Eine Quintillion von Mikroben in einem Menschen definieren unsere Essenz

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Je mehr Wissenschaftler die im menschlichen Körper lebenden Mikroben untersuchen, desto mehr erfahren sie über den starken Einfluss dieser Krümel auf unser Aussehen, Verhalten, sogar auf unsere Denk- und Gefühlswelt.

Sind Viren, Bakterien, einzellige Pilze und andere Organismen, die in Lunge und Darm, Haut und Augapfel leben, wirklich von unserer Gesundheit und unserem Wohlbefinden abhängig? Ist es nicht zu seltsam zu glauben, dass die mikroskopisch kleinen Kreaturen, die wir in uns und an uns selbst tragen, in vielerlei Hinsicht unser Wesen bestimmen?

Der Einfluss des Mikrobioms – so heißt dieser Mini-Zoo – kann bereits in frühen Entwicklungsstadien von grundlegender Bedeutung sein.

Eine der Studien, deren Ergebnisse im vergangenen Jahr veröffentlicht wurden, zeigt, dass auch eine scheinbar angeborene Eigenschaft wie das Temperament eines Säuglings davon abhängen kann, ob die meisten Bakterien in seinem Darm derselben Gattung angehören: Je mehr Bifidobakterien, desto fröhlicher das Kind.

Die Schlussfolgerungen von Anna-Katariina Aatsinki und ihren Kollegen von der Universität Turku in Finnland basieren auf der Analyse von Stuhlproben von 301 Babys. Diejenigen Kinder, die nach zwei Monaten mehr Bifidobakterien aufwiesen, zeigten nach sechs Monaten eher „positive Emotionen“, wie die Forscher feststellten.

Die Erforschung des Mikrobioms begann vor relativ kurzer Zeit – tatsächlich erst vor 15 Jahren. Dies bedeutet, dass die meisten der bisher durchgeführten Forschungen vorläufig und von bescheidenem Umfang waren und nur Dutzende von Mäusen oder Menschen umfassten. Wissenschaftler haben einen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Zustand des Mikrobioms und verschiedenen Krankheiten gefunden, konnten jedoch noch keine eindeutigen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge zwischen bestimmten Bewohnern einer dicht besiedelten „Innenwelt“eines Menschen und seiner Gesundheit identifizieren.

Sogar die Zahl dieser Einwohner ist erstaunlich: Heute wird angenommen, dass im Körper eines gewöhnlichen jungen Mannes etwa 38 Trillionen (1012) Mikroben leben - das sind sogar mehr als ihre eigenen menschlichen Zellen. Wenn wir lernen, über diesen – unseren – eigenen – Reichtum zu verfügen, eröffnen sich faszinierende Perspektiven.

Optimisten zufolge wird es in naher Zukunft üblich sein, einem Menschen gesunde Mikrobenkomplexe in Form von Präbiotika (Verbindungen, die als Substrat fungieren, auf dem sich nützliche Bakterien vermehren können), Probiotika (diese Bakterien selbst) oder durch Fäkalien zu injizieren Transplantation (Transplantation eines reichen Darmmikrobioms von Spendern) - damit er sich gesund fühlen kann.

Wenn man vom Mikrobiom spricht, meint man damit in erster Linie die Bewohner des Magen-Darm-Traktes, die 90 Prozent unserer Mikroorganismen ausmachen. Aber auch andere Organe strotzen vor Leben: Mikroben füllen jeden Teil des Körpers, der mit der Außenwelt in Kontakt steht: Augen, Ohren, Nase, Mund, Anus, Urogenitalsystem. Außerdem sind Keime auf jedem Hautstück vorhanden, insbesondere in den Achselhöhlen, dem Damm, zwischen den Zehen und im Nabel.

