Probiotika. Effekte auf die Mikrobiota

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1 Probiotika Beispielbild Effekte auf die Mikrobiota Jürgen Zentek Institut für Tierernährung, Freie Universität Berlin

2 Gliederung Tier Definition Interaktion Kolonisierung 2

3 Probiotika Altes Konzept: - Ilja Iljitch Metschnikow - Nobelpreis für Physiologie oder Medizin "in recognition of their work on immunity 3

4 Probiotika Ilja Iljitch Metschnikow The animal organism is very complex and for this reason it is often hard to explain in simple concepts the phenomena to be observed 4

5 Probiotika: Indikationen Nutztier - Leistung - Verbesserte Widerstandskraft - Prävention gegenüber Erkrankungen 5

6 Wirkmechanismen von Probiotika Exklusion, Reduktion Immunmodulation Wachstumsstimulierung 3 Adhäsion Konzentration 2 Mikrobiota Pathogene + Unerwünschte Keime Symbionten - Bifidobakterien - Laktobazillen Laktat Laktatverbrauchende Keime Probiotikum (Laktobazillen * ) 1 Darmwand ph Perfusion Motilität Absorption Mukusproduktion SCFA * mod. OHASHI and USHIDA

7 Definition Probiotika - πρό βίος: für das Leben - Wirkmechanismus wird oft auf die Mikrobiota bezogen, z.b. Lilly and Stillwell (1965) - a live microbial feed supplement which beneficially affects the host animal by improving its intestinal microbial balance (Fuller 1989) 7

8 Probiotika Kriterien für Probiotika (Fuller 1989): a) In ausreichender Menge produzierbar b) Lebensfähig c) Lagerungsstabil d) Kolonisation des Gastrointestinaltrakts e) Wirtsorganismus sollte direkt oder indirekt profitieren f) Sicherheit Verordnungen (EG) Nr. 1831/2003 Nr. 429/2008 8

9 Probiotika: Zulassung EU-weite Zulassung - Bakterien - Enterococcus faecium - Streptococcus infantarius - Bacillus subtilis, licheniformis, cereus var. toyoi - Lactobacillus acidophilus, rhamnosus, casei, plantarum, farciminis - Pediococcus acidilactici - Hefen - Saccharomyces cerevisiae 9

10 Probiotika: Wirksamkeit Effektivität abhängig von: - Verabreichung einer ausreichenden Anzahl von lebenden Mikroorganismen - Hoher Überlebensrate? - Produkt - Magen-Darmtrakt 10

11 Gliederung Tier Definition Interaktion Kolonisierung 11

12 Kolonisierung Kapazität zur Besiedlung des porzinen Gastrointestinaltrakts mit Probiotika Spezifische Obergrenzen -> Klimax theorie Bazillen: B. cereus, B. subtilis, B. licheniformis Laktobazillen: L. murinus, L. salivarius, L. pentosus, L. plantarum, L. reuteri, L. sobrius, L. murinus. L. lactis, L. rhamnosus, L. casei Bifidobakterien: B. lactis, B. choerinum, B. animalis ssp. lactis Pediokokken: P. pentosaceus Enterokokken: E. faecium Escherichia: E. coli Nissle Saccharomyces cerevisiae 12

13 log/g Probiotika: Magen/Darmtrakt Dosierung von 1E+11 Probiotika: 1E+10 1E X Meist 10 6 Keime/g Futter Herstellerangaben sind relativ einheitlich 10 1 Futter Darm 13

14 Zellzahlen, log/g E. faecium Zellzahlen in Kotproben von Sauen (E. faecium) Tage ante/post partum Ingo Starke, Diss. In Vorbreitung 14

15 Zellzahlen, log/g Zellzahlen, log/g Zellzahlen, log/g Zellzahlen in Digestaproben von Ferkeln (E. faecium) Saugferkel Absetzferkel E. faecium (NCIMB 10415) Tag 14 E. faecium (NCIMB 10415) Tag 35 E. faecium (NCIMB 10415) Tag 56 Ingo Starke, Diss. In Vorbreitung 15

16 Gliederung Tier Definition Interaktion Kolonisierung 16

17 Interaktionen Quorum Sensing Pigmente Bioaktive Peptide Stressproteine Lipopolysaccharide Oberflächenaktive Substanzen Kurzkettige Fettsäuren Lektine Enzyme Antimikrobielle Substanzen gasförmige Moleküle Aminosäuren Kohlenhydrate Nukleinsäuren, mirna Hormonähnliche Substanzen Amine Vitamine (z.b. Biotin, Folsäure) mod. nach Shenderov

18 Zellzahlen, log/g Zellzahlen in Kotproben von Sauen (Laktobazillen) Gabe eines Probiotikums (E. faecium) wenige Verschiebungen der Mikrobiota Laktobazillen 12 Lactobacilli 11 * Control Probiotic log cell number/ g wet weight * * Tage ante/post time [d] partum Project A1 (Vahjen and Starke) 18

19 Qualitative Verschiebung in Kotproben von Sauen (DGGE) Reduktion der mikrobiellen Diversität und Veränderung der Verteilung post partum Shannon diversity index * * * * * * * Evenness * * * band number band number time [d] Tage ante/post partum Control Probiotic time [d] Tage ante/post partum =>Möglicherweise verminderte Diversität durch Zunahme dominanter Keime Project A1 (Vahjen and Starke) 19

