Das Mikrobiom im kranken Darm: Starke Netzwerke von Archaeen und Bakterien

Eine neue internationale Studie unter Leitung der Medizinischen Universität Graz (Österreich) zeigt, dass Darm-Archaeen wichtige Partner innerhalb mikrobieller Netzwerke sind. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für das Verständnis von Darmkrebs.

Verantwortlich für die in „Nature Communications“ publizierte Studie war ein internationales Forschungskonsortium. Die Wissenschaftler kombinierten darin eine groß angelegte Metaanalyse klinischer Datensätze mit computergestützter Stoffwechselmodellierung, Laborexperimenten und moderner Metabolomik.

Unterschätzter Bestandteil des Darmmikrobioms

Im menschlichen Darm sind Archaeen vor allem für die Methanproduktion verantwortlich. Sie spielen eine zentrale Rolle im mikrobiellen Stoffwechselgleichgewicht.

„Archaeen gelten seit Langem als harmlose Mitbewohner des Darms“, erklärt Prof. Christine Moissl-Eichinger von der Medizinischen Universität Graz. „Unsere Ergebnisse zeigen nun, dass sie funktionell deutlich stärker auch in negative mikrobielle Prozesse eingebunden sind als bisher angenommen.“

Große Datensätze liefern neue Einblicke

Die Forschenden analysierten knapp 3000 metagenomische Proben aus 19 klinischen Studien und zwölf Ländern. Im Mittelpunkt standen unter anderem Darmkrebs, Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen, Typ-2-Diabetes sowie neurologische Erkrankungen. Dabei zeigte sich, dass Veränderungen in archaeellen Gemeinschaften krankheitsspezifisch und sehr unterschiedlich ausfallen.

Besonders konsistent war ein vermehrtes Auftreten des Archaeons Methanobrevibacter smithii bei Patienten mit kolorektalem Karzinom. Wichtig dabei: Die Studie liefert keine Hinweise darauf, dass Archaeen Krebs verursachen. Vielmehr deuten die Daten darauf hin, dass sich das mikrobielle Netzwerk im Darm im Verlauf der Erkrankung verändert – und Archaeen Teil dieser Anpassungen sind.

Metabolische Zusammenarbeit

M. smithii nutzt Stoffwechselprodukte anderer Darmbakterien, insbesondere Wasserstoff und Kohlendioxid, zur Methanbildung. Dadurch unterstützt es indirekt bakterielle Gärungsprozesse und stabilisiert das mikrobielle Gleichgewicht. „Diese Art der metabolischen Kooperation ist ein natürlicher Bestandteil des Darmökosystems“, erklärt Koautor Dr. Alexander Mahnert, Mitarbeiter im Labor Moissl-Eichinger. „Unsere Experimente zeigen, dass Archaeen das Wachstum bestimmter mit Krebs assoziierten Bakterien beeinflussen können – ohne selbst krankmachend zu sein.“

In Co-Kultur-Experimenten bestätigte sich, dass M. smithii das frühe Wachstum einiger bakterieller Partner fördert, während die Archaeen selbst kaum profitieren. Diese asymmetrischen Wechselwirkungen unterstreichen ihre Rolle als metabolischer Vermittler im Darm.

Stoffwechselprodukte mit vielfältigen biologischen Effekten

Mittels höchstmoderner Analyseverfahren identifizierte das Team um Prof. Tobias Madl von der Abteilung für Medizinische Chemie zahlreiche Stoffwechselprodukte in den gemeinsamen Kulturen. Darunter befanden sich sowohl Stoffe, die mit tumorassoziierten Prozessen in Verbindung stehen, als auch Substanzen mit potenziell tumorhemmenden Eigenschaften.

Als bemerkenswert halten die Wissenschaftler fest, dass einige dieser bioaktiven Moleküle direkt den Archaeen zugeordnet werden konnten. „Das zeigt, dass Archaeen nicht nur indirekt über andere Mikroorganismen wirken, sondern selbst aktiv zur chemischen Vielfalt im Darm beitragen“, so Erstautorin Rokhsareh Mohammadzadeh vom Diagnostik- & Forschungszentrum für Molekulare BioMedizin.

Neue Perspektiven für die Mikrobiomforschung

Die Studie macht nach Auffassung der Forschenden deutlich, dass Archaeen integrale Bestandteile mikrobieller Netzwerke sind und bei der Interpretation von Mikrobiomdaten künftig stärker berücksichtigt werden müssen. Insbesondere für Darmkrebs eröffnen sich neue Forschungsansätze, die nicht auf einzelne Mikroorganismen fokussieren, sondern auf das Zusammenspiel ganzer mikrobieller Gemeinschaften.

„Unser Ziel ist es, das Mikrobiom als dynamisches System zu verstehen“, betont Moissl-Eichinger. „Nur so können wir langfristig klären, welche mikrobiellen Konstellationen zur Gesundheit beitragen – und welche sich im Krankheitsverlauf verändern.“

Die Arbeit unterstreicht laut den Autoren damit die Bedeutung von Archaeen als bislang unterschätzte Akteure im Darmmikrobiom und legt die Grundlage für zukünftige Studien, etwa mit räumlicher Bildgebung oder personalisierten Mikrobiom-Analysen. In Zukunft könnten Archaeen stärker im Fokus von Therapien zur Prävention von Dickdarmkrebs stehen. Das Mikrobiom im Rahmen von Krebserkrankungen ist äußerst komplex und das Verstehen jeder einzelnen Komponente davon könnte neue Rückschlüsse für verbesserte Therapien oder Anhaltspunkte für weitere Forschung liefern.