Darmbakterien spielen eine wichtige Rolle für die menschliche Gesundheit und beeinflussen alles von der Verdauung über das Immunsystem bis hin zur Stimmung. Die Komplexität des Mikrobioms ist jedoch atemberaubend. Die schiere Anzahl der Bakterienarten und ihre Wechselwirkungen mit der menschlichen Chemie haben es Wissenschaftlern schwer gemacht, ihre Auswirkungen vollständig zu verstehen. In einem bahnbrechenden Schritt wandten Forscher der Universität Tokio eine Art künstlicher Intelligenz an, die als Bayes’sches neuronales Netzwerk bekannt ist, um Darmbakterien zu untersuchen. Ihr Ziel war es, Zusammenhänge aufzudecken, die mit herkömmlichen Datenanalysemethoden oft übersehen werden.
Neuronales Netzwerk untersucht riesigen Datensatz zu Darmmikroben, um Hinweise auf die Gesundheit zu liefern
Während der menschliche Körper etwa 30 bis 40 Billionen menschliche Zellen enthält, beherbergt allein der Darm etwa 100 Billionen Bakterienzellen. Mit anderen Worten: Wir tragen mehr Bakterienzellen in uns als eigene Zellen. Darmmikroben sind Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Viren und Archaeen, die im Verdauungstrakt des Menschen leben und zusammen das sogenannte Darmmikrobiom bilden. Die meisten von ihnen befinden sich im Dickdarm. Trotz ihrer winzigen Größe spielen sie eine entscheidende Rolle für unsere Gesundheit. Sie unterstützen die Verdauung, indem sie Nahrungsbestandteile abbauen, die unser eigener Körper nicht verwerten kann, insbesondere Ballaststoffe. Dabei entstehen wichtige Stoffwechselprodukte wie kurzkettige Fettsäuren, die die Darmwand stärken und dem Körper Energie liefern. Viele Darmbakterien produzieren außerdem lebenswichtige Substanzen, zum Beispiel Vitamin K oder bestimmte B-Vitamine. Die Mikroben produzieren und modifizieren auch Tausende von Verbindungen, die als Metaboliten bezeichnet werden.
Diese kleinen Moleküle fungieren als chemische Botenstoffe, zirkulieren durch den Körper und beeinflussen den Stoffwechsel, das Immunsystem und sogar die Gehirnfunktion. Neben ihrer Funktion in der Verdauung schützen Darmmikroben auch vor Krankheitserregern, indem sie schädlichen Keimen den Lebensraum streitig machen und die Darmbarriere stärken. Ein großer Teil des Immunsystems befindet sich im Darm, und die Mikroben tragen dazu bei, es zu trainieren und in Balance zu halten. Dadurch helfen sie, Entzündungen zu regulieren und Fehlreaktionen wie Allergien zu vermeiden. Darüber hinaus stehen Darmmikroben in engem Austausch mit dem Nervensystem. Über die sogenannte Darm-Hirn-Achse beeinflussen sie unsere Stimmung, unser Stressverhalten und möglicherweise sogar kognitive Prozesse. Auch für den Stoffwechsel sind sie wichtig: Sie bestimmen mit, wie viele Kalorien wir aus der Nahrung aufnehmen, wie der Zuckerstoffwechsel funktioniert und wie wahrscheinlich es ist, dass sich Übergewicht entwickelt. Das Verständnis, wie bestimmte Bakterien bestimmte Metaboliten produzieren, könnte neue Wege zur Förderung der allgemeinen Gesundheit eröffnen.
„Das Problem ist, dass wir gerade erst beginnen zu verstehen, welche Bakterien welche menschlichen Metaboliten produzieren und wie sich diese Beziehungen bei verschiedenen Krankheiten verändern“, erklärte Projektforscher Tung Dang vom Tsunoda-Labor in der Abteilung für Biowissenschaften. „Durch die genaue Kartierung dieser Beziehungen zwischen Bakterien und Chemikalien könnten wir möglicherweise personalisierte Behandlungen entwickeln. Stellen Sie sich vor, man könnte ein bestimmtes Bakterium züchten, um nützliche menschliche Metaboliten zu produzieren, oder gezielte Therapien entwickeln, die diese Metaboliten modifizieren, um Krankheiten zu behandeln.“ Die größte Herausforderung liegt in der schieren Menge der Daten. Da unzählige Bakterien und Metaboliten auf komplexe Weise miteinander interagieren, ist es äußerst schwierig, aussagekräftige Muster zu identifizieren. Um dieses Problem anzugehen, wandten sich Dang und sein Team fortschrittlichen Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) zu.
