Die Intestinale Mikrobiota
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Die Intestinale Mikrobiota: Rolle bei IBD, Rauchstopp, Adipositas, Stuhltransplantation – das alles, und noch viel mehr… Luc Biedermann, Oberarzt Klinik für Gastroenterologie & Hepatologie das alles, und noch viel mehr… Drinking? - I didn’t drink. I suffer from the Outline • Intestinale Mikrobiota – einige Allgemeine Punkte • Intestinale Mikrobiota und Adipositas/Metabolisches Syndrom • Intestinale Mikrobiota und IBD • Intestinale Mikrobiota und IBD… - und Rauchen • Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp • “Stuhltransplantation” – radikale iatrogene Alteration als Therapie? Microbiota - Allgemeines Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Gut Microbiota – Essential “Organ”1 • 1014 Mikroorganismen im Darm pro Mensch1,2 • • • • • • > 500-1000 Bakterien-spezies1,2 auch Viren (Virom) und Pilze Zusammen >1kg! ca. 10x mehr Bakterien als menschliche Zellen ca. 100x umfangreicheres Genom als der Mensch selbst Bioreaktor – liefert bis 10% des täglichen Energiebedarfs 1.Eckburg P.B., Science, 2005 2.Savage D.C., Ann. Rev. Microbiol., 1977 Microbiota - Allgemeines Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Gut Microbiota – Essential “Organ”1 • Bis zu 100 Billionen (1014) Mikroorganismen pro Mensch, 300-1000 species1,2 • Erheblicher Wissenszuwachs durch die Kultur-unabhängigen Methoden 1.Eckburg P.B., Science, 2005 2.Savage D.C., Ann. Rev. Microbiol., 1977 Microbiota - Allgemeines Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Microbiota – beyond bacteria • Archae • Co-Colonisierung mit Bacteroides thetaiotaomicron und Methanobrevibacter smithii in keim-freien Mäusen führt zu erhöhtem Körpergewicht und Zunahme der Effektivität der bakteriellen Fermentierung1 • Virus • Änderungen der Diät induzieren Änderungen in der viralen Zusammensetzung 2 • Co-Variation des Viroms mit dem Mikrobiom 1. Samuel B.S., PNAS, 2006 2. Minot S., Genome Research, 2011 Microbiota - Allgemeines Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Microbiota – interindividuell sehr verschieden1 … aber intraindividuell erstaunlich stabil: über Jahre, ev. sogar lebenslang2 1. Human Microbiome Project Consortium, Nature 2012 2. Faith JJ. Science 2013 Microbiota - Allgemeines Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Microbiota – limitierte Zahl von bestimmten Cluster: Enterotypes1 … wirklich ein Kontinuum? 1. Arumugam M.; Nature 2011 Microbiota - Allgemeines Warum überhaupt haben wir eine bakterielle Kolonisation? • “Flora” synthetisiert Vitamine über Eigenbedarf (Vitamin K, Vitamin B12, andere B-vitamine). • Microbiota verhindert Kolonisation durch Kompetition um Bindungsstellen und Substrat (wohl der wichtigste benefizielle Effekt Salmonellen Studien) • Produktion von verschiedenen Substanzen, z.B. Peroxide oder spezifische Bacteriozine, die andere Bakterien hemmen oder sogar abtöten. Microbiota - Allgemeines Infektion mit Salmonella: Rolle der “commensalen” microbiota - colonization resistance 106 pathogenic microbes GI infection normal flora 10 pathogenic microbes reduced flora after Streptomycin treatment GI infection Microbiota - Allgemeines Infektion mit Salmonella: Rolle der “commensalen” microbiota - colonization resistance • S. typhimurium verursacht selbst-limitierende (40 days) Infektion in Streptomycin behandelten Mäusen • Pathogen clearance aus dem Darmlumen wird durch residuelle Microbiota moduliert • 'L-mice' haben eine low complexity gut flora • Fehlen einer Resistenz gegenüber Kolonisation mit S. typhimurium und fehlende Fähigkeit zur Clearance • Pathogen clearance wird wieder ermöglicht durch Transplantation einer normalen komplexen Mikrobiota Endt et al. PLoS Pathog. 