Dezvăluiri ale autorului: N. Sprenger și P.I. Duncan sunt angajați ai Nestec S.A.

sialic

Norbert Sprenger, Peter I. Duncan, Utilizarea acidului sialic, Progrese în nutriție, Volumul 3, Ediția 3, mai 2012, Pagini 392S - 397S, https://doi.org/10.3945/an.111.001479

ABSTRACT

Dezvoltarea postnatală timpurie întâlnește laptele ca o variabilă de mediu cheie și totuși singura sursă de nutrienți. Un constituent conservator evolutiv al laptelui este acidul sialic, care este în general afișat pe glicoconjugați și glicani liberi. În timpul dezvoltării postnatale timpurii, sa propus ca necesarul ridicat de acid sialic să nu fie satisfăcut de capacitatea sintetică de acid sialic endogen. Prin urmare, acidul sialic din lapte a fost propus să servească drept nutrient condiționat pentru nou-născut. La vârstnici, la celălalt capăt al ontogeniei, se observă scăderea sialilării în creier, salivă și sistemul imunitar. Analog situației neonatale, capacitatea sintetică endogenă poate fi incapabilă să țină pasul cu nevoia din această grupă de vârstă. Datele discutate aici propun un rol alimentar funcțional al acidului sialic ca element de bază pentru sialilare și nu numai.

Introducere

Dezvoltarea mamiferelor postnatale este deosebită prin faptul că mamele oferă copiilor lor singura sursă de nutrienți și o parte importantă a stimulilor lor de mediu sub formă de lapte. În general, laptele este unul dintre cele mai complexe fluide biologice care furnizează substanțe nutritive, compuși de protecție și factori de creștere și dezvoltare (1, 2). În funcție de specie, durata lactației și cantitatea de lapte și constituenții săi variază. De asemenea, printre diferitele specii de mamifere, unii constituenți sunt mai mult conservați (3-6). Pentru componentele conservate, acest lucru sugerează că există roluri universale în dezvoltarea nou-născutului, în ciuda istoricelor de viață variate și a diversității largi a habitatelor pe care le ocupă mamiferele. Faptul că există diferențe în compoziția laptelui sugerează, de asemenea, că fiecare mamifer și-a adaptat compoziția laptelui pentru a face față nevoilor specifice nou-născuților lor.

Pe baza comparațiilor anatomice și metabolice ale ouălor primitive și ale mamiferelor mai moderne, au fost prezentate mai multe teorii cu privire la originea glandelor mamare și secrețiile acestora. O astfel de teorie este că furnizarea de factori de protecție înnăscută se afla la baza lactației și că furnizarea de nutrienți a fost secundară (4, 7).

Rolul și potențialul acidului sialic din lapte în alimentația umană și mai ales ca hrană pentru creier au fost revizuite recent (12, 13). Aici, discutăm despre acidul sialic ca gliconutrienți pentru nou-născuți și vârstnici, cu accent pe posibilele destine metabolice.

Starea actuală a cunoașterii

Ce este acidul sialic și de ce controlul asupra nivelurilor de acid sialic este central

Înțelegerea noastră despre mecanismele și reglarea absorbției dietice a acidului sialic (Neu5Ac și Neu5Gc) este destul de limitată. Cu toate acestea, studii recente in vitro arată că Neu5Ac poate depăși absorbția Neu5Gc, sugerând că se utilizează aceeași cale prin pinocitoză și transportatorul lizozomal de acid sialic SLC17A5 (22). Implicațiile acestei observații pentru absorbția și utilizarea Neu5Ac și Neu5Gc din surse dietetice cu predominanță a uneia sau altei forme de acid sialic merită investigații suplimentare.

Pe celulele de mamifere, acizii sialici sunt afișați terminal fie ca o singură porțiune de acid sialic, fie ca lanțuri de acid polisialic pe glicanii glicoproteinelor și glicolipidelor legate de N și O. Similar altor glicani, adăugarea și îndepărtarea acizilor sialici sunt un mijloc de a modula stabilitatea structurală, recunoașterea celulelor și procesele de comunicare (23-25). Aceasta implică faptul că reglarea sialilării și disponibilitatea acidului sialic sunt de o importanță capitală.

