Globale Mikrobiom-Studie gibt neue Sicht auf gemeinsame Gesundheitsrisiken

Unser Körper besteht aus etwa 30 Billionen menschlichen Zellen, aber sie beherbergen auch etwa 39 Billionen mikrobielle Zellen. Diese wimmelnden Gemeinschaften von Bakterien, Viren, Protozoen und Pilzen in unserem Darm, in unserem Mund, auf unserer Haut und anderswo – gemeinsam das menschliche Mikrobiom genannt – bestehen nicht nur aus Trittbrettfahrern und lauernden Krankheitserregern. Stattdessen bilden diese Mikroben, wie Wissenschaftler zunehmend zu schätzen wissen, Ökosysteme, die für unsere Gesundheit unerlässlich sind. Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten zielt darauf ab zu verstehen, wie Störungen dieser empfindlichen Systeme uns die Nährstoffe rauben können, die wir brauchen, die Verdauung unserer Nahrung beeinträchtigen und möglicherweise Leiden unseres Körpers und Geistes auslösen können.

Aber wir wissen noch so wenig über unser Mikrobiom, dass wir gerade erst anfangen, eine viel grundlegendere Frage zu beantworten: Woher kommen diese Mikroben? Können sie sich wie ein Erkältungsvirus oder ein Magenvirus von anderen Menschen ausbreiten?

Jetzt hat die größte und umfassendste Analyse der menschlichen Mikrobiomübertragung einige wichtige Hinweise geliefert. Untersuchungen unter der Leitung von Genomikern an der Universität Trento in Italien haben Hinweise darauf gefunden, dass Mikrobiom-Organismen ausgiebig zwischen Menschen hin- und herspringen, insbesondere unter denen, die viel Zeit miteinander verbringen. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Januar in Natur, schließen wichtige Lücken in unserem Verständnis darüber, wie Menschen ihre Mikrobiome zusammensetzen und sie ihr ganzes Leben lang neu formulieren.

Andere Wissenschaftler haben die Studie begrüßt. José Clemente Litran, ein außerordentlicher Professor für Genetik und Genomik an der Icahn School of Medicine am Mount Sinai, bezeichnete die Arbeit als „herausragend“ und sagte, sie liefere das erste klare Maß dafür, wie viel gemeinsame Nutzung unter Familienmitgliedern oder Zusammenlebenden zu erwarten sei.

Die Studie nährt auch faszinierende Spekulationen darüber, ob Mikroben unser Risiko für Krankheiten wie Diabetes oder Krebs erhöhen oder senken können – und dadurch Krankheiten, die normalerweise nicht als ansteckend gelten, eine übertragbare Dimension verleihen. Für Brett Finlay, ein Professor für Mikrobiologie an der University of British Columbia, der schrieb ein Kommentar für Wissenschaft im Jahr 2020 über diese Möglichkeit, die Ergebnisse „schlagen den letzten Nagel in den Sarg, dass nichtübertragbare Krankheiten vielleicht nicht so genannt werden sollten“.

Unergründliche Vielfalt

Mikrobiome sind wie Fingerabdrücke: so vielfältig, dass keine zwei Menschen identische haben können. Sie sind auch unglaublich dynamisch – sie wachsen, schrumpfen und entwickeln sich im Laufe des Lebens eines Menschen so stark, dass das Mikrobiom eines Babys bis zum Erwachsenwerden drastisch anders aussehen wird. Eine Handvoll mikrobieller Arten findet man bei mehr als 90 % der Menschen in westlichen Gesellschaften, aber die meisten Arten kommen bei 20 % bis 90 % der Menschen vor. (Selbst Escherichia coli, das wahrscheinlich das einzige Darmbakterium ist, das die meisten Menschen nennen können, liegt unter einer Häufigkeit von 90 %.) Studien deuten darauf hin, dass nicht-verwestlichte Gesellschaften eine noch größere Vielfalt an Mikroben und variablere Mikrobiome aufweisen.

