, E., Katayama, T., Yamamoto, K., Kumagai, H., Ashida, H., Hirose, J. and Kitaoka, M., 2011. Physiology of consumption of human milk oligosaccharides by infant gut-associated bifidobacteria. Journal of Biological Chemistry 286: 34583-34592.
  3. 3Odamaki, T., Horigome, A., Sugahara, H., Hashikura, N., Minami, J., Xiao, J.-Z. and Abe, F., 2015. Comparative genomics revealed genetic diversity and species/strain-level differences in carbohydrate metabolism of three probiotic bifidobacterial species. International Journal of Genomics 2015: 5678092015.
  4. 4Sela, D., Chapman, J., Adeuya, A., Kim, J., Chen, F., Whitehead, T., Lapidus, A., Rokhsar, D., Lebrilla, C.B. and German, J.B., 2008. The genome sequence of Bifidobacterium longum subsp. infantis reveals adaptations for milk utilization within the infant microbiome. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 105: 18964-18969.

對溶菌酶的耐受性

母乳中的溶菌酶作為篩選因子

Prepared from Minami et al., 2016. Beneficial Microbes

不僅是 HMO，溶菌酶也可能是雙歧桿菌在嬰兒腸道中選擇性定植的另一個重要關鍵因素。

據報道，母乳中溶菌酶的含量通常比牛乳高約 1000 至 3000 倍，而溶菌酶通常被視為是天然「抗生素」，是嬰兒健康的重要因素之一。

最近的研究表明，溶菌酶的存在有助於雙歧桿菌與人類乳的選擇性相容性[1,2]，並可能影響嬰兒腸道中占主導地位的菌種。

HRB對溶菌酶具有高度耐受性

Prepared from Minami et al., 2016. Beneficial Microbes

森永乳業進行的一項體外研究[1]表明，大多數嬰兒型HRB菌株具有中等耐受性；另一方面，非HRB菌株對人乳和蛋清溶菌酶都很敏感。

此外，溶菌酶天然存在於幾乎所有組織、體液和分泌物中，例如淚液、鼻涕或唾液，尤其是在人乳中。從這個意義上講，對溶菌酶的敏感性可能威脅到雙歧桿菌在人體腸道中的存活，這表明具有溶菌酶耐受性的HRB更適合在人體腸道中定植。

Reference:

  1. 1Minami, J., Odamaki, T., Hashikura, N., Abe, F. and Xiao, J., 2016. Lysozyme in breast milk is a selection factor for bifidobacterial colonisation in the infant intestine. Beneficial Microbes 7: 53-60.
  2. 2Rockova, S., Rada, V., Nevoral, J., Marsik, P., Vlkova, E. and Bunesova, V., 2012. Inter-species differences in the growth of bifidobacteria cultured on human milk oligosaccharides. Folia Microbiologica 57: 321-324.

ILA產生和轉換

ILA：HRB產生的新物質

什麼是ILA？ ILA是吲哚-3-乳酸，一種芳香族乳酸，也是一種腸道代謝產物，據報道對嬰兒具有抗菌、免疫調節和抗發炎作用。根據我們最近的研究，HRB（尤其是嬰兒型）可以產生高水平的ILA，這表明HRB在嬰兒發育中起著關鍵作用[1]。

將每株雙歧桿菌在 MRS-C 培養基中於 37°C 的厭氧條件下培養 24 小時。
Sakurai T et al., Microorganisms. (2019)

HRB將吲哚轉化為對身體有益的ILA。

Yong CC et al., Gut Microbes. (2024)

腸道細菌產生的吲哚在肝臟中代謝並轉化為典型的尿毒症毒素—硫酸吲哚酚。已知吲哚和硫酸吲哚酚均參與促進腎衰竭HRB進展。我們的研究表明，HRB能將大腸桿菌產生的吲哚轉化為色氨酸 (Trp)，進而轉化為吲哚-3-乳酸 (ILA)。 HRB 含有一個基因，將尿毒症毒素的前驅物－吲哚轉化為有益的 ILA [2]。

Reference:

  1. 1Sakurai, T.; Odamaki, T.; Xiao, J.-z. Production of Indole-3-Lactic Acid by Bifidobacterium Strains Isolated fromHuman Infants. Microorganisms 2019, 7, 340.
  2. 2Yong, Cheng Chung et al. “Human gut-associated Bifidobacterium species salvage exogenous indole, a uremic toxin precursor, to synthesize indole-3-lactic acid via tryptophan.” Gut microbes vol. 16,1 (2024)

葉酸生成

HRB在體外具有很強的葉酸合成能力。

Prepared from Sugahara et al., 2015. Bioscience of Microbiota, Food and Health

高HRB和非高HRB在產生葉酸的能力上有差異。一項體外研究[1]評估了44株雙歧桿菌產生葉酸的能力。結果清楚地表明，HRB菌株能夠在體外產生高水平的葉酸，而大多數非HRB菌株則不能。

定殖HRB大鼠體內葉酸含量較高

Prepared from Sugahara et al., 2015. Bioscience of Microbiota, Food and Health

動物研究證實了HRB菌株在腸道內直接合成葉酸的能力[1]。在第0天，給無菌小鼠分別餵食單一HRB菌株（長雙歧桿菌長亞種）或非HRB菌株（動物雙歧​桿菌乳亞種）。分別在第7、14、21和28天進行糞便和血清分析。

與定植非HRB（乳雙歧桿菌）的小鼠相比，定植HRB（長雙歧桿菌）的小鼠糞便葉酸濃度和血紅素含量明顯較高。

這些研究表明HRB在葉酸生成方面具有優越性，這表明產生葉酸的HRB菌株可能更有利於預防貧血，並為宿主帶來健康益處。

Reference:

  1. 1Sugahara, H., Odamaki, T., Hashikura, N. and Xiao, J.-Z., 2015. Differences in folate production by bifidobacteria of different origins. Bioscience of Microbiota, Food and Health 34: 87-93.
什麼是葉酸？

葉酸，又稱維生素B9，在人體代謝中扮演重要角色。葉酸缺乏會增加神經管畸形、巨幼細胞性貧血、癌症、阿茲海默症和心血管疾病的風險。

微生物接力

「微生物接力」描述了腸道微生物如何分擔工作。
並像傳遞接力棒一樣傳遞纖維代謝產物。第二位「接力棒」扮演著至關重要的角色，它將「接力棒」（代謝產物）傳遞給第三位「接力棒」（丙酸產生菌）。因此，除了攝取膳食纖維作為微生物底物外，關注第二步也至關重要。

HRB在第二步驟發揮作用，一些人類選擇的HRB（例如，長雙歧桿菌亞種）也具有吸收膳食纖維衍生成分的能力[1]。

該框架幫助消費者了解原本不可見的微生物功能，並加強了產品開發中「將膳食纖維與HRB結合」或「將HRB與丁酸產生菌共同給藥」等概念的合理性。

Reference:

  1. 1Wong CB, Odamaki T, Xiao JZ. Insights into the reason of Human-Residential Bifidobacteria (HRB) being the natural inhabitants of the human gut and their potential health-promoting benefits. FEMS Microbiol Rev. 2020;44(3):369-385.