Wissenschaftler erhalten eine neue Sicht auf die Verdauung

Unsere Darmmikroorganismen, zusammenfassend als Darmmikrobiota bezeichnet, beeinflussen weit mehr als nur die Verdauung. Bakterien in unserem Darmtrakt beeinflussen die Gehirnaktivität – und sogar die Wahrscheinlichkeit, psychische Störungen zu entwickeln. Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass ein bakterielles Ungleichgewicht im Darm viele Systeme im menschlichen Körper stören und zu Fettleibigkeit, Unterernährung und sogar Krebs führen kann. In einer am 10. Mai in Nature veröffentlichten Studie verwendeten Forscher und Mitarbeiter von Stanford Medicine ein einnehmbares Gerät, um die Vielfalt an Mikroorganismen, Viren, Proteinen und Galle im Dünndarm einzufangen.

Die Proof-of-Concept-Ergebnisse liefern erste Hinweise darauf, dass es umfassendere Methoden zur Messung der Mikrobiota im Verdauungssystem gibt als die derzeitigen Probenahmemethoden – die sich hauptsächlich auf den Stuhl konzentrieren – und werfen neues Licht darauf, welchen Beitrag residente Darmmikroben zur menschlichen Physiologie leisten könnten und Krankheit.

„Dieses Papier zeigt einen großen Fortschritt in der mikrobiellen Erkennung und erfasst die lebende Darmmikrobiota auf den Punkt gebracht“, sagte Co-Seniorautor KC Huang, PhD, Professor für Bioingenieurwesen sowie Mikrobiologie und Immunologie und Co-Seniorautor zusammen mit David Relman. MD, Professor für Medizin sowie für Mikrobiologie und Immunologie. „Beispiele aktueller Tools spiegeln nicht vollständig wider, was in uns vorgeht. Aber das ist alles, was wir hatten – bis jetzt.“

Der Dünndarm ist häufig der Ort, an dem sich viele Krankheiten manifestieren. Die Erfassung der Mikrobiota des Dünndarms war jedoch schwierig, insbesondere im Vergleich zur einfachen Stuhlprobenentnahme, einer der traditionellen Methoden, mit denen Forscher das menschliche Darmmikrobiom untersuchen. Ärzte können Flüssigkeiten im Organ auch durch Verfahren der oberen Endoskopie – bei denen ein Patient einen langen, flexiblen Schlauch verschluckt – oder durch Leichensektionen entnehmen. Allerdings können einige Vorbehalte (denken Sie an eine Kontamination durch benachbarte Organe wie den Magen) dazu führen, dass eine solche Probenahme nicht repräsentativ für die lebende Mikrobiota im Darm ist.

Laut Huang haben Wissenschaftler mit der Kapsel zum ersten Mal die Mikroumgebung des Dünndarms beim Menschen gemessen, einen differenzierteren Blick auf den Dünndarm erhalten und gezeigt, dass verschiedene Regionen des Organs unterschiedliche Bakterien beherbergen.

Andere nicht-invasive einnehmbare Instrumente wurden für die Probenahme des Darmtrakts von Schweinen und Primaten entwickelt, das erste wurde 2019 entwickelt. Das Gerät von Stanford Medicine, das etwa die Größe einer Pille hat, kann bei Menschen verwendet werden und kann mehr als vier davon beproben Das Volumen ist um ein Vielfaches größer als bei früheren Geräten und erfasst Mikrobiota in verschiedenen Abschnitten des Dünndarms. Die Kapsel ist hohl – eine einfache Blase, die sich in Abständen öffnet – im Gegensatz zu anderen Kapseln, die mit Elektronik beladen sind, was ihre weit verbreitete Verwendung aufgrund der Komplexität und Kosten der Herstellung einschränkt.

Das Gerät dient dazu, Proben aus dem Dünndarm bei festgelegten pH-Werten zu entnehmen (verschiedene Teile des Darms haben unterschiedliche pH-Werte). Die Teilnehmer schluckten pro Sammlung vier Geräte, von denen jedes geöffnet wurde, um biologisches Material bei einem anderen pH-Wert zu sammeln. Während sich die Kapsel durch den Darmtrakt bewegt, löst sich die Beschichtung der Probenahmegefäße auf, wodurch die Sammelblase geöffnet und Flüssigkeiten durch das Ventil angesaugt werden.

