6. Folien Hornef

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
Das Mikrobiom
The situation within the intestinal tract
• Geschichte
• Beschreibung und Definition
• Etablierung und beeinflussende Faktoren
• Funktionelle Bedeutung
• Assoziation mit chronischen Erkrankungen
• Diagnostische und therapeutische Möglichkeiten
• Probleme & Visionen
Geschichte: Das Mikrobiom – das „vergessene“ Organ
The situation within the intestinal tract
REYNIERS JA, TREXLER PC
Louis Pasteur (1822-1895)
„Is life possible
without the
microbiota?“
Ann N Y Acad Sci. 1959 May 8;78:116-26.
Beschreibung von „special pathogen-free“ mice
C.R. Acad Sci Paris, 100:
68, 1885
J. Exp Med., 1959
Beschreibung und Definition: Das Mikrobiom des Darmes
The situation within the intestinal tract
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, 2003
16S Ribosom
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
Beschreibung und Definition: Das Mikrobiom des Darmes
The situation within the intestinal tract
• 1014 Bakterien (1011-1012/mL Darminhalt), 10x die
Anzahl von Körperzellen
• Bakterien (davon 99% obligate Anaerobier), Viren
(„Virom“), Phagen, Pilze (v.a. Hefen), Parasiten
(Würmer und Protozoen), Archeae
• 300-1000 bakterielle Spezies, 160
Spezies/Individuum, 30-40 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
• Viele Spezies sind nicht kultivierbar und kaum
beforscht
Bacteroides spp.
Clostridium spp.
Fusobacterium spp.
Eubacterium spp.
Ruminococcus spp.
Peptococcus spp.
Peptostreptococcus spp.
Bifidobacterium spp.
Escherichia spp.
Lactobacillus spp.
etc.
Etablierung und beeinflussende Faktoren: postnatale Kolonisierung
The situation within the intestinal tract
Vaginal delivery C-section
Palmer et al., PLoS Biol., 2007
Dominguez-Bello, PNAS, 2010
Gonzales, EMBO Rep, 2011
Etablierung und beeinflussende Faktoren: postnatale Kolonisierung
Interindividuelle Variation
Diversität
Yatsunenko Nature, 2012
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
Etablierung und beeinflussende Faktoren: Das Mikrobiom beim Erwachsenen
The situation within the intestinal tract
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)
Beeinflussende Faktoren: Ernährung & Exposition
The situation within the intestinal tract
Keimfreie Mäuse wurden
mit einer definierten Flora
(10 Bakterienstämme)
kolonisiert und
verschiedenen Diäten
gefüttert.
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
Die funktionelle
Bedeutung
der Mikrobiota
im Gastrointestinaltrakt
The
situation within
the intestinal
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.
•
Verhalten etc.
Sommer und Bäckhed, Nat Rev Immunol., 2013
Assoziation mit chronischen Erkrankungen: CED
The situation within the intestinal tract
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
Qin et al., Nature., 2010
Entz.
IBS
Swidsinski, J. Clin. Microbiol., 2005
Assoziation mit chronische Erkrankungen: Adipositas
The situation within the intestinal tract
Turnbaugh et al., Nature, 2009
Ley et al., Nature, 2006
Assoziation mit chronische Erkrankungen: Adipositas
The situation within the intestinal tract
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
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
Assoziation mit chronischen Erkrankungen:
Nicht-alkoholische
Steatohepatitis
(Fettleber)
The situation within
the intestinal
tract
Erhöhte
Bakteriendichte
bei schwerer
Steatose
Störungen der
epithelialen
Barriere
Änderungen der
MikrobiomZusammensetzung
Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Asthma
Assoziation mit chronischen Erkrankungen: Asthma
Antibiotika-Behandlung bei neugeborenen
Mäusen erhöht die Allergierate
Clostridien
wirken dem
entgegen
Immunzellen vermindern durch IL22/Reg3γ Expression die Antigenaufnahme
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 MikrobiotaVeränderungen 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 ?
Gibt es eine „kolitogene Darmflora“ ?
The situation within the intestinal tract
Ma, Cell, 2007
Diagnostische und therapeutische Möglichkeiten
The situation within the intestinal tract
Diagnostische Möglichkeiten
The situation within the intestinal tract
80 Patienten, allogene
Stammzelltransplantation
16S rDNA Sequenzierung
Diversität der Mikrobiota
(Simpson) versus Überleben
Therapeutische Möglichkeiten: Probiotika
The situation within the intestinal tract
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
Therapeutische Möglichkeiten: Stuhltransplantation
(Fecal
microbiota
transplantation,
FMT)
The situation
within
the intestinal tract
Eiseman, B., Silen, W., Bascom, G.S. & Kauvar, A.J.
Fecal enema as an adjunct in the treatment of pseudomembranous enterocolitis.
Surgery 44, 854–859 (1958).
