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Das menschliche Microbiom: Wie
beeinflussen die uns besiedelnden
Mikroorganismen unser Wohlergehen?
Prof. Dr. Wolfgang SchumannInstitut für GenetikUniversität Bayreuth
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Zwei wichtige Begriffe
Menschliche Microbiota: Die Gesamtheit der uns
besiedelnden Mikroorganismen
Menschliches Microbiom: Die Gesamtheit aller
Gene der uns besiedelnden Mikroorganismen
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Der Mensch ist ein Superorganismus
Anzahl der menschlichen Zellen: 1012
Anzahl der uns besiedelnden Mikroben: 1013
Anzahl der menschlichen Gene: 23 000
Anzahl der mikrobiellen Gene: ~ 3 Millionen !
Sind wir Mensch oder nur ein Biotop für
Mikroorganismen ? Oder beides ?
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Microbiota = alle Mikroorganismen, die auf unseren inneren und äußeren
Oberflächen gedeihen
Bakterien Archaea Pilze Amöben Flagellaten Viren und Bakteriophagen
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Archaea sehen aus wie Bakterien, aber
Unterschiede Bakterien – Archaea: 1. Aufbau Zellwand 2. Zellmembran 3. Transkription 4. Translation
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Wer hat die Bakterien entdeckt ?
Antoni van Leeuwenhoek:1676
Wo ?
In seinem Zahnbelag
„Animacules“ = kleine Tiere
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Leeuwenhoeks erste Zeichnung von
Bakterien
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Zwei große Forschungsprojekte
widmen sich der Erforschung des
menschlichen Mikrobioms
Das „Human Microbiome Project“
Das Projekt „Metagenomics of the Human Intestine (metaHIT)“
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Das „Human Microbiome Project“
Initiiert vom National Institutes of Heath 2007 Mikroben und deren Funktion von fünf
verschiedenen „Habitaten“ werden analysiert: - Hautoberfläche- Mundhöhle- Gastrointestinal-Trakt - Urogenital-Vaginal-Trakt - Atmungsorgane
http://nihroadmap.nih.gov/hmp
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Ziele des Mikrobiom-Projekts
1. Identifizierung aller uns besiedelnden Mikroorganismen = Bakterien und Archaeen
2. Funktion dieser Mikroorganismen 3. Medizinische Relevanz: Wie können wir die
Information unseres Mikrobioms zur Vermeidung und Behandlung von Krankheiten nutzen?
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Metagenomics of the Human Intestine
(metaHIT)
4. März 2010 Dusko Ehrlich
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Ziele des metaHIT
Erforschung des Zusammenhänge zwischen den bakteriellen Genen und unserer Gesundheit und Krankheiten
Zwei wesentliche Ziele:- Reizdarmsyndrom - Adipositas
www.metahit.eu
EU-Projekt: seit dem 01.01.2008
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Wichtige Fragen zum Microbiom
Wie stabil ist unser Microbiom ?Alter, Diäten, Antibiotika-Behandlung Wie beeinflusst die Ernährung unsere Darmflora ?Wie beeinflussen Krankheiten unser Microbiom
und umgekehrt ? Kann das Microbiom verändert werden ?
Rolle von Prä- und Probiotika Kann das Microbiom unser Verhalten
beeinflussen ? Autismus Kann das Microbiom für forensische Zwecke
genutzt werden ?
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Wie werden wir besiedelt ?
