Der Begriff Mikrobiota steht für eine Gruppe von Mikroorganismen, die sich in einer vorher festgelegten Umgebung aufhalten. Der Mensch verfügt über Bakterienansammlungen an verschiedenen Stellen des Körpers, z. B. in den oberflächlichen oder tiefen Schichten der Haut (Hautmikrobiota), im Mund (orale Mikrobiota), in der Scheide (vaginale Mikrobiota) usw. Die Darmmikrobiota ist die Bezeichnung für die Mikrobenpopulation, die in unserem Darm lebt (Abbildung 2). Die Entwicklung der Darmmikrobiota beginnt bei der Geburt und entwickelt sich während unseres gesamten Lebens, von der Geburt bis ins hohe Alter, und ist das Ergebnis verschiedener Umwelteinflüsse. Der Zeitraum, in dem der menschliche Wirt am stärksten von der Mikrobiota beeinflusst wird, ist die postnatale Periode, in der das keimfreie Neugeborene aus der sterilen Umgebung der Gebärmutter seiner Mutter in eine Welt voller Mikroorganismen gelangt und in der die Schleimhäute und Hautoberflächen des Neugeborenen allmählich kolonisiert werden (Bartova). Die Zusammensetzung der Bakterienpopulationen stabilisiert sich in der Regel erst nach den ersten Lebensjahren; in dieser Zeit besiedelt die Mikrobiota allmählich die Schleimhäute und Hautoberflächen des Neugeborenen und wirkt sich auf die Entwicklung des Immunsystems aus. Es gibt Hinweise darauf, dass menschliche Mikrobengemeinschaften eine Rolle bei der Entstehung so unterschiedlicher Krankheiten wie Asthma, Ekzemen, entzündlichen Darmerkrankungen, Fettleibigkeit, Insulinresistenz und Neoplasien spielen. Forscher stellen fest, dass die Rate frühkindlicher Infektionen, Diabetes und Fettleibigkeit bei gestillten Säuglingen im Vergleich zur Zusammensetzung der Darmmikrobiota bei Säuglingen, die mit Säuglingsnahrung gefüttert werden, geringer ist (Moore). Bei gestillten Säuglingen ist Bifidobacterium die vorherrschende Organismengruppe, während Säuglinge, die mit künstlicher Säuglingsnahrung gefüttert werden, eine andere mikrobielle Gemeinschaft entwickeln, die aus einigen Bifidobakterien und großen Anteilen anderer potenziell pathogener Organismen besteht, darunter Staphylokokken, Enterobakterien und Clostridien. Bifidobacterium ist ein gram-positives, unbewegliches, anaerobes Bakterium (Abbildung 3). Diese Bakterienform besiedelt den Magen-Darm-Trakt, die Vagina und den Mund von Säugetieren einschließlich des Menschen; sie ist nachweislich in Activia-Joghurt enthalten. Verschiedene Bakterienarten oder -stämme können eine Reihe von gesundheitsfördernden Wirkungen ausüben, darunter die Regulierung der mikrobiellen Homöostase im Darm, die Hemmung von Krankheitserregern und schädlichen Bakterien, die die Darmschleimhaut besiedeln oder infizieren, die Unterdrückung prokarzinogener enzymatischer Aktivitäten innerhalb der Mikrobiota und die Produktion von Vitaminen (Moore). Bifidobacterium verbessert die Barriere der Darmschleimhaut, senkt die Lipopolysaccharidkonzentration im Darm und hemmt das Wachstum gramnegativer Krankheitserreger bei Säuglingen. Muttermilch enthält in der Regel hohe Konzentrationen an Laktose und geringere Mengen an Phosphat, das ein pH-Puffer ist. Wenn also die Muttermilch durch Milchsäurebakterien, zu denen auch die Bifidobakterien im Magen-Darm-Trakt des Säuglings gehören, fermentiert wird, kann der pH-Wert im Stuhl gesenkt werden, wodurch das Wachstum gramnegativer Bakterien bei gestillten Säuglingen erschwert wird. Ein Rückgang der Bifidobakterien in der Darmmikrobiota führt zu einem Anstieg anderer Darmflora im Säuglingsalter, die mit Krankheiten in Verbindung gebracht werden, die später im Leben auftreten, wie z. B. eine erhöhte Anzahl von E. coli, die mit der Entwicklung von atopischen Krankheiten wie Asthma und Ekzemen in Verbindung gebracht werden (Oh), während ein Rückgang der Bifidobakterien und ein Anstieg von S. aureus mit Übergewicht der Mutter und einem erhöhten Risiko für Übergewicht des Kindes in der Kindheit in Verbindung gebracht werden (Bourboulis). Die Daten zeigten, dass das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen den mikrobiellen Gemeinschaften und ihren menschlichen Wirten die Pathogenese komplexer menschlicher Krankheiten wie Fettleibigkeit, atopische Erkrankungen und Autoimmunerkrankungen erhellen kann. Die Hauptmerkmale von Autoimmunkrankheiten sind Gewebezerstörung und