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Wie Darmbakterien Biomoleküle verschicken

Die Stoffwechselprodukte der Darmbakterien wirken in vielfältiger Weise: Sie trainieren etwa unsere Immunzellen, steuern Stoffwechselprozesse im Körper und tragen höchstwahrscheinlich zur Entstehung von neurologischen- oder Krebserkrankungen bei. Wie Bakterienstoffe jedoch in entfernte Organe wie der Leber oder das Gehirn gelangen, war bislang nicht geklärt. Vermutet wird, dass als Transportmittel kleine Kapseln (Membranbläschen oder Vesikel) verwendet werden, die mit bakteriellen Enzymen, Proteinen oder auch RNA-Erbmolekülen gefüllt sind.

Ein internationales Wissenschaftsteam hat jetzt an Mäusen untersucht, wie Bakterien ihre Stoffwechselprodukte in solchen Vesikeln verteilen. Dazu besiedelten die ForscherInnen den Darm von Mäusen mit E.-coli-Bakterien, die eine bestimmte Genschere produzierten (Cre) und diese über Vesikel in die Umgebung abgaben. Die Mäuse besaßen in Körperzellen ein Gen für ein rotes Leuchtprotein, das durch die Genschere aktiviert werden konnte (Cre/LoxP-System). So konnte das Ziel der Vesikel, die von einzelnen Zellen des Darms, der Leber, der Milz, des Herzens, der Nieren sowie von Immunzellen aufgenommen wurden, nachverfolgt werden. Sogar einzelne Nervenzellen des Gehirns leuchteten rot auf.
Die Fluoreszenzbilder wiesen auch darauf hin, dass die Vesikel wahrscheinlich über den Blutstrom im Körper verteilt werden.

Bioaktive Bakterienstoffe wurden auch von den Stammzellen der Darmschleimhaut aufgenommen, was bedeutet, dass Darmbakterien womöglich sogar dauerhaft die Eigenschaften der Darmschleimhaut verändern können. Der neue Ansatz könnte jetzt helfen, den Einfluss von Darmbakterien auf Krankheiten besser zu verstehen und die Entwicklung von neuartigen Verabreichungsformen von Medikamenten oder Impfstoffen zu fördern.

Referenz:
Universität Frankfurt, Universität Erlangen-Nürnberg, University of California
Visualizing transfer of microbial biomolecules by outer membrane vesicles in microbe-host-communication in vivo, J Extracell Vesicles 2021; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jev2.12159?af=R

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Wie das Immunsystem die Darmflora in Schach hält

Die im Darm lebenden Bakterienstämme bestehen aus bis zu 1000 verschiedenen Arten. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Verdauung und verhindern auch Infektionen. Im Gegensatz zu Krankheitserregern, die von außen eindringen, werden sie vom Immunsystem toleriert. Wie es das Immunsystem schafft, dieses Gleichgewicht aufrecht zu erhalten, ist noch weitgehend unverstanden. Bekannt ist, dass Immunglobuline vom Typ A, sogenannte IgA-Antikörper, eine wichtige Rolle spielen. Sie machen zwei Drittel der menschlichen Immunglobuline aus und sind meist gegen gutartige Bakterien der Darmflora gerichtet.

Schweizer Forschenden gelang es nun den Effekt von Ig-A-Antikörper, die sich spezifisch gegen eine Art von Escherichia-Coli-Bakterien richten, in vitro und im Darm von Mäusen nachzuverfolgen. Dabei zeigte sich, dass die Antikörper die Fitness der Bakterien auf verschiedene Weise kontrollierten. Zum Beispiel wurde die Beweglichkeit der Bakterien eingeschränkt oder die Aufnahme von Zuckerbausteinen für den Stoffwechsel der Bakterien behindert.

Die Frage, wieso das Immunsystem mit den gutartigen Bakterien im Darm ein Gleichgewicht erzielt, pathogene Eindringlinge dagegen wirksam vernichten kann, ist nach wie vor nicht abschließend geklärt. „Unser Versuch zeigt aber, dass IgA-Antikörper das Gleichgewicht zwischen dem menschlichen Organismus und der Darmflora fein austarieren können“, meint Ko-Autor Andrew Macpherson vom Inselspital Bern. Die Erkenntnisse erweitern nicht nur das grundlegende Verständnis des Immunsystems im Darm, sondern tragen auch zur Impfstoffentwicklung bei. „Wenn wir verstehen, wie und wo genau die Antikörper die Mikroorganismen im Darm erkennen, können wir auch Vakzine gegen pathogene Organismen gezielter designen“, so Studienleiter Tim Rollenske, Universität Bern.