Innerhalb einer Population haben zwei zufällig ausgewählte Individuen normalerweise weniger als die Hälfte ihrer Mikrobiomarten gemeinsam – im Durchschnitt liegt die Überlappung in der mikrobiellen Zusammensetzung des Darms zwischen 30 % und 35 %. Mikrobiologen diskutieren darüber, ob es einen „Kern“-Satz mikrobieller Arten gibt, den alle gesunden Menschen haben, aber wenn es einen gibt, ist es wahrscheinlich ein einstelliger Prozentsatz der Gesamtzahl.

Zu bestimmen, wie oft Mikroben zwischen Menschen ausgetauscht werden, ist jedoch ein viel gewaltigeres Problem als die Suche nach Arten. Eine einzelne Art kann aus vielen verschiedenen Stämmen oder genetischen Varianten bestehen. Forscher müssen daher in der Lage sein, einzelne Stämme zu identifizieren, indem sie sich die Gene in Mikrobiomproben ansehen. Und in einem menschlichen Mikrobiom können zwischen 2 Millionen und 20 Millionen einzigartige mikrobielle Gene vorhanden sein, wobei die Mikroben ihre Gene ständig neu mischen, mutieren und sich weiterentwickeln.

Aus diesem Grund ist es „viel schwieriger zu lernen, wie sich die Vielzahl von Zellen im Mikrobiom ausbreitet, als zu lernen, wie man die Ausbreitung eines Krankheitserregers verfolgt“, sagte er Mireia Valles-Colomer, Postdoktorand an der Universität Trient und Erstautor der neuen Studie. Bis vor kurzem war es unmöglich, Stämme durch eine Population zu verfolgen.

In 2010, wenn Nicola Segata Als er als Postdoc an der Harvard University erstmals mit der Analyse riesiger genetischer Datensätze für das Human Microbiome Project begann, fehlte den verfügbaren Tools die Auflösung, die erforderlich ist, um festzustellen, welche Arten sich im Mikrobiom der Menschen befinden. Sie konnten die allgemeine taxonomische Gruppe identifizieren, zu der ein Mikroorganismus gehörte, aber das war, als würde man den Standort einer Person auf den Mittleren Westen der USA eingrenzen.

In den nächsten Jahren fanden verschiedene Labors Hinweise darauf, dass soziale Interaktionen und das Zusammenleben in der Nähe den Menschen beeinflussten Mikrobiome von Primaten und Mäuse. Studien am Menschen durchgeführt am relativ isolierte Populationen in Papua-Neuguinea und anderswo fanden ebenfalls Anzeichen für die gemeinsame Nutzung von Mikroben. Einige fanden sogar Spuren von möglichen Übertragung von Haustieren. Aufgrund der Einschränkungen dieser Studien war jedoch nicht klar, wie viel Übertragung stattfand und ob sie überall im gleichen Maße stattfand.

Dies änderte sich, nachdem Segata 2013 sein Labor an der Universität Trient eingerichtet hatte. Er und sein Team begannen, Metagenomik-Tools zu entwickeln und zu verfeinern, die zwischen Stämmen derselben Art unterscheiden konnten, was es ermöglichte, die Übertragung von Mikrobiomen genauer zu untersuchen.

Segata ging dieser Frage 2018 nach, indem es die Mikroben von Müttern und ihren Säuglingen analysierte. Die Ergebnisse seiner Gruppe und mehrere andere Studien bestätigten frühere Vermutungen, dass es eine massive Übertragung von der Mutter auf das Baby gibt, so dass die Mutter „das Mikrobiom bei der Geburt prägt“, sagte Segata. Jüngste Arbeiten haben gezeigt, dass Mütter dies weiterhin tun formen die Mikrobiome ihrer Kinder in den wenigen Jahren.

Aber die Vielfalt des Mikrobioms ändert sich erheblich zwischen Kindheit und Erwachsenenalter, so dass diese frühe Vererbung von Müttern „nicht die Mikroben erklärt, die wir bei Erwachsenen sehen“, sagte Segata. In Folgeexperimenten schlossen die Forscher weitgehend aus, dass die neuen Mikroben aus der Nahrung stammten, die die Menschen zu sich nahmen, da diese Mikroben den Darm nicht sehr gut besiedeln konnten.

