Fachinformationen - Bakterien: Menschliches Microbiom


Das menschliche Mikrobiom

Menschen verfügen über etwa 25.000 Gene; doppelt so viele wie der Regenwurm, aber nur ein Hundertstel der Anzahl der DNS-Basenpaare des afrikanischen Lungenfischs. Offensichtlich hat weder die Anzahl der aktiven Gene noch die Masse der Erbsubstanz, die funktionslos zu sein scheint, zwangsläufig etwas mit der Komplexität eines Organismus zu tun. Ein Klavier klingt auch nicht besser, je mehr Tasten es hat. Der Kontext, in dem sich genetische Informationen entfalten sind offenbar von ebenso großer Bedeutung, wie die Information selbst. Trotzdem müssen die 300.000 Eiweißstoffe, die den Menschen ausmachen, irgendwo durch Gene kodiert worden sein. Diese Frage führte nach Anschluss des menschlichen Genomprojektes 2004 zur Erforschung der Bakterien, die auf und in Menschen wohnen und sich mit ihnen über Jahrmillionen gemeinsam entwickelt haben, und die 10 mal zahlreicher sind als Körperzellen (1014).

Bis vor einigen Jahren noch hielt man diese nützlichen Lebewesen, die mit uns gemeinsam Nahrungsstoffe verdauen, für zufällig aus der Umwelt dorthin gelangte Mikroorganismen.

Je mehr aber diese scheinbar unbedeutenden Keime untersucht werden, desto mehr Eigenarten fielen auf. Bisher konnten nur 20% der Darmbakterien in Kulturverfahren gezüchtet werden. Diese Bakterien tragen Gene, die im menschlichen Genom nicht vorkommen, aber notwendig sind um bestimmte, lebensnotwendige Nahrungsbestandteile aufzuschlüsseln. Dabei ist nicht nur die enorme Anzahl der beteiligten Mikroorganismen noch nicht untersucht, sondern ebenso wenig das Zusammenspiel untereinander und die Interaktionen mit den Wirtszellen. Da sie sich offenbar ideal an den Wirt angepasst haben, ist es nicht verwunderlich, dass viele von ihnen außerhalb des menschlichen Organismus nicht vorkommen. Die Zusammensetzung der Keimbesiedlung des Menschen unterscheidet sich also deutlich von der anderer Tiere und von dem Gewimmel in anderen ökologischen Nischen. Schließlich ist bei genauer Untersuchung die Zusammensetzung dieser Flora für jeden Menschen typisch und so unverwechselbar wie ein Fingerabdruck.

Wissenschaftler sprechen daher zunehmend von einem menschlichen Superorganismus (Hattori 2009), der aus zwei bisher für getrennt gehaltenen Bereichen besteht, den Körperzellen und der sie umgebenden ebenso menschentypischen Microflora. Die Erbsubstanz des Menschen setzt sich demnach aus zwei Bereichen zusammen und könnte als Ganzes Metagenom genannt werden. Zahlreiche Forschergruppen versuchen nun das "Human Microbiome" ebenso zu entschlüsseln wie das klassische menschliche Genom.

Wir wissen heute,

rickettsia sem hagedorn
Bildquelle: BNI

Die Vererbung des Microbioms

Kinder „erben“ ihr mikrobielles Ökosystem über die Mutter. In der mütterlichen Eizelle befinden sich zunächst sogenannte Endosymbionten, ehemals selbständig lebende Minibakterien, die menschliche Zellen mit Sauerstoff versorgen (Mitochondrien). Der Fetus wächst dann in einer keimfreien Atmosphäre auf, erhält aber über Plazenta Stoffwechselprodukte für deren Erstellung Darmbakterien der Mutter verantwortlich waren. Bei der Geburt wird das Kind mit mütterlichen Bakterien „geimpft“, was es gegen eine Besiedlung mit gefährlichen Minilebewesen schützt. Der mütterliche Organismus bereitet sich auf diesen wichtigen Keimtransfer vor. U.a., indem sich die Scheidenflora in einer charakteristischen Weise verändert. Das Kind kommt mit der mütterlichen Flora erstmals in Kontakt im Vaginalkanal oder, im Fall eines Kaiserschnitts unter sterilen Bedingungen, über die Haut der Mutter. Auch Stillen ist für die Besiedlung des Darmtraktes des Kindes und damit zur Entwicklung einer reifen Immunantwort von einer großen Bedeutung. Die auf das Kind übertragenen Keime stammen nicht nur von der Haut der Mutter sondern wurden unter Beteiligung von Makrophagen ab dem letzten Schwangerschaftsdrittel aus dem Darmmikrobiom in der Brust eingelagert (s.u.).

