Mikrobiom und Diabetes: Gesund oder krank? Bakterien-Stoffwechsel zeigt den Unterschied

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Der menschliche Darm ist ein komplexes Ökosystem: Zahllose Bakterien besiedeln ihn und helfen dabei, die Nahrung zu verdauen. Wissenschaftler des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) der Universität Luxemburg haben jetzt in Zusammenarbeit mit der IBBL (Integrated BioBank of Luxembourg), dem Centre Hospitalier de Luxembourg und dem Centre Hospitalier Emile Mayrisch einen Weg gefunden, dieses Ökosystem - das Mikrobiom des Darms - noch genauer zu untersuchen: Mit ihrem neuen Analyseansatz können sie das Erbmaterial der Bakterien, die DNA, analysieren und zugleich die RNA einbeziehen, also die Moleküle, die beim Ablesen der DNA zunächst gebildet werden.

     (Photo: http://photos.prnewswire.com/prnh/20161011/427429 )

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Außerdem können sie auch die Proteine identifizieren, die im nächsten Syntheseschritt entstehen. "Erstmals können wir jetzt herausfinden, was gleichzeitig auf den drei Ebenen DNA, RNA und Proteine in der mikrobiellen Gemeinschaft des Darms passiert", sagt Prof. Dr. Paul Wilmes, Leiter der Eco-Systems Biology-Gruppe des LCSB, die federführend bei der Untersuchung war: "Das ist wichtig, um Krankheiten wie Diabetes besser zu verstehen, auf die die Darmflora einen Einfluss hat." So konnten die Forscher feststellen, dass sich Diabetes-Patienten und gesunde Menschen in der Zusammensetzung der Darmflora kaum unterscheiden. Welche Gene der Bakterien des Mikrobioms ein- oder ausgeschaltet sind, ist hingegen deutlich unterschiedlich. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher heute im renommierten Journal "Nature Microbiology".
(DOI: 10.1038/NMICROBIOL.2016.180).

Im Zentrum der so genannten MUST-Studie (Diabetes multiplex family study) stehen Patienten, die bereits seit einigen Jahren an Diabetes vom Typ 1 leiden und die Stuhlproben bei der IBBL - einem wesentlichen Partner bei den Untersuchungen - hinterlegt haben. "Wir haben die Bakterien aus Stuhlproben dieser Menschen untersucht", sagt Dr. Anna Heintz-Buschart, Erstautorin der Veröffentlichung: "Außerdem konnten wir auch Stuhlproben gesunder naher Verwandter der Diabetes-Patienten analysieren." Dabei stellten die Wissenschaftler fest, dass sich die bakterielle Artenzusammensetzung zwischen Menschen mit und ohne Diabetes gar nicht so dramatisch unterscheidet, wie bisher angenommen wurde. Heintz-Buschart: "Es gibt aber deutliche Unterschiede was die Bakterien tun."

Hintergrund dieser Veränderungen dürfte sein, dass bei Typ-1-Diabetes die insulinbildenden Zellen vom eigenen Immunsystem angegriffen werden. Dadurch wird die Bauchspeicheldrüse in Mitleidenschaft gezogen, wodurch sich wiederum die Zusammensetzung der Verdauungssäfte ändern kann. "Die Darmbakterien müssen sich auf diese Veränderung in ihrer Umwelt einstellen", so Heintz-Buschart: "Das machen sie, indem sie ihren Stoffwechsel anpassen, also Proteine oder Vitamine wie Thyamin in anderen Mengen herstellen. Wichtig dabei ist, dass ein veränderter Thyamin-Spiegel im Körper negativen Einfluss auf den Verlauf der Krankheit haben könnte." Die ursprünglich nützlichen Bakterien werden so zum gesundheitlichen Risiko und verschlechtern unter Umständen das Krankheitsbild des Diabetes.

