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Darm-Test: Krankheiten auf Grundlage des menschlichen Mikrobioms erkennen

Darm-Test: Krankheiten auf Grundlage des menschlichen Mikrobioms erkennen

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Ein Beitrag der Medizin Doc Redaktion vom 18. Mai 2021

Harvard Medical School – Im menschlichen Körper leben Billionen von Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroorganismen, die das menschliche Mikrobiom bilden.

In den letzten Jahren wurde die Mischung dieser ansässigen Bakterien und das Vorhandensein bestimmter Bakterienarten mit Krankheiten in Verbindung gebracht, die von Fettleibigkeit bis zu Multipler Sklerose reichen.

Wissenschaftler der Harvard Medical School und des Joslin Diabetes Centers sind nun einen Schritt weiter gegangen und haben nicht nur die Mikrobenarten untersucht. Durch die Analyse der genetischen Zusammensetzung von Bakterien im menschlichen Darm ist es dem Forscherteam gelungen, Gruppen von bakteriellen Genen, sogenannte genetische Signaturen, mit mehreren Krankheiten in Verbindung zu bringen.

Die Erkenntnisse bringen die Wissenschaftler näher an die Entwicklung von Tests, die das Krankheitsrisiko vorhersagen oder das Vorhandensein von Krankheiten auf der Grundlage einer Stichprobe des genetischen Aufbaus des Mikrobioms eines Menschen identifizieren könnten.

Die Forschungsergebnisse, die in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht werden, verknüpfen eine Reihe von bakteriellen Genen mit dem Vorhandensein von koronarer Herzkrankheit, Leberzirrhose, entzündlichen Darmerkrankungen, Dickdarmkrebs und Diabetes Typ 2.

Die Analyse zeigt, dass drei dieser Erkrankungen – koronare Herzkrankheit, entzündliche Darmerkrankung und Leberzirrhose – viele der gleichen bakteriellen Gene gemeinsam haben. Anders ausgedrückt: Menschen, deren Eingeweide diese bakteriellen Gene beherbergen, scheinen mit größerer Wahrscheinlichkeit eine oder mehrere dieser drei Erkrankungen zu haben bzw. zu bekommen.

Die vorliegende Studie stellt einen bedeutenden Fortschritt im derzeitigen Verständnis der Beziehung zwischen den Mikroben im menschlichen Darm und bestimmten Krankheiten dar, so die Wissenschaftler.

Wenn die Ergebnisse durch weitere Forschung bestätigt werden, könnten sie die Entwicklung von Verfahren unterstützen, die das Risiko eines Menschen für eine Reihe von Krankheiten basierend auf der Analyse einer einzigen Stuhlprobe einschätzen können, so die Wissenschaftler weiter.

Dies öffnet den Forschern zufolge ein Fenster für die Entwicklung von Tests mit krankheitsübergreifenden, genbasierten Indikatoren für die Gesundheit von Patienten.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die Studie nicht darauf ausgelegt war, genau zu klären, wie und warum diese mikrobiellen Gene mit verschiedenen Krankheiten in Zusammenhang stehen könnten. Bislang sei noch unklar, ob diese Bakterien an der Krankheitsentstehung beteiligt sind oder nur eine Nebenrolle in diesem Prozess spielen.

Das Ziel der Studie war es vielmehr, festzustellen, ob Gruppen von Genen zuverlässig auf das Vorhandensein verschiedener Krankheiten hinweisen können. Diese neu identifizierten mikrobiellen genetischen Signaturen könnten jedoch weiter untersucht werden, um festzustellen, ob und welche Rolle die Organismen bei der Krankheitsentstehung spielen.

Zu Beginn der Untersuchung sammelten die Forscher Mikrobiom-Daten von 13 Patientengruppen mit insgesamt mehr als 2.500 Proben. Anschließend analysierten sie die Daten, um Zusammenhänge zwischen sieben Krankheiten und Millionen von mikrobiellen Spezies, mikrobiellen Stoffwechselwegen und mikrobiellen Genen zu identifizieren.

