Bedeutung der Ernährung auf das Mikrobiom

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1 18. Mai 2016, Bern Bedeutung der Ernährung auf das Mikrobiom Gerhard Rogler, Klinik für Gastroenterologie und Hepatologie, UniversitätsSpital Zürich

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3 Das Mikrobiom «Mikrobiom» bezeichnet die Gesamtheit aller den Menschen oder andere Lebewesen besiedelnden Mikroorganismen. Im engeren Sinn wird damit die Gesamtheit aller mikrobiellen Gene im menschlichen Organismus bezeichnet «Mikrobiota» bezeichnet im engeren Sinne die Gesamtheit aller Mikroorganismen Zur Mikrobiota zählen die Mikroorganismen des Darmes («Darmflora»), der Haut («Hautflora»), sowie der Mundhöhle, der Schleimhäute, der Genitalorgane, der Lunge, etc.

4 Mikrobiota Alle Mikroorganismen, die auf unseren inneren und äußeren Oberflächen siedeln Bakterien Archaea Pilze Amöben Flagellaten Viren und Bakteriophagen

5 Die erste Mikrobiota wird in den ersten 24h Stunden des Lebens erworben Fruchtblase: Fötus ist steril vaginale Geburt: Baby bedeckt mit Bakterien des Geburtskanals Sectio: Baby bedeckt mit Bakterien von der Haut der Mutter, Hebamme, Pflegepersonal Stillen: Brustwarzen Nahrung

6 Komplexität der Intestinalen Mikrobiota Essentielles Organ Bis zu 100 Billionen (10 14 ) Mikroorganismen pro Mensch, mit bis zu Species Kultur-unabhängige Methoden haben die Kentnisse zum Mikrobiom vergrössert Zur Einflussgrössen aus der Umwelt (Ernährung, Medikation, Klima) ist bisher wenig bekannt.

7 Zusammensetzung der Mikrobiota beeinflusst durch Gene Alter Geschlecht Umwelt Stress Ernährung Antibiotika Medikamente Sommer et al., Nature Reviews 2013

8 Das Mikrobiom verschiedener Körperregionen Spor et al. Nature Reviews Microbiology 2011

9 Profitieren wir von der Besiedlung? Spaltung von Zuckern Produktion kurzkettiger Fettsäuren Produktion von Vitaminen (B1, B2, B6, B12, K2, H) und essentiellen Aminosäuren Verstoffwechslung der Gallensäuren Produktion von verwertbaren Kalorien: bis zu 10% Schutz vor pathogenen Bakterien

10 Salmonellen-Infketion: Schutzfunktion der kommensalen Flora 10 6 pathogenic microbes GI infection w normal flora 10 pathogenic microbes GI infection w reduced flora after Streptomycin treatment Hardt W, Infect Immun, 2012

11 Reduzierter Schutz unter pathophysiologischen Bedingungen

12 Ernährung und Darm-Mikrobiota im Lebenszyklus N. Jain and W. A. Walker; Nat. Rev. Gastroenterol. Hepatol. 12, (2015)

13 Bakterielle Diversität und metabolische Funktion Orale communities (top panels) and fecale communities (bottom panels) in der 16S rrna Analyse (coloured by microbial phyla, left panels) zeigen grosse Diversität aber sehr ähnliche funktionelle Charakteristika. The Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature 486, (2012).

14 Darm-Hirn-Achse Bidirektionale Kommunikation zwischen Darm und Gehirn Der Hirnstamm kann als Schaltzentrum für die Schmerzverarbeitung dienen und kann Signale mittels dem Rückenmark und dem autonomen Nervensystem in beide Richtungen senden Im Verdauungstrakt und dem enterischen Nervensystem können Neurotransmitter und Neuropeptide die Physiologie des Darms und somit auch das zentrale Nervensystem beeinflussen Mikrobiota beeinflussen die Entwicklung und die Funktion des Verdauungstrakts und des zentralen Nervensystems O`Mahony et al. Psychopharmacology 2011

15 Darm-Hirn-Achse Veränderungen in Gehirn-Darm Interaktionen wurden mit Darmentzündungen, chronischen Bauchschmerzen, Essstörungen und Veränderungen in der Reaktion auf Stress und im Verhalten assoziiert Es treten häufig Doppeldiagnosen von Stress assoziierten psychiatrischen Symptomen und Krankheiten des Verdauungstrakts auf Darmbakterien haben möglicherweise einen signifikanten Einfluss auf die Darm- Hirn-Achse Die Darm-Hirn-Achse ist ein interessantes Ziel für neue Behandlungsstrategien für zahlreiche Krankheiten (z.b. Adipositas, Angststörungen, entzündliche Darmerkrankungen)

16 Zunehmende Liste von Mikrobiota-assoziierten Erkrankungen IBD Metabolisches Syndrom IBS

17 Autismus und das Darmmikrobiom Kang et al., PLoS One 2013

18 Cumulative Incidence Erkennung mikrobieller Strukturen und Darmentzündung 1,00 0,75 Cumulative Incidence Plot GvHD grade IIIIV R & D mut *** 0,50 0,25 R wt,d mut ** R mut,d wt R & D wt 0, days after stem cell transplantation (SCT) ** p 0.02 *** p Holler, Rogler, Herfarth, Blood 2004

