Einfluß des Mikrobioms auf chronische Krankheiten: Auswirkungen auf die Medizinorganisation

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1 Einfluß des Mikrobioms auf chronische Krankheiten: Auswirkungen auf die Medizinorganisation Prof. Dr. med. Mathias Hornef, Institut für Medizinische Mikrobiologie Universitätsklinikum der RWTH Aachen XI. Innovationskongress der Deutschen Hochschulmedizin Berlin, 1-2. Oktober 2015

2 Das Mikrobiom Geschichte Beschreibung und Definition Etablierung und beeinflussende Faktoren Funktionelle Bedeutung Assoziation mit chronischen Erkrankungen Diagnostische und therapeutische Möglichkeiten Probleme & Visionen

3 Geschichte: Das Mikrobiom das vergessene Organ REYNIERS JA, TREXLER PC Louis Pasteur ( ) Is life possible without the microbiota? C.R. Acad Sci Paris, 100: 68, 1885 Ann N Y Acad Sci May 8;78: Beschreibung von special pathogen-free mice J. Exp Med., 1959

4 Beschreibung und Definition: Das Mikrobiom des Darmes Analytische Methoden Kulturell: aerob und anaerob 16S rdna Sequenzierung (Sequenzierung des 16S rdna Gens) Metagenom (Genom-Sequenzierung von Keimgemischen, auch: DNA Viren) Transkriptom (Expressionsarray oder Sequenzierung alle mrnas) Metabolom (Analyse der Metabolite) H. Rüssmann, S Ribosom

5 Beschreibung und Definition: Das Mikrobiom des Darmes The Human Microbiome Project (2008, 115 Million US$) 16S rdna: Bacterial Phyla Metagenom: Categories of genes (COGs) Turnbough et al., Nature, 2009

6 Beschreibung und Definition: Das Mikrobiom des Darmes Bakterien ( /ml Darminhalt), 10x die Anzahl von Körperzellen Bakterien (davon 99% obligate Anaerobier), Viren ( Virom ), Phagen, Pilze (v.a. Hefen), Parasiten (Würmer und Protozoen), Archeae bakterielle Spezies, 160 Spezies/Individuum, Spezies machen >99% der Gesamtzahl aus 100 x so viele Gene wie das humane Genom Charakteristika: Zusammensetzung ( enterotypes, dysbiosis ) & Diversität Variation abhängig von anatom. Lokalisation Bacteroides spp. Clostridium spp. Fusobacterium spp. Eubacterium spp. Ruminococcus spp. Peptococcus spp. Peptostreptococcus spp. Bifidobacterium spp. Escherichia spp. Lactobacillus spp. etc. Viele Spezies sind nicht kultivierbar und kaum beforscht

7 Etablierung und beeinflussende Faktoren: postnatale Kolonisierung Vaginal delivery C-section Palmer et al., PLoS Biol., 2007 Dominguez-Bello, PNAS, 2010 Gonzales, EMBO Rep, 2011

8 Etablierung und beeinflussende Faktoren: postnatale Kolonisierung Interindividuelle Variation Diversität Yatsunenko Nature, 2012

9 Etablierung und beeinflussende Faktoren: postnatale Kolonisierung Untersuchung des Mikrobioms von 98 Mütter-Kinder-Paaren Absetzten der Muttermilch induziert die Reifung des Darmmikrobioms Die Etablierung verläuft nichtzufällig Änderungen im Nährstoff- und Fremdstoffwechsel charakterisieren die Reifung

10 Etablierung und beeinflussende Faktoren: Das Mikrobiom beim Erwachsenen Stuhlproben von 37 Erwachsenen über 5 Jahre 16S rdna Sequenzierung: 101±27 Spezies/Person. 16SrDNA LEA Seq: Hohe Stabilität der Zusammensetzung mit 60% identischen Bakterienstämmen über die Zeit. Sequenzierung von 524 Stämmen: Austausch nur zwischen Familienmitgliedern (Geschwister, Eltern, Partner)

11 Beeinflussende Faktoren: Ernährung & Exposition Keimfreie Mäuse wurden mit einer definierten Flora (10 Bakterienstämme) kolonisiert und verschiedenen Diäten gefüttert.

