Human milk, which nourishes the early infants, is a source of bioactive components for the infant growth, development and commensal formulation as well. Human milk oligosaccharide is a group of complex and diverse glycans that is apparently not absorbed in human gastrointestinal tract. Although most mammalian milk contains oligosaccharides, oligosaccharides in human milk exhibit unique features in terms of their types, amounts, sizes, and functionalities. In addition to the prevention of infectious bacteria and the development of early immune system, human milk oligosaccharides are able to facilitate the healthy intestinal microbiota. Bifidobacterial intestinal microbiota appears to be established by the unilateral interaction between milk oligosaccharides, human intestinal activity and commensals. Digestibility, membrane transportation and catabolic activity by bacteria and intestinal epithelial cells, all of which are linked to the structural of human milk oligosaccharides, are crucial in determining intestinal microbiota.
Human breast milk is a potential source of bacteria for the development of the intestinal microbiota of infants. Several species within the genera Lactobacillus and Bifidobacterium were demonstrated to shape the gut microbiota of infants. In this study, the bacterial diversity was investigated in the breast milk and feces of a mother-infant pair, and probiotic candidates were identified. Importantly, the novel L. gasseri EJL and B. breve JTL strains were isolated from breast milk and infant feces samples, respectively; their completed genome was resolved using de novo sequencing. In addition, the bacterial composition in the infant's feces at 1 week revealed the prevalence of Bifidobacterium and Streptococcus; a higher diversity was observed after 3 weeks. In particular, the abundance of Akkermansia was sharply increased at 7 weeks, further increasing thereafter, up to 15 weeks. Our results suggest that human breast milk and infant's feces are a source of probiotic candidates.
Ju Young Eor;Chul Sang Lee;Sung Ho Moon;Ju Young Cheon;Duleepa Pathiraja;Byeonghyeok Park;Min Jae Shin;Jae-Young Kim;Sangjong Kim;Youngbae Noh;Yunhan Kim;In-Geol Choi;Sae Hun Kim
한국축산식품학회지
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제43권4호
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pp.659-673
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2023
Compared to infant formula, breast milk is the best source of nutrition for infants; it not only improves the neonatal intestinal function, but also regulates the immune system and gut microbiota composition. However, probiotic-fortified infant formula may further enhance the infant gut environment by overcoming the limitations of traditional infant formula. We investigated the probiotic formula administration for one month by comparing 118 Korean infants into the following three groups: infants in each group fed with breast milk (50), probiotic formula (35), or placebo formula-fed group (33). Probiotic formula improved stool consistency and defecation frequency compared to placebo formula-fed group. The probiotic formula helped maintaining the level of secretory immunoglobulin A (sIgA), which had remarkably decreased over time in placebo formula-fed infants (compared to weeks 0 and 4). Moreover, probiotic formula decreased the acidity of stool and considerably increased the butyrate concentration. Furthermore, the fecal microbiota of each group was evaluated at weeks 0 and 4. The microbial composition was distinct between each groups, and the abundance of health-promoting bacteria increased in the probiotic formula compared to the placebo formula-fed group. In summary, supplementation of probiotic infant formula can help optimize the infant gut environment, microbial composition, and metabolic activity of the microbiota, mimicking those of breast milk.
Metagenomic analysis of the human intestinal microbiota has extended our understanding of the role of these bacteria in improving human intestinal health; however, a number of reports have shown that current total fecal DNA extraction methods and 16S rRNA universal primer sets could affect the species coverage and resolution of these analyses. Here, we improved the extraction method for total DNA from human fecal samples by optimization of the lysis buffer, boiling time (10 min), and bead-beating time (0 min). In addition, we developed a new long-range 16S rRNA universal PCR primer set targeting the V6 to V9 regions with a 580 bp DNA product length. This new 16S rRNA primer set was evaluated by comparison with two previously developed 16S rRNA universal primer sets and showed high species coverage and resolution. The optimized total fecal DNA extraction method and newly designed long-range 16S rRNA universal primer set will be useful for the highly accurate metagenomic analysis of adult and infant intestinal microbiota with minimization of any bias.
Human breast milk (HBM) is essential for the infant's growth and development right after birth and is an irreplaceable source of nutrition for early human survival. Various infant formulas have many similarities to HBM in many components, but there is no perfect substitute for HBM. Recently, various breast milk components and their roles have been studied according to the development of various analysis techniques. As is already well known, HBM contains about 87%-88% water, and 124-g/L solid components as macronutrients, including about 7% (60-70 g/L) carbohydrates, 1% (8-10 g/L) protein, and 3.8% (35-40 g/L) fat. The composition may vary depending on the environmental factors, including maternal diet. Colostrum is low in fat but high in protein and relatively rich in immuneprotective components. Although HBM contains enough vitamins to ensure normal growth of the infant, vitamins D and K may be insufficient, and the infant may require their supplementation. Growth factors in HBM also serve as various bioactive proteins and peptides on the intestinal tract, vasculature, nervous system, and endocrine system. In the past, HBM of a healthy mother was thought to be sterile. However, several subsequent studies have confirmed the presence of rich and diverse microbial communities in HBM. Some studies suggested that the genera Staphylococcus and Streptococcus may be universally predominant in HBM, but the origin of microbiota still remains controversial. Lastly, milk is the one of most abundant body fluid of microRNAs, which are known to play a role in various functions, such as immunoprotection and developmental programming, through delivering from HBM and absorption by intestinal epithelial cells. In conclusion, HBM is the most important source of nutrition for infants and includes microbiomes and miRNAs for growth, development, and immunity.