Solch exakte Aussagen über die krankheitsrelevanten Veränderungen im Mikrobiom und Erkenntnisse über deren funktionelle Auswirkungen im Körper waren bisher unmöglich, unterstreicht Paul Wilmes: "Mit den üblichen DNA-Analysen konnten wir zwar die Artenzusammensetzung im Ökosystem Darm bestimmen. Was dort aber eigentlich los war, blieb uns verschlossen." Wilmes vergleicht dies mit einer Volkszählung: "Wir konnten zwar die Bevölkerung zählen, wussten aber nichts über die Berufe, die die Menschen ausüben. Jetzt wissen wir, wer was wann macht." Der Durchbruch war die Kombination verschiedener Analysetechniken: "Wir haben erstmals Genomics, Transcriptomics und Proteomics gemeinsam in den Blick genommen, also gleichzeitig DNA, RNA und Proteine des Mikrobioms untersucht. So erfahren wir nun, welche Gene zu einem bestimmten Zeitpunkt abgelesen und welche Proteine produziert werden. Die parallele Betrachtung der drei Ebenen vermittelt uns ein völlig neues Bild von den funktionellen Abläufen beispielsweise im Stoffwechsel, die im Darm ablaufen."

Große Hoffnung auf den neuen Forschungsansatz richten vor allem die Mediziner, mit denen Wilmes und sein Team zusammenarbeiten. Zu ihnen gehört Dr. Carine de Beaufort, die sowohl am LCSB als auch am Centre Hospitalier de Luxembourg forscht und Patienten behandelt. Dank ihrer Hilfe war es überhaupt erst möglich Familien zu identifizieren, in denen Kranke und Gesunde zur Teilnahme an der Studie bereit waren. "Wir versprechen uns von solchen Untersuchungen Hinweise auf Biomarker", sagt sie. "Das sind Moleküle, etwa Proteine, deren Menge im Körper sich schon im frühen Stadium einer Diabetes-Erkrankung ändert. Solche Biomarker würden die Diagnose erleichtern, sodass wir schon sehr früh präventiv oder therapeutisch eingreifen könnten."

Um die Suche nach den Biomarkern voranzutreiben, soll die Studie weitergehen, so Paul Wilmes: "Wir würden jetzt gern mit Familien zusammenarbeiten, in denen Kinder mit Frühformen von Diabetes leben", sagt er: "Gerade bei jungen Menschen ist es besonders wichtig, so früh wie möglich Hinweise auf Krankheiten zu bekommen. Denn je eher die Ärzte eingreifen können, umso besser können sie für ein Leben mit möglichst wenigen Einschränkungen sorgen."Wilmes hat dabei detaillierte mechanistische Studien im Sinn, um die komplexen Funktionen des Mikrobioms besser zu verstehen: "Damit können wir erkennen, wie funktionelle Unterschiede beispielsweise bei der Biosynthese des Vitamins Thyamin durch das Darmmikrobiom mit Typ 1-Diabetes in Verbindung stehen. Studien wie MUST sind dafür als Hypothesengenerator unerlässlich."

Das MUST Projekt wurde in Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Forschungsgruppen des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine der Universität Luxembourg, der IBBL, dem Centre Hospitalier de Luxembourg und dem Centre Hospitalier Emile Mayrisch durchgeführt. Das Projekt wurde im Rahmen des Personalized Medicine Consortiums initiiert und erhielt finanzielle Unterstützung von der IBBL und dem ATTRACT, CORE, INTER und AFR Förderprogrammen des Luxembourg National Research Fund (FNR).

Hinweise an die Redaktion: 

Bibliografische Daten: 

Anna Heintz-Buschart, Patrick May, Cédric C. Laczny, Laura A. Lebrun, Camille Bellora, Abhimanyu Krishna, Linda Wampach, Jochen G. Schneider, Angela Hogan, Carine de Beaufort and Paul Wilmes: Integrated multi-omics of the human gut microbiome in a case study of familial type 1 diabetes. Nature Microbiology.

Kontakt für weitere Informationen: Ass. Prof. Dr. Paul Wilmes, E. [email protected] , T. +352-46-66-44-6188

Thomas Klein
Science Editor
Communications Department

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