Wie das mikrobielle Ökosystem unseres Darms Gesundheit und Krankheit beeinflusst

Sind Bakterien in unserem Darm die Ursache für Krebs oder gar neurodegenerative Erkrankungen des Gehirns? Legen sie fest, ob wir übergewichtig oder dünn sind? Und wenn ja, wie könnten wir Menschen die Kontrolle übernehmen über Milliarden von Mikroorganismen, die in uns leben? Die Forschungsgruppe Eco-Systems Biology am LCSB möchte Antworten auf diese und andere Fragen rund um das Mikrobiom, der Gesamtheit aller unseren Körper besiedelnden Mikroorganismen, finden. Insgesamt machen über 1.500 verschiedene Mikrobenarten etwa 1,5 kg unseres Körpergewichts aus. In den vergangenen fünf Jahren war dieses Ökosystem unseres Körpers Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten zu seinem potenziell enormen Einfluss auf die Gesundheit des Menschen.

„Wir wissen, dass das Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Mikrobenarten wichtig ist“, sagt Prof. Paul Wilmes, Leiter der Forschungsgruppe Eco-Systems Biology am LCSB. „Allerdings ist immer noch nicht bekannt, wie Störungen dieses Gleichgewichts, etwa durch eine höheres Aufkommen einer Mikrobenart, zu verschiedenen Erkrankungen wie Krebs, Stoffwechselstörungen oder auch Parkinson führen kann.“ Daher befassen sich Wilmes und sein Team mit den Wechselwirkungen verschiedener mikrobieller Zusammensetzungen mit den Epithelzellen des Darms. Ihrer Hypothese zufolge werden Änderungen, die Erkrankungen auslösen könnten, zunächst an dieser Schnittstelle zwischen den Mikroorganismen und ihrem menschlichen Wirt sichtbar.

Mithilfe von Stuhlproben von freiwilligen Versuchspersonen analysieren die Forscher zuerst, welche Bakterienarten in erkrankten und gesunden Probanden vorkommen. In einem nächsten Schritt wollen sie untersuchen, wie sich die Unterschiede auf die Darmzellen auswirken und ob dies die Ursache für die Erkrankung sein könnte. Da Versuche an Testpersonen zur Beantwortung dieser Fragen zu invasiv wären und sich das Mikrobiom des Darms von Mäusen erheblich von dem des Menschen unterscheidet, haben Wilmes und sein Team ein neues In-vitro-Modell namens HuMiX entwickelt. In einem so genannten mikrofluidischen System können menschliche Epithelzellen des Darms zusammen mit Mikrobengemeinschaften gleichzeitig gezüchtet werden. „So können wir menschliche Zellen verschiedenen Bakterienzusammensetzungen aussetzen und beobachten, welche molekularen Mechanismen sie im Darm unter welchen Bedingungen auslösen“, erläutert Wilmes. Die Ergebnisse können bei der Untersuchung von Mikroorganismen auf potenzielle positive Wirkungen helfen, wie etwa entzündungshemmende Eigenschaften, die somit Krankheiten wie Allergien oder Autoimmunerkrankungen beeinflussen könnten.

Erst kürzlich konnte das Team die HuMiX-Technologie richtungsweisend weiterentwickeln: MicroGUT ist ein In-vitro-Modell des gesamten menschlichen Magen-Darm-Trakts. Verschiedene Einheiten simulieren die verschiedenen Teile des Magen-Darm Trakts, um zu untersuchen, welche Effekte Bakterien, Nährstoffe und Medikamente auf die menschliche Physiologie haben. „Wir können so bestimmter Prozesse in den einzelnen Darmabschnitten simulieren, wie zum Beispiel den Abbau von Medikamenten im Körper“, erläutert Wilmes. Die Forscher wollen MicroGUT einsetzen, um die Pharmakokinetik individuell zu untersuchen, ohne dass hierfür Tiermodelle notwendig werden, und daraus dann optimal auf den Patienten abgestimmte medikamentöse Therapien zu entwickeln.