Ihr einzigartiges Mikrobiom kann dazu genutzt werden, Ihre zukünftige medizinische Erfahrung zu verbessern und zu personalisieren

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Nature Reviews Mikrobiologiefassen Forscher über 200 Veröffentlichungen zusammen, die Mikrobiome mit klinischen diagnostischen und präzisionstherapeutischen Interventionen in Verbindung bringen.

Studie: Nutzung des Mikrobioms in der personalisierten Medizin. Bildnachweis: FOTOGRIN / Shutterstock.com

Darmmikrobiota und ihr Potenzial in der personalisierten Medizin

Das Darmmikrobiom, auch Darmmikrobiota oder Darmflora genannt, ist ein Sammelbegriff für alle Mikroorganismen, die im Verdauungstrakt höherer Tiere leben.

Im krassen Gegensatz zum Genom ihres menschlichen Wirts weist das Metagenom der Darmmikroben eine bemerkenswerte Variabilität und Plastizität auf und entwickelt sich ständig als Reaktion auf die Physiologie und Umgebung des Wirts weiter. Mikrobielle Ansammlungen im Darm sind sowohl hinsichtlich der Wirtsspezifität, da sie oft aus mütterlichen Mikrobiota und der Umwelt gewonnen werden, als auch zeitlich einzigartig.

Die Zusammensetzung des Mikrobioms variiert erheblich zwischen Individuen und kann sich auch innerhalb desselben Individuums verschieben, was dynamische Veränderungen widerspiegelt, die im Laufe des Lebens aufgrund von Alter, geografischer Lage, Tagesrhythmus sowie Umwelt-, Ernährungs- und Arzneimittelexpositionen auftreten.“

Eine wachsende Zahl von Beweisen unterstreicht die Bedeutung der Darmmikrobiota für die Bereitstellung ernährungsphysiologischer, krankheitsresistenter und psychologischer Vorteile für ihren Wirt. Infolgedessen wurden erhebliche Störungen im mikrobiellen Ökosystem des Darms, die als „Dysbiose“ bezeichnet werden, mit metabolischen, gastrointestinalen, neurologischen und entzündlichen Folgen in Verbindung gebracht.

Die Charakterisierung der Darmflora einer Person kann ein besseres Verständnis ihres aktuellen Gesundheitszustands ermöglichen und die Entwicklung optimierter klinischer Interventionen unterstützen. Die aktuelle Forschung zur Personalisierung der Behandlung konzentriert sich häufig auf chronische Erkrankungen, insbesondere Krebs.

Diese Studien umfassen typischerweise biochemische und genetische Phänotypisierungen, um Interventionen für Patienten zu informieren. Allerdings sind diese Methoden mit gewissen Einschränkungen verbunden; Beispielsweise werden bei der biochemischen Phänotypisierung standardisierte Methoden verwendet, die zu binären Ergebnissen führen können und wenig Spielraum für ein differenziertes Verständnis der dynamischen Gesundheit eines Individuums bieten. Ebenso wenig berücksichtigt die genetische Phänotypisierung zeitliche Veränderungen im Gesundheitszustand oder die phänotypischen Ergebnisse von Gen-Umwelt-Interaktionen.

Die auf der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft eines Patienten basierende Personalisierung überwindet die zeitlichen und allgemeinen Einschränkungen aktueller Personalisierungsansätze und gewährleistet intraindividuelle Stabilität, eine entscheidende Anforderung diagnostischer Tests.

Automatisierungs- und Diagnoseverbesserungen

Die metagenomische Sequenzierung, bei der die genetische Zusammensetzung und Diversität des Darmmikrobioms analysiert wird, wurde erfolgreich als Biomarker für den allgemeinen Gesundheitszustand von Patienten und die Prävalenz spezifischer Krankheiten untersucht. Diese Studien haben zur Identifizierung von Trimethylamin-N-oxid (TMAO), einem Mikrobiom-modulierten Metaboliten, und seiner Rolle bei der Vorhersage des Risikos von Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) sowie von verzweigtkettigen Aminosäuren bei der Vorhersage von Typ-2-Diabetes (T2D) geführt.

In Studien wurde außerdem die metagenomische Sequenzierung mit Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI) des maschinellen Lernens (ML) kombiniert, um zwischen Glukoseintoleranz, T2D und typischem Glukosestoffwechsel mit einer diagnostischen Genauigkeit zu unterscheiden, die die derzeit verwendeten Diagnosetools übertrifft. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Mikrobiomanalysen nicht nur aktuelle Diagnosetools ersetzen können, sondern im Zusammenspiel mit KI auch die Belastung überlasteter menschlicher Kliniker erheblich reduzieren können.

