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  1. Der Menschund sein Mikrobiom W. Florian Fricke, Nutrigenomics w.florian.fricke@uni-hohenheim.de 5. Juni, 2014 Studium Generale, Hohenheim

  2. Übersicht • Demographischer Wandel und Mikrobiom? • Was ist das Mikrobiom? • Das Mikrobiom in Wissenschaft, Medizin und öffentlicher Wahrnehmung • Demographischer Wandel: Etablierung des Mikrobioms und altersbedingte Veränderungen des Mikrobioms

  3. Demographischer Wandel Aus medizinischer Sicht: 1. Mehr alte Menschen mit altersspezifischen Problemen 2. Heranwachsende Generationen mit neuen Gesundheitsproblemen

  4. Veränderungen gesellschaftlicher Krankheitsprofile Bach (2002). NEJM 347:911-20 • Rückgang klassischer Infektionskrankheiten • Anstieg entzündlicher Krankheiten, z.B. Allergien/Asthma, Auto-Immunerkrankungen Veränderte medizinische Anforderungen der heranwachsenden im Vergleich zur heutigen Bevölkerung.

  5. These:Das menschliche Mikrobiom spielt eine entscheidende Rolle für die spezifischen Gesundheitsproblematiken der alternden und einer verändert heranwachsenden jungen Bevölkerung.

  6. Definitionen: Die Gesamtheit aller nicht-menschlichen DNA (Mikrobiom) bzw. allen nicht-menschlichen Lebens (Mikrobiota / Mikroflora) am menschlichen Körper.

  7. Mikrobiom • Was und wo? • Bakterien, Viren/Phagen, Hefen/Pilze, Protisten, Würmer, Parasiten etc... • am ganzen Körper: wo man auch sucht, findet man Mikroorganismen...

  8. Wo steckt das Mikrobiom? Mikrobiom-Komponenten stellen adaptierte Ökosysteme mit Nutzen für den gesamten menschlichen Organismus dar.

  9. Paradigmen-Wechsel Ehemals „steril“ geglaubte Körperstellen beherbergen komplexe Mikrobiome: Bakterium ≠ Infektion • traditionelle mikrobielle Diagnostik beruht auf der Kultivierung von Bakterien,Sequenz-basierten Methoden identifizieren auch nicht-kultivierbare Bakterien • Beispiele: Lunge, Magen, Fruchtblase, Harnblase... • Beispiel Harnblase: symptomatische Patienten oft negativen Kultur-basierten Tests, asymptomatische Patienten oft mit komplexem (protektivem?) Mikrobiom Die Identifizierung von Bakterien in vielen klinischen Proben ist nicht gleichbedeutend mit einem medizinischen Problem!

  10. Komplexität • 1-2 kgWeight of microbes on human person • 10xMore microbial than human cells • 100xMore microbial than human genes • 10,000Microbial species Die Mehrheit aller Bakterien des Mikrobioms kann (noch) nicht kultiviert werden.

  11. Wahrnehmungdes Mikrobioms in der Öffentlichkeit Gute Keime – böse Keime(Bakterien = Bazillen, Keime, Kulturen, Stämme,...) Antibiotika Wirtschaft ($$$)

  12. Gute Keime • gesundheitlicher Nutzen von Probiotika im Menschen bisher kaum belegt • Gefahr gering, Nutzen nicht unwahrscheinlich...

  13. Böse Keime

  14. Antibiotika • Einerseits: „Antibiotika helfen nicht bei Erkältung!” • Andererseits: „Warum verschreibt sie mir dann mein Arzt?“ – „Der Husten ist wirklich unangenehm und nächste Woche muss ich fit sein wegen der Prüfung...“

  15. Antibiotika ≠ Mikrobiom Mikrobiom

  16. „Einige meiner besten Freunde sind Keime...“ Michael Pollen (2013); http://www.nytimes.com/2013/05/19/magazine/ say-hello-to-the-100-trillion-bacteria-that-make-up-your-microbiome.html

  17. Pharmazeutische Industrie sieht enormes diagnostisches und therapeutisches Potential des Mikrobioms und hat begonnen, selbst massiv in Forschung und Entwicklung zu investieren. Industrie

  18. Gesundheitliche Bedeutung des menschlichen Mikrobioms 1. Beispiel: Adipositas / Fettleibigkeit Mikrobiom zur Unterstützung des menschlichen Stoffwechsels

  19. Maus-Modelle • ob/ob-Maus: • Appetit-Regulation fehlt, stark übergewichtig • gutes Modell für menschliche Fettleibigkeit • keimfreie Mäuse • herangezogen unter sterilen Bedingungen, Mikrobiom-frei! • können nachträglich durch Fütterung besiedelt werdenz.B. “humanisierte” Mäuse

  20. Fettleibigkeit • übergewichtige Mäuse haben ein verändertes Mikrobiom • Fettleibigkeit ist durch das Mikrobiom übertragbar auf keimfreie Mäuse • Henne-Ei-Problem: • führt Fettleibigkeit zu Mikrobiom-Veränderungen? • ...oder ist Fettleibigkeit eine Folge von Mikrobiom-Veränderungen? Mikrobiom-Komponente der Fettleibigkeit eröffnet neue medizinische Ansätze für Diagnostik und Therapie!