Un alt grup de mutații legate de controlul nivelurilor de acid sialic afectează transportorul de acid sialic SLC17A5 (sialin) și duce la boala de stocare a acidului sialic. Acumularea rezultată de acid sialic în lizozomi afectează negativ dezvoltarea și funcția sistemului nervos. SLC17A5 nu doar transportă acidul sialic, ci și glutamatul și aspartatul în vezicule sinaptice. Prin urmare, unele dintre simptomele acestei boli ar putea fi cauzate de deficiențe ale aminoacizilor pentru neurotransmisie (33). La fel, mutațiile genei neuraminidazei NEU1 duc la sialidoză caracterizată prin acumularea de glicani sialilați în țesuturi și numeroase probleme de dezvoltare (34).

Împreună, controlul asupra nivelurilor și distribuției acidului sialic este crucial. În comparație cu oamenii, șoarecii par a fi mai afectați de sinteza de acid sialic endogen scăzută sau insuficientă.

Laptele ca model al naturii pentru furnizarea de gliconutrienți, cum ar fi acidul sialic

Când laptele este sursa exclusivă de substanțe nutritive, acidul sialic alimentar și calea de recuperare a acidului sialic (de exemplu, reciclarea biochimică a acidului sialic în biomolecule complexe) sunt utilizate de preferință față de acidul sialic nou sintetizat endogen? Cu alte cuvinte, există momente de cerere metabolică ridicată de acid sialic cu capacitate sintetică endogenă insuficientă?

Laptele uman este o sursă destul de bogată de acid sialic, variind de la 0,51,5 g/L în colostru la 1 g/L în laptele de tranziție și 0,3 g/L în laptele matur la 3 luni postpartum (35). În general, formulele pentru sugari conțin mult mai puțin acid sialic decât laptele matern uman, iar raportul dintre Neu5Ac și Neu5Gc în formulă poate varia în funcție de laptele animal utilizat. Formulele derivate din lapte de vacă furnizează în general> 95% din acid sialic ca Neu5Ac, în timp ce formulele derivate din lapte de capră ar putea oferi Neu5Gc relativ mult mai mare (17). Interesant este faptul că majoritatea acidului sialic din laptele uman este legat de oligozaharide și această fracție este mult mai mică în formulele pentru sugari pe bază de lapte de vacă. Cu toate acestea, nivelul acidului sialic legat de proteine ​​în laptele uman la aproximativ 3 luni postpartum este similar cu nivelul acidului sialic legat de proteine ​​în formula pentru sugari predominant din zer (35, 36)

Această serie de observații a determinat propunerea conform căreia acidul sialic din lapte servește drept gliconutrient la nou-născut prin calea de recuperare, ducând astfel la creșterea nivelului de acid sialic în țesuturi și saliva sugarilor alăptați (37-39). Dacă creșterea nivelurilor de salivă și acid sialic al creierului este derivată din acidul sialic alimentar în sine și dacă la om aceasta influențează sănătatea, fiziologia și funcția sistemului nervos rămâne de demonstrat.

Modele animale pentru studierea utilizării acidului sialic din lapte

Șobolanii și șoarecii sunt folosiți pe scară largă ca modele de cercetare și acest lucru este valabil mai ales pentru studiul acidului sialic din lapte. Laptele lor conține 3′- și 6′-sialyllactoses (Neu5Ac-α2,3-lactoză și Neu5Ac-α2,6-lactoză) ca singurele oligozaharide din lapte, care sunt prezente în cantități destul de mari (∼1-6 g/100 g materie uscată din lapte). În prezent, nu s-a raportat Neu5Gc în oligozaharidele din laptele de șobolan și șoarece (10, 40). Mai mult de 80% din acidul sialic total al laptelui este prezentat de fapt sub formă de sialilactoză (40, 41). Atât în ​​laptele de șoarece, cât și în cel de șobolan, 3'-sialilactoza este cea mai mare 5-7 d postpartum și scade după aceea. La șobolani, 6'-sialilactoză crește în paralel cu 3'-sialilactoză, dar numai la aproximativ 10% din nivelurile de 3'-sialilactoză și rămâne constantă după aceea (40). În contrast ușor, în laptele timpuriu al șoarecelui, nivelurile de 6'-sialilactoză sunt aproximativ jumătate din cele ale 3'-sialilactozei și rămân constante pe toată durata alăptării (10).

