Mikrobiom – wohnt das Immunsystem wirklich im Darm?

Ziel der Studie: Es wird zunehmend erkannt, dass Nährstoffe aus der Nahrung und die Darmmikrobiota sich gegenseitig regulieren und aufeinander abstimmen. Dadurch beeinflussen sie die Gesundheit des Wirts und immunvermittelte Erkrankungen. In dieser Arbeit geben wir einen systematischen Überblick über den aktuellen Wissensstand zu den Zusammenhängen zwischen Nährstoffen und den Wechselwirkungen zwischen Darmmikrobiota und Immunabwehr des Wirts. Dabei betonen wir, wie diese Achse die Immunität des Wirts bei Gesundheit und Krankheit beeinflussen kann.

Ergebnisse: Es wird zunehmend erkannt, dass Nährstoffe aus der Nahrung und die Darmmikrobiota sich gegenseitig regulieren und aufeinander abstimmen. Dadurch beeinflussen sie die Gesundheit des Wirts und immunvermittelte Erkrankungen. In dieser Arbeit geben wir einen systematischen Überblick über den aktuellen Wissensstand zu den Zusammenhängen zwischen Nährstoffen und den Wechselwirkungen zwischen Darmmikrobiota und Immunabwehr des Wirts. Dabei betonen wir, wie diese Achse die Immunität des Wirts bei Gesundheit und Krankheit beeinflussen kann. Besonders weisen wir darauf hin, dass sich die Auswirkungen einer auf die Darmmikrobiota ausgerichteten Ernährungsumstellung nutzen lassen könnten, um ein breites Spektrum von Erkrankungen mit Bezug zum Immunsystem zu beeinflussen.

Ziel der Studie: Neben der zentral ausgelösten trainierten Immunität im Knochenmark (BM) und im peripheren Blut nach einer Impfung oder Infektion, die nicht über die Schleimhäute erfolgt, gibt es Hinweise darauf, dass sich ein immunologisches Gedächtnis der angeborenen Immunabwehr in den Schleimhäuten nach dortigem Kontakt über einen lokalen Entzündungsweg entwickeln kann. Unklar ist jedoch, ob ein solches Gedächtnis in den Schleimhäuten dadurch entsteht, dass immunologische Signale zusammenwirken, die nach einer Impfung oder Infektion an einer anderen Stelle des Körpers erzeugt werden.

Ergebnisse: Hier zeigen wir, dass eine subkutane Impfung mit Bacillus Calmette-Guérin (BCG) Gedächtnis-Alveolarmakrophagen (AMs) und trainierte Immunität in der Lunge hervorrufen kann. Obwohl eine BCG-Impfung, die nicht über die Schleimhäute erfolgt, Vorläuferzellen im Knochenmark und zirkulierende Monozyten trainiert, ist die Entstehung von Gedächtnis-AMs nicht von zirkulierenden Monozyten abhängig. Stattdessen führt die BCG-Impfung über die Ausbreitung von Mykobakterien zu zeitabhängigen Veränderungen des Darmmikrobioms, der Barrierefunktion und der mikrobiellen Stoffwechselprodukte. In der Folge verändern sich auch die Stoffwechselprodukte im Blut und in der Lunge. Dies führt zur Entstehung von Gedächtnismakrophagen und trainierter Immunität in der Lunge. Diese Daten zeigen einen durch die Darmmikrobiota vermittelten Weg zur Entwicklung eines angeborenen immunologischen Gedächtnisses in weiter entfernten Schleimhautgeweben auf und sind für die Entwicklung künftiger Impfstrategien gegen Atemwegserreger von Bedeutung.

Ziel der Studie: Die Ernährung beeinflusst das Darmmikrobiom, das sich wiederum auf das Immunsystem auswirken kann. In dieser Studie untersuchten wir, wie sich zwei Ernährungsweisen, die auf die Mikrobiota abzielen – pflanzliche Ballaststoffe und fermentierte Lebensmittel –, auf das Mikrobiom und das Immunsystem gesunder Erwachsener auswirken.

Ergebnisse: Obwohl sich der Zytokin-Reaktionswert (der primäre Endpunkt) nicht veränderte, entsprachen drei unterschiedliche immunologische Verläufe bei den Personen mit hoher Ballaststoffaufnahme der Vielfalt ihrer Mikrobiota zu Beginn der Studie. Eine Ernährung mit vielen fermentierten Lebensmitteln erhöhte dagegen kontinuierlich die Vielfalt der Mikrobiota und senkte die Entzündungsmarker. Die Daten zeigen, wie die Verbindung von Ernährungsmaßnahmen mit einer umfassenden, langfristigen Erfassung des Immunsystems und des Mikrobioms Erkenntnisse für Einzelpersonen und die gesamte Bevölkerung liefern kann. Fermentierte Lebensmittel könnten hilfreich sein, um der abnehmenden Vielfalt des Mikrobioms und den zunehmenden Entzündungen entgegenzuwirken, die in industrialisierten Gesellschaften weit verbreitet sind.

