COMPASS MAGAZINE #10
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DAS MENSCHLICHE MIKROBIOM Die in uns lebenden Bakterien könnten die nächste medizinische Revolution herbeiführen

Im Verdauungstrakt jedes Menschen leben im Durchschnitt 20.000 unterschiedliche Bakterienarten, die insgesamt rund 0,9 bis 1,4 kg wiegen. Allmählich beginnen die Forscher zu verstehen, wie diese Bakterien, auch die Standortflora oder das Mikrobiom des Menschen genannt, mit einer Vielzahl von Erkrankungen verknüpft sind – und möglicherweise auch mit deren Heilung.

Im Verdauungstrakt jedes Menschen leben nach Aussage von Wissen- schaftlern im Durchschnitt 20.000 unterschiedliche Bakterienarten. Diese Bakterien, auch Mikrobiom genannt, wurden mit einer Vielzahl von Erkrankungen, wie Diabetes, Adipositas, Asthma und Autoimmunerkrankungen in Ver- bindung gebracht. Ebenso können sie Depressionen begünstigen oder das psychische Wohlbefinden beeinflussen.

Durch die Entschlüsselung der DNA mittels Sequenzierungsgeräten können Forscher diese Bakterien identifizieren und leiten damit eine neue Ära für das Verständnis der menschlichen Gesundheit ein.

Forscher in den USA, Europa und China arbeiten fieberhaft daran, dieses Wissen umzusetzen. Die Komplexität ist erstaunlich. Die Forscher wissen nicht, wie die unterschiedlichen Bakterienpopulationen interagieren, und verstehen die Mechanismen, nach denen sich die Bakterien auf die Gesundheit ihres menschlichen Wirtes auswirken, noch nicht. Doch sie wissen, dass die Menschen in den verschiedenen Teilen der Erde unterschiedliche Bakterienstämme in sich tragen. Sie vermuten, dass die diversen Bakterienkombinationen erklären könnten, warum manche Krankheiten in einigen Nationen deutlich häufiger auftreten als in anderen. Und darum stellen sich viele Forscher die Frage: Könnten wir Krankheiten verhindern oder heilen, indem wir die Bakterienzusammensetzung im Darm eines Patienten verändern?

DAS KOMPLEXE UNBEKANNTE

Als Pionier auf diesem Gebiet und Leiter des „American Gut Project“, des weltweit größten Projekts zur Erforschung der mikrobiellen Vielfalt im menschlichen Darm, ist Rob Knight einer der führenden Mikrobiom-Forscher.

„Die Komplexität des Mikrobioms übertrifft die von Krebs schon aufgrund der Anzahl der betroffenen Gene, der Kombinationsmöglichkeiten und der Anziehungsoptionen zwischen Zellen“, sagt Knight. „Die Mikroben eines Menschen bestehen aus viel mehr Genen als man selbst und sie sind viel enger miteinander verknüpft.“

Um mit der Forschung voranzukommen, ist es aus rein technologischer Sicht wichtig, die Kosten für die Entschlüsselung der Gene zu senken, d.h. die Weiterentwicklung der DNA-Sequenzierungsmaschinen voranzutreiben. Das große Problem ist in der Tat die DNA-Sequenzierung“, sagt Knight. „Momentan ist jede Charge, die sequenziert wird, noch teuer und man braucht viele Proben für den Sequenzer.“

BGI, vormals Beijing Genomics Institute aus Shenzhen, China, ist der größte Abnehmer von DNA-Sequenzierungs- maschinen weltweit. Denn bei BGI werden viele Schwerpunkte der Genomik, einschließlich der Bakterien im Verdauungstrakt von Neugeborenen, erforscht.

DIE DATEN ENTSCHLÜSSELN

Gegen die Komplexität des Mikrobioms erscheint die gut dokumentierte Verarbeitung von Big Data wie ein Kinderspiel. Für das „American Gut Project“ werden DNA- Extraktionsprotokolle von MO BIO Laboratories, einem privaten Biotech-Unternehmen aus Carlsbad, Kalifornien, verwendet. Die Ergebnisse werden entweder im Supercomputernetz der University of California oder über Amazon Web Services, einen Anbieter von Cloud- Computing-Diensten, ausgewertet.