funktionelle Beeinträchtigung, die durch immunologisch vermittelte Mechanismen verursacht werden, die im Prinzip die gleichen sind wie die, die gegen pathogene Infektionen wirken; sowohl lebende Bakterien als auch ihre Bestandteile sind eindeutig für viele dieser immunmodulatorischen Mechanismen verantwortlich (Bartova). Immunmodulierende Mechanismen haben die Fähigkeit, einen oder mehrere Immunfaktoren zu verändern oder zu regulieren. Darüber hinaus stellen diese Störungen ein wichtiges medizinisches Problem dar, da sie sich verheerend auf die Lebensqualität auswirken und eine langwierige medizinische Versorgung erfordern. Das Verständnis dieser Wechselwirkungen bietet eine Quelle für therapeutische Ansätze, eine Möglichkeit, die Pathogenese zu verringern. Eine Methode, die dabei zum Einsatz kam, war die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) zum Nachweis spezifischer Gene und zur Erstellung chemischer Profile mikrobieller Stoffwechselprodukte. Die PCR ist eine Technologie der Molekularbiologie, mit der eine einzelne Kopie oder einige wenige Kopien eines DNA-Stücks über mehrere Größenordnungen hinweg vervielfältigt werden, wodurch Tausende bis Millionen von Kopien einer bestimmten DNA-Sequenz entstehen. Diese Ansätze haben veränderte Stoffwechselprofile bei Menschen mit entzündlichen Darmerkrankungen, Variationen in der Zusammensetzung der Darmmikrobiota in Abhängigkeit von der menschlichen Ernährung und funktionelle Unterschiede in der Darmmikrobiota in Verbindung mit dem Körperhabitus des Wirts, entwicklungsbedingte Veränderungen in der Zusammensetzung der gastrointestinalen Mikrobiota während des Säuglings- und Kindesalters und schließlich die genetische Epidemiologie der Antibiotikaresistenz in der Darmmikrobiota gezeigt (Moore). Spezifische Variationen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft des Magen-Darm-Trakts wurden mit wichtigen Bereichen der menschlichen Gesundheit und Krankheit in Verbindung gebracht. Die Forschung hat in jüngster Zeit Fortschritte im Verständnis der Wechselwirkungen zwischen bakteriellen Stoffwechselprodukten und der zellulären Maschinerie des Wirts gemacht, wodurch die physiologische Grundlage der mikrobiellen Beiträge zur menschlichen Pathologie, d. h. zur Erforschung menschlicher Krankheiten, zu erhellen beginnt. Funktionelle Metagenomik-Screens können auch die genetischen Determinanten der mikrobiellen Interaktionen mit den Wirtszellen beleuchten. Die funktionelle Metagenomik ist eine der kulturunabhängigen Techniken, die jahrzehntelang zur Untersuchung von Umweltmikroorganismen eingesetzt wurden. Erst in jüngster Zeit wurde diese Methode auf die Untersuchung der menschlichen kommensalen Mikrobiota angewandt. Metagenomische Funktionsscreens charakterisieren die Funktionsfähigkeit einer mikrobiellen Gemeinschaft, unabhängig von der Identität mit bekannten Genen, indem das Metagenom in einem genetischen Wirt funktionellen Tests unterzogen wird. Mit dieser Screening-Methode können spezifische bakterielle Genprodukte identifiziert werden, die das Schicksal menschlicher Zellen direkt beeinflussen. Dieselben Screens können auch zur Untersuchung der immunmodulatorischen Kapazität der gastrointestinalen Mikrobiota eingesetzt werden. Zusammengenommen zeigen diese Studien, dass funktionelle Metagenomics-Screens das Potenzial haben, die genetischen Mechanismen für den Beitrag der mikrobiellen Gemeinschaft zur Entwicklung des menschlichen Immunsystems und zur Pathogenese von atopischen, autoimmunen und neoplastischen Erkrankungen zu beleuchten, was neue therapeutische Ziele für diese Erkrankungen bieten könnte (Moore). Neben der Interaktion mit menschlichen Zellen können kommensale Bakterien wie die Darmmikrobiota und andere Organismen auch Quorum-Sensing nutzen, um Signale über Entfernungen zu übermitteln und die Genexpression der Gemeinschaft zu koordinieren. Quorum sensing ist ein System von Anregung und Reaktion, das mit der Populationsdichte korreliert. Viele Bakterienarten nutzen Quorum Sensing, um die Genexpression in Abhängigkeit von der Dichte ihrer lokalen Population zu koordinieren. Jede vorgestellte Technik und jede gehemmte menschliche Krankheit ist ein Beweis dafür, dass menschliche mikrobielle Gemeinschaften bei der Entstehung von Krankheiten eine Rolle spielen.