2010 Microbiota - Allgemeines Intestinal Microbiota - Impact Die Liste der Erkrankungen wächst: • IBD • Metabolic Syndrome • IBS Microbiota - Allgemeines Intestinal Microbiota - Impact Beeinflussung des Verhalten auch beim Menschen? • fermented milk product with probiotic (FMPP) for 4 weeks • “four-week intake of an FMPP by healthy women affected activity of brain regions that control central processing of emotion and sensation”. 1.Tillisch K, Gastroenterology 2013 Intestinale Mikrobiota und Adipositas World-wide pandemia of obesity – “globesity” • CDC-Daten: 68% der US adults >20 years sind übergewichtig oder adipös1 Rolle der Mikrobiota in der Pathogenese der Adipositas • Zunahme Firmicutes und Actinobacteria, Abnahme Bacteroidetes bei adipösen vs. schlanken Menschen2,3 und Mäusen4 • Adipöse Phänotype übertragbar durch Transplantation einer “obese microbiota” in Mäusen5 1.Sherry B. CDC-Website, 2010 2. Turnbaugh P.J., Nature, 2009 3. Ley, R.E., Nature, 2006 4. Ley, R.E., PNAS, 2005 5. Turnbaugh P.J., Nature, 2006 6. DiBaise J.K., Mayo Clin. Proc., 2008 Intestinale Mikrobiota und Adipositas Mechanismus Link Bugs und Kilos…? (I) Fecal Energy content • Zunahme der Energie-Extraktion der Firmicutesreichen intestinalen Mikrobiota1 • …einfach nur ein simples Ratio mit z.B. Firmicutes? • In strukturieren Gewichtsverlust-Programmen beim Menschen keine klare Korrelation zum Vorkommen bestimmter Phyla und Erfolg des Programmes2 1. Turnbaugh P.J., Nature, 2006 2. Santacruz A., Obesity, 2009 Intestinale Mikrobiota und Adipositas Mechanismus Link Bugs und Kilos…? (II) Bacteroides thetaiotaomicron germ-free • Transcription bestimmter epithelialer Gene • Zunahme Expression von Genen…1 • …Nährstoffabsorption • … Mucosal barrier fortification • … Xenobiotika Metabolismus • …Angiogenese • … postnatale intestinale Reifung 1. Hooper L.V., Science, 2005 Intestinale Mikrobiota und Adipositas Mechanismus Link Bugs und Kilos…? (III) • Link zwischen high-fat Diät induzierter Inflammation, oxidativem Stress, Metabolisches Syndrome und Mikrobiota: LPS? • Veränderte Mikrobiota induziert durch high-fat Diät scheint die Menge von LPS zu modulieren1,2 • obese mice haben “leaky gut” für LPS • LPS aus gram-negativer Bakterienwand: hohe Affinität zu Triglyzeriden • Chylomikrone - potentielle Transporter von LPS in den systemischen Kreislauf3 • Chronischer Entzündungszustand beim Metabolischen Syndrom4 1. Cani P.D., Diabetes, 2008 2. Cani P.D., Gut, 2009 3. Ghoshal S., J. Lipid Re., 2009 4. Hotamisligil G., Nat. Rev. Immunol. 