20 Zellzahlen, log/g Zellzahlen, log/g Zellzahlen in Kotproben von Ferkeln (Bifidobakterien) Tag 14 Tag 28 20

21 Clostridium Cluster IV bei Ferkeln * Clostridium Cluster IV Tag 14 Clostridium Cluster IV Tag 35 21

22 Probiotika: Magen/Darmtrakt Metabolische Wirkungen im Intestinaltrakt: - Stoffwechselaktivität ~ Milchsäure - E. faecium: - Laktat im Dünndarm tendenziell - Dickdarm: Effekte nur schwach und schwer nachzuweisen 22

23 Probiotika: Antagonismen Lactobacillus mucosae, acidophilus, reuteri: - Produktion hemmender Substanzen - Wirkung gegen E. coli und S. Typhimurium - Wirkung ist dosisbezogen - Effektiver bei niedrigerem ph-wert Tzortzis et al

24 Probiotika: Antagonismen Theorie - Probiotika besetzen epitheliale Bindungsstellen - Oft als Biofilm bezeichnet - Dadurch sollen sie pathogene Mikroorganismen antagonisieren/verdrängen 24

25 Probiotikaeinsatz Probiotika verdrängen pathogene Bakterien Probiotika: B. lactis BB12 L. rhamnosus LGG Adhäsion der pathogenen Bakterien Stammunterschiede Lokalisationsunterschiede Probiotika Enteropathogene Collado et al

26 Nachweishäfuigkeit (%) Nachweishäufigkeit von E. coli -Serotypen im terminalen Kolon ( Lebenstag) E. faecium NCIMB (Sau und Ferkel) B. cereus var. toyoi (Sau und Ferkel) % = Kontrollgruppe ND ND ND ND -hämo. O8 O108 O139 O141:K85 O147 ND, nicht detektiert Scharek et al., 2005 Tedin,

27 Probiotika: Antagonismen Enterococcus faecium ohne Einfluss auf die Diversität von E. coli- Klonen bei Ferkeln Kontrolle Σ Mukosa und Digesta Schierack et al. (2007) + Probiotikum 27

28 Probiotika und virale Mikrobiota Ferkel mit E. faecium - Unterschiede in der Virenausscheidung - Astrovirus -> nur bei Kontrollferkeln - Rotavirus -> Ausscheidung später und reduziert Kreuzer et al., submitted 28

29 Gliederung Tier Definition Interaktion Kolonisierung 29

30 Einsatz von Probiotika mit dem Ziel der Verbesserung der Tiergesundheit Effekte von Probiotika und Diarrhöeprophylaxe bei Ferkeln - Bacillus subtilis (Bhandari et al. 2008) - Bacillus subtilis und B. licheniformis (Alexopoulos et al. 2004) - Enterococcus faecium (Taras et al. 2006; Zeyner und Boldt 2006) - Lactobacillus sobrius (Konstantinov et al. 2008) - Lactobacillus rhamnosus (Zhang et al. 2010) - Pediococcus acidilactici und Saccharomyces cerevisiae boulardii (Lessard et al. 2009) - Escherichia coli Nissle (Trebichavsky et al. 2010) 30

31 log/g Konstantinov et al Probiotika: Antagonismen Lactobacillus sobrius vermindert Effekte einer ETEC-Infektion bei Ferkeln (Keimzahlen in der Ileumdigesta) Kontrolle L. sobrius 20,0 18,0 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 * 6,0 4,0 2,0 0,0 * < 3 Gesamtkeimzahl L. sobrius-like L. sobrius DSM ETEC * 31

32 % Tiere mit Darrhöe Probiotika und pathogene Bakterien Bacillus sp. -> Durchfalltage Kontrollgruppe Probiotikagruppe Tage post infectionem Salmonella Typhimurium Tedin et al. (2012) 32

33 Numbers of Salmonella (LOG) log Salmonella/g Probiotika und pathogene Bakterien Bacillus sp. -> Salmonella Typhimurium Salmonella cell counts (cfu) in rectum content or feces (trials 1 and 2) Control Bacillus Wochen Time post post infection infectionem [Weeks] Tedin et al. (2012) 33

34 Probiotika und pathogene Bakterien Bacillus cereus - Salmonella-Infektion: Fäkale Ausscheidung Tedin et al. (2012) Enterococcus faecium - Salmonella-Infektion: Fäkale Ausscheidung und Organbefunde, ± Szabo et al. 2009, Janczyk et al

35 Schlussfolgerung Probiotika haben spezifische Effekte auf die Mikrobiota Neue Erkenntnisse zeigen, dass sie auch bei Nutztieren gesundheitliche Vorteile bringen können Wirkmechanismen sind weiter aufzuklären, insbesondere auch zur Erklärung der Variabilität der Effekte 35

36 Danksagung Wilfried Vahjen Ingo Starke Robert Pieper Susan Kröger Lydia Tedin Lena Martin Ortwin Simon SFB 852 Kooperationspartner Marita Eitinger Petra Huck Annett Kriesten Luisa Rode Britta Kluge 36