12 Beeinflussende Faktoren: Genetik Crossing of two mouse strains Analysis of the microbiota and genetic markers in 645 individuals Result: Certain loci are strongly associated with the microbiota composition, i.e. the host shapes the microbiota Benson, PNAS, 2010

13 Die funktionelle The Bedeutung situation within der Mikrobiota the intestinal im Gastrointestinaltrakt tract Nahrungsdegradation, Vitamine, Metabolismus Kolonisierungsresistenz (Schutz vor Infektion) Reifung des mukosalen Immunsystems (Epithel und Immunzellen) und Angiogenese der Darmmukosa Empfindlichkeit gegenüber chronischen Erkrankungen wie mukosaler Entzündung, Adipositas, Diabetes etc. Sommer und Bäckhed, Nat Rev Immunol., 2013 Verhalten etc.

14 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: CED Chronisch entzündliche Darmerkrankungen (CED): Morbus Crohn und Colitis ulcerosa Assoziation von M. Crohn mit einzelnen Erregern M. paratuberculosis (Feller, Lancet Infect Dis, 2007) Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) (Darfeuille-Michaud, Gastroenterology, 2004) bzw. Mangel an Faecalibacterium prausnitzii (Sokol, PNAS, 2008) Änderungen der Zusammensetzung der Flora bei M. Crohn und Colitis ulcerosa Verhältnis Bacteroides / Clostridiales sowie Proteobacteriae (Kang, IBD, 2010; Andol, J. Gastroenterol, 2011) Änderung der anatomischen Verteilung (Swidzinski, J. Clin. Microbiol. 2005) Crohn Entz. IBS Qin et al., Nature., 2010 Swidsinski, J. Clin. Microbiol., 2005

15 Assoziation mit chronische Erkrankungen: Adipositas Turnbaugh et al., Nature, 2009 Ley et al., Nature, 2006

16 Assoziation mit chronische Erkrankungen: Adipositas

17 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Adipositas Mikrobiom von 123 adipösen und 169 Kontroll-Patienten Niedrige Diversität des Mikrobioms ist assoziiert mit: -Adipositas -Insulinresistenz (Typ 2 Diabetes) -Dyslipidemie -Erhöhte Entzündungsparameter

18 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Nicht-alkoholische Steatohepatitis (Fettleber) Bakterielle Liganden für Rezeptoren des angeborenen Immunsystems (TLR4 and 9) induzieren/unterstützen die sterile Entzündung der Leber. Änderungen der Mikrobiota durch Störung der Homöostase (Nlrp3 -/- ) unterstützen diesen Prozess. Lamkanfi and Kanneganti, 2012

19 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Nicht-alkoholische The situation within Steatohepatitis the intestinal (Fettleber) tract Erhöhte Bakteriendichte bei schwerer Steatose Änderungen der Mikrobiom- Zusammensetzung Störungen der epithelialen Barriere

20 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Asthma

21 Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Asthma Antibiotika-Behandlung bei neugeborenen Mäusen erhöht die Allergierate Immunzellen vermindern durch IL- 22/Reg3γ Expression die Antigenaufnahme Clostridien wirken dem entgegen

22 Wo stehen wir mit der Mikrobiom-Forschung? Unterschiede in der Mikrobiom-Zusammensetzung werden bei vielen chronischen Erkrankungen beschrieben (v.a. Kohorten-Studien). Weitgehend unklar ist die funktionelle Bedeutung (Ursache oder z.b. Folge der Therapie) In Tiermodellen kann z.t. eine funktionelle Bedeutung von Mikrobiota- Veränderungen bzw. einzelnen Bakterienspezies gezeigt werden. Mikrobiom als infektiöse Ursache für humane Erkrankungen? Bedeutung der Mikrobiom-Analyse zu diagnostischen Zwecken? Möglichkeiten der Manipulation des Mikrobioms zu therapeutischen Zwecken?

23 Gibt es eine kolitogene Darmflora? Ma, Cell, 2007

24 Diagnostische und therapeutische Möglichkeiten

25 Diagnostische Möglichkeiten 80 Patienten, allogene Stammzelltransplantation 16S rdna Sequenzierung Diversität der Mikrobiota (Simpson) versus Überleben

26 Therapeutische Möglichkeiten: Probiotika WHO Definition: Probiotika sind lebende Mikroorganismen, welche... einen Gesundheitseffekt auf den Wirt haben. Dazu zählen z.b. E. coli Nissle, Lactobacillus casei, Saccharomyces cerevisiae Probleme Kolonisationsresistenz Probiotika sind kommensale Bakterien - Remissions-Therapie bei UC (E. coli Nissle) (Kruis, Gut, 2004) - Allergie-Prävention bei Kaiserschnitt-geborenen Kindern (Kuitunen, J Allergy Clin Immunol, 2009) - Unterstützende Therapie bei Rotavirus-Infektionen (Kinder) (Moreno Muñoz Appl Environ Microbiol, 2011) - Therapie bei Frühchen mit NEC (necrotizing enterocolitis) (Ganguli K, J Clin Gastroenterol. 2011) - Puchitis nach Kolonrekonstruktion (Gionchetti, Gastroenterol., 2003) ibscoloncare.com