Problem
Sicherheit (Übertragung
von Infektionserregern)
Probleme & Visionen
The situation within the intestinal tract
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
Herzlichen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
Probiotics
The situation within the intestinal tract
Round and Mazmanian, 2009
Keimfreie gezüchtete Tiere als Modellorganismen
The situation within the intestinal tract
Das mukosale Immunsystem in keimfreien Mäusen
Sekundäre und tertiäre
lymphoide Organe
T-LymphozytenPopulationen
Antimikrobielle
Peptide
Immunerkennung
(adaptiv und
angeboren)
Round und Mazmanian 2009
Reifung des Immunsystems bei keimfreien Tieren
The situation within the intestinal tract
GF Ratten bilden keine Keimzentren in den PP
B cells
T cells
CD86+
CD4+
F= follicles
* =germinal
center
exGF
GF
CD86+ B cells
Einfluß der Darmflora auf die IgA Synthese
The situation within the intestinal tract
Die Darmflora-induzierte Produktion und Diversität
des mukosalen IgA (somat. Hypermutation)
Lindner, J. Exp Med. 2012
Hapfelmeier, Science, 2010
Die Bedeutung von Segmented filamentous bacteria / Candidatus athromitus
The situation within the intestinal tract
Segmented filamentous bacteria
Ivanov, Muc Immunol, 2010
T cell
B cell
Die Bedeutung von Segmented filamentous bacteria für die TH Zellentwicklung
The situation within the intestinal tract
„Segmented filamentous bacteria“ induzieren
die Differenzierung von TH Lymphocyten
Ivanov et al. , Cell, 2009
Gaboriau-Routhiau et al. , Immunity, 2009
Mazmanian, Immunity, 2009
Cerf-Bensussan, Nat Rev Immuol, 2010
TH17 Zellen erkennen SFB-spezifische Antigene
The situation within the intestinal tract
Th17 Zellen (nicht aber non-Th17 Zellen) in SFB kolonisierten Mäusen reagieren gegen SFB-spezifische Antigene
SFB-spezifische Antigene in SFB nicht aber Listerien induzieren TH17 Zellen
The situation within the intestinal tract
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
Was zeichnet Segmented filamentous bacteria aus?
The situation within the intestinal tract
Gibt es Segmented filamentous bacteria beim Menschen?
The situation within the intestinal tract
Candidatus athromitus
(Lachnospiridae)
Welche funktionelle Rolle spielt die Besiedlung mit SFBs?
The situation within the intestinal tract
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)
Die Induktion von regulatorischen T Lymphozyten durch B. fragilis PSA
The situation within the intestinal tract
Kapselpolysaccharid (PSA) von Bacteroides fragilis
via Toll-like Rezeptor (TLR) 2 auf TREG Zellen fördert die mukosale Homöostase
Round and Mazmanian, Science, 2011
Troy, Front Biosci, 2010
B. fragilis outer membrane vesicles (OMV) vermitteln die TReg Induktion
The situation within the intestinal tract
Outer membrane vesicles (OMV) von B. fragilis vermitteln die Bildung von regulatorischen Zellen via Tlr2
Die Induktion von regulatorischen T Lymphozyten durch Clostridien
The situation within the intestinal tract
Nagano et al., Currf Opinion Immunol., 2012
Identifikation stimulatorischer Clostridium spp. und ihre protektive Wirkung
The situation within the intestinal tract
Selektion einer Clostridialen Mikrobiota (17 Stämme)
T reg Induktion durch den +23 Mix
Protektive Wirkung von 17 Stämmen im Kolitis Model
SCFA vermitteln die stimulatorische Wirkung von Clostridien auf TReg
The situation within the intestinal tract
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
Zusammenfassung der Wirkung einzelner Bakterienspezies
The situation within the intestinal tract
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 TReg Zellen via
Tlr2/6 und Tlr9
O'Mahony, PLoS Pathogens, 2008;
Konienczna, Gut, 2012
Cerf-Bensussan, Nat Rev Immunol. 2010
Bacteroides fragilis PSA in
OMV induziert TReg via TLR2
Round and Mazmanian, Science, 2011
Troy, Front Biosci, 2010; Shen CHM, 2012
Clostridien der Cluster IV and
XIVa induzieren TReg Zellen
durch SCFA
Atarashi, Science, 2011; Atarashi, Nature,
2013; Furusawa, Nature, 2013
Hooper, Littman, MacPherson, Science, 2012
Ist die Bakterien-vermittelte Immunreifung Organ-spezifisch?
Darm
Haut
Hat die bakterielle Flora einen Wirkung auf die systemische Immunantwort?
The situation within the intestinal tract
Mikrobiomproduziertes
Peptidoglykan
beeinflußt die
Bakterizidie von
Granulozyten im
Knochenmark
Einfluß kommensaler Bakterien auf die anti-virale Immunantwort
The situation within the intestinal tract
LCMV Virustiter
Eine Antibiotikainduzierte
Änderungen der
mikrobiellen Flora
vermindern die
angeborene und
adaptive
Immunantwort auf
eine Virusinfektion
Influenza Virustiter und Mortalität
Wirts-spezifische Effekte der mikrobiellen Flora
The situation within the intestinal tract
Humane
Darmflora
HMb
Murine
Darmflora
HMb
GF
→ Immunentwicklung
Die schützende Wirkung von Faecalibacterium prausnitzii beim Menschen
The situation within the intestinal tract
CD4CD8αα Lymphozyten haben eine regulatorische Funktion
Sie sind F. prausnitzii spezifisch
F. prausnitzii wird vermindert
unter pathologischen
Bedingungen gefunden (z.B.
M. Crohn)
Sie sind vermindert bei IBD Patienten
Gibt es eine „kolitogene Flora“ ?
The situation within the intestinal tract
Das Mikrobiom– Beschreibung und Definition
The situation within the intestinal tract
1.
Pathogene Bakterien
Pathobionten
Kommensale Bakterien
Front. Cell. Inf. Microbio. 2:104. doi: 10.3389/fcimb.2012.00104
Änderungen des Mikrobioms und chronische Erkrankungen: Adipositas
The situation within the intestinal tract
Microbiota alterations and clinical disease : Adipositas
The situation within the intestinal tract
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
Microbiota alterations and clinical disease: IBD
The situation within the intestinal tract
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
Qin et al., Nature., 2010
Entz.
IBS
Swidzinski, J. Clin. Microbiol., 2005
Microbiota analysis: Individual benefit ?
The situation within the intestinal tract
Costs ?
Interpretation ?
Consequences ?

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