Microbiome in health and disease
Mikrobiom

Freund oder Feind?

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Freund oder Feind: Metagenomik bei Gesundheit und Krankheit

Der menschliche Körper ist von Aberbillionen Mikroben besiedelt, darunter von Bakterien, Archaeen, Pilze, Protisten und Viren. Diese Organismen werden in ihrer Gesamtheit als Mikrobiota bezeichnet, wobei Schätzungen ihrer Anzahl im Verhältnis zur Anzahl der menschlichen Zellen von 1:1 bis zu 10:1 reichen. Die menschliche Mikrobiota ist unglaublich vielfältig, mit mikrobiellen Populationen, die in einer Vielzahl unterschiedlicher Gewebe, Systeme, Regionen und Flüssigkeiten vorkommen. Die beiden am besten charakterisierten und bekanntesten Populationen sind wohl die Mikrobiota der Mundhöhle und des Darms, von denen sich gezeigt hat, dass sie für die Homöostase und Pathogenese von entscheidender Bedeutung sind.

Die Mikrobiota der Mundhöhle unterscheidet sich von anderen regionalspezifischen Mikrobiota dadurch, dass sie unter normalen Bedingungen die Pathogenese (Zahnkaries und parodontale Erkrankungen) begünstigt, woraus sich die Notwendigkeit von Maßnahmen der Mundhygiene ergibt. Gleichzeitig hemmt das bloße Vorkommen der oralen Mikrobiota passiv die Besiedlung durch Krankheitserreger, wobei mehrere ansässige Spezies nachweislich eine antipathogene Direktwirkung entfalten (1). Die Untersuchung der oralen Mikrobiota durch die Charakterisierung des oralen Mikrobioms ist natürlich eine Herausforderung, da die orale Mikrobiota aus mindestens 700 mikrobiellen Arten besteht (2). Darüber hinaus ist die Mundhöhle ständig äußeren Umwelteinflüssen und mikrobiellen Milieus ausgesetzt, sei es durch den Verzehr von Lebensmitteln, die Aufnahme von Luft oder soziale Kontakte (z. B. Küssen) (1).

Microbial DNA
Die ersten metagenomischen Profile des oralen Mikrobioms konzentrierten sich auf Erkrankungen der Mundhöhle und deckten in Zahnbelägen und Karies ausgeprägte und komplexe mikrobielle Multispezies-Gemeinschaften auf.

Aufgrund dieser Komplexität ist es äußerst schwierig, spezifische pathologische Erreger und/oder Mechanismen mit herkömmlichen Methoden wie der Bakterienkultur zu bestimmen. Mit der Metagenomik und dem Aufkommen des Next-Generation-Sequencing ist es nun jedoch möglich, ganze mikrobielle Gemeinschaften gleichzeitig zu untersuchen (3). Die ersten metagenomischen Profile des oralen Mikrobioms konzentrierten sich auf Erkrankungen der Mundhöhle und enthüllten sowohl die ausgeprägten und komplexen mikrobiellen Multispezies-Gemeinschaften innerhalb von Zahnbelägen und Karies als auch deutliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikrobiota von Personen, die an diesen Erkrankungen litten, gegenüber denjenigen, die nicht daran erkrankt waren (3, 4). Weitere Studien stützten sich auf metagenomische Ansätze, um letztere weiter auszubauen und bakterielle Profile zu erstellen, die für Individuen mit parodontalen und anderen entzündlichen Erkrankungen charakteristisch sind (2). Dies ist besonders wichtig, da orale Entzündungen im Mundraum mit einem erhöhten Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht werden (5). Tatsächlich wurde mit Hilfe der Metagenomik festgestellt, dass Bakterien in atherosklerotischen Plaques in ähnlicher Menge auch in der Mundhöhle vorkommen, was sowohl auf eine potenzielle Beziehung zwischen den beiden Populationen als auch auf die Möglichkeit hinweist, dass das orale Mikrobiom als Biomarker für Herz-Kreislauf-Erkrankungen herangezogen werden könnte (6).


