6. Folien Hornef

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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 ?