DAS MIKROBIOM Thomas S. Ebert

DER ANFANG Wie wir uns entwickeln

EMBRYOGENESE Ektoderm: Haut, Sinnesorgane, Zähne und das ZNS Mesoderm: Knochen, Muskeln, Gefäße, Blut, Niere, Gonaden, Herz Entoderm: Lunge, Leber, Gallenblase, Bauchspeicheldrüse, Gastrointestinaltrakt

UNSER VERDAUUNGSSYSTEM

DER MUND Zahnschmelz härteste Material Kaumuskulatur stärkster Muskel Zunge beweglichster Muskel.des menschlichen Körpers dienen zur mechanischen Aufschließung Sekretion von Speichel Amylasen -> Spaltung von Kohlenhydraten Muzine -> Schutz der Schleimhäute und Erhöhung der Gleiteigenschaft des Nahrungsbolus Antibakteriell und mineralisierend

DIE SPEISERÖHRE Erstes Drittel -> wahrnehmbare quergestreifte Muskulatur Unterer Teil -> glatte Muskulatur und Beginn der unbewussten Nahrungsaufbereitung Propulsive Peristaltik, ca. 8s Mündet seitlich in den Magen

DER MAGEN Gebogene Form trennt Flüssiges von Festem Starke Muskulatur zur physischen Verkleinerung und Homogenisation der Nahrung HCL (0,5% -> ph 1-1,5) zur Denaturierung, Pepsin und Lipasen zur weiteren chemischen Zerlegung Ein Ringmuskel (Magenpförtner) Übergang zum Darm

DER DARM

DER DÜNNDARM 3-6m Länge Eigenes sehr komplexes Nervensystem (Brain-Gut-Axis) Primärer Ort der Nährstoffabsorption ins Blutsystem Starke Vergrößerung der Oberfläche durch Falten, Zotten, Mikrovilli, Glykokalix oft mit bis zu 500m 2 angegeben, sind aber nur 30m 2 Fläche Helander, HF & Fändriks, L. Surface area of the digestive tract revisited. Scandinavian journal of (2014). doi:10.3109/00365521.2014.898326

KERCKRING-FALTEN

VILLI INTESTINALES UND CRYPTAE INTESTINALES

MIKROVILLI UND GLYKOKALYX

BLINDDARM UND DICKDARM aufsteigender- querverlaufender- Blinddarm -> Re-Besiedelung nach Darmerkrankung Appendix -> Teil des Lymphatischen Organen (wie Mandeln) und dient der Abwehr und Toleranzbildung Dickdarm -> Regulierung des absteigender- Dickdarm Wasser-/Salzhaushaltes, Lagerung Blinddarm und Appendix

MIKROBEN IM DICKDARM 1. Abbau von Ballaststoffen und Produktion von vielen Vitaminen (Thiamin, Riboflavin, Pyridoxin, K, B3, B5, B7, B12, Folsäure) 2. Schutz vor Pathogenen durch Entzug von Sauerstoff und Nährstoffen (Barrierefunktion) 3. Energieversorgung der Darmschleimhautzellen durch Produktion von Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure (SCFAs) -> trägt zur Aufrechterhaltung der Barrierefunktion bei (Leaky-Gut) 4. 70-80% aller Immunzellen befinden sich in der Darmschleimhaut. GALT (von engl. gut associated lymphoid tissue) Neben der Abwehr von Pathogenen ist der Kontakt zu Mikroben für die Toleranzbildung von besonderer Bedeutung Miller, TL & Wolin, MJ. Pathways of acetate, propionate, and butyrate formation by the human fecal microbial flora. Applied and Environmental Microbiology (1996). at <http://aem.asm.org/content/62/5/1589.short>

DIE MIKROBEN Eine eigene Welt in unserem Körper

DAS MIKROBIOM Mikrobiota -> Gesamtheit der Mikroben Mikrobiom -> Gesamtheit aller Gene der Mikroben die den Menschen besiedeln Das menschliche Genom besteht aus ca. 20000 Genen, unser Mikrobiom ist 30x größer Consortium, H. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome.nature (2012). doi:10.1038/nature11234

DAS MIKROBIOM Mikrobiota -> Gesamtheit der Mikroben Mikrobiom -> Gesamtheit aller Gene der Mikroben die den Menschen besiedeln Das menschliche Genom besteht aus ca. 20000 Genen, unser Mikrobiom ist 30x größer WARUM IST DAS AUF EINMAL SO MEDIENPRÄSENT? Consortium, H. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome.nature (2012). doi:10.1038/nature11234

WAS BISHER GESCHAH Kulturbasierte Nachweisung von Mikroben

16S rrna SEQUENZIERUNG 1. Stuhlprobe 2. Extraktion der DNA 3. 16S rrna Sequenzierung 4. Abgleich mit Datenbanken

MIKRO-/ VS. MOLEKULARBIOLOGIE Kultivierung auf spezifischen Nährböden >80% Bakterien nicht kultivierbar Entnahme-/Transportbedigungen beeinflussen Zusammensetzung Nachweis von kultivier-/ sowie unkultivierbaren Bakterien Hohe Sensitivität/Spezifität Unkomplizierter Transport qualitativer Nachweis von Quantitativ Krankheitserregern Li L, Mendis N, Trigui H, Oliver JD, Faucher SP. The importance of the viable but non-culturable state in human bacterial pathogens. Front Microbiol 2014;5: 258.

