Strukturanalyse humaner Milcholigosaccharide in Abhängigkeit der Lewis-Blutgruppe

Abstract

Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte high-throughput Screening-Verfahren zur Analyse humaner Milch-Oligosaccharide ermöglicht die statistisch validierte, massenspektrometrische Lewis-Blutgruppenzuordnung durch automatisierte Messroutinen der entsprechenden Milchproben. Ausgehend von einem sehr geringen Milchvolumen liefert die Methodik mehrere hundert Mikrogramm aufgereinigter, massenspektrometrisch charakterisierter sowie klassifizierter HMOs für weitere Analysen. Die Einsatzmöglichkeiten im klinischen, ernährungswissenschaftlichen sowie industriellen Bereich wurden anhand verschiedener Anwendungsbeispiele aufgezeigt (Kapitel 2).Sonderfälle, in denen das massenspektrometrische HMO-Muster nicht der serologisch bestimmten Lewis-Blutgruppe zuzuordnen war, erlaubten interessante Rückschlüsse auf die Biosynthese von HMOs. Die besonders bei Schwangeren bereits beschriebene Diskrepanz zwischen dem serologischen Lewis-Blutgruppenstatus und der in anderen Körperflüssigkeiten, wie Speichel und Geweben detektierbaren Lewis-Blutgruppenzugehörigkeit konnte auch in Milch beobachtet werden. Die direkte Korrelation der individuellen HMO-Muster mit genetischen und biosynthetischen Merkmalen wurde in einem Übersichtsartikel zusammengefasst (Kapitel 3).Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde eine neue, nichtlineare Methodik zur de novo Strukturanalytik isolierter hochmolekularer HMOs vorgestellt. Die Kombination aus massenspektrometrischen Ansätzen, zusammen mit gezielter Degradation sowie GC/MS basierte Linkage-Analysen einzelner Subfraktionen lieferte detaillierte Strukturinformationen über die zuvor isolierten Oligosaccharide. Die Methodik wurde am Beispiel der bekannten Struktur difucosyl iso-Lacto-N-Octaose etabliert. Anschließend wurde so die neue, hochkomplexe Struktur einer trifucosylierten inverse-Lacto-N-neo-Decaose mittels des neu aufgestellten Analysewegs bestimmt. Hierbei konnte eine neue Core-Struktur-Subgruppe der HMOs aufgezeigt werden, welche die bislang nicht beschriebene Besonderheit aufwies, die längere Glykanantenne nicht an C6 der Laktose zu tragen sondern an Position C3. Darüber hinaus konnten in dieser Arbeit Strukturvorschläge für zwei weitere difucosylierte Lacto-N-Octaose Isomere gemacht werden. Neben der bereits publizierten Struktur einer difucosyl Laco-N-Octaose II konnte in einem Isomerengemisch eine neue difucosyl iso-Lacto-N-Octaose III vorgeschlagen werden (Kapitel 4). Die vorgelegte Arbeit beschreibt zwei unabhängige Herangehensweisen zur individuellen Charakterisierung der in humaner Milch exprimierten Oligosaccharide. Die gewonnen Daten und etablierten Methoden können die analytische Basis für vielfältige, zukünftige Untersuchungen der gesundheitsfördernden Wirkung von HMOs bilden.

The high-throughput screening method, developed within the scope of this project enables a statistically validated Lewis blood group determination by automatized mass spectrometric measurement routines of human milk samples. Starting with a nominal volume of milk, the workup procedure delivers several hundred micrograms of purified, mass spectrometrically characterized and classified human milk oligosaccharides for further analysis. Application examples are given for the clinical, nutritional as well as industrial areas (Chapter 2).Special cases in which mass spectrometrically detected HMO pattern do not meet the expectations of the serologically determined Lewis blood group status were able to deliver interesting insights of the biosynthesis of HMOs. The described discrepancy between the serological Lewis blood group status and the Lewis status in other body fluids, like saliva but also in tissues, particularly of pregnant women, could also be detected in human milk. The direct correlation between the HMO-pattern and the genetic and biosynthetic characteristics could be summarized in a review article (chapter 3).In the second part of this work a novel, nonlinear de novo analysis strategy for structure elucidation of isolated high molecular weight HMOs was established. A combination of mass spectrometry with targeted structural degradation combined with GC/MS based linkage analysis of single sub-fractions delivered the detailed structural information of the previously isolated oligosaccharide. The method was established using isolated difucosyl iso-lacto-N-Octaose. Subsequently the analysis of a novel, highly complex trifucosylated inverse-lacto-N-neo-decaose was performed. A novel core structural sub-group for human milk oligosaccharides could be described, which exhibits the so far unknown feature that the longest glycan antenna is not located at position C6 of the lactose core galactose residue but rather is attached to position C3 of that. Furthermore, the structure of two additional difucosylated lacto-N-octaoses could be suggested. Besides the published difucosyl lacto-N-octaose II a novel difucosyl lacto-N-octaose III could be supposed in an isomeric mixture (Chapter 4).The work in hand comprises two independent approaches for the individual characterization of human milk oligosaccharides. The gained data and the developed methods can build the analytical basis for divers future research fields about the health effects of human milk oligosaccharides.