Und hier ist das wirklich Erstaunliche: Jeder von uns hat eine einzigartige Gruppe von Mikroben, die kein anderer hat. Laut Rob Knight vom Center for Microbiome Innovation an der University of California (San Diego) lässt sich bereits heute argumentieren, dass die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Menschen mit der gleichen Spezies im Mikrobiom vorkommen, gegen Null geht. Die Einzigartigkeit des Mikrobioms könnte in der Forensik ausgenutzt werden, sagte Knight. „Wer ein Objekt berührt hat, wird durch den mikrobiotischen ‚Fingerabdruck‘verfolgt, der auf der Haut einer Person zurückbleibt“, erklärt er. Nun, eines Tages werden Ermittler auf der Suche nach Beweisen damit beginnen, Proben von Mikroben zu sammeln, die auf der Haut leben, so wie sie es heute für Fingerabdrücke tun.

In diesem Artikel werden wir einige der bedeutenden Entdeckungen von Wissenschaftlern teilen, die das Mikrobiom untersucht haben und wie es uns vom Säuglingsalter bis ins hohe Alter beeinflusst.

Kindheit

Der Fötus im Mutterleib ist praktisch steril. Er zwängt sich durch den Geburtskanal und trifft auf unzählige Bakterien. Während der normalen Geburt wird das Baby von den Mikroben "gewaschen", die in der Vagina leben; außerdem kommen die Darmbakterien der Mutter drauf an. Diese Mikroben beginnen sofort, ihren eigenen Darm zu besiedeln und gehen eine Art Kommunikation mit dem sich entwickelnden Immunsystem ein. So bereitet das Mikrobiom bereits in den frühesten Stadien seiner Existenz das Immunsystem darauf vor, in Zukunft richtig zu funktionieren.

Kommt das Baby durch einen Kaiserschnitt zur Welt, gibt es keinen Kontakt mit den Bakterien der Mutter und andere Mikroorganismen besiedeln seinen Darm – aus der Haut der Mutter und aus der Muttermilch, aus den Händen einer Krankenschwester, sogar aus Krankenhauswäsche. Ein solches fremdes Mikrobiom kann das gesamte zukünftige Leben eines Menschen erschweren.

2018 veröffentlichte Paul Wilms vom Zentrum für Systemmedizin der Universität Luxemburg die Ergebnisse einer Studie mit 13 natürlich geborenen und 18 chirurgisch geborenen Babys. Wilms und Kollegen analysierten den Stuhlgang von Neugeborenen und ihren Müttern sowie Vaginalabstriche von Frauen in der Geburt. Die „Kaiser“hatten deutlich weniger Bakterien, die Lipopolysaccharide produzieren und dadurch die Entwicklung des Immunsystems anregen. Mindestens fünf Tage nach der Geburt bleiben wenige solcher Mikroben übrig - das reicht laut Wilms aus, um langfristige Folgen für die Immunität zu haben.

Nach einiger Zeit, meist bis zum ersten Geburtstag, weisen die Mikrobiome der Kinder beider Gruppen Ähnlichkeiten auf. Der in den ersten Lebenstagen beobachtete Unterschied führt jedoch laut Wilms dazu, dass im Körper von Babys, die per Kaiserschnitt geboren wurden, möglicherweise keine Grundimmunisierung besteht, bei der Immunzellen lernen, auf äußere Einflüsse richtig zu reagieren. Dies erklärt wahrscheinlich, warum diese Kinder häufiger verschiedene Probleme im Zusammenhang mit der Funktion des Immunsystems entwickeln, darunter Allergien, Entzündungen und Fettleibigkeit. Laut Wilms sollen "Kaiser" in Zukunft vielleicht Probiotika bekommen, die auf der Basis von Bakterienstämmen der Mutter hergestellt werden, um ihr Verdauungssystem mit nützlichen Mikroben zu bevölkern.