2008 Intestinale Mikrobiota und IBD Dysbiose, Reduzierte mikrobielle Diversität bei IBD • Keine Colitis in germ-free mouse models1 • Dysbiose bei IBD: • Verschiedene Alterationen auf Ebene Phyla, Groups Und Species2 • • • • Verminderte Microbielle Diversität3,4 Zunahme von Epithel-adhärenten Bakterien5,6 Zuname von Intrazellulären Bakterien5,6 Erhöhte temporale Instabilität3 1. Sellon, R.K., Infect. Immun., 1998 3. Sokol H.; IBD 2008 2. Frank D.N., PNAS, 2007 4. Martinez C., Am J Gastro, 2008 5. Swidsinski A., Gastroenterology 2002 6. Schultzs C., Gastroenterology 1999 Intestinale Mikrobiota und IBD Dysbiose bei IBD: Huhn oder Ei ??? • Ursache von oder Folge der IBD? • Hohe Konzentration mukosaler Bakterien in IBD Patienten sowohl in entzündeten als auch nicht entzündeten Colon-Abschnitten1 • Einige Aspekte der intestinalen Dysbiose finden sich auch bei GESUNDEN Geschwistern von Crohn Patienten2 • NOD-2 knock-out Mäuse: veränderte mikrobielle Zusammensetzung, signifikant erhöhter bakterieller load im terminalen Ileum und Fäces2 1. Swidsinski A., Gastroenterology 2002 2. Hedin C., Gut, 2014 3. Rehman A., Gut, 2011 Intestinale Mikrobiota und IBD Interaktion Genetik und Mikrobiota – und klinischer Verlauf • Translokation von bakterieller DNA ins Blut – häufiger bei CD-Patienten mit NOD2 und/oder ATG16L1 Variante? • Bakterielle DNA war direkt assoziiert mit disease activity und erhöhtem relapse risk, zudem tiefere Anti-TNF-troughs und mehr Dosiseskalation bei NOD2-Varianten 1. Gutierrez A., Gut, 2014 Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Background unserer Studie I • Durchschnittliche Gewichtszunahme nach Rauchstopp: 7-8kg1 • Wird einfach nur mehr gefuttert…? • Multiple Risk Factor Intervention Trial: quitters nahmen Gewicht zu, obwohl sie weniger Kalorieren einnahmen, generell eher gesündere Diät als Teilnehmer mit Rückfall oder weiter rauchende2 • Unerschiedlicher Effekt Rauchen auf CD vs. UC Beeinflusst der Raucherstatus die intestinale Mikrobiota??? 1. O’Hara P., Am. J. Epidemiol., 1998 2. Stamler J., Am. J. Clin. Nutr. 1997 Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp Studien-Design • 10 gesunde aufhörwillige Raucher, 10 Kontroll-Probanden (jeweils 5 Raucher und Nicht-Raucher) • Raucherberatung (Ärzte und Psychologen) • Kontrolle: food diary, strikte adherence zum Rauchstopp • Observational period: 9 Wochen (5 study visits); Stuhlproben smoking cessation Stool samples week t1 16s rRNA-gene based Analyse t2 • Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism (T-RFLP) • 454-Pyrosequencing • Fluorescence in Situ Hybridization (FISH) t3 Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp Shift der Phyla: Pyrosequencing • die 4 grossen Phyla: 97.3% aller Sequenzen • Intervention Group nach Rauchstopp: • Zunahme Firmicuten und Actinobacterien • Abnahme der Proteobacterien und Bacteroidetes • stabile Mikrobiota in beiden KontrollGruppen Intestinale Mikrobiota und IBDUniversity … - und HospitalRauchen T-Test: Pyrosequencing •Paired Student’s TTest •Heat map farbkodierte Signifikanzlevel Zurich Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp 1 Phylogenetische Analysen: PCA - Pyrosequencing • Erstellen einer sample distance matrix. Berücksichtigt den phylogenetischen Abstand jedes Sequenz-Paares • Phylogenetischbasierte PCA, wieder mit 9 Umgebungsgruppen mit Fast UniFrac1 1. Hamady M., ISME, 2009 Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp Microbial Changes after Smoking Cessation by FISH • increase in key representatives from the phyla Firmicutes and Actinobacteria • decrease in key representatives from the phyla Bacteroidetes and Proteobacteria Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp Findings in Context of Previous Findings of Dysbiosis CD: Previous Microbial Investigations Results of Our Study Bacterium Alteration after smoking cessation Smoking vs. non-smoking control Bacterium Abundance relative to Control: CD B. adolescentis1 B. bifidum2 Bifido-bacteria Eubacterium rectale E. rectale2,3 UC: Previous Microbial Investigations Bacterium Bacteroides Alteration after smoking cessation Smoking vs. non-smoking control Bacterium Abundance relative to Control: UC B. vulgatus, ovatus, uniformis4 Bacteroides/Prevotella group5 1. Joossens M., Gut 2011 2. Mondot S., IBD 2011 3. Kang S., IBD 2010 4. Noor S., BMC Gastroent. 