Profilul schimbător de expresie al 3'-sialilactozei în laptele de șobolan și șoarece în timpul alăptării a fost utilizat ca bază pentru studiile de corelație între lapte și puii care alăptează. De exemplu, Dickson și Messer (42) au arătat că la șoareci și șobolani, activitatea enzimei neuraminidazei intestinului subțire s-a corelat cu conținutul de acid sialic din lapte, și aceasta în special în intestinul subțire mediu și distal. În conformitate cu aceasta, s-a observat că expresia genei Neu1 a neuraminidazei de șobolan scade de la zilele postnatale 17 la 21 în jejun și ileon (43). În colonul de șobolan, transcrierile Neu1 au fost detectabile la naștere și au scăzut spre înțărcare în ziua 21 postnatală (40). Se crede că neuraminidaza 1 are o preferință pentru acidul sialic legat de α2,3- și α2,6 dintr-un β-galactozid, cum este prezent pe 3'- și 6'-sialilactoză (44). Împreună, aceste descoperiri sugerează că sialilactozele din lapte servesc ca purtători de acid sialic care livrează acid sialic puilor care alăptează.

Odată despicat din lactoză, acidul sialic poate fi importat în celule prin intermediul transportorului SLC17A5 (22, 45). Nivelurile de expresie ale transcriptului Slc17a5 s-au corelat și cu nivelurile de 3'-sialilactoză din lapte (40), ceea ce sugerează că cel puțin o parte din acidul sialic eliberat de neuraminidază din sialilactoză este preluat de SLC17A5 intestinal și colonic în celule. Odată internalizat, acidul sialic poate avea apoi una sau mai multe destine, inclusiv fiind a) transportat în continuare sistematic intact, b) activat cu CMP și utilizat pentru glicozilarea ulterioară, sau c) catabolizat în piruvat și N-acetilglucozamină.

Soarta precisă a acidului sialic internalizat nu este cunoscută, dar o perspectivă semnificativă a fost obținută dintr-o serie de studii de pionierat cu 3H și 14C Neu5Ac cu un singur și dublu-marcat radiografic și derivați la șobolanii și șoarecii care alăptează și la înțărcare (46-48) .

Profilele de exprimare a genei intestinale corelate cu 3'-sialilactoza din lapte și expresia genei Slc17a5 sugerează, de asemenea, că acidul sialic ingerat poate fi metabolizat de Npl în ManNAc și piruvat și că ManNAc poate fi la rândul său epimerizat în GlcNAc prin proteina care leagă renina (N-acetil- d-glucozamin-2-epimerază) (40). Contribuția generală și importanța acidului sialic din dietă la rezerva celulară GlcNAc, fluxul de hexozamină și glicozilarea N-legată și efectele fiziologice consecvente nu sunt cunoscute. Studiul nostru recent privind expresia genică sugerează că atunci când aportul de acid sialic din lapte este mare, acidul sialic colonic endogen și biosinteza GlcNAc pot fi scăzute, așa cum se bazează pe expresia Gne și Gfat (glucozamină-fructoză-6-fosfat aminotransferază), respectiv (40).

Utilizarea acidului sialic dietetic pentru glicozilare sau metabolism suplimentar poate fi o caracteristică a celulelor epiteliale intestinale. Cu toate acestea, sialilactoza ingerată poate fi găsită intactă în plasmă (40, 46) și că marcajul radioactiv din Neu5Ac ingerat a fost detectat în țesuturile distale, cum ar fi creierul, sugerează că alte țesuturi pot folosi acidul sialic din dietă. După cum sa menționat anterior, la om, celulele epiteliale și endoteliale care acoperă vasele de sânge pot încorpora acid sialic neuman derivat din dietă Neu5Gc (17). În consecință, creșterea raportată a Neu5Ac în țesuturi după administrarea Neu5Ac s-ar putea localiza în mare măsură la celulele endoteliale ale vaselor de sânge ale țesutului.