Ziel der Studie: Neue Erkenntnisse weisen auf eine zentrale Rolle des Mikrobioms für die Immunität hin. Kausale Belege beim Menschen sind jedoch selten.

Ergebnisse: Trotz einer 10.000-fachen Verringerung der Darmbakterienmenge und eines langfristigen Rückgangs der Bakterienvielfalt waren die Antikörperreaktionen nicht wesentlich beeinträchtigt. In einer zweiten Studie mit Personen, die vorab niedrige Antikörperwerte hatten, waren jedoch die H1N1-spezifische Neutralisierung sowie die IgG1- und IgA-Bindungsreaktionen deutlich beeinträchtigt. Außerdem führte die Antibiotikabehandlung in beiden Studien zu (1) verstärkten Entzündungssignalen, darunter eine erhöhte AP-1/NR4A-Expression, wie sie bereits bei älteren Menschen beobachtet wurde, und einer stärkeren Aktivierung dendritischer Zellen; (2) unterschiedlichen Stoffwechselverläufen mit einer 1.000-fachen Verringerung der sekundären Gallensäuren im Serum, die stark mit der AP-1/NR4A-Signalübertragung und der Aktivierung des Inflammasoms zusammenhing. Die Zusammenführung verschiedener Omics-Daten ergab deutliche Zusammenhänge zwischen Bakterienarten und Stoffwechselmerkmalen und unterstrich die wichtige Rolle des Mikrobioms bei der Beeinflussung der menschlichen Immunität.

Ziel der Studie: Infektionskrankheiten und Infektionen sind in Ländern mit niedrigem Einkommen weiterhin eine der häufigsten Todesursachen und stellen für gefährdete Gruppen wie Säuglinge und ältere Menschen ein großes Risiko dar. Das Immunsystem spielt eine entscheidende Rolle dabei, wie anfällig man für diese Infektionen ist, wie lange sie andauern und ob der Körper sie beseitigen kann.

Ergebnisse: Neben den lokalen Immunreaktionen der Schleimhäute im Darm wird zunehmend erkannt, dass das Darmmikrobiom auch die systemische Immunität beeinflusst. Ärzte nutzen immer häufiger das wachsende Wissen über die komplexen Wechselwirkungen zwischen dem Immunsystem, dem Darmmikrobiom und Krankheitserregern beim Menschen. Der mittlerweile gut belegte Einfluss der Ernährung auf die Zusammensetzung der Darmmikrobiota und auf das Immunsystem macht deutlich, welche Rolle die Ernährung für eine bessere Gesundheit spielen kann. Diese Übersichtsarbeit beschreibt die Mechanismen, die das empfindliche Gleichgewicht zwischen Mikrobiota, Darmgesundheit, lokaler Immunantwort und systemischer Immunität aufrechterhalten. Sie stellt den Bezug zu Infektionskrankheiten im Laufe des Lebens her und hebt die Bedeutung der Ernährung für die Vorbeugung und Behandlung von Infektionskrankheiten hervor.

Ziel der Studie: Der Magen-Darm-Trakt gilt als größtes immunologisches Organ des Körpers und spielt eine zentrale Rolle bei der Regulierung des immunologischen Gleichgewichts. Anders als früher angenommen, ist die Darmepithelbarriere keine unbewegliche physische Barriere, sondern steht in engem Austausch mit dem Darmmikrobiom und den Zellen des Immunsystems.

Ergebnisse: Dieser intensive Austausch zwischen Epithelzellen, Immunzellen und Mikrobiom prägt spezifische Immunreaktionen auf Antigene und schafft ein Gleichgewicht zwischen Toleranz und Abwehrfunktionen. Neuere Studien zeigen, dass die Zusammensetzung des Darmmikrobioms die Entwicklung des Immunsystems beeinflusst und Immunmediatoren verändert, die ihrerseits auf die Darmbarriere einwirken. Außerdem kann eine Dysbiose die Schädigung der Darmbarriere begünstigen und mit einer erhöhten Anfälligkeit für bestimmte Krankheiten verbunden sein. Diese Übersichtsarbeit befasst sich mit der Entwicklung der Darmbarriere und ihrer Funktion bei der Immunabwehr des Wirts sowie damit, wie die Zusammensetzung des Darmmikrobioms im Laufe des Lebens diese Funktion beeinflussen kann.