Die resultierende Darmbesiedlung beim Neugeborenen ist in ihrer Zusammensetzung gegenüber der bei Erwachsenen wenig variabel (monotoner zusammengesetzt), dafür aber störungsanfälliger, instabiler und oft auch chaotischer.

Gute, böse (oder manchmal gute oder böse) Bakterien

Auch die Unterscheidung in gute und böse Bakterien ist nicht mehr so einfach möglich, da die Grenzen zwischen Nützling, Schädling und harmlosem Trainingspartner fließend sind. Diese neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse sind für unser Verständnis von uns selbst eine Zumutung: die Grenzen zwischen Ich (innen) und Umwelt (da draußen) sind offenbar weniger eindeutig als von den meisten bisher vermutet. Und auch Begriffe wie gut (Tischgenosse) und böse (Infektionserreger) relativeren sich:

Krankheit entsteht manchmal aus einer eher zufälligen Begegnung zwischen einer Mikrobe, die kooperativ an einen anderen Wirt angepasst war (Beispiele: Melioidosis, Tetanus, Milzbrand), oder weil der Organismus auf eine unbekannte, im Prinzip beherrschbare Störung fehlreagiert (Beispiel: EHEC / HUS), weil die Immunabwehr Harmloses als gefährlich erkennt (Allergien) oder panisch völlig fehlreagiert (SIRS).

Offensichtlich muss sich vor dem Hintergrund dynamisch anwachsender Erkenntnisse Grundannahmen der Infektiologie verändern (Nature 2010, Workshop J. Lederberg, 2010). Auch die der Hirnforschung wie es scheint, da Zusammensetzung und Zustand des Microbioms Hirnaktivitäten beeinflussen und umgekehrt und das Hirn über inflammatorische Reflexe eng mit der Immunreaktion verbunden ist, die wiederum mehr oder weniger effizient mit der mikrobiellen Umwelt kommuniziert (s.u.). Schließlich könnte auch die alte Vorstellung spezifischer Medikamentenbehandlung (Ein Gen – ein Rezeptor – ein Medikament – eine Wirkung) einer neunen systembiologischen Sicht Platz machen (Zhao 2012)

Der Wandel infektiologischer Sichtweisen

Das Bakterium Vibrio cholera löst das Krankheitsbild einer schweren Durchfallerkrankung aus. Es scheint also ein ursächlicher Zusammenhang zwischen Krankheit und Mikroben zu bestehen (Henle-Koch-Postulate). Die Keimtheorie der Krankheitsentstehung, die insbesondere von Louis Pasteur und Robert Koch entwickelt wurde, konnte aber nicht erklären warum es weltweit schrecklichen Epidemien kommt, wie der in Haiti seit 2010. Dort war die Mikrobe offenbar als Teil der Darmflora nepalesischer Soldaten, von denen keine Krankheitszeichen bekannt wurden (mBio 2010). Das spricht für Überlegungen von Antoine Béchamp, der 15 Jahre vor Pasteur kleine Mikroben im Mikroskop entdeckte. Er nahm an, dass Bakterien sich vermehrten, wenn Zellen oder Organe krank seien. Eine Infektion sei als ein Zeichen für Krankheit und nicht die Ursache, und dass für die Krankheitsentstehung eine Passage durch den menschlichen Organismus erforderlich sei (Béchamp / Pasteur). Es ist mittlerweile gut untersucht, das Cholerabakterien in niedriger Konzentration in Personen leben, deren Immunsystem sie kontrolliert, dass sie aber bei Personen, deren normale Darmflora und Immunsystem sie nicht kennt, sogenannte Biofilme bilden können, Ansammlungen eng vernetzter Keime, die hochinfektiös werden, Diese besonders infektiösen bzw. pathogenen Formen (Hyperinfektivity) der Erreger entstehen die Darmpassage, und sehr instabil, dh. können nur dann zu einer Infektion führen, wenn sie rasch von einer nächsten Person oral aufgenommen werden. Die Schwere des Krankheitsverlaufes hängt dann vom Ernährungs- und Gesundheitszustand vor der Infektion (z.B. in Bangladesch) und von der Qualität der Versorgung, nicht aber von dem Versuch einer „ursächlichen“ Behandlung ab. Florence Nightingale beobachtete, dass Cholerakranke eine höhere Überlebenschance hatten, wenn damalige Ärzte dem Krankenbett fernblieben und sie dafür liebevoll gepflegt und mit reichlicher Flüssigkeitszufuhr versorgt wurden. Bei Cholera ist eine „ursächliche“ Bekämpfung des Erregers durch Antibiotika in der Krankenbehandlung in der Regel sinnlos und erhöht die Gefahren für die Allgemeinheit durch Antibiotikaresistenzen.

