Arrhythmische Bakterien – wenn die Mitbewohner aus dem Tritt kommen

Die Zusammensetzung und Aktivität der Darmflora unterliegt normalerweise tageszeitlichen Schwankungen. Bei Typ-2-Diabetikern können diese verloren gehen. Dies zeigte eine der größten Untersuchungen zum Thema Mikrobiom und Diabetes mit mehr als 4.000 Probanden.

Die Zusammensetzung und Aktivität der Darmflora unterliegt normalerweise tageszeitlichen Schwankungen. Bei Typ-2-Diabetikern können diese verloren gehen. Dies zeigte eine der größten Untersuchungen zum Thema Mikrobiom und Diabetes mit mehr als 4.000 Probanden.

Was im menschlichen Körper ist zahlreicher als unsere Zellen? Mikroorganismen! Und diese beheimaten etwa 150 Mal so viele Gene wie das menschliche Genom. Der Darm ist eines der mikrobiell am dichtesten besiedelten Ökosysteme des Planeten.1

Bedeutung des Tag-Nacht-Rhythmus des Mikrobioms für metabolische Erkrankungen

Die Biodiversität des Darmmikrobioms wird von diversen Faktoren beeinflusst, wie Lebensstil, Umwelteinflüssen, Genetik oder Krankheiten. Die Relevanz des komplexen Gleichgewichtes hilfreicher Mitbewohner für diverse Erkrankungen rückt seit einigen Jahren zunehmend in den Fokus.
Frühere Arbeiten haben einen Zusammenhang zwischen der Entwicklung von Übergewicht und Diabetes Typ 2 mit Störungen der zirkadianen Uhr (z. B. durch Schichtarbeit) oder Dysbiosen des Darms beschrieben.

Forscher der Technischen Universität München (TUM) und des zur TU gehörigen Zentralinstitutes für Ernährungs- und Lebensmittelforschung (ZIEL) in Freising fanden in der ersten prospektiven Humanstudie zu diesem Thema heraus, dass Mikroben des Darms 24‑stündliche Oszillationen hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zeigen und dass die zirkadiane Rhythmik des Darmmikrobioms bei Übergewichtigen und Typ‑2-Diabetikern gestört ist.2,3

Mikrobielle Risikosignatur: arrhythmische Bakterien

Hierfür analysierten sie Daten von fast zweitausend Personen aus einer bestehenden Kohorte des Münchner Helmholtz Zentrums (KORA-Kohorte) und bestätigten ihre Beobachtungen mithilfe weiterer, großer, unabhängiger Studienpopulationen aus Deutschland (FoCuS-Kohorte der Universität Kiel sowie Kohorte des enable-Clusters, Wissenschaftszentrum Weihenstephan).
Die Ergebnisse wurden Anfang Juli in der Zeitschrift Cell veröffentlicht.3

"Wenn bestimmte Darmbakterien keine tageszeitliche Rhythmik aufweisen, sich also in Zahl und Funktion im Laufe des Tages nicht verändern, kann man auf eine mögliche Erkrankung mit Typ-2-Diabetes schließen. Dieses Wissen verbessert sowohl die Diagnose als auch Prognostik von Typ-2-Diabetes", führt Chronobiologin Dr. Silke Kiessling aus.2

Darmbakterien verbessern Risikoklassifizierung und Vorhersage von Typ-2-Diabetes

Diese Bakterien, die keine tageszeitliche Varianz mehr zeigen, also arrhythmisch sind, stellen den Forschern zufolge Marker für eine mögliche Erkrankung dar, sie bezeichnen dies als Risikosignatur. In Kombination mit weiteren Merkmalen, wie dem Body-Mass-Index, lässt sich das Risiko für ein zukünftiges Erkranken vorhersagen.
Diese arrhythmische Risikosignatur konnte bei 699 KORA-Probanden einen Diabetes Typ 2 fünf Jahre nach Studienbeginn voraussagen, am effizientesten in Kombination mit dem BMI.

Der in dieser Studie beobachtete Verlust der Rhythmik von Mikroben bei Personen mit Diabetes Typ 2 zieht wahrscheinlich eine Ungleichmäßigkeit ihrer Stoffwechselprodukte nach sich.
Eine noch relativ neue Sequenzierungsmethode, das Shotgun metagenomic sequencing, offenbarte einen funktionellen Zusammenhang zwischen 26 Stoffwechselwegen und den tageszeitlichen Veränderungen der Darmbakterien. Die Methode dient der Sequenzierung von Genomen ungezielter Zellen einer Flora, mit dem Ziel, Einsichten in die Zusammensetzung und Funktion dieser Gemeinschaft zu erhalten.

Funktionelle Verknüpfung zwischen zirkadianen Rhythmen und dem Mikrobiom

Die Tageszeit der Stuhlproben-Entnahme kann für die Diagnose von Erkrankungen hoch relevant sein. "Die Dokumentierung dieser Zeitangaben ist zur Verbesserung von Risikomarkern essenziell", meint Prof. Dirk Haller, Leiter der Abteilung für Ernährung und Immunologie an der TU München und Direktor des ZIELs.

Die Wissenschaftler versuchten auch, ihre Entdeckungen an einer Kohorte aus England zu validieren (TwinsUK), hier versagte aber die prädiktive Validität ihres Modells. "Aus dem Vergleich mit Kohorten in England konnten wir zeigen, dass unter anderem der regionale Einfluss auf das mikrobielle Ökosystem erheblich ist. Demnach ergibt sich der Bedarf, lokal spezifische arrhythmische Risikosignaturen zu finden", sagt Prof. Haller weiter. Eine zusätzliche Schwierigkeit stellten hier auch in den Studien untereinander abweichende Definitionen von Diabetes Typ 2 dar (HbA1c in KORA, Nüchternblutzucker in TwinsUK).

Die Analysen stützen die Hypothese, dass Veränderungen des Mikrobioms eine Rolle für ernährungsrelevante Erkrankungen spielen. Zukünftige Forschungen könnten sich unter anderem damit beschäftigen, welchen Einfluss eine Darmflora, die sich im Tagesverlauf (nicht) verändert, auf andere Mikrobiom-assoziierte Darmerkrankungen (wie Morbus Crohn oder Darmkrebs) hat.

Referenzen:
1. Raskov, H., Burcharth, J. & Pommergaard, H.-C. Linking Gut Microbiota to Colorectal Cancer. J Cancer 8, 3378–3395 (2017).
2. Darmbakterien verbessern Prognose von Typ-2-Diabetes. https://www.tum.de/nc/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/details/36117/.
3. Reitmeier, S. et al. Arrhythmic Gut Microbiome Signatures Predict Risk of Type 2 Diabetes. Cell Host & Microbe 0, (2020).

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