Die medizinische Mikrobiologie des Darmtraktes, die Mikrobiomforschung, untersucht die mikrobielle Besiedlung des Darmtraktes, die eine wichtige Rolle für die Gesundheit spielt. Diese mikrobielle Gemeinschaft – bestehend aus Bakterien, Viren, Pilzen und anderen Mikroorganismen – interagiert mit dem Wirtsorganismus und ist mit praktisch allen Organsystemen verbunden, wodurch sie den Stoffwechsel, die Hormone, das Immunsystem und sogar das Gehirn beeinflusst.

In den letzten Jahren haben sich immer mehr Menschen aus verschiedenen Gründen für Mikrobiom-Tests entschieden, darunter Verdauungsbeschwerden, Hautprobleme, chronische Müdigkeit oder sogar eine personalisierte Ernährungsberatung. Wer sich für solche Tests interessiert, wird schnell feststellen, dass nicht nur die Zahl der Anbieter gestiegen ist, sondern auch die Testtechnologien erheblich variieren.

Zu den traditionellen Methoden der Stuhluntersuchung gehört die makroskopische Untersuchung: Dabei werden Konsistenz, Farbe, Fettgehalt, Schleim, Blut und unverdaute Nahrungspartikel beobachtet und der pH-Wert bestimmt, der auf eine Dysbiose hinweisen kann. Zusätzlich werden immunologische Tests eingesetzt, wie der Nachweis von okkultem Blut oder Markern, die auf Darmkrebs hinweisen. Entzündungs- und Marker der Schleimhaut-Integrität wie Calprotectin, Lactoferrin, Alpha-1-Antitrypsin und Histamin können ebenfalls gemessen werden. Der Pankreas-Elastase-Spiegel gibt Aufschluss über die exokrine Funktion der Bauchspeicheldrüse. Weitere klassische Tests sind mikroskopische mikrobiologische und parasitologische Untersuchungen sowie Stuhlkulturen. Clostridium-Toxine oder das Vorhandensein von Salmonellen können ebenfalls nachgewiesen werden.

Moderne Testmethoden konzentrieren sich nicht auf die Bakterienarten selbst, sondern auf deren Stoffwechselprodukte, also die Metaboliten. Dazu gehören Tryptophan, Serotonin, GABA, Indol und seine Derivate (z. B. Tryptamin, Kynureninsäure, p-Kresol) sowie verschiedene Gallensäuren (frei, konjugiert, schützend oder zellschädigend). Diese Substanzen können wichtige Aufschlüsse über den körperlichen und geistigen Zustand des Patienten und die möglichen Ursachen der Symptome geben. Eine Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass die spezifischen Bakterien, die an diesen Prozessen beteiligt sind, nicht immer bekannt sind.

Mit dem technologischen Fortschritt sind genetisch basierte Testmethoden für die Stuhlmikrobiota entstanden. Die gängigsten sind die 16S-rRNA-basierte Sequenzierung und die Shotgun-Metagenom-Sequenzierung.

Es ist wichtig, diese Mikrobiom-Tests von den klassischen Stuhltests zu unterscheiden, die routinemäßig in Krankenhäusern durchgeführt werden und einem ganz anderen Zweck dienen. Krankenhaus-Stuhluntersuchungen decken in der Regel nur einige Dutzend bekannte Mikroorganismen ab und sind nicht darauf ausgelegt, einen umfassenden Überblick über die Zusammensetzung oder Funktion des Stuhl-Mikrobiom-Tests zu geben.

16S-rRNA-basierte Sequenzierung: Einfach, aber begrenzt

Die 16S-rRNA-basierte Analyse [1–2] ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Profilerstellung des Stuhl-Mikrobioms. Bei dieser Methode wird ein genetisch konserviertes, aber artspezifisches Gensegment von Bakterien untersucht – die 16S-ribosomale RNA. Die Analyse identifiziert in der Regel Bakterien auf Gattungsebene, da die Gensequenzen bei eng verwandten Arten sehr ähnlich sein können. Daher kann zwar in der Regel die Gattung – grob vergleichbar mit einem Nachnamen – identifiziert werden, die Art – vergleichbar mit einem Vornamen – bleibt jedoch oft unklar.