27 Therapeutische Möglichkeiten: Stuhltransplantation (Fecal The situation microbiota within transplantation, the intestinal tract FMT) Eiseman, B., Silen, W., Bascom, G.S. & Kauvar, A.J. Fecal enema as an adjunct in the treatment of pseudomembranous enterocolitis. Surgery 44, (1958). Problem Sicherheit (Übertragung von Infektionserregern)

28 Probleme & Visionen Stand der Dinge Die grundsätzliche Bedeutung des Mikrobioms ist verstanden Technologien sind vorhanden (noch teuer) Probleme Bisher v.a. vergleichende Kohortenstudien (Ursache oder Folge?) Interpretation einzelner Befunde kaum möglich Aufgaben Grundlagenforschung zum Verständnis der Wirts-Mikrobiom Interaktion -Metabolismus, Entzündung, Allergien Grundlagenforschung zur Prävention und Möglichketen der Manipulation -Mikrobiom Entstehung beim Neugeborenen -Einfluß von Faktoren der Umwelt und Ernährung Kontrollierte Interventionsstudien beim Menschen

29 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

30 Probiotics Round and Mazmanian, 2009

31 Keimfreie gezüchtete Tiere als Modellorganismen Das mukosale Immunsystem in keimfreien Mäusen Sekundäre und tertiäre lymphoide Organe T-Lymphozyten- Populationen Antimikrobielle Peptide Immunerkennung (adaptiv und angeboren) Round und Mazmanian 2009

32 Reifung des Immunsystems bei keimfreien Tieren GF Ratten bilden keine Keimzentren in den PP B cells T cells CD86+ F= follicles * =germinal center exgf GF CD4+ CD86+ B cells

33 Einfluß der Darmflora auf die IgA Synthese Die Darmflora-induzierte Produktion und Diversität des mukosalen IgA (somat. Hypermutation) Lindner, J. Exp Med Hapfelmeier, Science, 2010

34 Die Bedeutung von Segmented filamentous bacteria / Candidatus athromitus Segmented filamentous bacteria Ivanov, Muc Immunol, 2010 T cell B cell

35 Die Bedeutung von Segmented filamentous bacteria für die T H Zellentwicklung Segmented filamentous bacteria induzieren die Differenzierung von T H Lymphocyten Ivanov et al., Cell, 2009 Gaboriau-Routhiau et al., Immunity, 2009 Mazmanian, Immunity, 2009 Cerf-Bensussan, Nat Rev Immuol, 2010

36 T H 17 Zellen erkennen SFB-spezifische Antigene Th17 Zellen (nicht aber non-th17 Zellen) in SFB kolonisierten Mäusen reagieren gegen SFB-spezifische Antigene

37 SFB-spezifische Antigene in SFB nicht aber Listerien induzieren T H 17 Zellen IL-17a ELISPOT Th17 Hybdridome nicht aber nicht-th17 Hybridome proliferieren auf SFB Antigen Kolonisierung mit SFB, nicht aber SFB Antigen-exprimierenden Listerien induziert Th17 Zellen

38 Was zeichnet Segmented filamentous bacteria aus?

39 Gibt es Segmented filamentous bacteria beim Menschen? Candidatus athromitus (Lachnospiridae)

40 Welche funktionelle Rolle spielt die Besiedlung mit SFBs? Bildung von Th17 Lymphozyten trägt zur autoimmun-vermittelten Arthritis bei 1. Kolonisierung von keimfreien Mäusen 2. anti-il-17 Behandlung Im Gegensatz dazu: Th17 Zellen schützen vor einer bakteriellen Infektion (C. rodentium)

41 Die Induktion von regulatorischen T Lymphozyten durch B. fragilis PSA Kapselpolysaccharid (PSA) von Bacteroides fragilis via Toll-like Rezeptor (TLR) 2 auf T REG Zellen fördert die mukosale Homöostase Round and Mazmanian, Science, 2011 Troy, Front Biosci, 2010

42 B. fragilis outer membrane vesicles (OMV) vermitteln die T Reg Induktion Outer membrane vesicles (OMV) von B. fragilis vermitteln die Bildung von regulatorischen Zellen via Tlr2