Creierul este situl principal al afișării Neu5Ac și se încorporează în timpul dezvoltării, iar la șobolanii care alăptează s-a păstrat

Interesant, în ficatul șobolanilor care alăptează, activitatea enzimei GNE a crescut în paralel cu 3'-sialilactoza ingerată și a rămas ridicată după ziua 7 postnatală (40). Cum și de ce se întâmplă acest lucru sunt necunoscute, dar un semnal metabolic ar putea lega aportul dietetic de acid sialic cu activitatea enzimei GNE în ficat, care este unul dintre principalele locuri de sinteză a acidului sialic endogen. Rezultatele noastre sunt în concordanță cu cele din studiile de hrănire cu acid sialic la purcei și șobolani tineri care au prezentat niveluri crescute de mARN de ficat și colon Gne la primirea unei diete bogate în acid sialic (40, 51, 63).

Studiile specifice de absorbție a acidului sialic din dietă sunt rare, dar mai multe linii de dovezi sugerează că acidul sialic din dietă este preluat și utilizat în perioada de alăptare. Cel puțin parțial, acidul sialic din dietă poate fi catabolizat în ManNAc și GlcNAc pentru utilizare ulterioară. Utilizarea metabolică exactă și soarta nu sunt pe deplin înțelese și justifică investigații suplimentare, atât la nivel celular, cât și la nivelul țesutului. Cunoașterea utilizării acidului sialic dietetic la nou-născuți ar putea îmbunătăți înțelegerea avantajelor și rolurilor evolutive ale acidului sialic din lapte în comparație cu GlcNAc sau ManNAc și ar putea duce la ipoteze pentru utilizarea acidului sialic dietetic dincolo de copilărie.

De la nou-născuți până la vârstnici

După cum sa propus pentru dezvoltarea postnatală timpurie, bătrânețea ar putea fi o a doua afecțiune în care acidul sialic din dietă ar putea compensa o deficiență aparentă a acidului sialic endogen. La oamenii vârstnici, niveluri mai scăzute de acid sialic au fost raportate la proteinele salivei (53), gangliozidele cerebrale (54-56) și la componentele specifice ale celulelor imune (57). Motivele care duc la scăderea sialilării nu sunt înțelese. Odată cu bătrânețea, numeroase funcții ale organelor și corpului sunt afectate. De exemplu, salivația și funcția musculară sunt afectate în tulburări precum xerostomia și disfagia și funcția gastro-intestinală în boala de reflux gastroesofagian și constipația cronică (58-60). Pierderea funcției neuronale și a receptorilor este asociată cu aceste probleme și, în acest sens, acidul sialic prezent pe gangliozide și proteine ​​poate juca un rol, deoarece este important pentru funcția lor (23, 61, 62).

La șobolani în vârstă de 24 de luni, dar nu și în șobolani în vârstă de 3 luni, am observat, de asemenea, niveluri crescute de acid sialic în fracțiunea gangliozidică a emisferei drepte a creierului la hrănirea cu acid sialic (63). Acidul sialic legat de proteine ​​nu a fost afectat în acest context. S-a arătat că acidul sialic alimentar crește acidul sialic legat de gangliozide cerebrale la șobolanii malnutriți de șobolan (49, 50) și la șobolanii de 8 săptămâni (64). Este demn de remarcat aici faptul că acidul sialic liber și acidul sialic legat de oligozaharide date în dietă nu au neapărat aceleași efecte (64). Motivele pentru acest lucru nu sunt cunoscute.

Având în vedere cele de mai sus, am emis ipoteza că sinteza sau disponibilitatea acidului sialic endogen este limitată la bătrânețe și că acidul sialic alimentar compensează deficitul postulat. Prin urmare, ne-am uitat la expresia ARN a Gnei în ficat și colon, două dintre principalele locuri de sinteză a acidului sialic. Nivelul transcrierii Gne a fost neschimbat la ficatul vârstnicilor, comparativ cu șobolanii tineri adulți, în timp ce la colon a crescut semnificativ (63). Prin urmare, deși capacitatea sintetică a acidului sialic a ficatului nu se poate modifica odată cu înaintarea în vârstă, cea a colonului poate crește. La hrănirea cu Neu5Ac, nivelurile transcriptului de colon și ficat au crescut la animalele tinere adulte. La șobolanii în vârstă, hrănirea cu Neu5Ac nu a afectat expresia Gnei hepatice, spre deosebire de colon, unde transcrierile Gne au scăzut (63). Răspunsul diferențial în expresia Gne la Neu5Ac la colonul tânăr versus cel în vârstă rămâne de explicat, dar sugerează un rol de semnalizare pentru acidul sialic. Cu toate acestea, descoperirile nu susțin noțiunea de lipsă generală de acid sialic endogen la șobolani în vârstă.

