Darmmikrobiom in Gesundheit und Krankheit: Mathematischer Index zur Unterscheidung entwickelt

Was führt dazu, dass manche Menschen chronische Krankheiten wie rheumatoide Arthritis, Krebs und Metabolisches Syndrom entwickeln, während andere gesund bleiben? Einen wichtigen Hinweis könnte das Darmmikrobiom liefern.

Um die riesige Population winziger Organismen als Indikator für das Wohlbefinden des Menschen zu nutzen, haben Forscher der Mayo Clinic einen Gut Microbiome Health Index entwickelt. Dieser Index unterscheidet ein gesundes Mikrobiom von einem erkrankten.

In einer neuen Studie zeigen die Forscher, wie das Profil des Darmmikrobioms mithilfe ihres Index, der aus einer biologisch interpretierbaren mathematischen Formel besteht, unabhängig von der klinischen Diagnose die Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung ermittelt werden kann.

„Diese Entdeckung erweitert unser Verständnis der Zusammensetzung eines gesunden Darmmikrobioms. Danach haben wir lange gesucht“, erklärt Dr. Jaeyun Sung, korrespondierender Autor der Studie. „Unser Index sagt voraus, wie sehr eine Darmmikrobiomprobe einem gesunden oder ungesunden Zustand ähnelt.“ Sung ist Assistenzprofessor für Chirurgie am Mayo Clinic College of Medicine and Science und forscht im Rahmen des Mayo Clinic Center for Individualized Medicine Microbiome Program.

Effekte des Darmmikrobioms auf die Gesundheit

Laut Sung sind die Auswirkungen des hochkomplexen Mikrobioms auf die menschliche Gesundheit tiefgreifend, aber die Wissenschaft der Bedeutung desselben als Indikator für die allgemeine Gesundheit noch relativ neu. Bekannt sei, dass das Ökosystem der Mikroben mit einer Vielzahl gesundheitlicher Vorteile verbunden ist, darunter die Unterstützung bei der Verdauung, die Regulierung des Stoffwechsels und die Rolle des Mikrobioms bei der Immunität. Dennoch blieben viele Fragen offen. Jüngste Studien verbänden Veränderungen im Darmmikrobiom mit schweren chronischen Erkrankungen. Sung sagt, dass ein Mangel an analytischen Tests oder algorithmischen Biomarkern die Identifizierung früher Anzeichen einer Krankheit vor dem Auftreten spezifischer diagnostizierbarer Symptome behindere.

Für die neue Studie analysierten Sung und sein Team 4347 öffentlich verfügbare Daten aus Shotgun-Metagenomanalysen von menschlichen Stuhlproben. Die Proben wurden aus 34 veröffentlichten Studien zusammengefasst und stammten von gesunden Probanden sowie solchen mit einer von insgesamt zwölf Erkrankungen. Fast 1700 der Darmmikrobiomproben stammten von nicht gesunden Personen, also solchen mit einer klinisch diagnostizierten Krankheit oder einem laut dem Body-Mass-Index abnormalen Körpergewicht. Fast 2600 Proben stammten von Menschen, die als gesund eingeschätzt wurden, also an keiner offenkundigen Erkrankung oder irgendwelchen Symptomen litten. „Wir haben die Proben nicht gesunder Personen in einer Gruppe und die Proben von Gesunden in einer anderen zusammengefasst“, berichtet Sung. „Dann haben wir die Häufigkeit der in beiden Gruppen beobachteten Mikroben verglichen. Wir haben festgestellt, dass einige Mikroben in der gesunden Gruppe viel häufiger beobachtet wurden als in der Gruppe nicht gesunder Probanden und umgekehrt.

Die Analyse von Sung und Kollegen führte schließlich zu einer Mikrobiomsignatur des gesunden menschlichen Darms, die aus 50 mikrobiellen Spezies besteht. „Die eigentliche Herausforderung bestand jedoch darin, diese Informationen zu verwenden, um einen Indikator für die Gesundheit zu entwerfen“, erklärt Sung.

Mathematische Formel

Die Entdeckung der Signatur eines gesunden Darmmikrobioms veranlasste Sung und sein Team, eine mathematische Formel zu entwickeln, die vorhersagt, wie stark eine Darmmikrobiomprobe mit einem gesunden oder nicht gesunden Zustand korreliert. Die Wissenschaftler entwickelten einen Schlüssel aus Mikrobenarten, die je nach Gesundheitszustand häufig oder selten anzutreffen sind. Je höher die Zahl, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass die entsprechende Mikrobiomprobe von einer gesunden Person stammt.

„Eine höhere Zahl sagt uns also: ‚Sie sehen sehr gesund aus. Ihr Mikrobiom ähnelt dem einer gesunden Population‘“, erläutert Sung. „Bei einem niedrigen Wert hingegen heißt es: ‚Oh, wir können noch nicht genau sagen, an welcher Krankheit Sie leiden, aber wir können sagen, dass etwas nicht stimmt. Ihr Mikrobiom ähnelt sehr stark dem, wie ein Mikrobiom in einer Population von Erkrankten aussehen würde.‘ Und das bezeichnen wir als den Gut Microbiome Health Index.“

In einer unabhängigen Validierungskohorte von fast 700 Probanden wurden in 74 Prozent der Fälle gesunde Proben von nicht gesunden Proben unterschieden.

Kardiovaskulärer Zusammenhang mit dem Darmmikrobiom

Im Laufe der Studie machte Sung noch eine weitere Entdeckung: eine mäßige Korrelation zwischen dem Gut Microbiome Health Index und Lipoprotein hoher Dichte (HDL) im Blut. „Je höher der Gut Microbiome Health Index ist, desto höher ist der HDL-Wert“, berichtet der Wissenschaftler. „Dass wir diese Korrelation mit einem Marker für die kardiovaskuläre Gesundheit finden konnten, ist wirklich aufregend, da wir jetzt Informationen zum Darmmikrobiom mit klinischen Daten verbinden. Ein Forschungsbereich meiner Arbeitsgruppe besteht darin, zu identifizieren, wie das Darmmikrobiom mithilfe chemischer Signale mit verschiedenen Geweben im Körper kommuniziert. Derzeit sind wir weit davon entfernt, auf bestimmte Mechanismen schließen zu können, aber wir haben einige vielversprechende Hinweise, die wir weiterverfolgen möchten.“

Sung sagt, dass diese Entdeckung das Potenzial des Index unterstreicht, als leistungsfähiger und konsistenter Prädiktor für die Gesundheit dienen zu können. In nicht allzu ferner Zukunft stellt sich Sung vor, dass die Bereitstellung einer Stuhlprobe zur Beurteilung des Mikrobioms bei regelmäßigen Arztbesuchen zur Routine werden könnte. Er hofft, den Gut Microbiome Health Index weiterentwickeln zu können, damit er eines Tages zu umfassenden medizinischen und präventiven Vorsorgeprogrammen beitragen kann.