Studien zum Darmmikrobiom verbinden bakterielle Zusammensetzung mit Gesundheitseffekten und genetischen Faktoren

Eine große internationale Studie unter Leitung von Forschenden der University of Cambridge hat eine wenig bekannte Gruppe von Darmbakterien identifiziert, die bei gesunden Menschen deutlich häufiger vorkommt. Die Gruppe mit der Bezeichnung CAG-170 wurde bei Personen ohne chronische Erkrankungen durchgängig in höheren Mengen nachgewiesen.

Mithilfe fortgeschrittener computergestützter Verfahren suchte das Team in Darmmikrobiom-Proben von mehr als 11.000 Menschen aus 39 Ländern nach dem genetischen Fingerabdruck von CAG-170. Gesunde Personen wiesen mehr dieser Bakterien auf als Menschen mit Erkrankungen wie entzündlichen Darmerkrankungen, Adipositas und chronischem Fatigue-Syndrom. Der Datensatz umfasste gesunde Personen sowie Menschen mit Diagnosen aus 13 unterschiedlichen Krankheiten, darunter Morbus Crohn, kolorektales Karzinom, Parkinson-Krankheit und Multiple Sklerose.

CAG-170 ist bislang nur über seine genetische Signatur bekannt. Die meisten dieser Bakterien konnten von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Labor nicht kultiviert werden, was ihre direkte Untersuchung erschwert hat. Weitere genetische Analysen zeigten, dass CAG-170 in der Lage ist, große Mengen an Vitamin B12 zu produzieren. Außerdem trägt es Enzyme, die helfen, Kohlenhydrate, Zucker und Ballaststoffe im Darm abzubauen.

Forschende gehen davon aus, dass das von CAG-170 gebildete Vitamin B12 wahrscheinlich andere nützliche Darmbakterien unterstützt, statt der Person, die es beherbergt, direkt zugutezukommen. Mit anderen Worten: Diese Mikroben könnten helfen, das Gleichgewicht innerhalb des umfassenderen Darmökosystems aufrechtzuerhalten. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift Cell Host & Microbe veröffentlicht.

In einer zweiten Analyse untersuchten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die vollständige Zusammensetzung des Darmmikrobioms von mehr als 6.000 gesunden Personen, um herauszufinden, welche Spezies am ehesten in der Lage sind, das Darmökosystem zu stabilisieren. Erneut rangierte CAG-170 als die Gruppe, die am konsistentesten mit Gesundheit in Verbindung stand. Eine dritte Analyse konzentrierte sich auf Menschen mit Dysbiose, einem Zustand, bei dem das Darmmikrobiom aus dem Gleichgewicht gerät. Niedrigere CAG-170-Spiegel waren mit einer höheren Wahrscheinlichkeit für eine Dysbiose assoziiert.

Diese Forschung baut auf früheren Bemühungen auf, eine detaillierte Referenzbibliothek mikrobieller Genome zu erstellen, die im menschlichen Darm vorkommen. Diese Ressource, bekannt als „Unified Human Gastrointestinal Genome catalogue“, kartiert die genetischen Baupläne der Mikroben, die in uns leben. Die Arbeit identifizierte mehr als 4.600 Bakterienarten, die im Darm leben. Bemerkenswert ist, dass mehr als 3.000 davon dort zuvor nie dokumentiert worden waren – ein Hinweis darauf, wie viel des Mikrobioms noch unerforscht ist.

In einer separaten Studie zur orthopädischen Erholung wurden Stuhlproben von postmenopausalen Frauen präoperativ als Ausgangswert sowie 6 Wochen postoperativ entnommen. Das mikrobielle Profiling erfolgte mittels 16S-rRNA-Gensequenzierung auf der Illumina MiSeq-Plattform; Datenverarbeitung und taxonomische Analyse wurden mit QIIME2 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten während der Erholungsphase signifikante zeitliche Verschiebungen in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota.

Die bakterielle Diversität variierte zwischen den Zeitpunkten, wobei Firmicutes und Bacteroidetes als dominante Stämme identifiziert wurden. Eine erhöhte Häufigkeit dieser Taxa war stark mit besseren funktionellen Ergebnissen und einer schnelleren Erholung assoziiert. Im Gegensatz dazu waren erhöhte Spiegel von Proteobacteria und Escherichia mit verzögerter Heilung und einer schlechteren klinischen Leistungsfähigkeit verbunden. Das prädiktive Modell erreichte eine Genauigkeit von 85% und unterstreicht damit die Robustheit von Darmmikrobiom-Signaturen als Indikatoren für die postoperative Erholung.

Die bislang größte genomweite Assoziationsstudie (GWAS) zu Zusammenhängen zwischen menschlicher Genetik und im Darm vorkommenden mikrobiellen Spezies hat unterdessen 11 genetische Varianten identifiziert und repliziert, die die Zusammensetzung des Darmmikrobioms prägen; neun davon wurden erstmals berichtet. Zwei unmittelbar nacheinander veröffentlichte Studien in Nature Genetics heben hervor, welche Rolle Gene, die an der Darmphysiologie beteiligt sind, bei der Formung des Darmmikrobioms spielen können.

Die Forschenden analysierten genetische Daten und Darmbakterien von über 16.000 Erwachsenen aus vier schwedischen populationsbasierten Studien. Dadurch identifizierten sie insgesamt 15 genetische Varianten in acht Genen, die signifikant mit 14 häufigen bakteriellen Spezies assoziiert waren. Eine Replikationsstudie in einer norwegischen Kohorte von mehr als 12.000 Menschen bestätigte die initialen Befunde für 11 genetische Varianten in sechs Genen.

Zwei der identifizierten Gene waren bereits in früheren GWAS-Studien berichtet und repliziert worden. Dabei handelte es sich um das LCT gene, das für das Enzym Laktase kodiert, welches Laktose während der Verdauung abbaut, sowie um das ABO gene, das für ein Glycosyltransferase-Enzym kodiert, welches die auf der Zelloberfläche vorhandenen Oligosaccharide bestimmt.

Zu den neun neu gefundenen genetischen Varianten gehörten Gene, die Sensoren für von der Mikrobiota produzierte Fettsäuren kodieren, Gene, die am Gallensäurestoffwechsel beteiligt sind, sowie Varianten, die die Zusammensetzung der Schleimhautschicht bestimmen, die den Darm auskleidet. Einige dieser genetischen Varianten waren mit dem Risiko einer Glutenunverträglichkeit, Hämorrhoiden und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verknüpft. Dies deutet darauf hin, dass Veränderungen in der Zusammensetzung der Darmbakterien einen Ansatz bieten könnten, besser zu verstehen, wie genetische Risiken die Gesundheit beeinflussen.