Die Mikrobiota des Darms

Die Mikrobiota des Darms ist die am besten bekannte mikrobielle Gemeinschaft des Menschen. Obwohl die Darmmikrobiota meist von nur zwei Phyla dominiert wird, ist sie auf niedrigeren taxonomischen Ebenen äußerst vielfältig. Tatsächlich wurden bis 2016 mehr als 10 Millionen Gene identifiziert und katalogisiert, aus denen das Mikrobiom des Darms besteht (7). So wie die orale Mikrobiota teilweise durch äußere Kontakte geformt wird, wird die Zusammensetzung der Mikrobiota des Darms durch langfristige Ernährungsgewohnheiten moduliert (7). Angesichts ihrer Rolle bei der Verdauung und dem Stoffwechsel überrascht es nicht, dass die Mikrobiota des Darms mit Adipositas und Stoffwechselkrankheiten wie Diabetes Typ II in Verbindung gebracht wird (7). Die Eigenschaften des Darmmikrobioms wurden metagenomisch untersucht, um spezifische Marker und/oder Profile zu identifizieren, die mit der Erkrankung in Zusammenhang stehen (8). So haben Untersuchungen schlanker und fettleibiger Personen ergeben, dass die letztere Gruppe eine größere Artenvielfalt aufweisen kann und/oder proportionale Verschiebungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms erfährt (9), während bei der metagenomischen Profilierung der Darmmikrobiota von Diabetikern artspezifische Polymorphismus-Biomarker identifiziert wurden (10–11).

Die Eigenschaften des Darmmikrobioms wurden metagenomisch untersucht, um spezifische Marker und/oder Profile zu identifizieren, die mit Erkrankungen in Zusammenhang stehen.
 
Ähnliche Ansätze wurden auch bei Versuchen verwendet, die Rolle der Mikrobiota bei entzündlichen Darmerkrankungen (IBD) zu untersuchen, wobei wesentliche Unterschiede in der Zusammensetzung und Transkriptionsaktivität in den Genomen und Transkriptomen der Mikrobiota von IBD-Patienten festgestellt wurden (12). Schließlich kann die Mikrobiota auch onkogene Mikroben wie Helicobacter pylori und das humane Papillomvirus (HPV) enthalten. Zu diesem Zweck untersuchen Forscher mögliche Zusammenhänge zwischen der Mikrobiota und Krebs, wobei metagenomische Analysen bei einer Reihe von Krebsarten, darunter Darm-, Brust- und Magenkrebs, Veränderungen in der Zusammensetzung des Mikrobioms aufzeigen (13–15).

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Literatur
  1. Wade, W. G. (2013) The oral microbiome in health and disease. Pharmacol. Res. 69(1), 137–143.
  2. Xu, P. and Gunsolley, J. (2014) Application of metagenomics in understanding oral health and disease. Virulence 5(3), 424–432.
  3. Belda-Ferre, P. et al. (2012) The oral metagenome in health and disease. ISME J. 6(1), 46–56.
  4. Xie, G. et al. (2010) Community and gene composition of a human dental plaque microbiota obtained by metagenomic sequencing. Mol. Oral Microbiol. 25(6), 391–405.
  5. Kholy, K. E. et al. (2015) Oral infections and cardiovascular disease. Trends Endocrinol. Metab. 26(6), 315–321.
  6. Koren, O. et al. (2011) Human oral, gut, and plaque microbiota in patients with atherosclerosis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108(Suppl 1), 4592–4598.
  7. Arora, T. and Bäckhed, F. (2016) The gut microbiota and metabolic disease: current understanding and future perspectives. J. Intern. Med. 280(4), 339–349.
  8. Del Chierico, F. et al. (2018) Gut microbiota markers in obese adolescent and adult patients: age-dependant differential patterns. Front. Microbiol. 9, 1210.
  9. Castaner, O. et al. (2018) The gut microbiome profile in obesity: a systematic review. Int. J. Endocrinol. 2018, 4095789.
  10. Qin, J. et al. (2012) A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature 490(7418), 55–60.
  11. Chen, Y. (2017) Gut metagenomes of type 2 diabetic patients have characteristic single-nucleotide polymorphism distribution in Bacteroides coprocola. Microbiome 5, 15.
  12. Schirmer, M. et al. (2018) Dynamics of metatranscription in the inflammatory bowel disease gut microbiome. Nat. Microbiol. 3(3), 337–346.
  13. Flemer, B. et al. (2017) Tumour-associated and non-tumour-associated microbiota in colorectal cancer. Gut 66(4), 633–643.Bhatt, A. P. et al. (2017) The role of the microbiome in cancer development and therapy. CA Cancer. J. Clin. 67(4), 326–344.
  14. Ferreira, R. M. et al. (2018) Gastric microbial community profiling reveals a dysbiotic cancer-associated microbiota. Gut 67(2), 226-236.