Der Einsatz gezielter Mikrobiom-Interventionen als Mittel zur Modifizierung des Krankheitsrisikos in krankheitsanfälligen Bevölkerungsgruppen kann die aktuellen Primärpräventionsmodalitäten ergänzen und optimieren.“

Die Nahrung des einen ist das Gift des anderen

Gesundheitsverhalten wurde bei zahlreichen Gewichts-, Alters-, Herz-Kreislauf-Gesundheits- und anderen nicht übertragbaren chronischen Gesundheitszuständen als der am einfachsten veränderbare Risikofaktor identifiziert. Mehrere Studien deuten auf „optimale“ Verhaltensweisen zur Verbesserung der allgemeinen Gesundheit hin.

Leider deuten immer mehr Forschungsergebnisse darauf hin, dass verschiedene Personen unterschiedlich auf Verhaltensinterventionen reagieren können. Intensives körperliches Training hilft zwar beim Abnehmen, führt aber nachweislich zu einem Anstieg des Blutzuckerspiegels, was für Personen mit Typ-1-Diabetes (T1D) schädlich ist. In ähnlicher Weise können individuenspezifische Darmmikrobiota-Gemeinschaften Nahrungsnährstoffe verarbeiten und aufnehmen, was zu erheblichen Unterschieden in den Gesundheitsergebnissen ihrer Wirte führt.

Die Phänotypisierung der Darmmikrobiota eines Patienten kann dazu beitragen, Verhaltens- und klinische Interventionen sowohl bei häufigen als auch bei spezifischen Gesundheitszuständen zu personalisieren. Darüber hinaus kann die wiederholte Phänotypisierung als Marker für das Ansprechen auf die Behandlung und die Wirksamkeit der Intervention verwendet werden. Auf diesen Konzepten basierende KI-Modelle übertreffen nachweislich die aktuellen Goldstandards bei der Vorhersage und Überwachung der Reaktionen von Patienten auf klinische Interventionen.

Mikroben im Kampf gegen Mikroben?

Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten zielt darauf ab, die Wirksamkeit mikrobieller Darmpräparate und gezielter Mikrobiomtherapien zum Schutz vor oder direkter Bekämpfung übertragbarer Krankheiten zu testen. In diesen Studien wurde der direkte Einsatz von Mikroorganismen als Arzneimittel untersucht, der auf die Eliminierung spezifischer Mikrobiomstämme abzielte, der sogenannten „postbiotischen Therapie“, bei der mikrobielle Metaboliten als Arzneimittel eingesetzt werden.

„Nützliche“ Mikroben wie Prä- und Probiotika werden entweder direkt verabreicht oder ihr Wachstum therapeutisch gefördert, mit dem Ziel, Krankheitserreger zu verdrängen oder auf andere Weise zu neutralisieren. Die zweite Klasse umfasst die Umkehrung der Dysbiose, einer häufigen Erkrankung nach Antibiotika-Eingriffen, da diese Erkrankung lang anhaltende und möglicherweise schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesundheit und Immunität der Patienten haben kann, sodass probiotische Nahrungsergänzungsmittel während oder nach Antibiotikakuren zu einer Standardverschreibung werden.

In der letzten Klasse geht es um die Verwendung natürlich gewonnener oder gentechnisch veränderter mikrobieller Metaboliten als Antibiotika. Penicillin, das erste bekannte Antibiotikum, fällt in diese Klasse.

Da nicht alle Patienten auf diese Interventionen ansprechen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Patienten zu identifizieren, die von solchen Ansätzen am meisten profitieren würden. In diesem Zusammenhang könnte der individualisierte Fingerabdruck des Mikrobioms als wirksame „begleitende Diagnose“-Methode genutzt werden, um die Behandlung individuell auf das Individuum abzustimmen.“

Warum nutzen es nicht mehr Ärzte?

Obwohl die Vorteile von Mikrobiomanalysen bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten zahlreich sind, steckt das Gebiet noch in den Kinderschuhen. Nur wenige Studien haben die Sicherheit dieser Interventionen beim Menschen bestätigt.

Ironischerweise stellt eine der größten Stärken mikrobieller Eingriffe im Darm – die „personalisierten“ Aspekte der Behandlung – eine ihrer größten Herausforderungen dar. Interindividuelle Unterschiede führen zu einem Mangel an Konsistenz in den Daten einzelner Studien und zu einer noch geringeren Reproduzierbarkeit zwischen Studien, wodurch die medizinischen Leitungsgremien daran gehindert werden, ihre Verwendung vorzuschreiben.

Ein weiterer Nachteil der aktuellen Forschung besteht darin, dass Neuheiten die Kosten erhöhen. Die meisten Studien zur Darmmikrobiota nutzen Sequenzierungstechniken der nächsten Generation, die Fachwissen erfordern und Kosten verursachen, die für Forscher und Institute in unterentwickelten Ländern oder Entwicklungsländern weit außerhalb der Reichweite liegen.

Jüngste Forschungsergebnisse legen nahe, dass die mikrobielle Exposition, insbesondere in der frühen Kindheit, die Mikrobiomgemeinschaften und die angeborene Immunität erwachsener Menschen erheblich verändern kann. Diese Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen, bevor die universelle Anwendung der klinischen Personalisierung aus dem Bereich der Wissenschaft in die Schulmedizin übergehen kann.