Deoarece aportul dietetic de Neu5Ac poate afecta nivelul de acid sialic gangliozidic al creierului, ne-am întrebat dacă Neu5Ac din dietă ar putea influența și funcția neuronală. În acest scop, am măsurat pilocarpina-, un agonist al receptorului muscarinic al acetilcolinei, a stimulat salivația la șobolanii tineri și în vârstă hrăniți sau nu hrăniți cu o dietă îmbogățită cu Neu5Ac. Am constatat salivare redusă la șobolanii în vârstă comparativ cu șobolanii tineri și că hrănirea cu Neu5Ac a restabilit funcția de salivare la animalele în vârstă (63). Acest lucru sugerează că circuitele neuronale și funcția receptorului ar putea fi modificate prin alimentarea cu Neu5Ac. Mecanic, acest lucru poate apărea prin stabilizarea funcției receptorului sau a membranei neuronale prin creșterea acidului sialic legat de gangliozide. Un rol suplimentar și până acum neexplorat ar putea fi prin activitatea de eliminare a radicalilor liberi raportată pentru acidul sialic (65). Astfel, acidul sialic suplimentar poate limita leziunile neuronale și permite recuperarea funcției sau poate exercita funcții de semnalizare directă așa cum se vede in vitro prin diferențiere neuronală (66, 67).

În prezent nu se știe dacă Neu5Ac dietetic este utilizat ca atare la animalele în vârstă sau dacă este catabolizat la ManNAc sau GlcNAc cu reintrarea ulterioară în calea sintetică a acidului sialic sau calea metabolică paralelă. În ceea ce privește dezvoltarea postnatală timpurie, studii suplimentare despre soarta metabolică, precum cele inițiate de Nohle și Schauer (47) cu acid N-acetil- (2-14 C, 9-3 H) neuraminic dublu marcat ar avansa în mod semnificativ înțelegerea noastră actuală de utilizare a acidului sialic din dietă.

Concluzii

Deși studiile de corelație umană și hrana cu acid sialic la animale sugerează că poate fi utilizat acid sialic în dietă, întrebarea fundamentală dacă avem nevoie de acid sialic în dietă rămâne fără răspuns? În timpul nutriției postnatale timpurii, natura oferă cel mai bun model pentru utilizarea acidului sialic. Faptul că sialilactozele se găsesc la majoritatea laptelui de mamifere sugerează cu tărie că acestea joacă un rol conservat în dezvoltarea postnatală. Dacă aceste roluri includ protecția împotriva infecției, stabilirea microbilor comensali, promovarea performanței sistemului nervos sau pur și simplu nutriția așteaptă studii preclinice detaliate și studii clinice. Scopul final va fi restabilirea cursului natural al evenimentelor în caz de deficiență.

Odată cu apariția noilor tehnologii și procese, pare oportună continuarea investigațiilor privind utilizarea acidului sialic derivat din dietă de la soarta metabolică la efectele biologice și în special la populațiile cu risc de la sugarii prematuri la vârstnici. Cu toate acestea, având în vedere presupusele probleme asociate cu acid sialic neuman Neu5Gc - este necesar ca sursa de acid sialic să fie evaluată cu atenție pentru a selecta surse bogate în Neu5Ac.

Mulțumiri

Autorii mulțumesc Centrului de Cercetare Nestlé pentru oportunitatea de a contribui la această revizuire și revizuitorilor pentru comentarii constructive cu privire la aspecte pe care nu le luasem pe deplin în considerare. Ambii autori au citit și au aprobat versiunea finală a manuscrisului.