Ihr System namens VBayesMM nutzt einen bayesschen Ansatz, um zu erkennen, welche Bakteriengruppen bestimmte Metaboliten signifikant beeinflussen. Es misst auch die Unsicherheit seiner Vorhersagen und hilft so, übertriebene, aber falsche Schlussfolgerungen zu vermeiden. „Bei Tests mit realen Daten aus Studien zu Schlafstörungen, Fettleibigkeit und Krebs hat unser Ansatz bestehende Methoden durchweg übertroffen und spezifische Bakterienfamilien identifiziert, die mit bekannten biologischen Prozessen übereinstimmen“, so Dang. „Das gibt uns die Gewissheit, dass es echte biologische Zusammenhänge entdeckt und nicht nur bedeutungslose statistische Muster.“
Die Stärken und Grenzen des Systems verstehen
Da VBayesMM Unsicherheiten erkennen und kommunizieren kann, liefert es Forschern zuverlässigere Erkenntnisse als frühere Tools. Obwohl es für große Datenmengen optimiert ist, bleibt die Analyse umfangreicher Mikrobiom-Datensätze rechnerisch anspruchsvoll. Mit der Zeit dürften diese Kosten jedoch sinken, da sich die Rechenleistung verbessert. Das System funktioniert auch am besten, wenn umfangreiche Bakteriendaten im Vergleich zu Metabolitendaten vorliegen; andernfalls kann die Genauigkeit sinken. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass VBayesMM Bakterien als unabhängige Akteure behandelt, obwohl sie oft in komplexen, voneinander abhängigen Netzwerken interagieren.
Die Forscher planen, mit umfassenderen chemischen Datensätzen zu arbeiten, die die gesamte Bandbreite bakterieller Produkte erfassen, obwohl dies neue Herausforderungen bei der Bestimmung mit sich bringt, ob Chemikalien aus Bakterien, dem menschlichen Körper oder externen Quellen wie der Ernährung stammen. Die Experten wollen VBayesMM auch robuster machen, wenn es um die Analyse verschiedener Patientengruppen geht, indem sie bakterielle ‚Stammbaum‘-Beziehungen einbeziehen, um bessere Vorhersagen zu treffen und die für die Analyse erforderliche Rechenzeit weiter zu reduzieren. Für klinische Anwendungen ist das ultimative Ziel die Identifizierung spezifischer bakterieller Ziele für Behandlungen oder Ernährungsinterventionen, die Patienten tatsächlich helfen könnten, um so von der Grundlagenforschung zu praktischen medizinischen Anwendungen überzugehen. Durch den Einsatz von KI zur Erforschung der riesigen und komplexen Welt der Darmmikroben kommen Forscher der Erschließung des Potenzials des Mikrobioms zur Transformation der personalisierten Medizin immer näher.
Darmmikroben könnten auch der Schlüssel zu neuen Möglichkeiten der Prävention und Behandlung von Herzerkrankungen sein
Herz-Kreislauf-Erkrankungen fordern jedes Jahr fast 20 Millionen Menschenleben und sind damit weltweit die häufigste Todesursache. Während genetische Faktoren und der Lebensstil eindeutig die Herzgesundheit eines Menschen beeinflussen, entdecken Wissenschaftler nun, dass auch Mikroorganismen, die im Darm leben, einen wichtigen Einfluss haben können. Diese Mikroben scheinen maßgeblich an der Entstehung der koronaren Herzkrankheit (KHK) beteiligt zu sein, obwohl ihre genaue Rolle lange Zeit unklar war.
Jüngste Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Darmmikrobiom die KHK über verschiedene biologische Wege fördern und Entzündungen und Stoffwechselprozesse in einer Weise beeinflussen kann, die sich auf die Arterien auswirkt. Welche spezifischen Bakterien dafür verantwortlich sind – und wie sie zum Fortschreiten der Krankheit beitragen – ist jedoch nach wie vor unklar.
Kartierung von Mikroben bei koronarer Herzkrankheit
Forscher in Seoul beginnen, dieses Rätsel zu entschlüsseln. In einem Artikel in mSystems untersuchte ein Team unter der Leitung von Dr. Han-Na Kim vom Samsung Advanced Institute for Health Sciences and Technology an der Sungkyunkwan University, wie Darmmikroben mit dem Herz-Kreislauf-System interagieren. „Wir sind über die Identifizierung ‚welcher Bakterien dort leben‘ hinausgegangen und haben herausgefunden, was sie tatsächlich in der Verbindung zwischen Herz und Darm tun“, erklärte Kim.
Die koronare Herzkrankheit (KHK) ist eine Erkrankung der Herzkranzgefäße, also jener Blutgefäße, die den Herzmuskel mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgen. Bei dieser Krankheit verengen sich die Gefäße durch Ablagerungen aus Fett, Cholesterin und Kalk, die sogenannten Plaques. Dieser schleichende Prozess wird Arteriosklerose oder Gefäßverkalkung genannt. Durch die Verengung gelangt weniger Blut zum Herzmuskel, besonders dann, wenn das Herz mehr arbeiten muss, etwa bei körperlicher Anstrengung oder Stress. Dadurch entsteht häufig ein Druck-, Enge- oder Schmerzgefühl in der Brust, das als Angina pectoris bezeichnet wird. Wird ein Herzkranzgefäß vollständig verschlossen, erhält ein Teil des Herzmuskels keinen Sauerstoff mehr, was zu einem Herzinfarkt führt.