Ziel der Studie: Das Darmmikrobiom ist eine zentrale Schaltstelle für Signale. Es verbindet Einflüsse aus der Umwelt, etwa die Ernährung, mit genetischen und immunologischen Signalen und beeinflusst dadurch den Stoffwechsel, die Immunität und die Reaktion des Wirts auf Infektionen. Hämatopoetische und nicht hämatopoetische Zellen des angeborenen Immunsystems befinden sich strategisch günstig an der Schnittstelle zwischen Wirt und Mikrobiom.

Ergebnisse: Das Darmmikrobiom ist eine zentrale Schaltstelle für Signale. Es verbindet Einflüsse aus der Umwelt, etwa die Ernährung, mit genetischen und immunologischen Signalen und beeinflusst dadurch den Stoffwechsel, die Immunität und die Reaktion des Wirts auf Infektionen. Hämatopoetische und nicht hämatopoetische Zellen des angeborenen Immunsystems befinden sich strategisch günstig an der Schnittstelle zwischen Wirt und Mikrobiom. Diese Zellen können Mikroorganismen oder deren Stoffwechselprodukte erkennen und die Signale in körperliche Reaktionen sowie in die Regulation des mikrobiellen Ökosystems umsetzen. Störungen in der Kommunikation zwischen dem angeborenen Immunsystem und der Darmmikrobiota könnten zu komplexen Erkrankungen beitragen.

Ziel der Studie: Die Darmmikrobiota, das größte symbiotische Ökosystem des Wirts, spielt nachweislich eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Darm. Eine Dysbiose des Darmmikrobioms entsteht durch ein Ungleichgewicht zwischen kommensalen und pathogenen Mikroorganismen.

Ergebnisse: Das Immunsystem der Darmschleimhaut besteht aus Lymphknoten, der Lamina propria und Epithelzellen und bildet eine Schutzbarriere, die den Darm intakt hält. Das normale Immunsystem der Schleimhaut überwacht die Zusammensetzung der Darmmikrobiota. Entzündungen, die durch abnorme Immunreaktionen verursacht werden, beeinflussen das Gleichgewicht des Darmmikrobioms und können zu Darmerkrankungen führen. In dieser Übersichtsarbeit skizzieren wir kurz die Wechselwirkungen zwischen Darmmikrobiota und Immunsystem und geben einen Anhaltspunkt für künftige Studien.

Ziel der Studie: Die Darmmikrobiota hat sich als wichtiger Regulator der Immunantwort des Wirts erwiesen. Zunehmende Belege deuten darauf hin, dass sie auch die durch Impfungen ausgelöste Immunität mitprägt. Impfungen sind nach wie vor entscheidend für die Vorbeugung von Infektionskrankheiten, doch die Unterschiede zwischen einzelnen Menschen bei der Impfantwort bleiben eine Herausforderung.

Ergebnisse: Faktoren, die die Zusammensetzung der Mikrobiota verändern, darunter Antibiotika, Ernährung sowie die Einnahme von Prä- oder Probiotika, können die Impfantwort beeinflussen. Das unterstreicht die dynamische Verbindung zwischen Darm und Immunsystem. Experimente stützen diese Beobachtungen: Bei keimfreien oder mit Antibiotika behandelten Tieren waren die Reaktionen schwächer, während sie nach Maßnahmen mit Mikroorganismen zunahmen. Diese Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass sich die Darmmikrobiota nutzen lässt, um die Wirksamkeit von Impfstoffen zu verbessern. Künftige Forschung sollte untersuchen, ob auf die Mikrobiota ausgerichtete Strategien die Impfwirksamkeit optimieren können, besonders bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem.

Ziel der Studie: Malaria stellt jedes Jahr für mehr als die Hälfte der Weltbevölkerung eine erhebliche Gefahr dar. Da es keinen langfristig wirksamen Impfstoff gibt und die Resistenz gegen Malariamittel zunimmt, sind neue Methoden zur Behandlung von Plasmodium erforderlich.

Ergebnisse: Da es keinen langfristig wirksamen Impfstoff gibt und die Resistenz gegen Malariamittel zunimmt, sind neue Methoden zur Behandlung von Plasmodium erforderlich. Neue Erkenntnisse weisen darauf hin, dass die Zusammensetzung der Darmmikrobiota bei Tiermodellen und in Studien am Menschen den Schweregrad einer Plasmodium-Infektion beeinflusst. Weitere Belege zeigen, dass die Darmmikrobiota die adaptive Immunantwort des Wirts beeinflusst – den Teil des Immunsystems, der für die Beseitigung von Plasmodium, eine anhaltende Immunität gegen Plasmodium und die Wirksamkeit von Impfstoffen notwendig ist. Zusammengenommen zeigen diese Erkenntnisse, dass die Veränderung der Darmmikrobiota künftig eine neue Möglichkeit zur Vorbeugung schwerer Malaria sein könnte.