Zwischen Krankheit und Gesundheit – die verborgene Rolle der mikrobiellen Last

Neue Studie zeigt, wie die mikrobielle Last Darmgesundheit und Krankheiten beeinflusst

Die in unserem Darm lebenden Milliarden Mikroorganismen begleiten uns ein Leben lang. Dieses als Mikrobiom bezeichnete Ökosystem rückte in den vergangenen Jahren stark in den Mittelpunkt der Forschung zu Gesundheit und Krankheit. Während bisher vor allem die Artenvielfalt untersucht wurde, blieb die mikrobielle Last – die Gesamtzahl der Mikroorganismen im Darm – häufig unbeachtet. Eine neue Arbeit der Bork-Gruppe am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg (EMBL = European Molecular Biology Laboratory), veröffentlicht in Cell am 14. November 2024, will diese Lücke schließen und den Einfluss der mikrobiellen Last auf die Darmgesundheit verdeutlichen.

Grafische Zusammenfassung der Studie:

Die Grafik zeigt, wie die mikrobielle Last im Stuhl (Fecal Microbial Load) Unterschiede des Darmmikrobioms beeinflusst und mit verschiedenen Faktoren zusammenhängt. Das entwickelte Modell des maschinellen Lernens schätzt die Last anhand der mikrobiellen Zusammensetzung. Es wurde auf einen großen weltweiten Datensatz angewendet und zeigte, dass die mikrobielle Last ein wichtiger Bestimmungsfaktor des Darmmikrobioms ist. Zugleich wird betont, dass viele bei Krankheiten beobachtete Mikrobiomveränderungen auf eine veränderte mikrobielle Last zurückgehen und nicht unmittelbar mit der Erkrankung selbst verbunden sein müssen.

Bereiche der Grafik:

1. Oberer Bereich: Schätzung der mikrobiellen Last

   • Das Modell nutzt das relative Mikrobiomprofil (Relative Microbiome Profile), um die mikrobielle Last, also die Zahl mikrobieller Zellen pro Gramm, zu schätzen.
   • Das Vorhersagemodell beruht auf Daten der Konsortien GALAXY/MicrobLiver (n=1894) und MetaCardis (n=1812).

2. Unterer Bereich: Zusammenhang zwischen mikrobieller Last und Wirtsfaktoren

   • Geringe mikrobielle Last: Sie war mit Erkrankungen wie Morbus Crohn, Colitis ulcerosa und Leberzirrhose verbunden. Dabei nahm die Mikrobiomvielfalt ab, und bestimmte Mikroorganismenarten waren gemeinsam vermindert.
   • Hohe mikrobielle Last: Sie war mit Darmkrebs, multipler Sklerose und Verstopfung verbunden. Hier nahm die Mikrobiomvielfalt zu; besonders Akkermansia muciniphila und Alistipes-Arten traten hervor.

3. Demografische und Umwelteinflüsse:

   • Die mikrobielle Last variiert mit Alter, Geschlecht, Ernährung, Antibiotikagebrauch und Land.

Von der Zusammensetzung zur Analyse der mikrobiellen Last

Mikrobiomstudien untersuchen meist die Anteile verschiedener Darmmikroorganismen, also die mikrobielle Zusammensetzung. Beispielsweise könnte eine Bakterienart bei Gesunden 2 Prozent ausmachen und bei Krankheit 4 Prozent. Daraus ließe sich ein Zusammenhang dieser Art mit der Erkrankung ableiten. Solche Analysen berücksichtigen jedoch Veränderungen der Gesamtzahl der Bakterien nicht.

Hier kommt die mikrobielle Last ins Spiel: die Dichte der Mikroorganismen im Darm, meist gemessen als Anzahl pro Gramm Stuhl. Bei einem gesunden Menschen könnten beispielsweise insgesamt 1.000 Bakterien vorhanden sein, bei Krankheit nur noch 500. Obwohl dann der Anteil einer Art steigt, könnte ihre absolute Anzahl unverändert geblieben sein. Um solche Fehlinterpretationen zu vermeiden, muss auch die mikrobielle Last betrachtet werden.

KI und die Schätzung der mikrobiellen Last

Die Messung der mikrobiellen Last erfordert meist aufwendige und teure Experimente. Die Bork-Gruppe entwickelte deshalb einen neuen Ansatz zur Schätzung mithilfe maschinellen Lernens. Erstautor Dr. Suguru Nishijima erläutert das Ziel: „Wir wollten ein Modell entwickeln, das keine zusätzlichen experimentellen Verfahren erfordert.“

Aus Datensätzen von mehr als 3.700 Personen der Konsortien GALAXY/MicrobLiver und Metacardis entwickelte das Team ein Modell, das die mikrobielle Last aus der Zusammensetzung schätzt. Es lieferte auch in einem zuvor unbekannten Datensatz gute Ergebnisse. Anschließend wurde es auf Daten von mehr als 27.000 Personen aus 159 Studien in 45 Ländern angewendet.

Faktoren, die die mikrobielle Last beeinflussen

Die Analysen zeigten zahlreiche Einflussfaktoren. Durchfall kann die mikrobielle Last senken, Verstopfung sie erhöhen. Frauen haben meist eine höhere Last als Männer, junge Menschen eine geringere als ältere. Auch viele Krankheiten und die zu ihrer Behandlung eingesetzten Medikamente können erhebliche Veränderungen verursachen.

Zusammenhänge zwischen Krankheit und Mikrobiom neu bewerten

Viele zuvor mit Krankheiten verknüpfte mikrobielle Arten ließen sich in der Studie besser durch Veränderungen der mikrobiellen Last erklären. Dies spricht für eine Neubewertung der Zusammenhänge zwischen Krankheiten und Mikrobiom. Einige Verbindungen zwischen Krankheiten und Mikroorganismen blieben jedoch bestehen und wurden als tatsächlich krankheitsbezogen bestätigt.

Zukunftsperspektiven: Neue Horizonte der Mikrobiomforschung

Die Arbeit betont, dass die mikrobielle Last in der Mikrobiomforschung nicht vernachlässigt werden darf. Das Modell wurde Forschenden weltweit kostenlos zugänglich gemacht. Es bietet nicht nur für das Darmmikrobiom großes Potenzial, sondern auch für andere mikrobielle Ökosysteme wie Ozeane, Böden und Flüsse.

Fazit

Die Studie der Bork-Gruppe zeigt, wie entscheidend die Berücksichtigung der mikrobiellen Last zur Vermeidung falsch positiver und falsch negativer Ergebnisse ist. Der Ansatz könnte eine neue Ära sowohl für das Verständnis der menschlichen Gesundheit als auch für die Erforschung von Umweltmikrobiomen einleiten.