Fruchtblase: Fötus ist steril normale Geburt: Baby bedeckt mit Bakterien des Geburtskanals Kaiserschnitt: Baby bedeckt mit Bakterien von der Haut der Hebamme, Schwester, Mutter Stillen: Brustwarzen Nahrung
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Unterschiede normale Geburt versus Kaiserschnitt, Teil 1
Normale Geburt: Spezies des Geburtskanals dominierenKaiserschnitt: Spezies der Haut dominieren
Konsequenzen:64 – 82% der MRSA-Infektionen bei Neugeborenen nach Kaiserschnitt → Bakterien des Geburtskanals reduzieren die Wahrschein-lichkeit einer Kolonisierung durch MRSA-Bakterien
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Unterschiede normale Geburt versus Kaiserschnitt, Teil 2
Beobachtung:Kaiserschnitt-Kinder empfänglicher gegenüber Allergien und Asthma
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Verteilung der verschiedenen Bakterien-Klassen
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Die Aufgaben unserer Haut
Wichtige Barriere
- gegen Austrocknung - Eindringen toxischer Substanzen und vonMikroorganismen
- Produzent von Talg = Fette (Sebum)
Auf unserer Haut ( ~2 m2 ) leben so viele Mikroben wie Menschen auf der Erde
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Querschnitt durch unsere Haut
Unsere Haut ist - kalt - sauer: pH ~5(Säuremantel)
- trocken
E.A. Grice (2011) Nature Rev. Microbiol. 9: 244
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Faktoren, die die Flora unserer Haut beeinflussen
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Haut ist nicht gleich Haut
Die vorherrschenden Bakteriengruppen werden bestimmt durch die Faktoren
- Fettgehalt - Feuchtigkeit - Trockenheit
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Bakterien aus dem Bauchnabel verschiedener Menschen
www.boingboing.net/2011/01/31/belly-button-bacteri.html
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Wie helfen uns die Bakterien der Haut ?
Propionibacterium acnes: saures Milieu durch Bildung von freien Fettsäuren (Säuremantel); hemmen die Ausbreitung pathogener Arten
Staphylococcus epidermidis: sekretiert eine Protease, welche die Wirkung eines menschlichen antibakteriellen Peptids verstärkt
T. Iwase (2010) Nature 465: 346
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Besiedlung unserer Haut
Beobachtung:Etwa 13% der Bakterienarten sind identisch bei allen Individuen, die restlichen 87% sind variabel
Frage:Enthält unsere Haut eine individuell einmalige Zusammensetzung an Bakterienarten?Falls ja, kann dies für forensische Zwecke genutzt werden?
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Forensik unserer Haut
Experiment:Proben von einzelnen Computer-Tasten und der Computer-Maus analysiert
Ergebnis:Nachweis des Benutzers bis zu 14 Tage nach Berührung (~1.400 verschiedene bakterielle 16S rRNA-Sequenzen) Aber: nur 3 Probanden!
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Biotop Mund
Viren, Bakterien (~1000 Arten), Archaea, Pilze und Protozoen: es wimmelt nur so in unserem Mund !
Bakterien besiedeln die Schleimhäute der Zunge, die Wangen, den Gaumen und die Mandeln, also die gesamte schleimige Oberfläche des Mundes
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Biotop Mund
1 ml menschlicher Speichel enthält etwa 100 Millionen Bakterien-Zellen
Normale Speichelproduktion: etwa 750 ml mit etwa 8 x 1010 Bakterien pro Tag, die sich von unserer Mundoberfläche ablösen; entspricht 5-10 g Nass-Gewicht an Bakterien
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Biotop Mund
Wichtig: konstanter pH-WertPuffer-Kapazität erschöpft → Mundflora ändert sichStreptococcus mutans und Lactobacillen → Säure-Produktion → Karies
Streptococcus salivarius: produziert ein Toxin, welches das Wachstum nahe verwandter pathogener Spezies hemmt, die für Parodontose verantwortlich sind
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Biotop MagenLehrmeinung bis vor etwa 30 Jahren: Magen ist steril aufgrund des niedrigen pH-Wertes, der schnellen Peristaltik und der Gallensalze
Barry Marshall
John Warren
Helicobacter pylori
1983 entdeckt2005 Nobelpreis 34
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Pathomechanismus
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Bakterien des Magens
2006: 128 verschiedene Arten nachgewiesen in 23 Biopsie-Proben
Was ist die Funktion der anderen 127 Arten ? Wie überleben sie im Magen ?
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Hohe Einwohnerdichte: Bis zu 1 Billionen (1012) Bakterien pro Gramm
Darminhalt
Unser Darm ist das am dichtesten besiedelte mikrobielle Ökosystem unseres Planeten !
