Wie bakterielle Interaktionen die Darmgesundheit beeinflussen
Unser Magen-Darm-Trakt ist mit einer Schleimschicht überzogen, die den Körper vor invasiven Krankheitserregern schützt und symbiotische Interaktionen mit kommensalen Bakterien ermöglicht. Diese Mikroorganismen sind ein wichtiger Bestandteil des menschlichen Darmmikrobioms und tragen zu verschiedenen Funktionen wie der Verdauung, der Nährstoffaufnahme und der Entwicklung des Immunsystems bei. „Diese Schleimschicht besteht aus verschiedenen Arten von großen Muzinproteinen (einer Familie von Proteinen, die eine entscheidende Rolle bei der Bildung und Aufrechterhaltung von Schleim spielen), die mit komplexen Zuckermolekülen umhüllt sind“, erklärt Bac2MUC-Projektkoordinatorin Karin Strijbis(öffnet in neuem Fenster) von Universität Utrecht(öffnet in neuem Fenster) in den Niederlanden. „Es ist noch weitgehend unbekannt, wie Bakterien mit diesen zuckerumhüllten Muzinproteinen interagieren und welche funktionellen Konsequenzen diese Interaktionen für die Gesundheit und Krankheit des Darms haben.“
Identifizierung der Funktionen von Muzinen
Ziel des Bac2MUC-Projekts, das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) unterstützt wurde, war es, pathogene und kommensale Bakterien zu identifizieren, die mit bestimmten Mucin-Glykoproteinen interagieren. Im Rahmen des Projekts sollten auch die Funktionen der Muzine bei der Verhinderung von Infektionen und der Aufrechterhaltung der Darmgesundheit untersucht werden. „Um die Funktionen der Muzine zu untersuchen, haben wir im Labor Darmepithelkulturen mit den richtigen Muzinproteinen gezüchtet, die im Dünn- und Dickdarm vorkommen“, sagt Strijbis. „Wir haben unsere Zellen auch so verändert, dass ihnen ein Muzin fehlt, indem wir die CRISPR Geneditierungstechnologie verwendet haben.“ CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats) ermöglicht es dem Forschungspersonal, die DNS lebender Organismen zu verändern, indem es eine „molekulare Schere“ verwendet, um die DNS an bestimmten Stellen zu schneiden. Diese Technik wird eingesetzt, um Genmutationen zu korrigieren, Gene zu deaktivieren oder sogar neue Gene einzufügen. „Viele Darmbakterien können sich in der Präsenz von Sauerstoff nicht vermehren und gedeihen, daher mussten die meisten unserer Experimente in einer anaeroben Kammer durchgeführt werden“, erklärt Strijbis. „Wir haben Adhäsions- und Invasionsexperimente durchgeführt und die Interaktionen zwischen Bakterien und Schleimstoffen mit Hilfe der konfokalen Fluoreszenzmikroskopie sichtbar gemacht.“ Die konfokale Fluoreszenzmikroskopie nutzt fluoreszierende Markierungen, um biologische Proben mit hoher Auflösung abzubilden. Sie ermöglicht es Forschenden, zelluläre Strukturen und Prozesse im Detail zu visualisieren.
Wesentliche Funktionen für die Aufrechterhaltung der Darmgesundheit
Das Projektteam konnte zeigen, dass Muzine eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Darmgesundheit spielen und dass die Interaktion zwischen Bakterien und Muzinen sehr spezifisch ist. Beispielsweise haben Krankheitserreger wie Salmonellen spezifische Virulenzfaktoren entwickelt, um Mucine für die Zellpenetration zu missbrauchen. Kommensale wie Bifidobakterien besiedeln die Schleimschicht und spalten Muzinzucker für ihre Nährstoffaufnahme ab, stärken aber gleichzeitig die Barrierefunktionen des Darms. „Neue Erkenntnisse über die molekularen Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Mucinen können der menschlichen Gesundheit in vielerlei Hinsicht von Nutzen sein“, erklärt Strijbis. „Für die Krankheitserreger können wir Strategien entwickeln, um ihre Interaktion zu blockieren, sodass sie nicht mehr über die Schleimhautoberfläche in den Körper eindringen können. Für die Kommensalen ist es von Bedeutung zu wissen, welche Bakterien die gesunden Barrierefunktionen des Darms wiederherstellen können, beispielsweise bei Menschen, die an einem Leaky-Gut-Syndrom oder einer entzündlichen Darmerkrankung leiden.“
Bedeutung für die menschliche Gesundheit und Krankheiten
Strijbis ist der Ansicht, dass das Projekt dazu beigetragen hat, die zentrale Rolle von Muzinen für die menschliche Gesundheit zu unterstreichen. „In meiner Gruppe werden wir weiterhin spezifische Wechselwirkungen zwischen Bakterien und der Schleimhaut sowie deren Bedeutung für die menschliche Gesundheit und Krankheiten untersuchen“, fügt sie hinzu. „In Zusammenarbeit mit einem Team von Spezialisten für Magen-Darm-Erkrankungen untersuchen wir derzeit Veränderungen der Mucine und Schleimeigenschaften bei entzündlichen Darmerkrankungen und prüfen, ob bestimmte kommensale Bakterien die Darmgesundheit wiederherstellen können.“
