Allgemeine Infektionsbiologie: "Mikrobiota" PDF

Allgemeine Infektionsbiologie: “Mikrobiota” Salomé LeibundGut (und Matthias Marti) 9. Oktober 2024 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota...

Allgemeine Infektionsbiologie: “Mikrobiota” Salomé LeibundGut (und Matthias Marti) 9. Oktober 2024 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 1 Lernziel Die Studierenden sind in der Lage: … die Grundlagen der Normalflora (Mikrobiota), ihre Funktionen, ihre Regulation und Beeinflussung zu nennen. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 2 Agenda Begriffe Wie untersucht man das Mikrobiom? Nutzen des Mikrobioms für den Wirt Dysregulation des Mikrobioms Entwicklung des Mikrobioms Symbionten von nicht-Säuger Wirten. Beispiel: Parasiten Wie kann mit Wissen übers Mikrobiom die Tiergesundheit verbessert und der Entstehung von Krankheiten vorgebeugt werden? Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 3 Was? Wer? Warum? Was verstehen Sie unter “Mikrobiom”? Gesamtheit der Mikroorgansimen, die in einem bestimmten Lebensraum (z.B menschlicher Körper) leben. Welche Wirtsorganismen haben ein Mikrobiom? Darmbesiedlugn Komplexizitätsgradient eines Insekts der Mikrobiota https://doi.org/10.1007/s00253-018-9089-z https://doi.org/10.1038/s41576-021-00421-0 Welches sind die Folgen für den Wirt, ein Mikrobiom zu haben? Verdauung Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 4 Epitheliale Oberflächen (Haut & Schleimhäute) Magendarmtrakt Obere Atemwege Urogenitaltrakt Haut Untere Atemwege Alle Epithelien, die mit der Aussenwelt in Kontakt stehen. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 5 Die gesamte Körperoberfläche (Haut & Schleimhäute) ist dicht besiedelt mit Mikroben Mikrobiota: Gesamtheit der kommensalen & symbiontischen Mikroorganismen (“lebende Organismen”) in einer definierten Umgebgung Mikrobiom = Gesamtheit aller Mikroorganismen, respektive deren Genome und deren Produkte, in Stamm einer definierten Umgebung (zB. im Darm des Gorilla) Kommensale & Symbionten: Mikroben, die auf den Körperoberflächen leben, ohne den Wirt krank zu Ordnung machen. Homöostase: Mikroorganismen und Wirt leben im Gleichgewicht. Dysbiose: "Ungleichgewicht" der besiedelnden Mirkoorganismen, das mit Krankheiten in Verbindung gebracht wird. NB: “Mikrobiom” und “Mikrobiota” werden zwar oft synonym verwendet, aber Mikrobiom ist der Oberbegriff. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 6 Zusammensetzung des Mikrobioms Bakterien Pilze Protozoen Viren Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 7 Wie untersucht man das Mikrobiom? Muss sich entscheiden, ob man die Pilz- oder Bakterien-Anteile untersuchen Hier muss man sich nicht entscheiden möchte PCR Kultivation Wie nahe verwandt sind die Sequenzen doi: 10.1146/annurev-micro-040820- 010114 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 8 Wozu dient das Mikrobiom dem Wirt? Reifung des Verdauung & Immunsystems Nährstoffaufnahme Immunsystem stark abhängig von den Mikrobiota —> Training des Immunsystem ein gesunder Darm ist wichtig für die allgemeine Gesundheit Schutz vor Infektionen ‘Gut-Brain-Axis’ (Kolonisierungsresistenz) und vor toxischen Substanzen https://www.swineresource.com/enteric-diseases/ileitis/a-healthy-pig-gut-stimulates-healthy-growth Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 9 Mikrobiom & Verdauung Verschiedene Abteile des Verdauungstrakts —> verschiedene Mikrobiom-Zusammensetzung Mikrobiom von drei Rindern, die von unterschiedlichen Farmen stammen DOI: 10.21203/rs.3.rs-18992/v1 Die Zusammensetzung der Mikrobiota im Pansen von Rindern ist abhängig vom Futter und steht in direktem Zusammenhang mit der Verdauungseffizienz und mit dem Methan und Stickstoffausstoss bei Rindern. doi.org/10.3390/microorganisms8060877 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 10 Das Pansenmikrobiom - Ernährungssicherheit vs. Umweltauswirkungen Verwertung und Produktion verschiedener Metaboliten durch repräsentative Isolate der wichtigsten Mitglieder des Pansenmikrobioms: Mikrobiota verändern https://doi.org/10.1038/s41579-021-00543-6 