„Es muss also eine Übertragung sein“, sagte Segata. „Es muss so sein, dass das, was wir im Bauch haben, aus dem Bauch anderer Individuen kommt.“

Teilen mit Familie und Freunden

Für die neue globale Analyse von Mikrobiomen verfeinerten Segata, Valles-Colomer und ihre Kollegen ihre Werkzeuge so weit, dass sie zuvor unbekannte Arten und verschiedene Stämme derselben Art erkennen konnten. Mit diesen Tools untersuchten sie mehr als 9,700 Stuhl- und Speichelproben aus 20 Ländern auf fünf Kontinenten, die Gemeinschaften mit sehr unterschiedlichen Lebensstilen repräsentieren und die gesamte Bandbreite der menschlichen Lebensspanne und viele verschiedene Lebensformen abdecken. Sie verfolgten mehr als 800,000 Mikrobenstämme zwischen Familien, Mitbewohnern, Nachbarn und Dörfern und berechneten, wie viel Prozent der gemeinsamen Arten denselben Stamm hatten.

Wie sie erwarteten, fanden sie heraus, dass die meisten Stämme im ersten Lebensjahr zwischen Müttern und Säuglingen ausgetauscht wurden – etwa 50 % der gemeinsamen Arten, die im Darm der Säuglinge gefunden wurden, waren Stämme, die sich von der Mutter aus ausbreiteten. Der Einfluss der Mutter nahm mit der Zeit ab – er sank von 27 % im Alter von 3 auf 14 % im Alter von 30 Jahren – verschwand aber nicht. Es zeigte sich, dass einige ältere Menschen in China immer noch Belastungen mit ihren überlebenden hundertjährigen Müttern teilen.

Aussichten für Veena Taneja, ein Immunologe an der Mayo Clinic, der nicht an der Studie beteiligt war, war einer der überraschenderen Leckerbissen in den Ergebnissen, dass, obwohl vaginal geborene Säuglinge mehr Stämme mit ihren Müttern teilten als durch Kaiserschnitt geborene Säuglinge, dieser Unterschied um drei verschwand Alter. „Die Leute machen eine große Sache daraus“, dass Babys, die per Kaiserschnitt geboren wurden, möglicherweise einem höheren Risiko für bestimmte Krankheiten ausgesetzt sind, sagte sie. Aber die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es vielleicht „keine große Sache sein sollte“.

(Diese Ansicht wurde bestätigt durch eine neue Studie diesen Monat veröffentlicht in Cell Host & Microbe. Es stellte sich heraus, dass per Kaiserschnitt geborene Babys weniger von den Mikrobiomen ihrer Mutter erhielten als vaginal geborene Babys, aber dass sie es nicht verpassten, weil sie mehr Mikroben aus der Muttermilch erhielten.)

Wenn wir älter werden, stammt ein beträchtlicher Teil unserer Mikrobiome weiterhin von den Menschen, mit denen wir zusammenleben oder in deren Nähe wir leben. Es überrascht nicht, dass die Studie von Segata und Kollegen herausfand, dass Ehepartner und andere physisch intime Partner viele Mikroben gemeinsam hatten: 13 % der Darmspezies, die sie teilten, waren vom gleichen Stamm, ebenso wie 38 % ihrer gemeinsamen oralen Spezies.

Aber Menschen, die platonisch zusammenlebten, lagen nicht weit dahinter, mit 12 % für gemeinsame Darmarten und 32 % für gemeinsame orale Arten. Das liegt daran, dass, wie Segata, Valles-Colomer und ihr Team feststellten, die gemeinsam verbrachte Zeit der wichtigste Faktor für die Übertragung war. Menschen, die unter einem Dach lebten, teilten die meisten Belastungen, aber selbst Menschen, die im selben Dorf lebten, hatten tendenziell mehr gemeinsame Belastungen als Menschen, die durch größere Entfernungen getrennt waren. Die Häufigkeit des Stamm-Sharings war in verschiedenen Gesellschaften gleich, aber das Team bestätigte frühere Ergebnisse, dass Menschen in nicht-verwestlichten Ländern tendenziell vielfältigere Mikrobiome haben.