Urinale und rektale Escherichia coli
Escherichia coli (E. coli) ist ein gramnegatives, fakultativ anaerobes, stäbchenförmiges Bakterium, das häufig im unteren Darm von warmblütigen Organismen vorkommt. Die meisten Stämme sind harmlos und leben friedlich in unseren Därmen, indem sie Nahrungsreste fressen und keinen Schaden anrichten oder sogar Vorteile für ihre Wirte schaffen, indem sie bei der Verdauung helfen, aber einige Arten können bei ihren Wirten schwere Lebensmittelvergiftungen verursachen, die zu Erbrechen, Durchfall und Ruhr führen; in seltenen Fällen können die Bakterien zu Nierenversagen oder sogar zum Tod führen. Diese schädlichen E. coli sind gelegentlich für Produktrückrufe aufgrund von Lebensmittelkontaminationen verantwortlich; sie können auch verschiedene Krankheiten verursachen, sowohl intestinale als auch extraintestinale. E. coli ist ein kommensaler Organismus des Menschen und anderer warmblütiger Tiere. Es kann auch ein virulenter Organismus sein; die Virulenzfaktoren der Bakterien hängen von den Variationen des genetischen Hintergrunds ab. Phylogenetische Studien haben gezeigt, dass E. coli in vier phylogenetische Hauptgruppen unterteilt werden kann: A, B1, B2 und D (Foxman). Diese Gruppen ermöglichen ein besseres Verständnis dafür, wie kommensale Bakterien oder kommensale E. coli zu einem schädlichen Krankheitserreger werden können. Bei den Gruppen A und B1 handelt es sich um Schwestergruppen, während die Gruppe B2 zu einem angestammten Zweig gehört. Diese Phylo-Gruppen unterscheiden sich offensichtlich in ihren ökologischen Nischen, ihrer Lebensgeschichte und einigen Merkmalen, wie ihrer Fähigkeit, verschiedene Zuckerquellen zu nutzen, ihren Antibiotikaresistenzprofilen und ihrer Wachstumsrate (Amaral). Die Mehrzahl der E. coli-Stämme, die in der Umwelt leben und gedeihen, gehören zur phylogenetischen Gruppe B1. Die Genomgröße spielt auch bei den Phylogenesegruppen eine Rolle: Gruppe A und B1 haben kleinere Genome als B2 und D; diese beiden Gruppen enthielten mehr Virulenzfaktoren als Stämme der Gruppen A und B1. Es ist jedoch erwiesen, dass die meisten E. coli-Stämme der Gruppe B2 für Harnwegsinfektionen (UTI) und andere extraintestinale Infektionen verantwortlich sind; auch diese Gruppe trägt häufig Virulenzfaktoren. Die Darmflora oder rektale E. coli gelten als natürliches Reservoir pathogener Stämme bei extraintestinalen Infektionen und werden daher zu den kommensalen Stämmen gezählt. Die phylogenetische Verteilung von kommensalen E. coli-Isolaten von gesunden Menschen könnte einen wichtigen Vergleich und Einblick in die Ausbreitung der potenziell pathogenen Linie liefern (Foxman). Kommensale Organismen werden in der Regel von Stämmen der Gruppen A und B1 dominiert, mit wenigen B2-Stämmen. Der Unterschied in der Verteilung der phylogenetischen Gruppen von E. coli zwischen pathogenen und kommensalen E. coli-Populationen wurde jedoch durch den Vergleich von Fäkal- und Urinisolaten aus verschiedenen Wirtspopulationen festgestellt. Amaral und ihre Kollegen identifizierten phylogenetische Gruppen von E. coli-Isolaten von Frauen im College-Alter und verglichen ihre Verteilung in verschiedenen Sammlungen, um die genetischen Beziehungen zwischen pathogenen und kommensalen E. coli-Populationen besser vergleichen zu können. Die Forscher beschrieben die Verteilung von 93 uropathogenen Stämmen und 88 kommensalen rektalen Stämmen von gesunden Frauen auf die vier wichtigsten phylogenetischen Gruppen von E.coli (Foxman). Die Ergebnisse zeigten, dass die Stämme der Gruppe B2 bei der Entnahme von Harnwegsinfektionen und weniger häufig bei der Entnahme von Rektalproben dominierten und auch die häufigste Gruppe unter allen Ergebnissen der untersuchten Frauen waren. Sie untersuchten auch die genetische Variabilität innerhalb jeder phylogenetischen Gruppe mit Hilfe der ERIC-Typisierung und zeigten, dass die Stämme der Gruppen B2 und D, die von Harnwegsinfektionen stammen, genetisch weniger vielfältig waren als die Stämme rektalen Ursprungs. Die ERIC-PCR, die für enterobakterielle repetitive intergene Konsensus-PCR-Analyse steht, wurde verwendet, um die genetische Vielfalt der Stämme innerhalb jeder phylogenetischen Gruppe aus jeder Sammlung