Modulation of oral and gut microbiota with xylitol and 2´fucosyllactose : in vitro studies

Abstract

The gastrointestinal tract starts at the oral cavity and ends at the colon, and both habitats are heavily colonised with microbes. The microbial communities are modulated by food ingredients such as sugar, xylitol and human milk oligosaccharides (HMOs). This thesis aimed to evaluate: 1) the effects of xylitol and an HMO, 2´-fucosyllactose (2´-FL), on the growth, adhesion and biofilm formation of caries associated bacterium Streptococcus mutans; and 2) the effects of 2´-FL on simulated infant microbiota and metabolite compositions. We utilised in vitro model systems to mimic the oral cavity and colon.

The biofilm formation of mutans streptococci was decreased in the presence of xylitol and xylitol mints and increased in the presence of sucrose and sucrose mints. Planktonic S. mutans grew well on galacto-oligosaccharides (GOS), whereas 2´-FL was not utilised by S. mutans as a carbon source, and xylitol inhibited S. mutans growth. The adhesion experiments showed no consistent inhibition patterns for 2´-FL or GOS, and 1% xylitol did not inhibit the adhesion of the S. mutans strains. 2´-FL, GOS and lactose all promoted the growth of bifidobacteria in a simulated infant microbiota experiment. The slight changes in microbiota composition associated with 2´-FL were reflected by the production of short-chain fatty acids and the reduced production of acetate and lactate in the presence of 2´-FL compared with lactose or GOS. The simulations showed differences in 2´-FL fermentation abilities, indicating that 2´-FL fermentation requires specific microbial activity compared with the fermentation of either lactose or GOS.

In conclusion, we propose that xylitol can be considered an active ingredient for the inhibition of planktonic S. mutans growth and early biofilm formation. 2´-FL did not support S. mutans growth and thus should not promote unfavourable changes in caries microbiota. Finally, the infant colon and dental simulation models were found to serve as functional models for studying the effects of various food ingredients on bacterial growth, metabolite production and biofilm formation.

Ruuansulatus alkaa suusta ja jatkuu ruuansulatuskanavan kautta paksusuoleen. Sekä suussa että suolistossa on tiheä bakteeristo. Mikrobiston koostumusta voi muovata eri ruoka-ainella, kuten sokerilla, ksylitolilla ja äidinmaidon oligosakkarideilla (HMO:lla). Tutkimuksen tavoitteina oli arvioida 1) ksylitolin ja yhden HMO:n 2´¬fukosyylilaktoosin (2´-FL:n) vaikutusta hampaiden reikiintymiseen kytkeytyvän Streptococcus mutans -bakteerin kasvuun, biofilmin muodostumiseen ja kiinnittymiseen pinnoille ja 2) tutkia 2´-FL:n vaikutuksia mallinnettuun vauvan suolistomikrobiston koostumukseen ja sen tuottamiin aineenvaihduntatuotteisiin. Tutkimuksessa käytettiin suuta ja suolistoa jäljitteleviä in vitro malleja.

Mutans streptokokkien biofilmin muodostus väheni ksylitolilla ja ksylitoliminttupastilleilla ja lisääntyi sakkaroosilla ja sakkaroosipohjaisilla minttupastilleilla. S. mutans kasvoi hyvin galakto-oligosakkarideilla (GOS:lla), mutta ei 2´-FL:lla ja ksylitol hidasti sen kasvua. Kiinnittymiskokeissa ei löydetty 2´-FL:lle ja GOS:lle samansuuntaista vaikutusta ja 1% ksylitoli ei estänyt S. mutans bakteerin kiinnittymistä. 2´-FL, GOS ja laktoosi, lisäsivät kaikki bifidobakteereiden määrää mallinnetussa vauvan mikrobistossa. Pienet 2´-FL:n aiheuttamat muutokset mikrobistossa näkyivät myös lyhytketjuisten rasvahappojen tuotossa. Mallinnettu mikrobisto muodosti 2´-FL:lla vähemmän asetaattia ja laktaattia kuin GOS:lla ja laktoosilla. Mallinnusten välillä oli eroja 2´-FL n käytössä, mikä viittaa siihen että 2´-FL:n käyttäminen vaatii tarkoin määrätyn mikrobistokoostumuksen verrattuna laktoosiin ja GOS:hin.

Yhteenvetona voidaan todeta, että ksylitolia voidaan pitää aktiivisena ruuan ainesosana, joka hidastaa S. mutans:n kasvua ja vähentää biofilmin muodostusta. S. mutans ei kasvanut 2´-FL:lla, mikä viittaa siihen, että sen käytöstä ei seuraa haitallisia vaikutuksia suumikrobiston koostumukseen. Suun biofilmin ja vauvan suolistoa jäljittelevät in vitro mallit todettiin hyödyllisiksi arvioitaessa ruuan ainesosia, joilla voidaan vaikuttaa mikrobiston koostumukseen.