All diese Bereiche – Big Data, Supercomputing, Cloud Computing – entwickeln sich rasant weiter und sind für die Entschlüsselung des Mikrobioms unerlässlich. „Man könnte genauso gut fragen, was für einen Kuchen wichtiger ist; das Mehl, die Eier oder der Zucker?“ sagt Knight. „Natürlich braucht man jede einzelne Zutat dafür.“Bisher ließen rund 6.000 Menschen ihre Darmbakterien im Rahmen des „American Gut Project“ untersuchen, aber die Datenmenge ist so riesig, dass bei der Entschlüsselung selbst die Ärzte an ihre Grenzen stoßen.

VERSCHMELZUNG DER WISSENSCHAFTEN

Abgesehen von der Technologie werden die Forscher, die dem Mikrobiom seine Geheimnisse entlocken wollen, auch ihre Art des Forschens ändern müssen, meint David Agus, Professor für Medizin und Ingenieurwesen, Direktor des Center for Applied Molecular Medicine an der University of Southern California in Beverly Hills und führender Krebsforscher, der sich auch zunehmend mit dem Mikrobiom beschäftigt.

„In meinem Team arbeiten Physiker, Mathematiker, mathematische Modellierer und Biologen miteinander“, sagt Agus. „Wir müssen etwas tun, das vor einem Jahrzehnt noch als Ketzerei galt. Wir müssen die Wissenschaften miteinander verschmelzen lassen. Nur so können wir auf einem solchen Gebiet einen Durchbruch erzielen.“

„WIR MÜSSEN ETWAS TUN, DAS VOR EINEM JAHRZEHNT NOCH ALS KETZEREI GALT. WIR MÜSSEN DIE WISSENSCHAFTEN MITEINANDER VERSCHMELZEN LASSEN. NUR SO KÖNNEN WIR AUF EINEM SOLCHEN GEBIET EINEN DURCHBRUCH ERZIELEN.“

DAVID AGUS PROFESSOR FÜR MEDIZIN UND KREBSFORSCHER, UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA

Agus’ Team setzt auf massiv paralleles Rechnen, eine moderne Form des Hochleistungsrechnens, bei dem eine Vielzahl von Prozessoren oder separaten Computern zeitgleich Rechenoperationen durchführt. Er argumentiert, dass es töricht sei, jeden einzelnen Datenpunkt ermitteln zu wollen – z.B. wie sich eine Bakterienpopulation mit einer anderen verbindet –, weil dies in absehbarer Zukunft selbst über die Fähigkeiten des leistungsstärksten Supercomputers hinausgehen werde.

Es sei besser, sagt Agus, „grobe“ Theorien oder Näherungsansätze zu entwickeln. Eine dieser groben Theorien, von der niemand die genauen Zusammenhänge versteht, die aber allgemein anerkannt ist, lautet, dass Rauchen das Risiko, an Lungenkrebs zu erkranken, erhöht. Agus empfiehlt einen ähnlichen vernunftgeleiteten Ansatz für das neue Fachgebiet der Mikrobiomforschung. „Das ist ein komplexes neues System“, sagt er. „Man muss es durch Modellieren und nicht mit dem reduktionistischen Ansatz erforschen, um alle Datenpunkte verstehen zu können.“

DIE ANTWORT DER INDUSTRIE

Obwohl man bei dieser Aufgabe noch ganz am Anfang steht, gibt es schon Anzeichen dafür, wie die verschiedenen Branchen hoffen, davon zu profitieren. Beispielsweise könnte die Fäkaltransplantation ein Therapieansatz ür das antibiotikaresistente „Super- Bakterium“ Clostridium difficile (C. difficile) sein, an dem jährlich tausende Menschen sterben. Dabei werden dem Patienten die Fäkalmikroben eines gesunden Spenders in den Darm infundiert, damit sich seine Darmflora von C. difficile befreien kann.

Obwohl sich diese Methode bei Infektionen mit C. difficile in den USA als wirksam erwies, hat die US Food and Drug Administration dieses Verfahren noch nicht für andere Störungen der Darmflora zugelassen. Einige Hersteller haben deshalb mit Darmbakterien gefüllte Pillen entwickelt, die oral verabreicht werden können. Das Ziel ist dasselbe: die Wiederherstellung des Gleich- gewichts in der Darmflora.

