Mikrobiom-Forschung Können Salmonellen durch das eigene Darmmikrobiom bekämpft werden?

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Unser Darm ist besiedelt von tausenden Bakterien, deren Gewicht sich auf rund 1,5 kg summiert. Forschende des Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung haben nun herausgefunden, dass unser so genanntes Darmmikrobiom gegen Salmonellen-Infektion wirkt und bestimmte Erreger in Schach hält.

Wenn ein Mensch etwas isst, beginnt im Darm ein Kampf um die Nahrung. Die verschiedenen Bakterien des Mikrobioms beginnen, die Nahrung aufzuspalten und Nährstoffe für sich zu gewinnen. Dabei konkurrieren sie nicht nur untereinander, sondern mitunter auch mit gefährlichen Eindringlingen wie Salmonellen oder den so genannten enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC). Eine bestimmte Bakterienart im Mikrobiom scheint besonders effektiv gegen Salmonellen zu sein, wie ein internationales Team um Forscher der Abteilung „Mikrobielle Immunregulation“ des Helmholtz-Zentrums für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig jetzt herausgefunden hat. Dabei handelt es sich um Bakterien vom Typ Klebsiella oxytoca, die auf unterschiedliche Weise gegen Salmonellen wirken. Damit eröffnen sich grundlegend neue Therapieansätze, deren Prinzipien auch auf die Behandlung anderer Infektionskrankheiten übertragbar sein könnten.

Bakterien des Mikrobioms nehmen den Salmonellen Nahrung weg

Wie genau Klebsiella oxytoca den Salmonellen zusetzt, ist jetzt im renommierten Fachmagazin Nature Microbiology nachzulesen. Der erste Mechanismus, wie Klebsiella oxytoca Salmonellen unter Druck setzt, ist schlicht der Wettbewerb um Nahrung. „Man könnte es so beschreiben: Klebsiella oxytoca und Salmonellen haben gewissermaßen den gleichen Geschmack. Sie konkurrieren daher um die gleichen Nährstoffe. Wenn mehr Mikroorganismen das Gleiche wollen, setzt das alle unter Druck – und weil Klebsiella oxytoca etwas durchsetzungsfähiger ist, geraten insbesondere die Salmonellen ins Hintertreffen: Für sie ist weniger Nahrung da, was ihre Ausbreitung stört“, sagt die HZI-Forscherin Lisa Osbelt-Block.

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Toxin zeigt seine gute Seite

Ein großer Anteil der Klebsiella-oxytoca-Stämme kann außerdem ein Toxin absondern, eine Substanz, die für den menschlichen Darm schädlich ist. Überraschenderweise fand das Forschungsteam nun heraus, dass das Toxin von Klebsiella oxytoca auch gegen Salmonellen wirksam ist. Das ist zum Teil ein Paradigmenwechsel: Bisher waren ausschließlich negative Wirkungen des Toxins bekannt; dass ausgerechnet ein Bakterium des Mikrobioms ein solches Toxin freisetzt, schien nicht von Nutzen zu sein. „Mit der Wirkung des Toxins auf die Salmonellen könnte man sich die Ausschüttung des Toxins ein Stück weit evolutionär erklären“, sagt Till Strowig, Studienleiter in den Forschungsbereichen „Antibiotika-resistente und mit dem Gesundheitswesen assoziierte bakterielle Infektionen“ und „Gastrointestinale Infektionen“ am Deutschen Zentrums für Infektionsforschung (DZIF). „Interessanterweise findet man Stämme, die das Toxin produzieren können, insbesondere im Mikrobiom von Kindern. In manchen Studien finden sich Toxin-produzierende Stämme bei fast jedem zweiten Kind. Auch das ergibt jetzt zumindest theoretisch ein wenig Sinn“, führt der Forscher aus.

Trotzdem sehen die Wissenschaftler die Stimulation der Freisetzung des Toxins nicht als therapeutische Option. „Die schädigende Wirkung des Toxins steht weiterhin deutlich im Vordergrund. Daher ist es zur Vorbeugung gegenüber einer Salmonellen-Infektion oder zur Bekämpfung derselben eher erstrebenswert, die Menge an Klebsiella oxytoca auf einem stabilen Mittelmaß zu halten“, erläutert Osbelt-Block. Hinweise, wie dies erreicht werden könnte, hat das Forschungsteam auch bereits gefunden: Offenbar führt eine zucker- und kohlenhydratreiche Ernährung dazu, dass Klebsiella oxytoca mehr Toxin freisetzt. Eine zucker- und kohlenhydratarme Ernährung hingegen bewirkt, dass das Bakterium weniger Toxin freisetzt. So könnte sich womöglich über die Diät das Toxinlevel im Darm beeinflussen lassen.