Kindheit

Nahrungsmittelallergien sind so weit verbreitet, dass einige Schulen das Essen, das die Kinder von zu Hause mitnehmen dürfen, eingeschränkt haben (z. B. dürfen sie keine Erdnussriegel oder Marmeladenbrote mitbringen), damit einige Mitschüler keine Allergien entwickeln. In den USA leiden 5,6 Millionen Kinder an Nahrungsmittelallergien, dh in jeder Klasse gibt es mindestens zwei bis drei solcher Kinder.

Es werden verschiedene Gründe angeführt, die zur Verbreitung von Allergien führen könnten, darunter eine Zunahme der Zahl von Babys, die per Kaiserschnitt geboren werden, und der übermäßige Gebrauch von Antibiotika, die die Bakterien zerstören können, die uns schützen. Katherine Nagler und ihre Kollegen von der University of Chicago haben beschlossen, zu testen, ob die Verbreitung von Nahrungsmittelallergien bei Kindern mit der Zusammensetzung ihres Mikrobioms zusammenhängt. Im vergangenen Jahr veröffentlichten sie die Ergebnisse einer Studie, an der acht Sechsmonatskinder teilnahmen, von denen die Hälfte gegen Kuhmilch allergisch war. Es stellte sich heraus, dass die Mikrobiome der Vertreter der beiden Gruppen sehr unterschiedlich sind: Im Darm gesunder Babys befanden sich Bakterien, die für sich entwickelnde Kinder ihres Alters typisch sind, und Bakterien, die für Erwachsene charakteristischer sind, wurden bei denen gefunden, die an Kuhmilch leiden Milchallergien.

Bei allergischen Kindern, sagte Nagler, trat der normalerweise langsame Übergang vom Mikrobiom der Kindheit zum Erwachsenen "mit einer abnormalen Häufigkeit auf".

Nagler und ihre Kollegen transplantierten (mittels Kottransplantationen) die Darmbakterien „ihrer“Babys in Mäuse, die per Kaiserschnitt geboren und unter sterilen Bedingungen, also völlig keimfrei, aufgezogen wurden. Es stellte sich heraus, dass nur Mäuse, die von gesunden Babys transplantiert wurden, keine allergische Reaktion auf Kuhmilch zeigten. Andere sind wie ihre Spender allergisch geworden.

Weitere Studien zeigten, dass die Hauptrolle beim Schutz der ersten Gruppe von Mäusen anscheinend Bakterien einer Art spielten, die nur bei Kindern vorkommen: Anaerostipes caccae aus der Gruppe der Clostridien. Clostridien beugen auch Erdnussallergien vor, fanden Nagler und ihre Kollegen in einer Studie heraus.

Nagler, Präsident und Mitbegründer des in Chicago ansässigen Pharma-Startups ClostraBio, hofft, das therapeutische Potenzial von Anaerostipes caccae an Labormäusen und dann an Allergikern testen zu können. Die erste Aufgabe bestand darin, im Darm eine Stelle zu finden, an der eine Truppe nützlicher Bakterien landen konnte. Selbst in einem ungesunden Mikrobiom, sagt Nagler, seien alle Nischen bereits besetzt; Damit Clostridia an einem neuen Ort Wurzeln schlagen kann, müssen Sie die vorherigen Bewohner vertreiben. Daher hat ClostraBio ein Medikament geschaffen, das eine bestimmte Nische im Mikrobiom räumt. Nagler und seine Kollegen "verschreiben" es Mäusen und injizieren ihnen dann verschiedene Arten von Clostridien sowie Ballaststoffe, die die Vermehrung von Mikroben fördern. Nagler hofft, innerhalb der nächsten zwei Jahre klinische Studien mit Clostridien am Menschen beginnen zu können und schließlich ein Medikament für Kinder mit Nahrungsmittelallergien zu entwickeln.

