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Seit einigen Jahren wird die Darmflora in der Öffentlichkeit immer prominenter – auch dank des Aufklärungsbuches „Darm mit Charme“ von Giulia Enders. Aufsehen erregten zudem wissenschaftliche Studien zu Antibiotika und dem Mikrobiom: Ihr Einsatz störe die empfindlichen Darmbewohner und könne zu schweren Schäden führen. Wie aber lässt sich die Darmflora davor schützen?

Unser Zoo im Darm

Billionen Bakterien aus über 500 verschiedenen Arten bilden das Mikrobiom des Darms. © Science Photo Library/Fuller, Nicolle

Der menschliche Darm beherbergt rund 100 Billionen Bakterien, also etwa zehnmal so viel wie der gesamte Körper Zellen hat. Diese innere Menagerie, das Mikrobiom, wiegt circa ein Kilogramm und besteht aus mehr als 500 verschiedenen Arten. Zudem ist sie individuell zusammengesetzt – jeder Mensch hat seinen ganz eigenen Zoo.

Das Mikrobiom hilft dem Wirt auf vielfältige Weise, etwa beim Verdauen bestimmter Bestandteile der Nahrung, zum Beispiel Ballaststoffe, die der Wirt selbst nicht zersetzen kann. Außerdem stellen die Bakterien des Mikrobioms viele B-Vitamine her – zwar für ihren eigenen Bedarf, aber auch der Wirt nimmt diese Vitamine auf.

Das Mikrobiom wechselwirkt zudem mit dem Immunsystem und instruiert Immunantworten im Darm, aber auch im übrigen Körper bis zum Gehirn. Ein intaktes Mikrobiom ist daher wichtig für die Gesundheit, doch es reagiert sehr sensibel auf äußere Einflüsse wie bestimmte Nahrungsbestandteile und Medikamente. Insbesondere Antibiotika, die essenziell für die Bekämpfung von lebensbedrohlichen bakteriellen Infektionen sind, wirken auch auf die „guten“ Bakterien und können bis zu einem Drittel der Darmbewohner töten. Diese Schädigung ist normalerweise kurzlebig, das Mikrobiom erholt sich in zwei bis vier Wochen. Bei kranken oder älteren Menschen und Kindern kann die Erholungsphase jedoch länger dauern. Neueste Studien deuten darauf hin, dass eine vermehrte Antibiotikagabe vor allem bei Kindern unter drei Jahren zu einer langfristigen Beeinträchtigung des Mikrobioms führen kann – eine Zwickmühle, denn gerade in dieser Lebensphase greifen Ärzte häufig zu Antibiotika, etwa bei einer Mittelohrentzündung. Allerdings gibt es in dem Fall auch keine Alternative.

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Besonders in Krankenhäusern geht der hohe Antibiotikaeinsatz mit einem erhöhten Risiko für den Erwerb von Krankheitserregern einher. Ist das Mikrobiom geschädigt, nutzen das Erreger wie Clostridium difficile, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae oder enteropathogene Escherichia coli aus, um sich im Darm anzusiedeln. Vor allem C. difficile ist inzwischen ein großes Problem in Krankenhäusern, da es umweltresistente Sporen bildet, die für Monate außerhalb des Körpers überdauern können. Nach der Aufnahme durch Antibiotika-behandelte Patienten keimen diese Sporen aus und produzieren Giftstoffe, die die Darmwand lähmen und im schlimmsten Fall zu einer ballonartigen, mitunter lebensbedrohlichen Ausweitung des Dickdarms führen.

Diese teils heftigen Nebenwirkungen verdeutlichen, dass Antibiotika keine Spielzeuge sind und – zumindest für einige ihrer Einsatzgebiete – Alternativen wünschenswert wären. Ein möglicher Ansatzpunkt ist das Mikrobiom selbst: Studien in den USA und den Niederlanden zeigen vermehrt, dass zur Behandlung von bestimmten gastrointestinalen bakteriellen Infektionen Stuhltransplantationen einen ähnlichen Effekt haben können wie Antibiotika: Die Besiedlung mit „guten“ Darmbakterien führt zu einer Verdrängung der Erreger und kann Neuinfektionen verhindern. Allerdings ist das noch ein Zukunftsmodell, denn der Transfer einer Vielzahl von bekannten und unbekannten Bakterien birgt mögliche langfristige Risiken für den Empfänger. Deshalb erforschen Wissenschaftler derzeit die Gabe definierter Bakterienarten oder komplett andere Behandlungsansätze wie die Gabe von Erreger-spezifischen Phagen, die das Mikrobiom nicht angreifen.