Die Forscher fanden auch heraus, dass gemeinsame Stämme mit der Zeit verloren gehen könnten. Zwillinge, die zusammen aufwuchsen, hatten eine Belastungsverteilung von etwa 30 %, die nach 10 Jahren des getrennten Lebens auf etwa 30 % abfiel.

Segata hält es für wahrscheinlich, dass die meisten anderen Stämme gemeinsamer Arten auch von anderen Menschen stammen – in erster Linie von engen Kontakten wie Freunden oder Kollegen, aber vielleicht auch von Menschen, denen wir viel kürzer und beiläufig begegnen. (Haustiere leisten jedoch wahrscheinlich keinen großen Beitrag: Segata sagte, dass Tiere hauptsächlich mikrobielle Arten beherbergen, die sich normalerweise nicht in uns ansiedeln oder in uns bestehen.)

Die Ergebnisse sind der bisher stärkste Beweis dafür, dass wir Teile unseres Mikrobioms mit den Menschen teilen, mit denen wir die meiste Zeit verbringen. Die Tatsache, dass die Autoren dieses Übertragungsmuster auf der ganzen Welt und nicht nur in einer einzigen Population sehen konnten, sei „auffällig“, sagte sie Ilana Brito, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik an der Cornell University. Diese Datensätze sind extrem verrauscht, da viele Mutationen in diesen verschiedenen Organismen auftreten, fügte sie hinzu. Aber das Team entdeckte erfolgreich „das Signal über das Rauschen hinweg“.

Es ist nicht klar, wie sich Mikrobiom-Organismen zwischen Menschen ausbreiten. Küssen und Sex erklären einiges davon, aber Mikroben könnten auch durch Tröpfchen übertragen werden, die durch Husten und Niesen ausgespuckt werden, oder sie könnten von kontaminierten Oberflächen aufgenommen werden. Es gibt auch noch viel darüber zu lernen, welche Mikroben leichter verbreitet werden als andere. Die Beantwortung dieser Frage ist entscheidend für das Verständnis der Implikationen der Idee, dass Mikrobiom-Organismen sich ausbreiten können.

Verbreitung von Gesundheit oder Krankheit

Jetzt, da das Ausmaß des Teilens die Verteilungsmuster einzigartiger Mikroben offenbart hat, können wir untersuchen, was bei Krankheiten passiert. „In diesem Sinne denke ich, dass diese Arbeit wirklich grundlegend ist“, sagte Clemente.

Einige Krankheiten, die normalerweise nicht als ansteckend gelten, könnten einen übersehenen übertragbaren Aspekt haben. Studien gefunden haben dass viele Menschen mit Krankheiten, die sich nicht von Mensch zu Mensch ausbreiten, Mikrobiome haben, die „vermasselt“ zu sein scheinen, sagte Finlay.

Manche E. coli Stämme können beispielsweise Toxine freisetzen, die das Krebsrisiko erhöhen könnten. Menschen mit bestimmten Darmkrebsarten, deren Mikrobiome mehr von a enthalten Fusobakterium Arten neigen dazu, a schlechtere Prognose und schlechtere Ergebnisse mit der Behandlung. Darmmikroben, die den Glukose- und Insulinspiegel im Körper beeinflussen, wurden mit Fettleibigkeit und Erkrankungen wie dem metabolischen Syndrom in Verbindung gebracht sogar Typ-2-Diabetes. Ein unausgeglichenes Darmmikrobiom wurde mit Neurodegeneration in Verbindung gebracht, und es wird vermutet, dass es eine Rolle bei Gehirnerkrankungen wie z Alzheimer-Krankheit.

„Wenn diese Krankheiten zumindest teilweise vom Mikrobiom abhängig sind und das Mikrobiom dann zumindest teilweise übertragbar ist, dann werden diese Krankheiten zumindest teilweise übertragbar”, sagte Segata.

Aber "zu verstehen, inwieweit ein bestimmtes Mikrobiom zum [Krankheits-] Risiko beiträgt, das ist die schwierige Frage", sagte Clemente. Selbst die meisten Studien, die solche Assoziationen finden, können nicht auseinanderhalten, ob die Mikroben die Krankheit verursachen oder es einfach einfacher finden, eine Person mit einem Risiko für die Krankheit zu besiedeln.