Darmmikroben können auch mit anderen Krankheiten bei Kindern in Verbindung gebracht werden, einschließlich Typ-I-Diabetes. In Australien analysierten Wissenschaftler Stuhlproben von 93 Kindern, deren Verwandte an Diabetes litten, und stellten fest, dass diejenigen von ihnen, die später die Krankheit entwickelten, erhöhte Enterovirus-A-Spiegel im Stuhl aufwiesen. Einer der Experimentatoren, W. Ian Lipkin von Meilmanovskaya School of Public Health der Columbia University, warnt Kollegen vor voreiligen Schlüssen, die Ursachen bestimmter Krankheiten seien allein auf Unterschiede im Mikrobiom zurückzuführen. „Alles was wir sicher wissen“, sagt er, „ist, dass bestimmte Mikroben irgendwie mit bestimmten Krankheiten in Verbindung gebracht werden.“

Dennoch ist Lipkin von der Zukunft der Mikrobiom-Wissenschaft begeistert. Laut seiner Prognose werden Wissenschaftler in den nächsten fünfzig Jahren die Wirkungsmechanismen des Mikrobioms auf den Körper aufdecken und klinische Studien am Menschen beginnen, um zu zeigen, wie die Gesundheit durch „Bearbeiten“des Mikrobioms verbessert werden kann.

Jugend

Viele Jugendliche haben eine Veranlagung für Akne - und es scheint ein Phänomen zu geben, das als "Talg-Mikrobiom" bezeichnet wird. Die Haut der Jungs ist besonders willkommen gegenüber zwei Stämmen des Bakteriums Cutibacterium acnes, das mit Akne in Verbindung gebracht wird. Die meisten Stämme dieses Bakteriums sind sicher oder sogar nützlich, da sie das Wachstum pathogener Mikroben hemmen; Tatsächlich ist dieses Bakterium ein Hauptbestandteil des normalen Mikrobioms von Gesicht und Hals.

Eine schlechte Sorte kann jedoch viel Schaden anrichten: Ihr Vorhandensein ist laut Amanda Nelson, Dermatologin am University of Pennsylvania College of Medicine, eine der Voraussetzungen für die Entwicklung einer Entzündung. Als Gründe für die Entstehung der Krankheit nennen Wissenschaftler Talg (der von den Talgdrüsen produziert wird, um die Haut mit Feuchtigkeit zu versorgen), der als Nährboden für C. acnes, Haarfollikel und eine Neigung zu Entzündungen dient. Es funktioniert alles zusammen, und wir wissen laut Nelson noch nicht, was wichtiger ist.

Forscher der University of Washington School of Medicine untersuchten das Mikrobiom der Talgdrüsen und fanden heraus, dass die einzige lang anhaltende Aknebehandlung, Isotretinoin (bekannt unter verschiedenen Handelsnamen), teilweise durch eine Veränderung des Hautmikrobioms wirkt und die Gesamtvielfalt der Haut erhöht Mikroben, unter denen schädliche Stämme schwerer Wurzeln schlagen können.

Jetzt, da Wissenschaftler erfahren haben, dass Isotretinoin durch eine Veränderung der Zusammensetzung des Mikrobioms wirkt, könnten sie versuchen, andere Medikamente mit der gleichen Wirkung zu entwickeln, aber hoffentlich sicherere - schließlich kann Isotretinoin bei Kindern zu Geburtsfehlern führen, wenn Mütter das Medikament währenddessen einnahmen während der Schwangerschaft.

Reife

Was wäre, wenn Sie mehr aus Ihrem Training machen können, indem Sie sich einfach die Darmmikroben eines Sportlers ausleihen? Diese Frage stellten sich Wissenschaftler der Harvard University. Zwei Wochen lang sammelten sie täglich Stuhlproben von 15 Läufern, die am Boston-Marathon 2015 teilnahmen – beginnend eine Woche vor dem Rennen und endete eine Woche später – und verglichen sie mit Stuhlproben von zehn Personen in der Kontrollgruppe, ebenfalls über zwei wochen nicht läuft. Die Forscher fanden heraus, dass die Proben der Läufer wenige Tage nach dem Marathon deutlich mehr Veillonella atypica-Bakterien enthielten als die der Kontrollgruppe.