Die KHK entsteht nicht plötzlich, sondern entwickelt sich über viele Jahre. Zu den wichtigsten Risikofaktoren gehören Rauchen, Bluthochdruck, Diabetes, erhöhte LDL-Cholesterinwerte, Bewegungsmangel, ungesunde Ernährung, Übergewicht sowie genetische Veranlagung und chronischer Stress. Typische Beschwerden sind neben Brustschmerzen auch Atemnot, rasche Ermüdung bei Belastung und Schmerzen, die in Arm, Schulter, Kiefer oder Rücken ausstrahlen können. Gefährlich ist die koronare Herzkrankheit deshalb, weil sie oft lange Zeit unbemerkt bleibt und das Risiko für Herzinfarkt, Herzschwäche und plötzlichen Herztod deutlich erhöht.
Das Team analysierte Stuhlproben von 14 Menschen mit KHK und verglich sie mit Proben von 28 gesunden Teilnehmern mithilfe der Metagenomsequenzierung, einer leistungsstarken Technik, mit der die gesamte DNA in einer Probe identifiziert werden kann. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, die genetische Zusammensetzung einzelner Mikroben zu rekonstruieren. Aus dieser Analyse identifizierten die Forscher 15 Bakterienarten, die mit KHK in Verbindung stehen, und kartierten die Wege, die diese Mikroben mit dem Schweregrad der Erkrankung verbinden.
Entzündung, Ungleichgewicht und mikrobielle Verschiebungen
Kim zufolge „zeigt unsere hochauflösende metagenomische Karte eine dramatische funktionelle Verschiebung hin zu Entzündungen und Stoffwechselungleichgewichten, einen Verlust an schützenden Produzenten kurzkettiger Fettsäuren wie Faecalibacterium prausnitzii und eine Überaktivierung von Stoffwechselwegen wie dem Harnstoffzyklus, die mit der Schwere der Erkrankung in Verbindung stehen.“ Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Darmökosystem bei Menschen mit CAD erhebliche Veränderungen durchläuft, die Entzündungen begünstigen und normale Stoffwechselprozesse stören. Diese Veränderungen könnten erklären, warum das Darmmikrobiom eine so wichtige Rolle bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen spielt.
Überraschenderweise zeigte die Studie auch, dass Bakterien, die normalerweise als nützlich angesehen werden, manchmal schädlich werden können. Mikroben wie Akkermansia muciniphila und F. prausnitzii, die oft als „freundliche” Arten angesehen werden, scheinen unterschiedlich zu wirken, je nachdem, ob sie aus einem gesunden oder einem erkrankten Darm stammen. Diese doppelte Natur, so Kim, verdeutlicht, wie der Kontext sogar schützende Mikroben zu Krankheitsverursachern machen kann.
Die Ergebnisse zeigten auch, wie komplex es ist, bestimmte Bakterien mit Krankheitsverläufen in Verbindung zu bringen. Frühere Forschungen hatten berichtet, dass bestimmte Arten innerhalb der Familie der Lachnospiraceae bei Menschen mit KHK abnehmen. Kims Team fand jedoch heraus, dass andere Lachnospiraceae-Arten tatsächlich in ihrer Häufigkeit zunehmen. „Lachnospiraceae sind vielleicht so etwas wie Dr. Jekyll und Mr. Hyde des Darms”, sagte Kim. Einige Arten scheinen nützlich zu sein, während andere Krankheiten verschlimmern können. Die große unbeantwortete Frage ist nun, welche Stämme heilsam sind und welche Probleme verursachen.
Auf dem Weg zur präzisen mikrobiellen Medizin
Die Forscher planen, mikrobielle Daten mit genetischen und metabolischen Informationen zu kombinieren, um besser zu verstehen, wie Darmmikroben Herzerkrankungen auf mechanistischer Ebene beeinflussen. Ihr langfristiges Ziel ist es, präzisionsbasierte Behandlungen zu entwickeln, die mikrobielle Erkenntnisse nutzen, um Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu verhindern, bevor sie entstehen.
Kim betonte, dass Prävention der vielversprechendste Ansatz sei, um die globalen Auswirkungen von Herzerkrankungen zu verringern. Mögliche Strategien könnten mikrobielle Therapien – wie stuhlbasierte diagnostische Screenings – oder Ernährungsinterventionen sein, die darauf abzielen, nützliche Bakterien wiederherzustellen oder schädliche Prozesse zu hemmen. Durch die Aufdeckung der spezifischen Bakterienarten und biologischen Mechanismen kommen Wissenschaftler der Nutzung des Darmmikrobioms als wirksames Instrument zur Erhaltung der Herzgesundheit einen Schritt näher.