Der menschliche Darm beherbergt Hunderte verschiedener Bakterienarten, die zusammen als Darmmikrobiom bezeichnet werden. Ein großer gesundheitlicher Vorteil besteht darin, den Darm vor eindringenden Krankheitserregern (krankheitsverursachenden Mikroorganismen) zu schützen, die schädliche Infektionen verursachen könnten. Doch bisher war unklar, wie diese Schutzwirkung zustande kommt und ob bestimmte Bakterienarten eine wichtigere Rolle spielen als andere.
Um dies zu untersuchen, testeten Forscher der Universität Oxford 100 verschiedene Darmbakterienstämme einzeln und in Kombination auf ihre Fähigkeit, das Wachstum von zwei schädlichen bakteriellen Krankheitserregern zu begrenzen: Klebsiella pneumoniae Und Salmonella enterica. Einzelne Darmbakterien zeigten eine sehr schlechte Fähigkeit, die Ausbreitung beider Krankheitserreger einzudämmen. Aber wenn Gemeinschaften von bis zu 50 Arten zusammen kultiviert wurden, wuchsen die Krankheitserreger bis zu 1000-mal weniger effektiv als wenn sie mit einzelnen Arten kultiviert wurden. Dieser „Gemeinschaftsschutzeffekt“ wurde unabhängig davon beobachtet, ob die Bakterien zusammen in Fläschchen oder bei „keimfreien“ Mäusen (die zu Beginn der Experimente keine ansässigen Darmbakterien hatten) kultiviert wurden.
Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Kolonisierungsresistenz eine kollektive Eigenschaft von Mikrobiomgemeinschaften ist; Mit anderen Worten: Ein einzelner Stamm ist nur dann schützend, wenn er mit anderen kombiniert wird.“
Kevin Foster, Autor, Professor, Abteilungen für Biologie und Biochemie, Universität Oxford
Allerdings stellten die Forscher fest, dass die Mitglieder der Bakteriengemeinschaften – und nicht nur die Gesamtvielfalt – einen entscheidenden Einfluss auf das Schutzniveau hatten. Es wurde festgestellt, dass bestimmte Arten für den gemeinschaftlichen Schutz von entscheidender Bedeutung sind, auch wenn diese Arten für sich genommen kaum Schutz boten.
Die Forscher zeigten, dass schützende Bakteriengemeinschaften das Wachstum von Krankheitserregern blockieren, indem sie die Nährstoffe verbrauchen, die der Krankheitserreger benötigt. Durch die Untersuchung der Genome der verschiedenen Bakterienarten stellten sie fest, dass die schützendsten Gemeinschaften aus Arten bestanden, deren Proteinzusammensetzungen denen der pathogenen Arten sehr ähnlich waren. Sie verwendeten auch Stoffwechselprofile, um zu zeigen, dass die schützenden Arten einen ähnlichen Bedarf an Kohlenstoffquellen hatten wie die Krankheitserreger.
Die Autorin Frances Spragge (Abteilungen für Biologie und Biochemie, Universität Oxford) fügte hinzu: „Obwohl eine erhöhte Mikrobiomvielfalt die Wahrscheinlichkeit eines Schutzes gegen diese Krankheitserreger erhöht, ist die Überschneidung der Nährstoffnutzungsprofile zwischen der Gemeinschaft und dem Krankheitserreger von entscheidender Bedeutung.“ „Bestimmte Arten, die eine entscheidende Rolle beim Schutz der Gemeinschaft spielen, weisen ein hohes Maß an Stoffwechselüberschneidungen mit dem Krankheitserreger und daher einen ähnlichen Nährstoffbedarf auf.“
Die Forscher nutzten dieses Prinzip der Nährstoffblockierung, um Bakteriengemeinschaften vorherzusagen, die einen schwachen und einen starken Schutz gegen einen anderen Krankheitserreger bieten würden: einen antimikrobiell resistenten E coli Beanspruchung. Bei experimentellen Tests überlappten sich die Gemeinschaften mit den höchsten Nährstoffen mit den E coli Der Stamm reduzierte die Häufigkeit des Erregers bis zu 100-mal wirksamer als die Gemeinschaften, von denen vorhergesagt wurde, dass sie nur einen schwachen Schutz bieten würden.
Den Forschern zufolge könnten diese neuen Erkenntnisse in neuartige Strategien zur Bekämpfung schädlicher Darmpathogene durch die Optimierung der Darmmikrobiomgemeinschaften weiterentwickelt werden. Sie können auch erklären, warum Individuen anfälliger für Arten wie werden können K. pneumoniae nach der Einnahme von Antibiotika, die die Vielfalt der Darmmikrobiomarten verringern können.
Autor Dr. Erik Bakkeren (Abteilungen für Biologie und Biochemie, Universität Oxford) fügte hinzu: „Unsere Arbeit unterstützt die allgemeine Hypothese, dass ein vielfältigeres Mikrobiom gesundheitliche Vorteile mit sich bringen kann.“ „Das Ziel, die Zusammensetzung des Mikrobioms zum Schutz vor gesundheitsschädlichen Bakterienarten zu optimieren, ist vielversprechend.“
Quelle:
Zeitschriftenreferenz:
Spragge, F., et al. (2023). Die Mikrobiomvielfalt schützt durch Nährstoffblockierung vor Krankheitserregern. Wissenschaft. doi.org/10.1126/science.adj3502.
