Wie E. coli in gesunde menschliche Darmmikrobiota eindringen und sich dort ansiedeln
Der Darm beherbergt die größte mikrobielle Population im menschlichen Körper – die sogenannte Darmmikrobiota, die erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit hat. So kann eine gesunde Darmmikrobiota beispielsweise Resistenz gegen schädliche Bakterien verleihen, während dieser Nutzen bei einer gestörten Mikrobiota wiederum verloren geht. Allerdings findet eine Besiedlung auch unter gesunden Darmbedingungen statt. „Die genauen Mechanismen, die dem zugrunde liegen, sind nach wie vor unbekannt, was durch die Tatsache kompliziert wird, dass die spezifische Darmmikrobiota jedes Menschen potenziell zu einzigartigen Reaktionen führen kann“, sagt Hugo Barreto, Hauptforscher des MICROINVADER-Projekts, das ins Leben gerufen wurde, um herauszufinden, wie individuelle Variationseinflüsse die Dynamik der bakteriellen Kolonisation beeinflussen.
In-vitro- und In-vivo-Untersuchungen der menschlichen Darmmikrobiota
Escherichia coli ist ein Bakterium, das viele Lebensräume besiedelt, darunter auch den menschlichen Darm. Aufgrund seiner hohen genetischen Vielfalt gilt es bei der Kolonisation des menschlichen Darms als „kommensal“ – es koexistiert, ohne dem Wirtsorganismus zu schaden. Es kann sich jedoch auch als pathogen erweisen und rund 1 Million Todesfälle pro Jahr(öffnet in neuem Fenster) verursachen. Beim Menschen zeigen E. coli bekanntermaßen eine schnelle Weiterentwicklung, und selbst unter gesunden Bedingungen werden die ansässigen Stämme ständig durch eindringende Stämme verdrängt – dies wird als Kolonisationsresistenz bezeichnet. „Als Modellorganismus kann E. coli genetisch verändert werden, um die Einführung von ‚molekularen Barcodes‘ oder Fingerabdrücken für bestimmte Stämme von E. coli zu ermöglichen, die zuvor aus dem menschlichen Körper isoliert wurden“, erklärt Barreto vom französischen Institut für Gesundheits- und medizinische Forschung(öffnet in neuem Fenster), der gastgebenden Einrichtung des Projekts. „Da jedes Bakterium einen anderen Barcode besitzt, können durch Sequenzierung diejenigen natürlichen E.-coli-Isolate identifiziert werden, die in die menschliche Darmmikrobiota eindringen und sich dort ansiedeln können.“ Um diesen Prozess in vitro zu untersuchen, wählte das Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) – Projekt 16 Mikrobiota aus der NutriNet-Santé(öffnet in neuem Fenster) – Kohorte) aus und kultivierte sie bis zu zwei Wochen lang in einer MiniBioReactor (MBRA)-Anordnung innerhalb einer anaeroben Kammer. „Dieses System erhält die mit der Darmmikrobiota jedes Spenders verbundene mikrobielle Gemeinschaft aufrecht und ermöglicht gleichzeitig präzise Veränderungen – wie die Einführung natürlicher E.-coli-Isolate und die Beprobung der Gemeinschaft – ohne die störenden Auswirkungen von Verhaltensänderungen eines lebenden Wirts“, fügt Barreto hinzu. Nach einigen Tagen der Akklimatisierung wurde ein mit Barcodes versehenes Panel aus 26 natürlichen E.-coli-Isolaten in den MBRA eingebracht, wobei die Häufigkeit und die Barcode-Dynamik im Zeitverlauf überwacht wurden. Entscheidend ist, dass die ausgewählten Darmmikrobiomen bereits einen oder mehrere ansässige E.-coli-Stämme enthalten, sodass die Kolonisationsresistenz oder die Ko-Kolonisation in Echtzeit getestet werden konnte. Um die Evolutionsdynamik der erfolgreichen E.-coli-Eindringlinge zu charakterisieren, wurden axenische Mäuse(öffnet in neuem Fenster) – die frei von jeglichen Bakterien sind – mit acht aus dem MBRA-Experiment ausgewählten menschlichen Darmmikrobiomen besiedelt und über zwei Monate hinweg beobachtet.
Charakterisierung des Invasions- und Kolonisationserfolgs
Das Team stellte fest, dass der Invasions- und Kolonisationserfolg von E. coli je nach menschlicher Darmmikrobiota um bis zu drei Größenordnungen variierte. Zudem war der nach der Invasion dominante E.-coli-Stamm vom jeweiligen Spender abhängig. „Dies lässt sich zwar teilweise durch die Vielfalt der menschlichen Darmmikrobiota und das Vorhandensein genetischer Untergruppen von E. coli innerhalb der menschlichen Darmmikrobiota erklären, doch wir beobachteten eine rasche Evolution des dominanten invasiven Stammes, die diese Dynamik veränderte“, bemerkt Barreto. Derweil führte die Arbeit an dem Mausmodell zu der Beobachtung, dass bestimmte menschliche Darmmikrobiota die Häufigkeit von E. coli um zwei Größenordnungen einschränken, obgleich die Analyse noch im Gange ist. „Die überraschendste Beobachtung war, dass die ansässigen E.-coli-Stämme in allen getesteten menschlichen Darmmikrobiota verdrängt wurden. Zuvor wurde die Kolonisation unter Verwendung eines einzigen Stamms getestet, was meistens missglückte, wohingegen wir über 20 Stämme gleichzeitig einbrachten. Dies deutet darauf hin, dass die Kolonisationsresistenz sowohl eine Folge der Vielfalt der eindringenden Bakterien als auch der Zusammensetzung der menschlichen Darmmikrobiota ist“, merkt Barreto an. Das Wissen um die Mechanismen, die den Austausch von Bakterienstämmen unter gesunden Bedingungen regeln, könnte den Weg für Therapien wie beispielsweise Darmmikrobiota-Stuhltransplantationen ebnen, die die menschliche Darmmikrobiota auf einen besseren Erhalt der Gesundheit abstimmen.