Dagegen wurde durch die Geschichte der Choleraepidemien die Bedeutung der Ansicht Rudolf Virchow‘s zur Entstehung von Infektionskrankheiten bestätigte: „Bildung, Wohlstand und Freiheit sind die dauerhafte Gesundheit eines Volkes (Noth im Spessart). Die Epidemie in Haiti 2010 hatte deshalb so dramatische Auswirkungen, weil es ein verarmtes und sozial zerrissenes Land in der Karibik traf, und bei der Bekämpfung der Epidemie wurde sehr deutlich, dass es die Stabilisierung der allgemeinen sozialen Sicherheits- und Versorgungslage ist, die hilft die Epidemie zu kontrollieren. Auch ein anderer, später zu Unrecht verlachter, Hygieniker Max von Pettenkofer behielt mit einer Vermutung zur Choleraepidemie recht. Er glaubte, ein zunächst relativ harmloser Erreger würde durch verdreckte Umweltbedingungen so verändert, dass er schließlich Krankheit auslösen können (Morabia 2007). Tatsächlich ist Cholera ein normaler Teil von der Ökosysteme von Brackwasserplankton. Sein Hauptbesiedlungsbereich in Indien und Bangladesh ist ein Minikrebs (Copepod). In Zanzibar wurde über Jahre beobachtet, wie heftige Regenfälle zu Überflutungen von Latrinen und zu einem geringeren Salzgehalt des Wasser führten. Bei solchen bestimmten klimatischen und hygienischen Bedingungen entstanden Bakterienlinien, die sich leichter in Menschen vermehren konnten und Epidemien auslösten. Die Selektion vorherrschender Choleraerreger hängt davon ab, welche evolutionären Lücken sich ihnen jeweils bieten: in Ecuador und seinen Nachbarländern waren in Regionen mit zufriedenstellenden Wasserversorgungsystemen Choleraerreger vorherrschend, die sich in die menschliche Mikroflora integrieren konnten ohne zu Krankheit zu führen, während sich in Regionen mit schlechter Wasser- und Abwassersystem aggressivere Cholerakeimen eine größere Vermehrungschance bot. 

Ökologie und Resilienz

In einer ökologischen Perspektive könnten viele Krankheiten als eine Form gestörter Kommunikation zwischen Mikroorganismen und dem Immunssystem aufgefasst werden (Lee 2012): 

Gesundheit wäre demnach gekennzeichnet von Formen ausgewogenen Miteinanders, gegenseitigen Nutzen und einer moderaten, abgewogenen Antwort auf Reize. Im Falle von Krankheit ginge es also weniger darum, etwas zu bekämpfen, sondern um den Versuch einen flexiblen Gleichgewichtszustand wiederherzustellen.

Die Grenzmembranen insbesondere des Darmes und der Haut ähneln vor dem Hintergrund neuer Forschungsergebnisse den Stadtmauern mittelalterlicher Städte: Umfriedung von Marktplätzen und Ort der Begegnung und des regen Austauschs in Friedenszeiten und Schutzwälle, die gut verteidigt werden können, im Falle von Bedrohung.

In der Kommunikation von Mikroben und Zellen

Die Art, wie in die Medizin komplexe Systeme wahrnimmt, hat sich grundlegend verändert. Das Waffenarsenal der Antibiotika führt zu bisher nicht geahnten Kollateralschäden am Mikrobiom und verliert angesichts zunehmender Resistenzen an Bedeutung. Zunehmend wird dagegen erforscht, wie das Zusammenleben zwischen Mikroben und Mensch harmonisiert werden und Immunantworten auf scheinbare und echte Bedrohungen passgenau und unaufgeregt erfolgen können.

Besonders dynamisch entwickelt sich u.a. die Erforschung des Zusammenhang der Psychoneuroendokrinologie, der Kommunikation von Hirnfunktionen, Darmepithel, Immunzellen und Mikroflora (sog. "Emotional motor system"). Über afferente und efferente Fasern des N. vagus und zahlreiche zelluläre Botenstoffe wirkt sich z.B. Stress auf die Mikroflora des Darmes aus und umgekehrt. Störungen der Schmerzwahrnehmung, der emotionaler Stimmungslage und der Darmfunktion scheinen bei vielen Krankheiten miteinander verwoben zu sein. (Rhee 2009, Del Chierico 2012).

Die Möglichkeiten für innovative Formen von Vorbeugung und Behandlung scheinen um schneller zuzunehmen, je besser das Zusammenspiel im menschlichen "Superorganismus" verstanden wird. 

Literatur

Übersicht

Co-evolution Mikroben und Immunsystem

Microbiom, Hirnentwicklung, Stressreaktion

Microbiom Erneuerung u.a. nach Antibiotikagabe

Helicobacter: Schädling oder Regulator oder beides?

Weitere Informationen (engl.)

 Weitere Artikel

HEF, MG, 07.12.2012



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