Mikrobiom

Der Mensch
und sein Mikrobiom
W. Florian Fricke, Nutrigenomics
[email protected]
5. Juni, 2014
Studium Generale, Hohenheim
Übersicht
• Demographischer Wandel und Mikrobiom?
• Was ist das Mikrobiom?
• Das Mikrobiom in Wissenschaft, Medizin und
öffentlicher Wahrnehmung
• Demographischer Wandel: Etablierung des
Mikrobioms und altersbedingte Veränderungen
des Mikrobioms
Demographischer
Wandel
Aus medizinischer Sicht:
1. Mehr alte Menschen mit altersspezifischen Problemen
2. Heranwachsende Generationen mit neuen
Gesundheitsproblemen
Veränderungen
gesellschaftlicher
Krankheitsprofile
Bach (2002). NEJM 347:911-20
• Rückgang klassischer Infektionskrankheiten
• Anstieg entzündlicher Krankheiten,
z.B. Allergien/Asthma, Auto-Immunerkrankungen
Veränderte medizinische Anforderungen der
heranwachsenden im Vergleich zur heutigen
Bevölkerung.
These:
Das menschliche Mikrobiom spielt eine entscheidende
Rolle für die spezifischen Gesundheitsproblematiken
der alternden und einer verändert heranwachsenden
jungen Bevölkerung.
Definitionen:
Die Gesamtheit aller nicht-menschlichen DNA
(Mikrobiom) bzw. allen nicht-menschlichen Lebens
(Mikrobiota / Mikroflora) am menschlichen Körper.
Mikrobiom
Was und wo?
• Bakterien, Viren/Phagen, Hefen/Pilze, Protisten, Würmer,
Parasiten etc...
• am ganzen Körper: wo man auch sucht, findet man
Mikroorganismen...
Wo steckt das
Mikrobiom?
Mikrobiom-Komponenten stellen adaptierte
Ökosysteme mit Nutzen für den gesamten
menschlichen Organismus dar.
Paradigmen-Wechsel
Ehemals „steril“ geglaubte Körperstellen
beherbergen komplexe Mikrobiome: Bakterium ≠
Infektion
• traditionelle mikrobielle Diagnostik beruht auf der Kultivierung von Bakterien,
Sequenz-basierten Methoden identifizieren auch nicht-kultivierbare Bakterien
• Beispiele: Lunge, Magen, Fruchtblase, Harnblase...
• Beispiel Harnblase: symptomatische Patienten oft negativen Kultur-basierten
Tests, asymptomatische Patienten oft mit komplexem (protektivem?) Mikrobiom
Die Identifizierung von Bakterien in vielen klinischen
Proben ist nicht gleichbedeutend mit einem
medizinischen Problem!
Komplexität
1-2 kg
Weight of microbes on human person
10x
More microbial than human cells
100x
More microbial than human genes
10,000
Microbial species
Die Mehrheit aller Bakterien des Mikrobioms
kann (noch) nicht kultiviert werden.
Wahrnehmung des
Mikrobioms
in der Öffentlichkeit
1. Gute Keime – böse Keime
(Bakterien = Bazillen, Keime, Kulturen, Stämme,...)
2. Antibiotika
3. Wirtschaft ($$$)
Gute Keime
•
gesundheitlicher Nutzen von Probiotika im
Menschen bisher kaum belegt
•
Gefahr gering, Nutzen nicht
unwahrscheinlich...
Böse Keime
Antibiotika
• Einerseits: „Antibiotika helfen nicht bei Erkältung!”
• Andererseits: „Warum verschreibt sie mir dann mein Arzt?“ – „Der
Husten ist wirklich unangenehm und nächste Woche muss ich fit sein
wegen der Prüfung...“
Antibiotika ≠ Mikrobiom
Mikrobiom
„Einige meiner besten
Freunde sind Keime...“
Michael Pollen (2013); http://www.nytimes.com/2013/05/19/magazine/
say-hello-to-the-100-trillion-bacteria-that-make-up-your-microbiome.html
Industrie
Pharmazeutische Industrie sieht enormes diagnostisches
und therapeutisches Potential des Mikrobioms und hat
begonnen, selbst massiv in Forschung und Entwicklung zu
investieren.
Gesundheitliche Bedeutung
des menschlichen
Mikrobioms
1. Beispiel:
Adipositas / Fettleibigkeit
Mikrobiom zur Unterstützung des menschlichen
Stoffwechsels
Maus-Modelle
• ob/ob-Maus:
- Appetit-Regulation fehlt, stark übergewichtig
- gutes Modell für menschliche Fettleibigkeit
• keimfreie Mäuse
- herangezogen unter sterilen Bedingungen, Mikrobiom-frei!
- können nachträglich durch Fütterung besiedelt werden
z.B. “humanisierte” Mäuse
Fettleibigkeit
•
übergewichtige Mäuse haben ein verändertes Mikrobiom
•
Fettleibigkeit ist durch das Mikrobiom übertragbar auf keimfreie
Mäuse
•
Henne-Ei-Problem:
-
führt Fettleibigkeit zu Mikrobiom-Veränderungen?