Referenz:
Universität Bern, DKFZ Heidelberg
Parallelism of intestinal secretory IgA shapes functional microbial fitness, Nature 2021; https://www.nature.com/articles/s41586-021-03973-7

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Krebs: Spezifisches Protein verursacht höheres Sterberisiko für Männer

Männer haben gegenüber Frauen ein auffällig erhöhtes Risiko für einen schweren Krankheitsverlauf von lebensbedrohenden Krankheiten wie etwa Krebs. Als Erklärung wird häufig angeführt, dass dies auf einen riskanteren Lebensstil (Tabak-, Alkoholkonsum) zurückzuführen ist. Es müssen jedoch auch Lebensstil-unabhängige Faktoren eine Rolle spielen. Einer dieser Parameter wurde nun von einem Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) identifiziert.
Auf der Basis von Patientenkohorten aus Deutschland und Kanada offenbarte sich, dass Männer, deren Blut eine erhöhte Konzentration des körpereigenen Proteins TIMP1 aufweist, ein deutlich erhöhtes Risiko haben, an Krebs zu versterben. Weitergehende Analysen zeigten, dass der Anstieg von TIMP1 eine Verstärkung der Lebermetastasierung zur Folge hat, die bei Bauchspeicheldrüsenkrebs, Darmkrebs und beim Melanom zum Tod führt.

„TIMP1 ist nicht bei allen Männern erhöht, aber die Entdeckung von TIMP1 als im Blut nachweisbaren Risikoparameter ermöglicht es der Klinik nun, diejenige Gruppe von Männern mit einem hohen Risiko für die Bildung lebensbedrohlicher Lebermetastasen zu identifizieren“, so Forschungsleiter Achim Krüger: „In Verbindung mit unserer aktuellen Entdeckung bieten sich jetzt neue Möglichkeiten für eine personalisierte Medizin mit optimierten Diagnose- und zielgerichteten Therapieoptionen.“

Im nächsten Schritt möchte die Arbeitsgruppe nun den molekularen Ursachen der männerspezifisch veränderten Bildung von TIMP1 weiter auf den Grund gehen.

Referenz:
Technische Universität München
TIMP1 expression underlies sex disparity in liver metastasis and survival in pancreatic cancer, J Exp Med. 2021; https://rupress.org/jem/article-abstract/218/11/e20210911/212647/TIMP1-expression-underlies-sex-disparity-in-liver

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Möglicher Durchbruch bei Zöliakie-Behandlung

Die Zöliakie ist eine der häufigsten entzündlichen Erkrankungen des Dünndarms. Bereits kleinste Mengen glutenhaltiger Nahrungsmittel (Getreide) lösen dabei Entzündungen der Dünndarmschleimhaut aus die auf Dauer zu einer Verkleinerung der Oberfläche der Darmschleimhaut führen. Dadurch können Betroffene weniger Nährstoffe aus der Nahrung aufnehmen. Die Erkrankung kann auch zu Komplikationen wie Blutarmut, Knochenschwund oder Wachstumsverzögerungen führen.

Eine neues Zöliakiemedikament, der Transglutaminase-Hemmer ZED1227, könnte das Leben der Betroffen künftig verbessern, zeigt eine eben veröffentlichte Studie. Der Enzymblocker verhindert die Veränderung von Gluten-Bruchstücken, die bei Zöliakiepatienten zur Entstehung von Antikörper (sogenannte TG2-Antikörper) und den genannten Entzündungsreaktionen führt.   

Untersucht wurde das Medikament an 160 Patienten und mehreren Studienorten in sieben europäischen Ländern. Die neue Substanz verhinderte in jeder Dosierung die glutenbedingte Entzündung und den Zottenschwund. Dabei erwies sich die höchste Dosierung als am wirksamsten. Darüber hinaus verbesserten sich mit jeder Dosierung des Medikaments die Zöliakie-typischen Symptome sowie die empfundene Lebensqualität.

Damit ist es das erste Zöliakie-Medikament, für das eine klinische Wirksamkeit belegt werden konnte. Experten gehen aber davon aus, dass sich Betroffene weiterhin weitgehend glutenfrei ernähren werden müssen. Das Medikament könnte aber zumindest das in manchen Lebensmitteln „versteckte“ Gluten neutralisieren und so zu einer Verminderung von Symptomen beitragen.

Referenz:
Universität Mainz, Duisburg-Essen, Jena, Berlin, München, Oslo University…
A Randomized Trial of a Transglutaminase 2 Inhibitor for Celiac Disease, N Engl J Med 2021;
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2032441

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Häufigkeit der Zöliakie nimmt zu

Laut einer Studie, die am 6. Weltkongress für pädiatrische Gastroenterologie, Hepatologie und Ernährung vorgestellt wurde, hat ein Screening bei Kindern im Schulalter zu einer deutlich höheren Zahl von Zöliakiefällen als erwartet, geführt.