Entscheidend für neue Therapieansätze ist es, die Wechselwirkungen zwischen Mikrobiom, Immunsystem und Pathogenen zu verstehen. Dabei ist es gar nicht so einfach, das Mikrobiom genau zu untersuchen: Eine Sequenzierung beispielsweise liefert eine riesige Datenmenge aller Bakterien, bezeichnet als Metagenom, aus der die Informationen über die einzelnen Arten herausgefiltert werden müssen. Dafür gibt es zwar viele Methoden, welche sich aber für die jeweilige Fragestellung am besten eignet, ist oft unklar.

Um diese Probleme zu lösen, hat ein internationales Wissenschaftlerteam – darunter auch Alice McHardy mit ihrer HZI-Abteilung „Bioinformatik der Infektionsforschung“ am BRICS – die Initiative „Critical Assessment of Metagenome Interpretation (CAMI)“ gegründet. In einem Wettbewerb können Wissenschaftler ihre bioinformatischen Methoden an verschiedenen Datensätzen testen und sie so evaluieren. „Das Ziel von CAMI ist es, die Analysemethoden für Metagenomdaten einheitlich und mit biologisch relevanten Massen zu prüfen und Standards zu entwickeln, welche Methode bei welcher wissenschaftlichen Fragestellung eingesetzt werden sollte“, sagt Alice McHardy.

Wir laden jeden Mikrobiomforscher, der sich mit der Erzeugung oder Auswertung von Omics-Daten beschäftigt, ein, sich in CAMI einzubringen und zu diesem Ziel beizutragen.

Alice McHardy, LEiterin der HZI-Abteilung Bioinformatik der Infektionsforschung

Dr. Till Strowig untersucht mit seiner NAchwuchsgruppe am HZI mikrobielle Gemeinschafter und deren Einfluss auf das Immunsystem. © HZI / jkr

Die Grundlage für ein gesundes Mikrobiom ist eine gesunde Ernährung. Präbiotika – also Substanzen wie bestimmte Ballaststoffe, die „gute“ Bakterien fördern – können dabei unterstützen. Manche Firmen konzentrieren sich auf Präparate mit lebenden Bakterien, die das Mikrobiom stabilisieren und positiv auf das Wohlbefinden des Wirtes wirken sollen – sogenannte Probiotika. Wissenschaftlich belegte Wirkungen für einige von ihnen sind eine geringere Häufigkeit und Dauer von Durchfallerkrankungen, die Stimulierung des Immunsystems und eine reduzierte Konzentration einiger gesundheitsschädlicher Substanzen. Trotzdem sind Probiotika ein Reizthema, da sehr viele von ihnen keinen klinisch nachgewiesenen Mehrwert haben.

Weltweit besteht ein großes Interesse an der Mikrobiomforschung. Jedoch wird in Wissenschaftlerkreisen vermehrt kritisiert, dass sogenannte Assoziationsstudien häufig in den Fokus der Öffentlichkeit geraten. Diese Studien stellen lediglich eine Verknüpfung verschiedener Bestandteile des Mikrobioms mit bestimmten Merkmalen des Wirtes her, ohne einen kausalen Zusammenhang nachzuweisen. Deshalb ist eine intensive Forschung in Labor und Klinik nötig, um zu verstehen, bei welchen Krankheiten das Mikrobiom wirklich eine Rolle spielt und ob es für die Diagnose oder sogar als neue Therapie zum Einsatz kommen kann.

Autoren: Till Strowig und Niklas Hielscher

Magazin

Titelseite des HZI-Mitarbeitermagazins "InFact", Ausgabe 01/2017 © HZI

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