Der Menschund sein

MikrobiomW. Florian Fricke, Nutrigenomics

w.florian.fricke@uni-hohenheim.de 5. Juni, 2014

Studium Generale, Hohenheim

• 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

Übersicht

Demographischer Wandel

Aus medizinischer Sicht:1. Mehr alte Menschen mit altersspezifischen Problemen2. Heranwachsende Generationen mit neuen Gesundheitsproblemen

Veränderungengesellschaftlicher Krankheitsprofile

• Rückgang klassischer Infektionskrankheiten

• Anstieg entzündlicher Krankheiten, z.B. Allergien/Asthma, Auto-ImmunerkrankungenVeränderte medizinische Anforderungen der

heranwachsenden im Vergleich zur heutigen Bevölkerung.

Bach (2002). NEJM 347:911-20

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

Die Identifizierung von Bakterien in vielen klinischen Proben ist nicht gleichbedeutend

mit einem medizinischen Problem!

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

Komplexität

1-2 kgWeight of microbes on human person

10xMore microbial than human cells

100xMore microbial than human genes

10,000Microbial species

Die Mehrheit aller Bakterien des Mikrobioms kann (noch) nicht

kultiviert werden.

1. Gute Keime – böse Keime(Bakterien = Bazillen, Keime, Kulturen, Stämme,...)

2. Antibiotika3. Wirtschaft ($$$)

Wahrnehmung des Mikrobioms

in der Öffentlichkeit

• gesundheitlicher Nutzen von Probiotika im Menschen bisher kaum belegt

• Gefahr gering, Nutzen nicht unwahrscheinlich...

Gute Keime

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

Michael Pollen (2013); http://www.nytimes.com/2013/05/19/magazine/say-hello-to-the-100-trillion-bacteria-that-make-up-your-microbiome.html

„Einige meiner besten Freunde sind Keime...“

Industrie

Pharmazeutische Industrie sieht enormes diagnostisches und therapeutisches Potential des Mikrobioms und hat begonnen, selbst massiv in Forschung und Entwicklung zu investieren.

1. Beispiel:Adipositas / FettleibigkeitMikrobiom zur Unterstützung des menschlichen Stoffwechsels

Gesundheitliche Bedeutung des menschlichen Mikrobioms

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!

2. Beispiel:Antibiotika-assoziierte DurchfallerkrankungenMikrobiom zum Schutz vor der Invasion pathogener Bakterien

Gesundheitliche Bedeutung des menschlichen Mikrobioms

Clostridium difficile-Infektion

Stuhl-Transplantation

Mikrobiom als Ökosystem:1. Störung - Behandlung mit Antibiotikum2. Resistenz – Rückkehr zum Normalzustand oder

Krankheit3. Manipulation – Stuhl-Transplantation (Mikrobiom-

Therapie)

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

Was macht ein Mikrobiom

„gut“ oder „schlecht“?

Mikrobiom: Spezies-

Zusammensetzung

Human Microbiome Project• >100 gesunde Menschen• Referenz für Normalzustand

Normale/gesunde Menschen zeigen extreme Unterschiede in der Spezies-

Zusammensetzung ihres Mikrobioms.

2. Beispiel:Benennung von genetischen Funktionen• Charakterisierung aller Gene (aller Organismen) des

Mikrobiomsum bioinformatisch Funktions-Zusammensetzung zu bestimmen

• = Metagenom

Was macht ein Mikrobiom

„gut“ oder „schlecht“?

Mikrobiom: Funktions-

Zusammensetzung

Human Microbiome Project• >100 gesunde Menschen• Referenz für Normalzustand

Unterschiedliche Bakterien üben ähnliche Funktionen aus.

1. Beispiel:Gesellschaftliche Veränderungen des Mikrobioms

Das Mikrobiom im Kontext des

demographischen Wandels

Woher bekommen wirunser 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)

2. Beispiel:Altersbedingte Veränderungen des Mikrobioms

Das Mikrobiom im Kontext des

demographischen Wandels

Wohnform + Gesundheit

im Alter

Claesson (2012) “Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly.” Nature 488, 178-185

Gesundheit

Selbständigwohnend

AmbulantePflege

Pflegeheim<6 Monate

Pflegeheim>6 Monate

Klinische Entzündungs-

parameter

Veränderungen des alternden Mikrobioms

nach Wohnform

Selbständigwohnend

AmbulantePflege

Pflegeheim<6 Monate

Pflegeheim>6 Monate

Ernährung +Wohnform + Mikrobiom im

Alter

Selbständigwohnend

AmbulantePflege

Pflegeheim<6 Monate

Pflegeheim>6 Monate

FettBallaststoffe

Ausblick:Über eine ausgewogene Ernährung können wir unser Mikrobiom im Alter positiv beeinflussen und damit entscheidend zu einem gesunden Altern beitragen.

36

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.

Zusammenfassung