„Diese Entdeckung erklärt viel, denn Veilonella hat einen einzigartigen Stoffwechsel: Ihre bevorzugte Energiequelle ist Laktat, das Salz der Milchsäure“, sagt Aleksandar Kostić vom Joslin Diabetes Research Center und der Harvard Medical School. „Und wir dachten: Vielleicht baut Veilonella im Körper des Sportlers Muskellaktat ab?“Und wenn dies wirklich so ist, ist es möglich, die Ausdauer von Menschen fernab des Profisports zu steigern, indem man diese Belastungen einführt?

Dann griffen die Wissenschaftler Labormäuse an: Veilonella, isoliert aus dem Kot eines der Läufer, wurde 16 Mäusen mit einem auf Krankheitserreger getesteten normalen Mikrobiom injiziert. Die Probanden wurden dann auf ein Laufband gelegt und gezwungen, bis zur Erschöpfung zu laufen. Das gleiche wurde mit 16 Kontrollmäusen durchgeführt; nur wurden ihnen Bakterien injiziert, die kein Laktat verbrauchen. Wie sich herausstellte, liefen mit Veilonella "infizierte" Mäuse viel länger als Kontrolltiere, was bedeutet, dass das Mikrobiom nach Ansicht der Forscher eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Leistung spielen kann.

Dieses Experiment, so Kostich, sei "ein wunderbares Beispiel dafür, was uns Symbiose beschert". Veilonella gedeiht, wenn eine Person, ihr Träger, durch körperliche Aktivität Laktat produziert, von dem sie sich ernährt, und wiederum der Person zugute kommt, indem sie Laktat in Propionat umwandelt, was die Leistung des Wirts beeinträchtigt, weil unter anderem, erhöht die Frequenz der Herzkontraktionen und verbessert den Sauerstoffstoffwechsel und verhindert möglicherweise auch die Entwicklung von Entzündungen in den Muskeln.

„Diese Art von Beziehung scheint den meisten Interaktionen zwischen Mensch und Mikrobiom zugrunde zu liegen“, erklärt Kostich. "Letztendlich ist die Beziehung zwischen ihnen so für beide Seiten von Vorteil."

Das Mikrobiom kann auch für die weniger erfreulichen Eigenschaften der menschlichen Natur verantwortlich sein, einschließlich psychischer Zustände wie Angstzustände und Depressionen. 2016 veröffentlichten Wissenschaftler der National University of Ireland in Cork die Ergebnisse einer Studie zum Einfluss des Mikrobioms auf die Entstehung von Depressionen. Die Forscher teilten 28 Laborratten in zwei Gruppen ein. Die Versuchsgruppe erhielt Transplantationen der Darmflora von drei Männern, die an schwerer Depression litten, und die Kontrollgruppe - von drei gesunden Männern.

Es stellte sich heraus, dass das Darmmikrobiom von Menschen mit Depressionen in Depressionen und Ratten abstürzte. Im Vergleich zu Kontrolltieren zeigten sie ein nachlassendes Interesse an Aktivitäten, die Freude bereiten (bei Ratten hängt dies davon ab, wie oft sie süßes Wasser trinken möchten) und eine erhöhte Angst, die sich in ihrem Wunsch äußert, offene oder unbekannte Bereiche des Labors zu meiden Labyrinth.

Angesichts des großen Unterschieds zwischen Ratten und Menschen stellen die Forscher fest, dass ihre Studie neue Beweise dafür liefert, dass das Darmmikrobiom eine Rolle bei Depressionen spielen könnte. Früher oder später, sagen sie, könnte der Tag kommen, an dem Depressionen und andere ähnliche Erkrankungen bekämpft werden, unter anderem durch gezielte Bekämpfung bestimmter Bakterien im menschlichen Körper.

