Mikrobiom und Fäkaler Mikrobiota Transfer (FMT) bei gastrointestinalen Erkrankungen

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1 Gastrointestinale Erkrankungen und das Mikrobiom Mikrobiom und Fäkaler Mikrobiota Transfer (FMT) bei gastrointestinalen Erkrankungen KLINIKEN ESSEN-MITTE, Internal and Integrative Medizin Jost Langhorst Integrative Gastroenterologie Kliniken Essen-Mitte Universität Duisburg-Essen

2 Das Mikrobiom des Menschen Was wir von Spucke lernen können: Diversität im Mikrobiom des menschlichen Speichels Forschungsbericht Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie

3 Das Mikrobiom des Menschen Das 2007 vom US-amerikanischen National Institute of Health (NIH) initiierte Human Microbiome Project hat sich zur Aufgabe gestellt, alle Genome der Mikroorganismen, die den Menschen besiedeln, zu sequenzieren. NIH hat bisher ca 180 Millionen Dollar für Microbiome-assoziierte Forschung vergeben

4 Das Mikrobiom des Menschen

5 Das Mikrobiom des Menschen Im Rahmen des Human Microbiome Project wurden mit der Technik der Gensequezierung die Mitbewohner und deren Verteilung von 242 gesunden Menschen erfasst Forschungsbericht Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie

6 Phylogenetic marker (16S/18S) rrna Molekulare Grundlagen zur Einteilung des Microbioms 16S/18S rrna gene Sequencing (im Ribosomen von Prokaryonten) als Grundlage für die (mikrobielle) Identifikation und Klassifizierung Woese CR et al (1990) Proc Natl Acad Sci USA 87:

7 Diversity of the microbiota GI microbiota 2006 GI microbiota 2013 Die Hauptgründe für die Zunahme an Wissen im Bereich des Microbioms 1. Entwicklung neuer Technologien 2. Wachsendes Interesse am Forschungsfeld 3. Einschluß neuer Patientengruppen (e.g. Probanden aus dem ländlichen Schwarzafrika) 7

8 Simren et al., Gut,

9 Assoziation von Mikrobiom und verschiedenen Erkrankungen Gut 2006 Crohn s disease Colorectal cancer Genome Res Nat. Rev. Rheumatology 2011 Arthritis Atherosclerosis Nature 2011 J. Med. Microbiol Multiple Sclerosis NASH Nature 2012 Nature 2011 Parkinson Disease Diabetes Nature 2012 Eu. J. Neurosci Autism Obesity Nature 2006 Freundlich überlassen von Dr. Bork, Heidelberg

10 Mikrobiom Einführung Mikrobiom bei CED Mikrobiologische Therapie bei CED Stuhltransplantation bei C.diff. Infektionen Ausblick KLINIKEN ESSEN-MITTE, Internal and Integrative Medizin

11 May 2014

12 An Irritable Bowel Syndrome subtype defined by speciesspecific alterations in fecal microbiota Jeffery et al Gut 2012 Clustering analysis of irritable bowel syndrome (IBS) and control samples.

13

14 Dysbiosis of the microbiota in diseases very sick sick healthy Grouping according to the health status among the group of IBS, IBD patients and controls 14

15 Reduced richness of the community structure in a twin cohort of patients with ulcerative colitis Lepage, Schreiber Gastroenterology

16 Hedin et al. Gut 2012 Low-risk, healthy individual At-risk relative Crohn s disease Normal microbiota Environmental triggers Possible dysbiosis Higher mucin degraders (Ruminococcus torques)? Dysbiosis (including lower diversity and lower F. prausnitzii) Intestinal epithelium Intact intestinal barrier Increased permeability Treg Treg T? Th1/ Th17 Regulatory Th1/ Th17 Neutrophil activation and calprotectin release Neutrophil activation and calprotectin release

17 Hedin et al. Gut 2012 Low-risk, healthy individual At-risk relative Crohn s disease Normal microbiota Environmental triggers Possible dysbiosis Higher mucin degraders (Ruminococcus torques) Dysbiosis (including lower diversity and lower F. prausnitzii) Intestinal epithelium Intact intestinal barrier Cause? or consequence? Increased permeability Treg Treg T? Th1/ Th17 Regulatory Th1/ Th17 Neutrophil activation and calprotectin release Neutrophil activation and calprotectin release

18 Das Mikrobiom bei CED

19 Case-control study Not eligible: No sibling n=64 Declined: n=67 CD patients n=537 CDAI <150, 16-35yrs Excluded: n= 384 Did not attend or missed n= 63 Met exclusion criteria n= 321 Controls n=25 CD patients n=22 CD siblings n=24 Withdrew=1 Contaminated=5 Contaminated=1 Withdrew: n=6 Contaminated=1 Controls n=19 CD patients n=21 CD siblings n=17 19

20 Case-control study Not eligible: No sibling n=64 Declined: n=67 CD patients n=537 CDAI <150, 16-35yrs Excluded: n= 384 Did not attend or missed n= 63 Met exclusion criteria n= 321 Controls n=25 CD patients n=22 CD siblings n=24 Matched at group level Withdrew=1 Contaminated=5 Contaminated=1 Withdrew: n=6 Contaminated=1 Controls n=19 CD patients n=21 CD siblings n=17 20