43 Die Induktion von regulatorischen T Lymphozyten durch Clostridien Nagano et al., Currf Opinion Immunol., 2012

44 Identifikation stimulatorischer Clostridium spp. und ihre protektive Wirkung Selektion einer Clostridialen Mikrobiota (17 Stämme) T reg Induktion durch den +23 Mix Protektive Wirkung von 17 Stämmen im Kolitis Model

45 SCFA vermitteln die stimulatorische Wirkung von Clostridien auf T Reg SCFAs beeinflussen die Bildung von regulatorischen T Zellen Butyrat bessert die T Zell-vermittelte Kolitis Butyrat beeinfluß die Chromatin-Modifikationen im FoxP3 Lokus Also: Smith et al., Science, 2013

46 Zusammenfassung der Wirkung einzelner Bakterienspezies Segmentous filamentous bacteria (SFB) induzieren die Bildung von SFB spezifischen Th17 T Lymphozyten Ivanov, Cell, 2009; Gaboriau-Routhiau, Immunity, 2009; Goto, Immunity, 2014; Yang, Nature, 2014 Bifidobacterium infantis, induzieren T Reg Zellen via Tlr2/6 und Tlr9 O'Mahony, PLoS Pathogens, 2008; Konienczna, Gut, 2012 Cerf-Bensussan, Nat Rev Immunol Hooper, Littman, MacPherson, Science, 2012 Bacteroides fragilis PSA in OMV induziert T Reg via TLR2 Round and Mazmanian, Science, 2011 Troy, Front Biosci, 2010; Shen CHM, 2012 Clostridien der Cluster IV and XIVa induzieren T Reg Zellen durch SCFA Atarashi, Science, 2011; Atarashi, Nature, 2013; Furusawa, Nature, 2013

47 Ist die Bakterien-vermittelte Immunreifung Organ-spezifisch? Darm Haut

48 Hat die bakterielle Flora einen Wirkung auf die systemische Immunantwort? Mikrobiomproduziertes Peptidoglykan beeinflußt die Bakterizidie von Granulozyten im Knochenmark

49 Einfluß kommensaler Bakterien auf die anti-virale Immunantwort LCMV Virustiter Influenza Virustiter und Mortalität Eine Antibiotikainduzierte Änderungen der mikrobiellen Flora vermindern die angeborene und adaptive Immunantwort auf eine Virusinfektion

50 Wirts-spezifische Effekte der mikrobiellen Flora Humane Darmflora HMb Murine Darmflora HMb GF Immunentwicklung

51 Die schützende Wirkung von Faecalibacterium prausnitzii beim Menschen CD4CD8αα Lymphozyten haben eine regulatorische Funktion F. prausnitzii wird vermindert unter pathologischen Bedingungen gefunden (z.b. M. Crohn) Sie sind F. prausnitzii spezifisch Sie sind vermindert bei IBD Patienten

52 Gibt es eine kolitogene Flora?

53 Das Mikrobiom Beschreibung und Definition 1. Pathogene Bakterien Pathobionten Kommensale Bakterien

54 Front. Cell. Inf. Microbio. 2:104. doi: /fcimb

55 Änderungen des Mikrobioms und chronische Erkrankungen: Adipositas

56 Microbiota alterations and clinical disease : Adipositas Keine obesogenes Mikrobiom sondern induzierte Veränderungen durch die mütterliche Diät ( adiposity ) Änderung der Diät korrigiert nicht alle Änderungen in utero ( neonatal window ) Ma et al., 2014

57 Microbiota alterations and clinical disease: IBD Inflammatory bowel diseases: Crohn s disease and ulcerative colitis Association of Crohn s disease with individual pathogens M. paratuberculosis (Feller, Lancet Infect Dis, 2007) Adherent-invasive Escherichia coli (AIEC) (Darfeuille-Michaud, Gastroenterology, 2004) Faecalibacterium prausnitzii (Sokol, PNAS, 2008) Microbiota alterations in patients with Crohn s disease or ulcerative colitis bacteroides / clostridium ratio and γ-proteobacteriae (Kang, IBD, 2010; Andol, J. Gastroenterol, 2011) Change in the anatomical distribution (Swidzinski, J. Clin. Microbiol. 2005) Crohn Entz. IBS Qin et al., Nature., 2010 Swidzinski, J. Clin. Microbiol., 2005

58 Microbiota analysis: Individual benefit? Costs? Interpretation? Consequences?