Wenn „böse“ Mikroben, die das Risiko nichtübertragbarer Gesundheitsprobleme erhöhen, zwischen Menschen übertragen werden können, dann können es theoretisch auch „gute“ Mikroben sein, die diese Risiken senken. Einige Studien deuten darauf hin, dass Mikroben vor Erkrankungen wie Asthma und Allergien schützen können, insbesondere in jungen Jahren. Teilen Sie absichtlich Teile gesunder Mikrobiome, z. B. durch Stuhltransplantationen, hat sich bei der Behandlung bestimmter Krankheiten und Infektionen wie der der Bakterien als erstaunlich erfolgreich erwiesen Clostridium difficile.

Wir haben uns entwickelt, um unsere mikrobiellen Populationen zu erhalten, weil wir sehr von ihnen profitieren, sagte er Jens Walther, Professor für Ökologie, Ernährung und Mikrobiom am University College Cork und dem APC Microbiome Ireland. Aus diesem Grund ist Walter nicht überzeugt von der Hypothese, dass unsere gemeinsamen Mikroben Krankheiten verursachen könnten, und ist eher von der gegenteiligen Idee angezogen, die manchmal als die „alte Freunde“ oder Hygienehypothese. Es schlägt vor, dass unsere Mikrobiome im Laufe der Evolution dazu beigetragen haben könnten, die Reaktionen unseres Immunsystems zu trainieren. Die moderne Zunahme des Einsatzes von Antibiotika und Antiseptika und unsere größere allgemeine Sauberkeit könnten daher die Zusammensetzung des Mikrobioms verändern und mehr gesundheitliche Schwachstellen für uns schaffen.

Im Vergleich zu vor einem Jahrhundert „verbreiten wir Mikroben in der heutigen Welt definitiv nicht leichter“, sagte Walter. Entzündliche Darmerkrankungen, Multiple Sklerose, rheumatoide Arthritis und Typ-1-Diabetes – die alle eher als immunologische Störungen denn als übertragbare Krankheiten gelten – sind in westlichen Gesellschaften, die dazu neigen, in großem Umfang Antibiotika und Antiseptika zu verwenden, häufiger anzutreffen.

Die vorteilhaften oder nachteiligen Auswirkungen des Teilens könnten davon abhängen, welche Arten und Stämme geteilt werden, was immer noch eine Art Blackbox ist. Wir sollten auch bedenken, sagte Brito, dass es möglicherweise nicht einzelne Organismen in unserem Mikrobiom sind, die unsere Gesundheit beeinflussen, sondern Gemeinschaften von ihnen, die gemeinsam übertragen werden. Bestimmte Organismen könnten in einem Gemeinschaftskontext wichtiger sein als in einem anderen.

Segata, Valles-Colomer und ihr Team analysierten in ihrer Studie nur gesunde Personen, aber in ihrer laufenden Forschung wenden sie ihre metagenomischen Werkzeuge auf Datensätze von Menschen mit Krankheiten an, um zu sehen, ob diese Ergebnisse die Zusammenhänge zwischen Gesundheit und Mikrobiomen beleuchten.

Sie sammeln derzeit auch Daten aus drei Kindertagesstätten – von Säuglingen und ihren Eltern, Geschwistern, Haustieren und Lehrern. Die Forscher hoffen herauszufinden, wie die Mikroben übertragen werden und wie lange es dauert, bis bestimmte Darm- und Mundmikroben zwischen Menschen springen.

Die Verfolgung der Ausbreitung von Mikrobiom-Organismen wurde lange Zeit vernachlässigt, weil „wir nicht dachten, dass es einen so großen Einfluss auf unsere Gesundheit haben würde“, sagte Valles-Colomer. Jetzt, da wir die Techniken haben, das Mikrobiom zu untersuchen, „sehen wir es mit praktisch jeder Krankheit in Verbindung“.

Anmerkung des Herausgebers: Die Forschung von Segata und seiner Gruppe wurde von der gefördert Simons Foundation, die dies auch finanziert redaktionell unabhängige Zeitschrift. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf unsere Berichterstattung.