The development of the gut is controlled and modulated by different interacting mechanisms, such as genetic endowment, intrinsic biological regulatory functions, environment influences and last but no least, the diet influence. In this work, we compared the fecal microbiota of breast-fed (BF), formula-fed (FF), and mixed-fed (MF) infants from Hebei Province, China. By using high-throughput 16S rDNA sequencing analyses, we found some differences in gut microbiota in the three groups. Firmicutes and Proteobacteria were the dominant bacteria at the phylum level in the three groups, where FF infants showed a significant depletion in Bacteroidetes (p < 0.001) and Actinobacteria (p < 0.05). Enterobacteriaceae was the dominant bacteria at the family level in the three groups, but FF infants showed higher Enterobacteriaceae enrichment than BF and MF infants (p < 0.05); the abundance of the Bifidobacteriaceae was only 8.16% in the feces of BF infants, but higher than in MF and FF infants (p < 0.05). The number of genera detected (abundance >0.01%) in BF, MF, and FF infants was only 15, 16, and 13, respectively. This study could provide more accurate and scientific data for the future study of infant intestinal flora.
Human breast milk contains numerous biomolecules. Human milk oligosaccharides (HMOs) are the third most abundant component of breast milk, after lactose and lipids. Amongst the synthetized HMOs, 2'-fucosyllactose (2'-FL) and lacto-N-neotetraose (LNnT) are widely studied and are considered safe for infant nutrition. Several studies have reported the health benefits of HMOs, which include modulation of the intestinal microbiota, anti-adhesive effect against pathogens, modulation of the intestinal epithelial cell response, and development of the immune system. The amount and diversity of HMOs are determined by the genetic background of the mothers (HMO secretors or non-secretors). The non-secretor mothers secrete lower HMOs than secretor mothers. The breastfed infants of secretor mothers gain more health benefit than those of non-secretor mothers. In conclusion, supplementation of infant formula with 2'-FL and LNnT is a promising innovation for infant nutrition.
Park Hee-Kyung;Shim Sung-Sub;Kim Su-Yung;Park Jae-Hong;Park Su-Eun;Kim Hak-Jung;Kang Byeong-Chul;Kim Cheol-Min
Journal of Microbiology
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제43권4호
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pp.345-353
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2005
The complex ecosystem of intestinal micro flora is estimated to harbor approximately 400 different microbial species, mostly bacteria. However, studies on bacterial colonization have mostly been based on culturing methods, which only detect a small fraction of the whole microbiotic ecosystem of the gut. To clarify the initial acquisition and subsequent colonization of bacteria in an infant within the few days after birth, phylogenetic analysis was performed using 16S rDNA sequences from the DNA iso-lated from feces on the 1st, 3rd, and 6th day. 16S rDNA libraries were constructed with the amplicons of PCR conditions at 30 cycles and $50^{\circ}C$ annealing temperature. Nine independent libraries were produced by the application of three sets of primers (set A, set B, and set C) combined with three fecal samples for day 1, day 3, and day 6 of life. Approximately 220 clones ($76.7\%$) of all 325 isolated clones were characterized as known species, while other 105 clones ($32.3\%$) were characterized as unknown species. The library clone with set A universal primers amplifying 350 bp displayed increased diversity by days. Thus, set A primers were better suited for this type of molecular ecological analysis. On the first day of the life of the infant, Enterobacter, Lactococcus lactis, Leuconostoc citreum, and Streptococcus mitis were present. The largest taxonomic group was L. lactis. On the third day of the life of the infant, Enterobacter, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, S. mitis, and Streptococcus salivarius were present. On the sixth day of the life of the infant, Citrobacter, Clostridium difficile, Enterobacter sp., Enterobacter cloacae, and E. coli were present. The largest taxonomic group was E. coli. These results showed that microbiotic diversity changes very rapidly in the few days after birth, and the acquisition of unculturable bacteria expanded rapidly after the third day.
The latest definition of a prebiotic is "a substrate that is selectively utilized by host microorganisms conferring a health benefit"; it now includes non-food elements and is applicable to extra-intestinal tissues. Prebiotics are recognized as a promising tool in the promotion of general health and in the prevention and treatment of numerous juvenile diseases. Prebiotics are considered an immunoactive agent, with the potential for long-lasting effects extending past active administration of the prebiotic. Because of its extremely low risk of serious adverse effects, ease of administration, and strong potential for influencing the composition and function of the microbiota in the gut and beyond, the beneficial clinical applications of prebiotics are expanding. Prebiotics are the third largest component of human breast milk. Preparations including galactooligosaccharides (GOS), fructooligosaccharides (FOS), 2'-fucosyllactose, lacto-N-neo-tetraose are examples of commonly used and studied products for supplementation in baby formula. In particular, the GOS/FOS combination is the most studied. Maintaining a healthy microbiome is essential to promote homeostasis of the gut and other organs. With more than 1,000 different microbial species in the gut, it is likely more feasible to modify the gut microbiota through the use of certain prebiotic mixtures rather than supplementing with a particular probiotic strain. In this review, we discuss the latest clinical evidence regarding prebiotics and its role in gut immunity, allergy, infections, inflammation, and functional gastrointestinal disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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