21 Case-control study Not eligible: No sibling n=64 Declined: n=67 CD patients n=537 CDAI <150, 16-35yrs Excluded: n= 384 Did not attend or missed n= 63 Met exclusion criteria n= 321 Controls n=25 CD patients n=22 CD siblings n=24 Withdrew=1 No history of IBD Contaminated=5 Contaminated=1 Withdrew: n=6 Contaminated=1 Controls n=19 CD patients n=21 CD siblings n=17 21

22 Case-control study Not eligible: No sibling n=64 Declined: n=67 CD patients n=537 CDAI <150, 16-35yrs Excluded: n= 384 Did not attend or missed n= 63 Met exclusion criteria n= 321 Controls n=25 CD patients n=22 CD siblings n=24 Withdrew=1 No history of IBS Contaminated=5 Contaminated=1 Withdrew: n=6 Contaminated=1 Controls n=19 CD patients n=21 CD siblings n=17 22

23 Methoden Rektale Biopsien (no bowel prep, uninflamed) DNA Extraktion (phenol-chloroform) PCR Amplifikation V1-V3 bacterial 16S rrna gene 454 Pyrosequenzierung 23

24 Significant relationship between persistence and abundance Rare Core Patients p<0.001 Siblings p<0.001 Controls p<0.001 Mean taxa abundance Subject occupancy 24 van der Gast CJ et. al., 2011, ISME J, Vol. 5,

25 Morbus Crohn: Die Diversivität des Mikrobioms bei Patienten ist geringer als bei Geschwistern und gesunden Kontrollen Agreement between all three analyses (p<0.05) Key: Crohn s Sibling Control 25

26 Geschwister: Diversivität des Core Mikrobioms ist reduziert bei Geschwistern von Crohn Pt verglichen zu gesunden Kontrollen p<0.05 Key: Sibling Control 26

27 Das Core Mikrobiom zeigt mehr Ähnlichkeit zwischen Crohn Pt und deren gesunden Geschwistern als Geschwistern und Gesunden Bray-Curtis Index 27

28 Den Hauptbeitrag zum Unterschied zwischen Crohn Patienten und gesunden Kontrollen leistet das mukosale Faecalibacterium prausnitzii Mean % abundance Mean % dissimilarity % Contribution % Cumulative Species Crohn s Healthy Faecalibacterium prausnitzii Escherichia fergusonii Shigella flexneri Ruminococcus gnavus Bacteroides vulgatus Eubacterium rectale Sutterella wadsworthensis Oscillospira guilliermondii Escherichia coli Bacteroides uniformis Roseburia faecis

29 Den Hauptbeitrag zum Unterschied zwischen Crohn Geschwistern und gesunden Kontrollen leistet das mukosale Faecalibacterium prausnitzii Mean % abundance Mean % dissimilarity % Contribution % Cumulative Species Siblings Healthy Faecalibacterium prausnitzii Escherichia fergusonii Sutterella wadsworthensis Shigella flexneri Bacteroides vulgatus Eubacterium rectale Oscillospira guilliermondii Bacteroides dorei Ruminococcus gnavus Bacteroides uniformis Roseburia faecis

30 Hedin et al. Gut 2012 Low-risk, healthy individual Normal microbiota Environmental triggers At-risk relative Mucosal dysbiosis Diversity F. prausnitzii Crohn s disease Mucosal dysbiosis Diversity F. prausnitzii E. coli Intestinal epithelium Intact intestinal barrier Treg Treg Increased permeability CD4 CD4 Regulatory Th1/ Th17 Neutrophil activation and calprotectin release Th1/ Th17

31 Sokol 31 et al. PNAS 2008 Mucosal Faecalibacterium prausnitzii n=13

32 Das Mikrobiom bei CED

33 Das Mikrobiom bei CED

34 Fäkaler Stuhltranfer bei CED

35 Die Geschichte der Stuhltransplantation/Therapie Vor >1000 Jahren wurde in der Traditionell Chinesischen Medizin Patienten mit schweren Diarrhoen mit gelber Suppe behandelt, eine Aufbereitung von Stuhl und Wasser Childhood-Diarrhea-Comes-Straight-from-the-Gut.aspx Seit dem 16. Jahrhundert: Nachweis von Transfaunation : Erkrankte Rinder wurde mit dem Darminhalt gesunder Rinder behandelt 19. Jahrhundert: Bedouinen in Nord Afrika: Orale Aufnahme von Kamel Stuhl zur Therapie von Diarrhoe as (bakterielle Dysenterie) 2. Weltkrieg: Von Soldaten im Afrikakrieg eingesetzt 1958: Stuhleinläufe zur Therapie der pseudomembranösen Colits Eiseman et al. Surgery 1958

36 Fecal microbiota transplantation (FMT): Publications Pubmed January 2014

37 Wichtige Punkte Auswahl des Spenders Vorbereitung des Transplantats Form der Applikation Vorbereitung des Patienten Begleitende Therapie