Zöliakie (gluteninduzierte Enteropathie) wird dadurch verursacht, dass der Körper Antikörper gegen Gluten produziert, ein Protein, das in Weizen, Gerste und Roggen vorkommt. Diese schädigen die Darmschleimhaut und verursachen Symptome wie Blähungen, Schmerzen, Durchfall, Anämie und andere Erkrankungen, die mit einer Malabsorption von Nährstoffen verbunden sind, einschließlich Müdigkeit, Anämie, Osteoporose und Fruchtbarkeitsproblemen. Bei Säuglingen und Kindern kann die Zöliakie Bauchschmerzen, Blähungen und Erbrechen verursachen sowie zu Wachstumsstörungen und verzögerter Pubertät führen.
Sie ist eine der häufigsten lebenslangen Erkrankungen in Europa. Wirksamste Behandlung ist eine strikte glutenfreie Ernährung.

Das Screening-Programm, das 7760 Kinder im Alter von fünf bis elf Jahren einschloss, ergab eine Zöliakie-Gesamtprävalenz von 1,6 Prozent. „Damit hat sich die Häufigkeit der Zöliakie bei Schulkindern in den letzten 25 Jahren im Vergleich zu den Zahlen unseres Teams in einer ähnlichen Schulaltersgruppe verdoppelt,“ warnt Studienleiterin Elena Lionetti, Universität Ancona: „Im Moment werden 70 Prozent der Zöliakie-Patienten nicht diagnostiziert und diese Studie zeigt, dass deutlich mehr Kinder in einem früheren Stadium identifiziert werden könnten, wenn das Screening im Kindesalter mit nicht-invasiven Screening-Tests durchgeführt würde.“ Eine rechtzeitige Diagnose und eine entsprechende Diät könnte die Darmschäden verhindern, die zur Malabsorption von Nährstoffen und damit zu den langfristigen Erkrankungen wie Wachstumsproblemen oder Osteoporose führen.

Referenz:
Università Politecnica, Ancona
Mass screening for celiac disease in school-age children: the CELI-SCREEN multicenter study, presented at the 6th World Congress of Paediatric Gastroenterology, Hepatology and Nutrition, 4.5.2021

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Künstliche Beatmung über den Darm?

Der Kampf seines Vaters gegen eine Lungenerkrankung brachte Dr. Takanori Takebe von der Tokyo Medical und dem Cincinnati Children’s Hospital Medical auf die Idee, neue Methoden für eine künstliche Beatmung zu suchen. Ein Blick ins Tierreich diente ihm dabei als Inspiration. So ist bekannt, dass gewisse Fische, wie etwa Schmerlen, an die Wasseroberfläche kommen, um Luft zu schnappen, wenn es mit der Kiemenatmung knapp wird. Das sie keine Lungen besitzen, nehmen Sie den so gewonnen Sauerstoff über den Darm auf.

Sein Forschungsteam wies nun nach, dass dies auch für Säugetiere wie Mäuse, Ratten und Schweine gilt. Reduziert man die Sauerstoffzufuhr der Versuchstiere und führt ihnen diesen in Gasform in den Darm ein, wird dieser ähnlich wie bei den Fischen aufgenommen. Um die Sauerstoffaufnahme zu verbessern, musste dafür allerdings erst die Darmschleimhaut „vorbereitet“ werden, indem zuvor eine Entzündung hervorgerufen wurde.

Da diese Methode nicht auf den Menschen übertragbar ist, wurde den Tieren in einem zweiten Versuch, Sauerstoff in flüssiger Form zugeführt. Mit dem Ergebnis, dass beide Experimente zum Erfolg führten. Die „rektale Beatmung“ ermöglichte es den Tieren einen Sauerstoffentzug der Lunge zu überleben. Dass das Verfahren so gut funktioniert, überraschte sogar die Forscher: „Es war wirklich erstaunlich zu sehen, dass sich die Tiere vollständig von der sehr schweren Hypoxie erholten, so Takebe.

Die neue Beatmungstechnik könnte jetzt auch Menschen zugutekommen. So könnte die Sauerstoffversorgung bei Patienten mit Atemnot auf diese Weise unterstützt werden. Auch im Fall eines Mangels an Beatmungsgeräten, wie er derzeit in einigen Ländern wegen der Corona-Pandemie herrscht, könnte der innovative Ansatz zum Zug kommen.