Vielfalt ist der Schlüssel für den Schutz vor Erregern im Darm

Die Forschenden suchen nun noch nach anderen, spezielleren Möglichkeiten, die Menge an Klebsiella oxytoca und die Toxinausschüttung zu beeinflussen. „Wenn wir hier wirksame Hebel finden und man beispielsweise durch eine bestimmte Ernährungsweise oder die Einnahme bestimmter Substanzen Klebsiella oxytoca gezielt beeinflussen kann, dann eröffnet das eine völlig neue Perspektive: Man könnte das Mikrobiom gezielt stärken“, sagt DZIF-Forscher Strowig.

Angesichts der aktuellen Behandlungsmöglichkeiten bei schweren Salmonelleninfektionen wäre das ein enormer Fortschritt: Derzeit werden Antibiotika verabreicht – und die greifen immer auch das Mikrobiom im Darm an. Gerade in den vergangenen Jahren wurde immer deutlicher, dass eine erhöhte Antibiotikaeinnahme das Mikrobiom nachhaltig beeinflussen kann, etwa die Vielfalt des Mikrobioms dezimiert. Dabei ist ein vielfältiges Darmmikrobiom gesund und wichtig für den Menschen, wie sich in Forschungsarbeiten immer stärker zeigt. „Das gilt übrigens auch für die Wehrhaftigkeit gegen Salmonellen“, betont Osbelt-Block: „Je mehr verschiedene Stämme es im Mikrobiom gibt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass einige Stämme wie Klebsiella oxytoca mit den Salmonellen um die verbleibenden Ressourcen konkurrieren.“

Auch andere Mikrobiom-Bakterien werden untersucht

Neben der Suche nach Möglichkeiten, um Klebsiella oxytoca und nahe Verwandter gezielt zu beeinflussen, versuchen Osbelt-Block, Strowig und ihr Team auch die Wirkungsweise von Klebsiella oxytoca besser zu verstehen. Dazu schalten sie gezielt Gene in dem Bakterium ein und aus, während es sich im Verdauungstrakt von Tieren befindet. Eine Arbeit über die Anwendung dieser Methode haben die Forschenden bereits im Februar im Journal of Bacteriology veröffentlicht. Die Methode, die mit der Anwendung der Genschere CRISPR verwandt ist, könnte auch zur Analyse der Funktion anderer Bakterien im Mikrobiom verwendet werden. Hier gibt es noch viel zu entdecken, denn Expertenschätzungen zufolge besteht das Mikrobiom häufig aus mehr als 500 verschiedenen Arten.

Originalpublikationen:

Lisa Osbelt, Éva d. H. Almási, Marie Wende, Sabine Kienesberger, Alexander Voltz, Till R. Lesker, Uthayakumar Muthukumarasamy, Nele Knischewski, Elke Nordmann, Agata A. Bielecka, María Giralt-Zúñiga, Eugen Kaganovitch, Caroline Kühne, Claas Baier, Michael Pietsch, Mathias Müsken, Marina C. Greweling-Pils, Rolf Breinbauer, Antje Flieger, Dirk Schlüter, Rolf Müller, Marc Erhardt, Ellen L. Zechner, Till Strowig: Klebsiella oxytoca inhibits Salmonella infection through multiple microbiota-context dependent mechanisms, Nature Microbiology (2024); DOI: 10.1038/s41564-024-01710-0

Éva d. H. Almási, Nele Knischewski, Lisa Osbelt, Uthayakumar Muthukumarasamy, Youssef El Mouali, Elena Vialetto, Chase L. Beisel, Till Strowig: An adapted method for Cas9-mediated editing reveals the species-specific role of β-glucoside utilization driving competition between Klebsiella species, ASM Journals, Journal of Bacteriology, Vol. 206, No. 3 (2024); DOI: 10.1128/jb.00317-23

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