38 Auswahl des Spenders Verwandte/bekannte Spender werden bevorzugt - Partner - Familienmitglieder - Freunde Rationale: Vergleichbares Infektionsspektrum in der Anamnese Aber: Höheres Risiko die Screening Kriterien nicht zu erfüllen Starkey et al. JAMA 1989 Dennoch: Von den Patienten gewünscht

39 Auswahl des Spenders Sha et al. APT 2014 All information on pts published in English /2013

40 Screening-Untersuchung des Spenders Ausschlußkriterien Infektion in der jüngeren Vergangenheit Autoimmunkrankheit, Allergien CED oder andere (chronische) gastrointestinale Erkrankungen Adipositas, Metabolisches Syndrom Medikation mit potentiellem Einfluß Antibiotika! Auslandsaufenthalte (in Ländern mit niedrigen Hygienestandards) Tätowierung (in den letzten 6 Monaten) Risikoreiches Sexualverhalten/ Promiskuität Drogenmißbrauch Psychiatrische Krankheiten Neurologische Krankheiten

41 Screening-Untersuchung des Spenders Weitere Ausschlußkriterien Serologische Marker HIV 1 und 2 Hepatitis A, B, C Syphilis (TPHA) Yersinia, campylobacter, entameba (AB) Stuhlmarker Ova und Parasiten Bakterielle Infektionen (einschließlich EHEC, salmonella, shigella,yersinia, campylobacter, giardia AG) Clostridium difficile (Toxin + GLDH, PCR bei diskrepanten Ergebnissen)

42 Auswahl des Spenders We have found that more than 90% of potential donors do not pass the screening evaluations. Khoruts, Minneapolis Petrof & Khoruts Gastroenterology 2014 Most recipients are not able to indentify and recruit a donor.

43 Applikationsform Sha et al. APT 2014

44 Vorbereitung des Patienten Landy et al. APT 2011; Sha et al. APT 2014 Preparation Keine Antibiotische Vorbehandlung Kolonlavage Keine Antibiotika 48 h vor der Applikation (Loperamid?) (Probiotische Therapie des Spenders?) Begleitende Therapie Keine Überwachung für (24-) 48 h Untersuchung des Microbioms Wiederholte Transplantation (bis zu 69x)

45 FMT Was verabreichen wir? Bakterien Viren Parasiten Pro-infammatorische Proteine Anti-inflammatorische Proteine

46 Fäkaler Stuhltranfer bei CED Patienten mit chronische entzündlichen Darmerkrankungen haben einen relativen Mangel an Diversivität (Vielfalt) in ihrem Mikrobiom (eine relative Dysbiose). Ob eine mikrobiellen Therapie mit Stuhl von gesunden Spendern (Fäkale Mikrobiota Therapie/Transplantation - FMT) einen positiven therapeutischen Effekt bei IBD erzielen kann ist derzeit im Fokus verschiedener klinischer Studien.

47 Fäkaler Stuhltranfer bei Morbus Crohn

48 Fäkaler Stuhltranfer bei Colitis ulcerosa

49 Fäkaler Stuhltranfer bei Colitis ulcerosa

50 Mikrobiom Einführung Mikrobiom bei CED Mikrobiologische Therapie bei CED Stuhltransplantation bei C.diff. Infektionen Ausblick KLINIKEN ESSEN-MITTE, Internal and Integrative Medizin

51 Stuhltransplantation bei CED

52 Meta-analyse: Stuhlransplantation bei rezidivierender C. diff-colitis Kassam Z et al, Am J Gastroenterol 2013;108:500-8

53 Fäkaler Stuhltranfer bei C.diff. Infektion 80 Cases included adult (75) and pediatric (5) patients treated with FMT for recurrent (55 % ), refractory (11 % ), and severe and / or overlap of recurrent / refractory and severe CDI (34 % ). The mean follow-up period between FMT and data collection was 11 months (range 3 46 months). Reasons for IC included: HIV / AIDS (3), solid organ transplant (19), oncologic condition (7), immunosuppressive therapy for inflammatory bowel disease (IBD; 36), and other medical conditions / medications (15). The CDI overall cure rate was 89 %. Am J Gastro, 2014

54 Fäkaler Stuhltranfer bei C.diff. Infektion Am J Gastro, 2014

55 Mikrobiom Einführung Mikrobiom bei CED Mikrobiologische Therapie bei CED Stuhltransplantation bei C.diff. Infektionen Ausblick KLINIKEN ESSEN-MITTE, Internal and Integrative Medizin

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57 Fäkaler Stuhltranfer bei C.diff Infektion Stuhlbank University of Minnesota OpenBiome (MIT), Cambridge, MA Spezielle intestinale Bakterienkulturen Gereinigte intestinale Bakterienkulturen aus Stuhl Eine Kombination aus 6 Bakterienstämmen ist effektiv im Tiermodell

58 Stool Bank OpenBiome 196 Boston Avenue Medford, MA Costs: 250,-$ per fecal sample plus shipping «AIM: Providing hospitals with screened, filtered and frozen material.»

59 Fäkaler Stuhltranfer bei C.diff. Infektion