19 Antibiotika verhindern Transplantation Related Mortality Holler et al; Blood 2006

20 Antibiotika und IBD

21 Mikrobiota und Karzinogenese R. F. Schwabe and C. Jobin The microbiome and cancer Nat. Rev. 2013

22 Mikrobiota und Tumortherapie R. F. Schwabe and C. Jobin The microbiome and cancer Nat. Rev. 2013

23 Diät, Immunsystem und Microbiota Yasmine Belkaid and Timothy W. Cell 157, 2014

24 Fibers und Epigenetik L. Paparo. Nutrients 2014, 6, ;

25 Intestinale Mikrobiota und metabolisches Syndrom Mechanisms linking bugs and kilos? Bacteroides thetaiotaomicron germ-free Transcriptional response of epithelial genes Increase in gene expression 1 Nutrient absorption Mucosal barrier fortification Xenobiotic metabolism Angiogenesis Postnatal intestinal maturation 1. Hooper L.V., Science, 2005

26 Microbiota und metabolisches Syndrom World-wide pandemia of obesity globesity CDC-Data: 68% of US adults >20 years are overweight or obese 1 Role of the microbiota in the pathogenesis of obesity Increase in Firmicutes and Actinobacteria and decrease in Bacteroidetes in obese vs. lean human 2,3 and mice 4 Obese phenotype has been shown to be transmissible via transplantation of an obese microbiota in mice 5 Induction of lean phenotype has not been performed so far - nevertheless: modification of gut microbiota already discussed as a future treatment strategy for obesity 6 1.Sherry B. CDC-Website, Turnbaugh P.J., Nature, Ley, R.E., Nature, Ley, R.E., PNAS, Turnbaugh P.J., Nature, DiBaise J.K., Mayo Clin. Proc., 2008 Dokumentname Autor Abteilung 19. Mai 2

27 Intestinale Mikrobiota und metabolisches Syndrom Mechanisms linking bugs and kilos? (I) Increase in energy extraction in Firmicutes-rich gut mirobiota 1 Relationship most likely more complex than just a ratio including Firmicutes: No correlation to abundance of major phyla in structured weigh loss program in humans 2 Success in weight loss higher in individuals rich in Bacteroides fragilis, Lactobaillus and Bifidobacterium 1. Turnbaugh P.J., Nature, Santacruz A., Obesity, 2009

28 Ernährung, Mikrobiom und metabolisches Syndrom Le Chatelier et al Nature Adipositas assoziiert mit veränderter Darmflora (Anstieg Firmicutes; reversibel) Diversität der Mikrobiota bei Übergewichtigen reduziert Koren et al Cell Mikrobiom bei Schwangeren Adipositas -ähnlich Wu et al. Science 2011 Fettreichfaserarm vs. fettarmfaserreich- Nur-Langzeit Diäten führen zu stabilen Veränderungen der Darmflora De Filippo et al. PNAS 2010 Analyse der Darmflora von Kindern Burkina-Faso (Kohlenhydratreich, wenig-tierisches Eiweis) Westeuropa (reich an fett und tierischen Eiweisen) Dysbiose Erhöhte Verfügbarkeit von Energie (energy harvest)

29 Rauchstopp verändert die Darmflora Rauchen ist ein (Umwelt)-Risikofaktor für Morbus Crohn und schützt vor Colitis ulcerosa Biedermann et al: PLoS One. 2013;8(3):e59260, Inflamm Bowel Dis. 2014; 20: ; J Crohns Colitis. 2015;9:

30 Doppel blinde, randomisierte, Placebo kontrollierte Studie Das Data Safety and Monitoring Committe sichtete die Daten bei etwa 50% Recruitment 4 von 27 Patienten waren in Remission nach FMT und 2 von 26 im Placebo Arm discontinued for futility because the primary end point was unlikely to be achieved Donoren: Moayyedi P. et al. Gastroenterology 2015 Jul;149(1):

31 Moayyedi P. et al. Gastroenterology 2015 Jul;149(1):

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34 What conditions does FMT treat? The only condition that is scientifically proven to benefit from fecal transplant enough to satisfy the mainstream medical community is treatment of Clostridium difficile (C diff). However what the C diff success story tells us is that so far the risk in properly screened fecal transplant is minimal. That has been comfort enough for other people with chronic digestive illness to conclude they have everything to gain and little to lose (except a little dignity) by trying it. Anecdotal experience and success stories on this site indicate that fecal transplant has helped various conditions as one part of an integrated recovery strategy. The clinical experience of world expert Professor Thomas Borody s Centre for Digestive Diseases suggests that fecal transplant can help Ulcerative Colitis, Crohns, IBS, Constipation, Autoimmune disorders, Obesity, Parkinsons, Multiple Sclerosis, Chronic Fatigue, Anxiety & Depression.

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36 Zusammenfassung Der Mensch hat ein enges und symbiontisches Verhältnis zu seiner Mikrobiota Die Zusammensetzung der menschlichen Mikrobiota ist altersabhängig und ernährungsabhängig und dennoch individuell charakteristisch Die menschliche Mikrobiota liefert wichtige Stoffwechselprodukte, schützt vor Pathogenen und steuert die Entwicklung des Immunsystems. Dysbiose kann Gesundheitsstörungen zur Folge haben Viele Einfluss-Faktoren bedürfen einer weiteren Klärung

37 Vielen Dank!