  21. Gesundheitliche Bedeutung des menschlichen Mikrobioms 2. Beispiel: Antibiotika-assoziierte Durchfallerkrankungen Mikrobiom zum Schutz vor der Invasion pathogener Bakterien

  22. Clostridium difficile- Infektion

  23. Stuhl-Transplantation Mikrobiom als Ökosystem: • Störung- Behandlung mit Antibiotikum • Resistenz – Rückkehr zum Normalzustand oder Krankheit • Manipulation – Stuhl-Transplantation (Mikrobiom-Therapie)

  24. Was macht ein Mikrobiom „gut“ oder „schlecht“? 1. Beispiel: Benennung von bakteriellen Spezies • Fokus auf Bakterien • vom “werist da?” wirdgeschlossen auf “was wirdgemacht?”Idee: verwandteBakterienübenähnlicheFunktionenaus

  25. Mikrobiom: Spezies-Zusammensetzung • Human Microbiome Project • >100 gesunde Menschen • Referenz für Normalzustand Normale/gesunde Menschen zeigen extreme Unterschiede in der Spezies-Zusammensetzung ihres Mikrobioms.

  26. Was macht ein Mikrobiom „gut“ oder „schlecht“? 2. Beispiel: Benennung von genetischen Funktionen • Charakterisierung aller Gene (aller Organismen) des Mikrobiomsum bioinformatisch Funktions-Zusammensetzung zu bestimmen • = Metagenom

  27. Mikrobiom: Funktions-Zusammensetzung • Human Microbiome Project • >100 gesunde Menschen • Referenz für Normalzustand Unterschiedliche Bakterien üben ähnliche Funktionen aus.

  28. Das Mikrobiom im Kontext des demographischen Wandels 1. Beispiel: Gesellschaftliche Veränderungen des Mikrobioms

  29. Woher bekommen wir unser Mikrobiom? Exposition und Selektion sind entscheidend für die Etablierung eines „guten“ Mikrobioms: • gestillte Menschen weisen noch im Erwachsenenalter eine andere Struktur des Darm-Mikrobioms auf • Kaiserschnitt, Verzicht auf Stillen und Antibiotika im 1. Lebensjahr erhöhen das Risiko, später Allergien oder Asthma zu entwickeln

  30. Hygiene-Hypothese Herkunft bestimmt das Risiko, Allergien/Asthma und Autoimmunerkrankungen zu entwickeln • Geographie: Geburt/Jugend in industrialisiertemLand und städtischem Milieu,statt Entwicklungsland und ländlichem Milieu / Bauernhof • Infektionskrankheiten: geringes Risiko klassischer Infektionen (Würmer/Parasiten, Helicobacter pylori)

  31. Das Mikrobiom im Kontext des demographischen Wandels 2. Beispiel: Altersbedingte Veränderungen des Mikrobioms

  32. Wohnform + Gesundheitim Alter Klinische Entzündungs-parameter Gesundheit Claesson (2012) “Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly.” Nature488, 178-185 Selbständig wohnend Ambulante Pflege Pflegeheim <6 Monate Pflegeheim >6 Monate

  33. Veränderungen des alternden Mikrobioms nach Wohnform Selbständig wohnend Ambulante Pflege Pflegeheim <6 Monate Pflegeheim >6 Monate

  34. Ernährung + Wohnform + Mikrobiom im Alter Selbständig wohnend Ambulante Pflege Pflegeheim <6 Monate Pflegeheim >6 Monate Fett Ballaststoffe

  35. Ausblick:Über eine ausgewogene Ernährung können wir unser Mikrobiom im Alter positiv beeinflussen und damit entscheidend zu einem gesunden Altern beitragen.

  36. Zusammenfassung Das Mikrobiom kann sowohl über taxonomische („wer?“) als auch funktionelle („was?“) Zusammensetzungen charakterisiert werden. Das menschliche Mikrobiom ergänzt und erweitert den menschlichen Metabolismus (Übergewicht)und schützt vor Infektionen (Antibiotika-assoziierte Durchfall-Erkrankungen). Gesamt-gesellschaftliche Veränderungen des Mikrobioms (gestiegene Hygiene-Standards, veränderte Ernährung im Alter) tragen zu den medizinischen Herausforderungen des demographischen Wandels bei. Häufung entzündlicher Erkrankungen könnten aus dem Wegfall typischer Infektionskrankheiten in industrialisierten Ländern resultieren. Veränderte Ernährungsgewohnheiten im Alter könnten die Entstehung altersspezifischer Erkrankungen begünstigen.