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Unsere Darmflora wird von zwei Ordnungen dominiert
Firmicutes: Gram-positive mit den Klassen Streptococcus, Lactococcus, Lactobacillus, Bacillus, Clostridium, etc.
Bacteroides: Gram-negativ und obligat anaerob
400-500 verschiedene Bakterien-Arten nachgewiesen
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Welchen Nutzen erbringen unsere Mitbewohner ?
Unsere Darm-Bakterien• spalten Zuckermoleküle • produzieren kurzkettige Fettsäuren • stellen Vitamine (B1, B2, B6, B12, K2, H) und essentielle Aminosäuren her
• beseitigen Schadstoffe und giftige Stoffwechsel-produkte (z. B. Gallensäure)
• versorgen uns mit Kalorien: bis zu 10% • bekämpfen pathogene Bakterien
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Abwehrmechanismen
Direkte Hemmung
Konkurrenz um Nährstoffe
Stimulierung der Immunabwehr
B. Stecher (2011) Curr. Opin. Microbiol. 14: 82
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Bakterien und Übergewicht
Schlank oder dick? Persönliche Darmflora kann über unseren Körperumfang entscheiden
Beobachtung Maus: Darmflora von dicken Mäusen wandelt unverdauliche Ballaststoffe effektiv in Fettsäuren um werden im Fettgewebe angelegt
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Das Autismus-Syndrom Beobachtung:Kinder mit Autismus-Syndrom leiden oft an Problemen des Gastrointestinal-Trakts
Experiment: Fäkale Flora von Autismus-Patienten verglichen mit - gesunden Verwandten- gesunden Nicht-Verwandten
Ergebnis: Fäkale Flora der Patienten enthält erhöhten Anteil an Bakterien der Clostridium histolyticum Gruppe
H. Parracho (2005) J. Med. Microbiol. 54: 987
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Unsere Darmflora kann Gene aus Besuchern aufnehmen
Menschen, die Seegras essen, erwerben Gene aus einem marinen Bakterium
J.-H. Hehemann (2010) Nature 464: 908
Abbau von Seegras-spezifischen Polysacchariden durch Prophyranasen und Agarasen
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Heilung einer Patientin mit schwerem Durchfall
Patientin mit Clostridium difficile infiziert 30 kg Gewicht verloren Darmflora Transplantation mit der ihres
Ehemannes durchgeführt Heilung in wenigen Tagen
Fäkale Transplantation
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Darmflora Transplantation
Beobachtung:Bereits zweimalige Einnahme des Antibiotikums Ciprofloxacin kann zum Verschwinden wichtiger Darmbakterien führen
Vorschlag:Vor längerfristiger Antibiotikum-Therapie Darmflora lagern
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Letzte Meldung: Rheumatische Arthritis (RA)
Menschen mit RA haben mit größerer Wahrscheinlichkeit das Bakterium Prevotella copri im Darm als Menschen ohne RA
Prevotella copri- supprimiert das Immunsystem - metabolisiert Vitamine Experiment mit Mäusen: Infektion mit P. copri- werden sensitiver gegen Kolitis - Anzahl der guten Bakterien nimmt ab
J.U. Scher (2013) eLife 2: e01202 48
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Gliederung
1. Wann und wie werden wir besiedelt ?2. Biotop Haut 3. Biotop Mund 4. Biotop Magen 5. Biotop Darm6. Letzte Meldung 7. Offene Fragen
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Offene Fragen
1. Wie interagieren die uns besiedelnden Mikroorganismen mit unserem Körper und wie profitieren wir voneinander ?
2. Wie interagieren die Myriaden von Mikroorganismen miteinander ?
3. Die individuellen Microbiota können große Unterschiede aufweisen. Haben diese Unterschiede Einfluss auf unsere Gesundheit ?
4. Können wir eines Tages aufgrund der Analyse unserer individuellen Microbiota Krankheiten im Vorfeld erkennen und bekämpfen ?
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