Der große Vorteil dieser Methode ist, dass sie schnell, kostengünstig und technisch leicht zu standardisieren ist, weshalb sie sowohl in der wissenschaftlichen Forschung als auch in kommerziellen Labors weit verbreitet ist. Ihre Popularität hat seit Anfang der 2000er Jahre mit den Fortschritten in der DNA-Sequenzierungs-Technologie zugenommen. Mehrere internationale Initiativen, wie das American Gut Project und Atlas Biomed, nutzen diese Technik ebenfalls.

Allerdings ist die Methode auf die Analyse von Bakterien beschränkt und identifiziert keine anderen Mikroorganismen wie Viren. Darüber hinaus hat sie nur begrenzte Möglichkeiten zur Identifizierung auf Artenebene und liefert keine funktionellen Daten, d. h. keine Angaben darüber, ob die Mikroben Toxine oder Metaboliten produzieren oder Antibiotikaresistenzen aufweisen. In der Regel unterscheidet die Methode einige tausend Arten.

Hauptvorteile:

• Einfach durchzuführen, kostengünstig und schnell
• Geeignet für die allgemeine Kartierung von Bakteriengemeinschaften
• Weitgehend validiert

Einschränkungen:

• Es werden nur Bakterien analysiert; Pilze und Viren werden nicht nachgewiesen
• Die Genauigkeit liegt hauptsächlich auf Gattungsebene; die Identifizierung auf Artenebene ist eingeschränkt oder nicht möglich
• Es werden keine Informationen über den Stoffwechsel oder die Funktion der Mikroben geliefert

Shotgun-Metagenom-Sequenzierung: Funktion und Genauigkeit

Die Shotgun-Metagenomik [3–4] ist eine hochmoderne, hochauflösende Analysemethode, die nicht nur die Zusammensetzung des Mikrobioms, sondern auch dessen funktionelle Aktivität aufzeigt. Das Wesentliche dieser Methode besteht darin, dass nicht nur ein einzelnes Gensegment, sondern der gesamte DNA-Pool der mikrobiellen Gemeinschaft analysiert wird, wodurch ein viel detaillierteres und genaueres Bild der vorhandenen Organismen und der biologischen Prozesse, an denen sie beteiligt sind, entsteht.

Mit dieser Technik lassen sich Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten identifizieren. Außerdem werden funktionelle Gene nachgewiesen, die am Stoffwechsel, der Vitamin- und Metaboliten-Produktion, der Toxinbildung und der Antibiotikaresistenz beteiligt sind. Wichtig ist, dass große Mengen an genetischen Daten allein nicht ausreichen; für die Verarbeitung und sinnvolle Interpretation der Daten sind fortschrittliche Bioinformatik-Tools unerlässlich. Führende internationale Forschungsinstitute und Diagnostik-Anbieter wie CosmosID, Microba und Onegevity verwenden diese Methode.

Hauptvorteile:

• Umfassende Genomanalyse und Identifizierung auf Artenebene
• Erkennt Viren, Pilze und Archaea
• Kann potenziell Zehntausende von Bakterienarten unterscheiden
• Kartiert auch Funktionen: Was Mikroben produzieren und welche Fähigkeiten sie haben, z. B. SCFA-Produktion, Methanproduktion, Toxinbildung und Antibiotikaresistenz
• Es kann für klinische Zwecke und personalisierte Ernährungsinterventionen verwendet werden und ermöglicht gezielte und spezifische Anpassungen auf der Grundlage der Zusammensetzung der Darmmikrobiota. In solchen Fällen kann die gewünschte physiologische Wirkung durch die Einführung, Entfernung oder gezielte Veränderung der Anteile bestimmter Nahrungsbestandteile, wie Makronährstoffe, bestimmte Arten von Ballaststoffen oder Pflanzenstoffe, erreicht werden.

Einschränkungen:

• Teurer als einfachere Methoden
• Erfordert komplexe Datenverarbeitung und -interpretation

Könnte ein unausgeglichenes Darmmikrobiom Ihre allgemeine Gesundheit beeinträchtigen?

Forschungen zeigen, dass ein unausgeglichenes Darmmikrobiom zu Verdauungsproblemen, einer geschwächten Immunabwehr, neurologischen Störungen und sogar hormonellen Dysbalancen führen kann.