2010 5. Willing BP., Gastroenterology 2010 Intestinale Mikrobiota und IBD … - und Rauchen Intestinale Mikrobiota während kontrolliertem Rauchstopp Conclusion – Perspectives Ein Rauchstopp induziert substantielle und anhaltende Veränderungen in der Zusammensetzung der Darmbakterien sowie eine Zunahme der mikrobiellen Diversität Antibiotic Therapy Delivery mode Microbiota Composition Enivronmental Exposure to Microorganisms Geography Diet / Obesity IBD Smoking / Smoking cessation “Stuhltransplantation” Stuhl-Transplantation Fäkale Mikrobiota Stuhl-Transplantation Transplantation - FMT • Nomenklatur: inkorrekt bzw. unpräzise - Fecal Flora Reconstitution - Stuhltransplantation FMT und C. difficile C. diff Colitis – Features & Impact • • • • • • häufigste Form einer hospital-acquired Diarrhoe1 Geschätzte Kosten: > 1.100.000.000 $ pro Jahr2 Toxin A: Enterotoxin; Permeabilität, Secretion ↑ Toxin B: Cytotoxin; Inflammation Neue, virulentere Stämme (BI/NAP1/027 & Co.), Quinolon-Resistenz, Gen-Deletion: Toxin-Produktion ↑3 US Zahlen 2008 – Mortalität: • x 4 deaths in Verbindung MRSA • x 6 deaths als alle anderen Enteropathogene zusammen 2. Lipp MJ, J Clin Gastroent. Hepatol.. 2012 1. Lipp MJ, J Gastroent.erol Hep. 2012 3. O‘Connor JR; Gastroenterology 2009 FMT und C. difficile • • wie viele health-care workers‘ Hände sind kontaminiert mit C. diff. Sporen nach Pflege eines Patienten ?1 Single center; Frankreich, Uni-Klinik: Sporen gefunden bei 24 % der untersuchten Hände 1. Landelle C., Inf. Control And Hosp. Epidem, 2014 FMT und C. difficile Rezidivierende C. diff. Colitis • • vorgeschlagene Definition: Rekurrenz von Symptomen innerhalb von 8 Wochen nach zuvor erfolgreicher Antibiotika-Therapie1 Rekurrenz – häufiges Problem? • „nur“ etwa 10-30%... • …aber wenn 1x Rezidiv dann 40-60% (bis 65%)2,3 1. Cohen SH;Inf. Contr. Hosp. Epidem. 2010 2. Kelly CP,; NEJM 2008 3. McFarland LV, JAMA 1994 FMT und C. difficile Therapie-Empfehlungen - C. diff Colitis 1. Cohen SH, SEHA/IDSA, 2010 2. Debast S.B.; Clin Microbio And Infection, 2013 FMT und C. difficile Rationale der FMT bei C. diff FMT und C. difficile Rationale der FMT bei C. diff soviel zur rationalen Theorie – aber funktioniert das auch in der klinischen Realität? FMT und C. difficile FMT bei C. diff - Datenlage • • • • • Bis Ende 2012 zahlreiche Fallserien (ca. 250 Patienten insgesamt) und erste Metaanalysen Erfolgsraten von ca. 90%1 Fallzahlschätzung: Randomisierung von mindestens 118 Pat. Inclusion criteria: - a relapse after at least one course of adequate antibiotic therapy (≥10 days of vancomycin at a dose of ≥125 mg four times per day or ≥10 days of metronidazole at a dose of 500 mg three times per day). - diarrhea and a positive stool test for C. difficile toxin. 