Hohes Alter

Das Mikrobiom ist gleichzeitig elastisch und flüssig. Seine einzigartige Struktur ist zum großen Teil im Alter von vier Jahren geprägt und kann nur von sehr wesentlichen Faktoren wirklich beeinflusst werden – zum Beispiel eine Ernährungsumstellung, die Intensität der körperlichen Aktivität oder der Aufenthalt im Freien, der Umzug an einen neuen Wohnort, die Nutzung von Antibiotika und einigen anderen Arzneimitteln. In gewisser Weise ist das Mikrobiom jedoch in ständigem Fluss und verändert sich mit jeder Mahlzeit subtil. Bei Erwachsenen sind diese Veränderungen so vorhersehbar, dass Sie Ihr Alter grob bestimmen können, indem Sie sich einfach mit den im Darm lebenden Bakterien vertraut machen.

Diese Technik, die als "Bestimmung des Alters durch die Mikrobiom-Uhr des Alterns" bekannt ist, erfordert die Hilfe von künstlicher Intelligenz, wie etwa in einem kürzlich durchgeführten Experiment des in Hongkong ansässigen Startups Insilico Medicine. Wissenschaftler haben Informationen über das Mikrobiom von 1165 Menschen aus Europa, Asien und Nordamerika gesammelt. Ein Drittel von ihnen war 20-30 Jahre alt, ein weiteres Drittel - 40-50 und der letzte - 60-90 Jahre alt.

Wissenschaftler haben die Daten von 90 Prozent der Mikrobiome einer "Computerinterpretation" unterzogen, indem sie das Alter ihrer Träger markierten, und dann die von der künstlichen Intelligenz identifizierten Muster auf die Mikrobiome der verbleibenden zehn Prozent der Menschen angewendet, deren Alter nicht markiert war. Ihr Alter konnte mit einem Fehler von nur vier Jahren festgestellt werden.

Was bedeutet es, sein Mikrobiom zu "bearbeiten" und in Frieden zu leben? Leider sagen selbst die größten Enthusiasten der Mikrobiom-Wissenschaft, dass es bisher schwierig ist, genaue Schlussfolgerungen über die Beziehung zwischen dem Mikrobiom und der menschlichen Gesundheit zu ziehen, und bestehen darauf, dass beim Übergang zur Behandlung mit Bakterientransplantaten große Sorgfalt geboten ist.

Viele schwärmen jetzt vom Potenzial der Mikrobiota als Medizin, sagt Paul Wilms von der Universität Luxemburg und stellt fest, dass Pharmaunternehmen neue Probiotika entwickeln, um das Mikrobiom auszugleichen.

„Bevor wir es wirklich richtig und intelligent machen können“, sagt Wilms, „müssen wir im Detail verstehen, was ein gesundes Mikrobiom ist und wie es sich genau auf den menschlichen Körper auswirkt. Ich glaube, davon sind wir noch sehr weit entfernt."

Mikroben in uns

• Dickdarm - 38 Trillionen
• Plakette - 1 Trillion
• Haut - 180 Milliarden
• Speichel - 100 Milliarden
• Dünndarm - 40 Milliarden
• Magen - 9 Millionen

Siehe das Mikrobiom

Alle Bilder in diesem Artikel wurden von Martin Eggerly mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen: Die Proben wurden getrocknet, mit Goldatomen besprüht und in eine Vakuumkammer gebracht. Die Wellenlänge des Elektronenstrahls des Mikroskops ist kürzer als das sichtbare Licht, sodass der Strahl die kleinsten Objekte "hervorhebt", jedoch außerhalb des Farbspektrums. Eggerly färbte Mikroben, deren Farbe bekannt ist, in diesen Farben, in anderen Fällen wählte er eine andere Farbskala, damit Mikroben und ihre charakteristischen Merkmale unterschieden werden konnten.