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Vergleich von Shotgun- und 16S-rRNA-basierter Sequenzierung

Die 16S-rRNA-Sequenzierung zielt auf ein einziges konserviertes Bakteriengen ab und eignet sich hauptsächlich für die Identifizierung auf Gattungsebene, wobei die Genauigkeit auf Artenebene begrenzt ist. Im Gegensatz dazu sequenziert die Shotgun-Metagenomik die gesamte mikrobielle DNA in der Probe und ermöglicht so eine präzise Identifizierung auf Artenebene und eine funktionelle Kartierung. Mit dieser Methode können alle Mikroorganismen nachgewiesen werden, die mehr als 0,01 % der Probe ausmachen, einschließlich bisher unbekannter Arten. Außerdem werden Viren, Pilze und Archaea identifiziert, wodurch ein umfassenderer Überblick über die mikrobielle Gemeinschaft gewonnen wird.

Während 16S schneller, kostengünstiger und einfacher ist, liefert die Shotgun-Metagenomik deutlich detailliertere und funktional relevantere Daten – jedoch bei höheren Kosten und größerem Rechenaufwand.

Vergleichende Übersicht

Tabelle 1: Vergleichender Überblick über 16S-rRNA-Sequenzierung und Shotgun-Metagenomik

Warum haben wir uns für Shotgun-Metagenomik entschieden?

Der von uns verwendete Shotgun-Metagenomik-Test erkennt alle wissenschaftlich identifizierten Bakterienarten (über einem Schwellenwert von 0,01 %) und alle Pilzarten über 0,001 %. Er zeigt bakterielle Toxine, Metaboliten-Produktion und Resistenzgene auf, die als Grundlage für die Auswahl von Antibiotika für geplante Behandlungen dienen können. Der Test umfasst auch einen „Human-Background”-Marker, der das Verhältnis von menschlicher zu bakterieller DNA in der Probe angibt. Menschliche DNA im Stuhl kann aus abgestorbenen Darmzellen, Immunzellen (Eiter) oder Blut stammen; erhöhte Werte können auf Darmschäden, Entzündungen oder sogar Tumore hinweisen. Die Kenntnis der funktionellen Eigenschaften von Bakterien ist auch aus klinischer Sicht von entscheidender Bedeutung. So erfordert beispielsweise ein toxinproduzierender Escherichia coli eine völlig andere Behandlung als Escherichia fergusonii, der typischerweise in den Harnwegen vorkommt. Allerdings sind es nicht nur bekannte Krankheitserreger, die Probleme verursachen können. Bestimmte Bakterien, die allgemein als nützlich gelten, können ebenfalls schädlich werden, wenn sie sich übermäßig vermehren. Diese Überwucherung kann das mikrobielle Gleichgewicht im Darm stören, andere nützliche Arten verdrängen und zur Überproduktion von Stoffwechsel-Nebenprodukten führen, die in hohen Konzentrationen ätzend (z. B. Buttersäure, Succinat) oder anderweitig schädlich sein und möglicherweise Stoffwechselprobleme verursachen können (z. B. Milchsäure). Es ist auch wichtig zu bestimmen, ob eine bestimmte Bakterienart nützlich ist oder ob sie in einer toxinproduzierenden Variante vorkommt (z. B. Bacteroides fragilis). Viele Bakterienarten sind in der Lage, milde oder schwere Toxine zu produzieren, und dieses Wissen kann Aufschluss über die geeignete therapeutische Strategie und die Auswahl geeigneter Wirkstoffe geben. Auf der Grundlage der während der Tests gewonnenen Daten entwickeln wir einen personalisierten, schrittweisen Plan, der auf Ihr individuelles Mikrobiomprofil, Ihren Lebensstil und Ihre Gesundheitsziele zugeschnitten ist. Dieser Plan dauert in der Regel 1 bis 3 Monate, je nach dem spezifischen Problem.

Weitere verwandte Tests

Um ein umfassendes Verständnis des aktuellen Zustands des Körpers zu erhalten, kann die Mikrobiomanalyse durch Symptomskalen, Bluttests, Entzündungsmarker, Allergie- und Nahrungsmittelunverträglichkeitstests sowie Hormonprofile ergänzt werden.