Während der Studie sammelten die Wissenschaftler zwei Tage lang zweimal täglich insgesamt 240 Mikrobiomproben von 15 Personen. Die Entnahmegeräte untersuchten den größten Teil der 30 Fuß langen Länge des Dünndarms, obwohl einige Proben nicht analysiert wurden, weil die Kapsel nicht genügend Flüssigkeit sammelte. Das Team analysierte schließlich 210 Geräteproben sowie 29 Speichel- und 58 Stuhlproben, die an denselben Tagen wie die Proben des einnehmbaren Geräts entnommen wurden. Die Studienteilnehmer aßen normale Mahlzeiten und führten ein Ernährungstagebuch.

Die Kapseln wurden gesammelt, nachdem sie den gesamten Verdauungstrakt durchlaufen hatten. Anschließend sequenzierten die Wissenschaftler die Proben, identifizierten ansässige Bakterienarten und sammelten lebende Kulturen.

Eine der bemerkenswertesten Entdeckungen ist laut Huang, was in den Gallensäuren lauerte – der grünen Flüssigkeit, die von der Leber abgesondert wird, um die Verdauung zu unterstützen. Gallensäuren beeinflussen fast jeden Aspekt unserer Gesundheit, sagte Huang. Sie beeinflussen, wie wir Nahrung verdauen, wie wir Fett aufnehmen und wie wir Hormone signalisieren; Sie töten auch Mikroben. Ärzte können sogar Gallensäuren verwenden, um Patienten mit Reizdarmsyndrom zu diagnostizieren, normalerweise tun sie dies jedoch anhand einer Stuhlprobe.

Forscher fanden heraus, dass die Gallensäuren, wenn sie zum Stuhl transportiert werden, eine andere chemische Vielfalt aufweisen als die im Dünndarm vorkommenden. Dieser deutliche Unterschied zeigt, dass Stuhlproben keinen vollständigen Einblick in die Live-Verdauung bieten. „Was in der Toilette herauskommt, ist nicht repräsentativ für das, was stromaufwärts vor sich geht“, sagte er. „Der Ort, der uns wirklich am Herzen liegt, ist der Ort, an dem die Mikroben interagieren, und es war faszinierend, den Vorhang zurückzuziehen.“

Die Forscher haben eine Bibliothek von 461 Stämmen mit mindestens 51 Arten zusammengestellt, mit deren Hilfe sie mehr über die Biologie des Dünndarms erfahren wollen. Im Allgemeinen war die Vielfalt der Mikrobenarten bei Darmproben weitaus variabler als bei Stuhl- oder Speichelproben.

Huang geht davon aus, dass jeder Mensch einen individuellen Fingerabdruck in seiner Dünndarm-Mikrobiota hat – und dass die Mikrobiota je nach untersuchtem Teil des Darms unterschiedlich ist.

Huang hofft, mit lebenden Kulturen, die mithilfe der Kapsel entnommen werden, kränkelnden Darmökosystemen zu helfen. Er geht davon aus, dass die Untersuchung der Mikrobiota-Arten aus dieser Studie in vorteilhaftere Kottransplantationen umgewandelt werden kann – Stuhl, der von einer gesunden Person entnommen und in den Dickdarm einer kranken Person übertragen wird. Ziel ist es, Mikroumgebungen wiederherzustellen, die mithilfe der Kapsel erstmals im Inneren eines Menschen gemessen werden.

Bevor die Kapsel unser Verständnis von Krankheiten verbessern kann, müssen Forscher sie umfassender einsetzen, um die bei gesunden Menschen vorkommende Bakterienvielfalt zu erfassen. Huang interessiert sich für die Untersuchung, wie Ernährung, Medikamente und Krankheiten die Vorkommen im Dünndarm verändern.

„Ich denke, die Magie unserer Kapsel besteht darin, dass sie die Art und Weise verändern wird, wie Menschen über die Beziehung der Darmmikrobiota zu Krankheiten denken“, sagte er, „weil Sie dieses Fenster in das Ökosystem haben, das wir vorher nicht hatten.“

Forscher von Envivo Bio Inc., dem West Coast Metabolomics Center, dem Max-Planck-Institut für Biochemie, Chan Zuckerberg Biohub, der Pennsylvania State University, dem Silicon Valley Neurogastroenterology and Motility Center, der University of California, Davis und dem Veterans Affairs Palo Alto Health Care System trugen ebenfalls dazu bei zu dieser Studie.

Foto von picture-waterfall