1. Kassam Z; Am J Gastro 2013 2. Van Nood E; NEJM 2013 FMT und C. difficile Historisches zur FMT • Transfaunation: in der Veterinärmedizin seit Jahrhunderten angewendet Hieronymus Fabricius (1537 – 1619) • • Beim Menschen 1958: erster Bericht bei fulminanter pseudomembranöser C. 1; bei C. diff erst 19832 Erste Beschreibungen in China aber bereits im 4. Jh. durch Ge Hong: „upper route“, p.o. bei food poisoning 1. Eiseman B, Surgery 1958 2. Schwan A; Lancet 1983 FMT und C. difficile FMT – How to do it? Wie zubereiten? Wie frisch? Welcher Donor und welcher nicht? Unter Antibiotika und/oder Probiotika? Wie applizieren? FMT und C. difficile Fallbeispiel – 32-jährige Patientin • • Behandlung Infekt der Atemwege 01/12 mit Cefuroxim Vorstellung mit der 5. Episode • • • • • 1. Metronidazol (Anfang Februar 2012 - für 7 Tage) 2. Metron,/Vancomycin (März, 10 Tage M. dann Vanco) 3. Vanco (Ende März) 4. Metro/Rifaximin (Ende Juni M., dann Rifaximin Juli) 5. Metro/Vanco (Letztes Rezidiv August, Vanco seit Ende August) FMT und C. difficile FMT - Vorgehen • eine kleine Menge Stuhl genügt! FMT und C. difficile FMT - Vorgehen FMT und C. difficile FMT - Vorgehen • und dann….? vs. vs. Trend in favor lower GI route? – Erfolg 91.4% vs. 82.3%1 1. Kassam Z ; Am J Gastro 2013 FMT und C. difficile FMT - Vorgehen FMT und C. difficile Fallbeispiel – 68-jährige Patientin 1. Louie T.; NEJM 2011 FMT und C. difficile FMT bei C. diff.– und sonst…? prinzipiell überlegenswert bei allen Erkrankungen, wo Störungen der Mikrobiota in irgendeiner Form eine Rolle spielen könnten… FMT und C. difficile Patientenakzeptanz…? • • Umfragestudie mit 15 Patienten mit UC (und/oder deren Eltern bei Kindern)1 5 Domänen erfragt: Impressionen zur Behandlung, Benefit, Risiken, möglichen Mechanismen, social concerns • Alle ausser ein Patient wären dabei! 1. Kahn SA, IBD 2011 FMT und C. difficile Patientenakzeptanz…? • • Eigene Erfahrung: sehr hoch Pat. nehmen Donor-Suche, Testung, Anfahrt, Hotelübernachtung für Donor, z.T. auch Kosten der Behandlung auf sich… 1. Kahn SA, IBD 2011 FMT und C. difficile Alternative Modi ? 1. Hamilton MJ Am J Gastro 2012 2. Youngster I; Clin Infect Dis 2014 FMT und C. difficile FMT – Details zum «Engraftment» ? • • • • welche bakteriellen Phyla bis Species des Donor siedeln sich an? Post TX: Donormikrobiota = Akzeptormikrobiota? Dauer der induzierten mikrobiellen Veränderungen? Kaum Studien bisher bis auf wenige Ausnahmen1 1-5: Akzeptor 6-7 Donor 1: baseline 2: Tag der TX 3. 4 Wochen post 4: 8 Wochen post 5. 24 Wochen post 1. Grehan M; J Clin Gastro 2010 FMT und C. difficile FMT – Beyond C. diff.: metabol. Syndrom ? • • • Induktion eine adipösen Phänotyps bei Mäusen durch FMT eines „obese Microbioms“ bestens bekannt1 Und wie sieht es mit dem Gegenteil aus? …beim Menschen bisher eher enttäuschend.2 • Gewichtsverlauf ? - Nur im „Kleingedruckten“ erwähnt 1. Turnbaugh PJ, Nature 2006 2. Vrieze A, Gastroenterology 2012 Pathogenetische Rolle der Mikrobiota – das alles, und noch viel mehr… - messages Rolle der Mikrobiota bereits jetzt bei Viehlzahl von gastroenterologischen und internistischen Erkrankungen bekannt Änderung der Zusammensetzung der intestinalen Mikrobiota nach Rauchstopp – Indirekte Implikationen zur Adipositas und IBD deutlich steigende Inzidenz der rezidivierenden Clostridien Infektion Fäkalen Mikrobiota Transplantation: sehr hohe Heilungsraten um etwa 90%, aber viele offene Fragen Rückschlüsse über Einsatzmöglichkeit bei anderen Indikationen (z.B. Colon irritabile, IBD) lassen sich hieraus nicht ziehen. 51 Fragen ? 52