weiter zu untersuchen, wie in den obigen Ergebnissen gezeigt. Auf der Grundlage aller genannten Informationen kann mit Sicherheit gesagt oder geschätzt werden, dass B2-Stämme für einen Großteil aller extraintestinalen E. coli-Infektionen verantwortlich sind, während sie nur einen kleinen Prozentsatz der untersuchten kommensalen menschlichen Stämme ausmachen. Da die Gruppe B2 sowohl in pathogenen als auch in kommensalen Gruppen vorkommt, beweist dies, dass es eine genetische Vielfalt gibt. Es ist möglich, dass eine gesunde menschliche Bevölkerung eine hohe Rate an B2-Stämmen aufweist, die aber auch weniger virulent sein können. Diese Daten zeigen, dass sich Bakterien oder E. coli an verschiedene Nischen anpassen und sich von einer kommensalen Lebensweise zu einer pathogenen entwickeln können. Möglicherweise erfordert die Evolution solcher Organismen von ihrem kommensalen Vorfahren nicht nur den Erwerb zusätzlicher Gene, z. B. solcher, die für Virulenzfaktoren kodieren, sondern auch die Veränderung bestehender Funktionen. Ein Beispiel für die Art und Weise, wie Krankheitserreger ihre genetische Variabilität nutzen, um der Überwachung durch das Immunsystem und der medikamentösen Therapie zu entgehen, ist das 3TC-resistente HIV-1, d. h. HIV ist resistent gegen 3TC, ein starkes Nukleosid (Lamivudin), das zur Behandlung von chronischer Hepatitis B eingesetzt wird. HIV kann rasch eine Resistenz gegen 3TC entwickeln, wenn die Viruslast nicht unter die Nachweisgrenze gesenkt wird, was bedeutet, dass die Behandlung nicht wirkt.
Schlussfolgerung
Porphyrine werden auf natürliche Weise in menschlichen Zellen synthetisiert und auch von menschlichen Kommensalbakterien wie P. acnes in der menschlichen Haut produziert. Als kommensales Bakterium ist P. acnes ein Bestandteil jedes Menschen; seine konstante und beständige Anwesenheit auf der menschlichen Haut kann es zu einer hervorragenden endogenen Strahlungsbiochemie machen. Die Mikrobiota stellt ein Ensemble von Mikroorganismen dar, das sich in einer zuvor festgelegten Umgebung aufhält. Die Entwicklung der Darmmikrobiota beginnt mit der Geburt und entwickelt sich während unseres gesamten Lebens, von der Geburt bis ins hohe Alter, und ist das Ergebnis verschiedener Umwelteinflüsse. Ein Beispiel dafür ist das Bifidobakterium, das die Darmschleimhautbarriere verbessert, den Lipopolysaccharidgehalt im Darm senkt und das Wachstum gramnegativer Krankheitserreger bei Säuglingen hemmt. Muttermilch enthält in der Regel hohe Konzentrationen an Laktose und geringere Mengen an Phosphat, das ein pH-Puffer ist. Wenn also die Muttermilch durch Milchsäurebakterien, zu denen auch die Bifidobakterien im Magen-Darm-Trakt des Säuglings gehören, fermentiert wird, kann der pH-Wert im Stuhl gesenkt werden, wodurch das Wachstum gramnegativer Bakterien bei gestillten Säuglingen erschwert wird. Die meisten Stämme von E. coli sind harmlos und leben friedlich in unseren Därmen, indem sie Nahrungsreste fressen und keinen Schaden anrichten oder sogar Vorteile für die Wirte schaffen, indem sie bei der Verdauung helfen, aber einige Arten können bei ihren Wirten schwere Lebensmittelvergiftungen hervorrufen, die zu Erbrechen, Durchfall und Ruhr führen; in seltenen Fällen können die Bakterien zu Nierenversagen oder sogar zum Tod führen. E. coli kann in vier phylogenetische Hauptgruppen unterteilt werden: A, B1, B2 und D. Diese Gruppen ermöglichen ein besseres Verständnis dafür, wie kommensale Bakterien oder kommensale E. coli zu einem schädlichen Krankheitserreger werden können. Jeder dieser drei Organismen zeigt, wie kommensale Organismen durch ihre Vielfalt dazu beitragen, die menschliche Phylogenetik zu beleuchten. Jeder von ihnen hilft dem Körper auf unterschiedliche Weise, und einige von ihnen konnten im Laufe der Zeit pathogene Eigenschaften erwerben, wie z. B. E. coli. Kommensale Organismen sind Organismen, die dem Körper helfen, indem sie Nahrung abbauen, Krankheiten abwehren, Strahlung freisetzen, das Immunsystem unterstützen und einige andere Dinge; Sie können dem Körper aber auch schaden, indem sie Krankheitserreger und Krankheiten in den Körper bringen. Dies geschieht im Laufe der Zeit und in der Regel nur bei Umweltveränderungen.