Referenz:
Tokyo Medical (TMDU), University of Cincinnatti
Mammalian enteral ventilation ameliorates respiratory failure, Med 2021; https://www.cell.com/med/fulltext/S2666-6340(21)00153-7?utm_source=EA

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Sprechen Nervenzellen mit Darmbakterien?

Verschiedene Krankheiten des Verdauungstrakts, zum Beispiel gravierende Darmentzündungen beim Menschen, sind eng an Störungen der natürlichen Beweglichkeit des Darms gekoppelt. Welche Rolle die Peristaltik in Verbindung mit dem Mikrobiom – also die natürliche mikrobielle Besiedlung des Verdauungstrakts – spielt, wird derzeit intensiv untersucht. Unklar ist insbesondere, wie die Kontraktionen gesteuert werden und wie die als Schrittmacher agierenden Zellen des Nervensystems mit den Mikroorganismen zusammenarbeiten.

Einem Forschungsteam aus der Arbeitsgruppe Zell- und Entwicklungsbiologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) gelang es nun am Beispiel des Süßwasserpolypen Hydra erstmals zu belegen, dass stammesgeschichtlich alte Neuronen und Bakterien tatsächlich direkt miteinander kommunizieren. Überraschenderweise stellten die Forschenden fest, dass sich die Nervenzellen über Immunrezeptoren, also gewissermaßen mithilfe der Mechanismen des Immunsystems, mit den Mikroorganismen austauschen. Auf dieser Grundlage formulierten die Wissenschaftler die Hypothese, dass das Nervensystem bereits von Beginn der Evolution an nicht nur sensorische und motorische Funktionen übernimmt, sondern auch für die Kommunikation mit den Mikroben mitverantwortlich ist.
„Möglicherweise ist es so, dass Nervenzellen erfunden wurden, um die Kommunikation mit den für den Körper so wichtigen Mikroben überhaupt erst zu ermöglichen“, so die Untersucher.

Sollte diese Hypothese zutreffen, eröffnet sie auch völlig neue Perspektiven auf die Entstehung und künftige Behandlung von menschlichen Darmerkrankungen, die auf einer gestörten Beweglichkeit des Darms beruhen. Denn ein Zusammenhang zwischen dem Zustand des Mikrobioms und den Störungen der Darmbeweglichkeit besteht sehr wahrscheinlich auch beim Menschen. „Zukünftig müssen wir also auch die Rolle der Nervenzellen bei der Entstehung und Therapie von entzündlichen Darmerkrankungen berücksichtigen“, meinen die Wissenschaftler. Je besser die Forschenden deren Beteiligung an der Krankheitsentstehung verstehen, desto näher rücken therapeutische Eingriffe in das Mikrobiom, die eine gesunde Darmbeweglichkeit und damit eine Behandlung von chronischen Darmerkrankungen erlauben könnten.

Referenzen:
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Pressemitteilung: Entstanden Nervenzellen um mit Mikroben zu sprechen?
https://www.uni-kiel.de/de/detailansicht/news/168-klimovich-pnas
Originalpublikation: Thomas C.G. Bosch et al: Prototypical pacemaker neurons interact with the resident microbiota, PNAS First published 09 July 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.1920469117

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Zu viel Salz schadet dem Darmmikrobiom

Insbesondere für Frauen mit unbehandeltem Bluthochdruck scheint es sowohl hinsichtlich der Hypertonie als auch des Darmmikrobioms von Vorteil zu sein, die Salzaufnahme auf ein gesünderes Niveau zu senken, berichten amerikanische Wissenschaftler.

Anhand von Blutuntersuchungen bei 145 Erwachsenen konnten sie nachweisen, dass bereits eine sechswöchige Salzreduktion zu einer Erhöhung von kurzkettigen Fettsäuren (FCSAs) im Blut der Probanden führt. Diese werden von Darmbakterien produziert und sind ein Indikator für ein gesundes Darmmikrobiom. Bei den Studienteilnehmern wirkte sich die Erhöhung der FCSAs günstig auf die Elastizität der Blutgefässe aus und verringerte in Folge auch den Blutdruck. Besonders ausgeprägt war der Effekt bei Frauen.

Damit liegen nun auch erstmals Daten beim Menschen vor. Im Tiermodell wiesen erste Studien bereits auf den direkten Zusammenhang zwischen salzreicher Ernährung, Mikrobiom und hohem Bluthochdruck hin. Es wird angenommen, dass FCSAs auch eine wichtige Rolle bei Entzündungen, Fettleibigkeit und Diabetes zukommt.

Referenz:
Augusta University Health, Georgia
Modest Sodium Reduction Increases Circulating Short-Chain Fatty Acids in Untreated Hypertensives; 

https://doi.org/10.1161/HYPERTENSIONAHA.120.14800

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