UNSERE MIKROBIOTA 99% aller Mikroben die uns besiedeln befinden sich im Darm Gesamte Darmflora von 2 Kg setzt sich aus ca. 100 Billionen Bakterien von 500-1000 Arten zusammen 90% der Mikrobiota besteht aus den Stämmen: Bacteroidetes (Prevotella) und Firmicutes, Proteobacteria, Actinobacteria (Bifidobacteria) Consortium, H. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome.nature (2012). doi:10.1038/nature11234

GENETISCHER FINGERABDRUCK Jeder hat seine eigene, einzigartige mikrobielle Aura

Bacteroides Prevotella Ruminococcus Eine Bakterien-Gattung dominiert, unabhängig von Alter, Geschlecht und ethnischer Herkunft (ähnlich der Blutgruppen) Arumugam, M. et al. Enterotypes of the human gut microbiome. Nature 473, 174 80 (2011).

Bacteroides Prevotella Ruminococcus Vitamine C B2 (Riboflavin) B5 (Pantothensäure) H (Biotin) häufig bei den Fleischessern der westlichen Welt Vitamin B1 (Thiamin) Folsäure typisch für Vegetarier verwerten besonders gut Zellulose (Ballaststoff) und viele Zucker Tragen zur Häm- Produktion bei

DIE ENTWICKLUNG UNSERER MIKROBIOTA In der Gebärmutter sind wir völlig keimfrei Bei der Geburt beginnt die Besiedelung mit Laktobazillen der Vaginalflora, Bakterien der Darmflora sowie der Haut Muttermilch fördert die Besiedelung durch schützende Bifidobakterien und enthaltene Antikörper schützen vor Pathogenen Kaiserschnitt führt zur gestörten Primärbesiedelung und verzögert die Entwicklung der finalen Darmflora stark -> Fehler in der Toleranzbildung Dominguez-Bello, MG & Costello, EK. Delivery mode shapes the acquisition and structure of the initial microbiota across multiple body habitats in newborns.proceedings of the (2010). doi:10.1073/pnas.1002601107

Tamburini, S., Shen, N., Wu, H. & Clemente, J. The microbiome in early life: implications for health outcomes. Nature Medicine 22, 713 722 (2016).

Kinder aus Haushalten mit Hunden haben eine viel höhere Vielfalt ihrer Mikrobiota Studien zeigten, dass Asthma bei diesen Kindern seltener ist.

ADIPOSITAS Daniel Lambert war Anfang des 19. Jahrhunderts der schwerste Mann der Welt

ERKLÄRUNGSVERSUCHE Genetische Ursachen unwahrscheinlich (Entwicklung zu schnell und in zu vielen Länder gleichzeitig) Urbanisierung Weniger Bewegungsmöglichkeiten, gestiegenes Nahrungsangebot (Technologischer Fortschritt) Einseitige, schlechtere Ernährung mit kalorienreicher Kost (weniger Zeit für Zubereitung von ausgewogener/gesunder Kost) Bleich, S., Cutler, D., Murray, C. & Adams, A. Why Is the Developed World Obese?Annu Rev Publ Health 29, 273 295 (2008).

1960 2009

Turnbaugh, PJ, Ley, RE, Mahowald, MA & Magrini, V. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. nature (2006). doi:10.1038/nature05414 Ridaura, VK, Faith, JJ, Rey, FE & Cheng, J. Gut microbiota from twins discordant for obesity modulate metabolism in mice. (2013). doi:10.1126/science.1241214 Hamady, M, Yatsunenko, T, Cantarel, BL & Duncan, A. A core gut microbiome in obese and lean twins. nature (2009). doi:10.1038/nature07540 WELCHE ROLLE SPIELT DIE MIKROBIOTA Mausmodelle und Studien mit Zwillingen zeigten: weniger Bacteroides und mehr Fermicutes (Firmicutes/Bacteroides- Ratio) Erhöhte/effizientere Kohlenhydratverstoffwechslung Erhöhte Durchlässigkeit der Darmwände (Leaky Gut -> LPS im Blut -> Inflammation) Reduzierte Diversität

ANTIBIOTIKA Zunehmende Entstehung von resistenten Keimen führt in den USA jährlich zu 2 Millionen Krankheitsfällen und bis zu 23000 Toden Eine einzige Antibiotika-Therapie ist in der Lage die gesunde Darmflora für über ein Jahr zu schädigen Anstieg von Resistenzgenen sowie starke Reduktion von bekannten Butyrate- Produzenten (SCFA) Die Mundflora zeigte sich deutlich robuster Korpela, K. et al. Intestinal microbiome is related to lifetime antibiotic use in Finnish pre-school children. Nat Commun 7, 10410 (2016).

DYSBIOSE

Vielen Dank, haben sie Fragen? Thomas Ebert