Ein anderes explosionsartig wachsendes Gebiet sind Probiotika. Probiotika werden verzehrt, um die Menge der „guten“ Bakterien im Körper zu erhöhen. Dank einer bahnbrechenden Entdeckung von Karl Seddon, der seinen Master in Biomedizintechnik an der University of Oxford ablegte, können Probiotika unbeschadet den Verdauungstrakt passieren und den Dickdarm erreichen. Darauf basiert das vom britischen Unternehmen Elixa Probiotic Ltd. entwickelte Mittel, das mit jeder Dosis 50-mal mehr nützliche Bakterien in den Darm leitet als herkömmliche probiotische Nahrungsergänzungsmittel. In einer sechstägigen Kur werden nach Aussage von Elixa drei Billionen „guter“ Bakterien in das Mikrobiom des Anwenders abgegeben, während es herkömmliche Produkte nur auf zehn Milliarden bringen. Da es sich um ein Nahrungsergänzungs-mittel handelt, sind die Pillen von Elixa in vielen Ländern rezeptfrei erhältlich.

VERÄNDERUNG DES ÖKOSYSTEMS

Im Vergleich zu dem großen Ziel, genau zu verstehen, was bei der Interaktion verschiedener Bakterien mit dem menschlichen Wirt vor sich geht, sind diese Verfahren recht plump.

Langfristig könnte es sich bezahlt machen, wenn Pharma- oder Lebensmittelunternehmen herausfinden, wie man beste- hende Produkte verfeinern oder neue entwickeln kann, die das Mikrobiom dahingehend verändern, dass bestimmte gesundheitliche Folgen ausgelöst werden. Momentan ist die Lebensmittelbranche im Vorteil, weil Pharmaunternehmen grundsätzlich erst ein spezielles Molekül identifizieren müssen, es patentieren lassen und dann klinische Studien durchführen, um die Zulassung der Behörden zu erlangen.

Die bloße mathematische Komplexität des Mikrobioms erfordert möglicherweise auch ein Gemisch verschiedener Substanzen, um es zu verändern. Eine Einzelmoleküllösung könnte sich als nicht wirksam herausstellen, sagt Scott J. Parkinson Leiter der Forschungsgruppe für Magen-Darm-Gesundheit und Mikrobiome am Nestlé Institute of Health Sciences in Lausanne, Schweiz. „Den Menschen wird allmählich klar, dass es nicht ausreicht, nur ein einziges Bakterium zu modifizieren“, sagt Parkinson. „Man muss stattdessen versuchen, ein ganzes Ökosystem zu verändern.“

Wie vielfältig die Möglichkeiten sind, kann man sich leicht ausmalen. Wenn Nestlé seine Milchprodukte für Kleinkinder – nur eine der vielen Produktlinien – für Kinder in anderen Regionen der Welt optimieren könnte, ließen sich enorme gesundheitliche Vorteile erzielen und riesige Umsätze erwirtschaften.

„Nestlé und andere Lebensmittelhersteller investieren viel, um die Bedeutung des Mikrobioms für mögliche neue Produktentwicklungen zu erforschen“, sagt Parkinson. „Denken Sie nur an Produkte, die das Wissen über Lipide, Kohlenhydrate und Proteine vereinen und das Mikrobiom auf mehreren Ebenen angreifen, um eine bestimmte Darmflora für spezielle Patientenpopulationen erzeugen zu können. Darauf ließe sich aufbauen und wir könnten maßgeschneiderte Produkte für verschiedenste Verbraucher oder Patienten herstellen.“

Wie Agus bezweifelt auch Parkinson, dass die Wissenschaftler in absehbarer Zeit die Geheimnisse des Mikrobioms entschlüsseln werden. Zumindest vorläufig müssen sie auf althergebrachte wissenschaftliche Methoden zurück- greifen, um Hypothesen über Wirkmechanismen aufzustellen, und diese Theorien dann testen. Beispielsweise könnte die Reaktion eines Patienten auf einen speziellen Wirkstoff als Marker dienen, der Hinweise über sein Mikrobiom liefert. An diesem immer schnelleren Wettlauf beteiligt sich die ganze Welt. Und viele Menschen, die an nicht behandelbaren Erkrankungen leiden, hoffen auf baldige Lösungen.

von William J. Holstein Zurück zum Seitenbeginn