Durch das Ausprobieren einer Vielzahl von Modellierungsansätzen – insgesamt wurden 67 Millionen verschiedene statistische Modelle berechnet – konnten die Forscher beobachten, welche Merkmale des Mikrobioms sich durchweg als die stärksten krankheitsassoziierten Kandidaten herausstellten.

Von allen verschiedenen mikrobiellen Merkmalen – Arten, Bahnen und Gene – hatten mikrobielle Gene die größte Vorhersagekraft. Das heißt den Forschern zufolge, dass Gruppen von bakteriellen Genen oder genetische Signaturen, und nicht nur das Vorhandensein bestimmter Bakterienfamilien, am stärksten mit dem Vorhandensein einer bestimmten Erkrankung verbunden waren.

Zu den wichtigsten Beobachtungen gehören:

Cluster von bakteriellen Genen oder genetischen Signaturen, und nicht einzelne bakterielle Gene, scheinen in verschiedene Arten von menschlichen Krankheiten eingebunden zu sein.

Koronare Herzkrankheit, entzündliche Darmerkrankungen und Leberzirrhose haben ähnliche genetische Signaturen des Darmmikrobioms.

Im Gegensatz dazu weist Diabetes Typ 2 eine Mikrobiomsignatur auf, die sich von allen anderen untersuchten Phänotypen unterscheidet.

Die Analyse fand keinen konsistenten Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein der Bakterienspezies Solobacterium moorei und Darmkrebs – eine Assoziation, die bereits in zahlreichen Studien berichtet wurde.

Die Forscher identifizierten jedoch bestimmte Gene einer Unterart von S. moorei, die mit Darmkrebs in Zusammenhang stehen. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Analyse auf Gen-Ebene Biomarker für Krankheiten mit größerer Präzision und mehr Spezifität im Vergleich zu aktuellen Ansätzen liefern kann.

Laut den Studienautoren unterstreicht dieses Ergebnis die Vorstellung, dass nicht nur das Vorhandensein einer bestimmten Bakterienfamilie ein Risiko darstellt, sondern vielmehr die Stämme und Gensignaturen der Mikroben von Bedeutung sind.

Die Fähigkeit, Zusammenhänge mit solcher Präzision zu identifizieren, wird entscheidend sein für die Entwicklung von Tests, die das Risiko zuverlässig bestimmen können, so die Forscher weiter.

In diesem speziellen Beispiel ist ein Test, der das Darmkrebsrisiko durch den bloßen Nachweis von S. moorei im Darm messen soll, möglicherweise nicht so zuverlässig wie ein verfeinerter Test, der bakterielle Gene misst, um das Vorhandensein spezifischer Stämme von S. moorei nachzuweisen, die mit Darmkrebs in Verbindung gebracht werden.

Zwei Erkrankungen – Ohrenentzündungen und gutartige Weichteiltumore, sogenannte Adenome – zeigten schwache Zusammenhänge mit dem Darmmikrobiom, was darauf hindeutet, dass Mikroorganismen, die sich im menschlichen Darm befinden, wahrscheinlich weder eine Rolle bei der Entwicklung dieser Erkrankungen spielen noch zuverlässige Indikatoren für das Vorhandensein dieser Erkrankungen sind.

In einer früheren Studie nutzte das Harvard Medical School-Team umfangreiche Datensätze von öffentlich zugänglichen DNA-Sequenzierungsdaten aus dem menschlichen Mund- und Darmmikrobiom, um die Größe des Universums der mikrobiellen Gene im menschlichen Körper abzuschätzen. Die Analyse ergab, dass es im kollektiven menschlichen Mikrobiom möglicherweise mehr Gene gibt als Sterne im sichtbaren Universum.

Angesichts der schieren Anzahl von mikrobiellen Genen, die sich im menschlichen Körper befinden, stellen die neuen Erkenntnisse einen großen Schritt in Richtung des Verständnisses der Komplexität des Zusammenspiels zwischen menschlichen Krankheiten und dem menschlichen Mikrobiom dar, so die Forscher abschließend.

Quellen: Harvard Medical School / Nature Communications: Tierney, B.T., Tan, Y., Kostic, A.D. et al. Gene-level metagenomic architectures across diseases yield high-resolution microbiome diagnostic indicators. Nat Commun 12, 2907 (2021).

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