-
...oder ist Fettleibigkeit eine Folge von Mikrobiom-Veränderungen?
Mikrobiom-Komponente der Fettleibigkeit eröffnet neue
medizinische Ansätze für Diagnostik und Therapie!
Gesundheitliche Bedeutung
des menschlichen
Mikrobioms
2. Beispiel:
Antibiotika-assoziierte
Durchfallerkrankungen
Mikrobiom zum Schutz vor der Invasion pathogener
Bakterien
Clostridium
difficileInfektion
Stuhl-Transplantation
Mikrobiom als Ökosystem:
1. Störung - Behandlung mit Antibiotikum
2. Resistenz – Rückkehr zum Normalzustand oder
3.
Krankheit
Manipulation – Stuhl-Transplantation (MikrobiomTherapie)
Was macht ein Mikrobiom
„gut“ oder „schlecht“?
1. Beispiel:
Benennung von bakteriellen Spezies
•
Fokus auf Bakterien
•
vom “wer ist da?” wird geschlossen auf “was wird gemacht?”
Idee: verwandte Bakterien üben ähnliche Funktionen aus
Mikrobiom:
Spezies-Zusammensetzung
Human Microbiome
Project
• >100 gesunde Menschen
• Referenz für Normalzustand
Normale/gesunde Menschen zeigen extreme
Unterschiede in der Spezies-Zusammensetzung ihres
Mikrobioms.
Was macht ein Mikrobiom
„gut“ oder „schlecht“?
2. Beispiel:
Benennung von genetischen
Funktionen
•
Charakterisierung aller Gene (aller Organismen) des
Mikrobioms
um bioinformatisch Funktions-Zusammensetzung zu bestimmen
•
= Metagenom
Mikrobiom:
FunktionsZusammensetzung
Human Microbiome
Project
• >100 gesunde Menschen
• Referenz für Normalzustand
Unterschiedliche Bakterien üben ähnliche
Funktionen aus.
Das Mikrobiom im Kontext
des demographischen
Wandels
1. Beispiel:
Gesellschaftliche Veränderungen des
Mikrobioms
Woher bekommen wir
unser Mikrobiom?
Exposition und Selektion sind entscheidend für die
Etablierung eines „guten“ Mikrobioms:
• gestillte Menschen weisen noch im Erwachsenenalter eine andere
Struktur des Darm-Mikrobioms auf
• Kaiserschnitt, Verzicht auf Stillen und Antibiotika im 1. Lebensjahr
erhöhen das Risiko, später Allergien oder Asthma zu entwickeln
Hygiene-Hypothese
Herkunft bestimmt das Risiko, Allergien/Asthma
und Autoimmunerkrankungen zu entwickeln
• Geographie: Geburt/Jugend in industrialisiertem Land und städtischem Milieu,
statt Entwicklungsland und ländlichem Milieu / Bauernhof
• Infektionskrankheiten: geringes Risiko klassischer Infektionen
(Würmer/Parasiten, Helicobacter pylori)
Das Mikrobiom im Kontext
des demographischen
Wandels
2. Beispiel:
Altersbedingte Veränderungen des
Mikrobioms
Wohnform + Gesundheit
im Alter
Klinische
Entzündungsparameter
Gesundheit
Selbständig
wohnend
Ambulante
Pflege
Pflegeheim
<6 Monate
Pflegeheim
>6 Monate
Claesson (2012) “Gut microbiota composition correlates with diet
and health in the elderly.” Nature 488, 178-185
Veränderungen des
alternden Mikrobioms nach
Wohnform
Selbständig
wohnend
Ambulante
Pflege
Pflegeheim
<6 Monate
Pflegeheim
>6 Monate
Ernährung +
Wohnform + Mikrobiom im
Alter
Selbständig
wohnend
Fett
Ballaststoffe
Ambulante
Pflege
Pflegeheim
<6 Monate
Pflegeheim
>6 Monate
Ausblick:
Über eine ausgewogene Ernährung können wir unser
Mikrobiom im Alter positiv beeinflussen und damit
entscheidend zu einem gesunden Altern beitragen.
Zusammenfassung
1. Das Mikrobiom kann sowohl über taxonomische („wer?“) als auch
funktionelle („was?“) Zusammensetzungen charakterisiert werden.
2. Das menschliche Mikrobiom ergänzt und erweitert den
menschlichen Metabolismus (Übergewicht) und schützt vor
Infektionen (Antibiotika-assoziierte Durchfall-Erkrankungen).
3. Gesamt-gesellschaftliche Veränderungen des Mikrobioms
(gestiegene Hygiene-Standards, veränderte Ernährung im Alter)
tragen zu den medizinischen Herausforderungen des
demographischen Wandels bei.
4. Häufung entzündlicher Erkrankungen könnten aus dem Wegfall
typischer Infektionskrankheiten in industrialisierten Ländern
resultieren.
5. Veränderte Ernährungsgewohnheiten im Alter könnten die
Entstehung altersspezifischer Erkrankungen begünstigen.
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