1. Bartova, Jirina, David P. Funda, und Ludmila Tuckova. „The Role of Gut Microbiota (commensal Bacteria) and the Mucosal Barrier in the Pathogenesis of Inflammatory and Autoimmune Diseases and Cancer: Contribution of Germ-free and Gnotobiotic Animal Models of Human Diseases“. Nature.com. Nature Publishing Group, 31 Jan. 2011. Web. 28 Apr. 2015.
2. „Escherichia Coli Phylogenetic Group Determination and Its Application in the Identification of the Major Animal Source of Fecal Contamination.“ BMC Microbiology. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
3. Kotzampassi, Katerina, Evangelos J. Giamarellos-Bourboulis, and George Stavrou. „Obesity as a Consequence of Gut Bacteria and Diet Interactions“. ISRN Obesity. Hindawi Publishing Corporation, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
4. Moore, Aimee M., Christian Munck, Morten O. A. Sommer, und Gautam Dantas. „Functional Metagenomic Investigations of the Human Intestinal Microbiota“. Frontiers in Microbiology. Frontiers Research Foundation, 17 Oct. 2011. Web. 28 Apr. 2015.
5. Result Filters.“ National Center for Biotechnology Information. U.S. National Library of Medicine, n.d. Web. 28 Apr. 2015.
6. Roh, Seong Woon, Young-Do Nam, Ho-Won Chang, Kyoung-Ho Kim, Min-Soo Kim, Ji-Hwan Ryu, Sung-Hee Kim, Won-Jae Lee, and Jin-Woo Bae. „Phylogenetische Charakterisierung zweier neuer kommensaler Bakterien, die an der Homöostase des angeborenen Immunsystems von Drosophila Melanogaster beteiligt sind“. Angewandte und Umweltmikrobiologie. American Society for Microbiology (ASM), n.d. Web. 28 Apr. 2015.
7. Shu, M., S. Kuo, Y. Wang, Y. Jiang, Y.-T. Liu, R.L. Gallo, and C.-M. Huang. „Porphyrin-Metabolismus in menschlichen Haut-Commensal Propionibacterium Acnes-Bakterien: Potenzielle Anwendung zur Überwachung des menschlichen Strahlungsrisikos“. Current Medicinal Chemistry. U.S. National Library of Medicine, 2 Jan. 2014. Web. 28 Apr. 2015.
8. „Wood’s Lamp Examination.“ Healthline. N.p., n.d. Web. 28 Apr. 2015.
9. Zhang, Lixin, Betsy Foxman, and Carl Marrs. „Sowohl Urin- als auch rektale Escherichia Coli-Isolate werden von Stämmen der phylogenetischen Gruppe B2 dominiert.“ Zeitschrift für klinische Mikrobiologie. Amerikanische Gesellschaft für Mikrobiologie, Nov. 2002. Web. 28 Apr. 2015.
10. Zheng, Tao, Jinho Yu, Min Hee Oh, and Zhou Zhu. „The Atopic March: Progression from Atopic Dermatitis to Allergic Rhinitis and Asthma.“ Allergie, Asthma & Immunology Research. The Korean Academy of Asthma, Allergy and Clinical Immunology; the Korean Academy of Pediatric Allergy and Respiratory Disease, n.d. Web. 28 Apr. 2015.