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 11 Strategien zur Eindämmung von Methan Antimikrobielle Futtermittel- “Defaunation” zusätze, mit direkter Wirkung - Zuchtprogramme (wirken sich negativ (Entfernung von auf Methanogene. auf die Produktivität der Tiere aus) Protozoen) - Mikrobiomgesteuerte Zucht (befindet verringerte die - Ergänzung des Futters mit alternativen sich noch in der Forschung) Methanogenese. chemischen Elektronen-’Sinks’. - Modulation des Mikrobioms für alternative metabolische Elektronen-’Sinks’ https://doi.org/10.1038/s41579-021-00543-6 e Senker Fermentationsprozessen imPansen beeinflusst VerringerungMethanproduktion Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 12 Mikrobiom & Entwicklung des Immunsystems Normalflora Keimfreies Tier Beispiel: Peyersche Platten sind in keimfreien Tieren nur mangelhaft ausgebildet (kleiner, keine Keimzentren). Normalflora Keimfreies Tier Sekundäre Immunorgane Antikörper Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 13 Das Mikrobiom des kranken Tiers (Beispiel: Allergie) Viele Krankheiten gehen mit einer Veränderung des Mikrobioms einher Das Mikrobiom der Haut: Das Mikrobiom des Darms: [Shannon Index = Mass für die Diversität einer Probe] Hautallergie —> Mikrobiom im Darm verändert doi.org/10.1371/journal.pone.0083197 Die Zusammensetzung der Mikrobioms unterscheidet sich zwischen Allergikern und nicht-Allergikern. Ist dies Ursache oder Konsequenz der Allergie?? Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiora 14 Das Mikrobiom des kranken Tiers (Beispiel: chronisch entzündliche Darmerkrankung) Mikroben, die normalerweise Kommensale sind, können zu Pathogenen werden (“opportunistische Pathogene”) Z.B bei geschwächtem Immunsystem zB. Bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen Endoskopie des Zwölffingerdarms eines erkrankten Hundes https://www.mdpi.com/1422-0067/22/12/6597/htm Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiora 15 Was passiert wenn das Mikrobiome aus dem Lot gerät? Ungleichgewicht Mikrobiom Dysbiose Krankheit ODER Krankheit Dysbiose Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 16 Aufrechterhaltung der Homöostase Das Epithel spielt eine zentrale Rolle für die Aufrechterhaltung der mikrobiellen Homöostase Defekte der epithelialen Barriere führen zum Eindringen von kommensalen Mikroben Entzündung und Infektion Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 17 Aufrechterhaltung der Homöostase Das Immunsystem spielt auch eine wichtige Rolle für die Aufrechterhaltung der Homöostase Das Immunsystem reagiert aktiv gegen die kommensalen Mikroben um Ihre Zahl und ihr Verhalten in Schach zu halten. Die Abwehrreaktion ist spezisch und langlebig (B-Zellen, T-Zellen). Sie wird nicht durch eine Entzündungsreaktion begleitet. Sie verhindert ein unkontrolliertes Wachstum von kommensalen T-Zellen Mikroben auf (Schleim)häuten und deren Eindringen ins darunterliegende Gewebe. B-Zellen Defekte der immunologischen Barriere führen zu Infektionen. Das Immunsystem ist gefordert: es muss Kommensale in Schach halten aber nicht eliminieren, und gleichzeitig muss es die Fähigkeit behalten, gegen pathogene Erreger zu reagieren. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota Wann und wie entsteht das Mikrobiom? Dichte und Zusammensetzung des Mikrobioms ändern sich mit der Zeit: - Rasche Zunahme in Dichte und Diversität nach der Geburt - Grundmuster der Kolonisierung nach der Geburt ist biologisch festgelegt (aerobe -> anaeroben Bakterien) - Exogene Faktoren modulieren das Mikrobiom des Neugeborenen/jungen Tiers Übergang Milch -> feste Nahrung doi: 10.1007/s15014-018-1194-z ( -Diversität = Anzahl versch. Spezies in einem Habitat) Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 19 https://buel.bmel.de/index.php/buel/article/view/91/Brade_Mikrosus.html Faktoren, die die Entstehung/Zusammensetzung des Darm-Mikrobioms beeinflussen Viele Faktoren beeinflussen die initiale Kolonisierung des Neugeborenen Es spielen sowohl mütterliche wie kindliche Faktoren eine Rolle Das frühkindliche Mikrobiom beeinflusst die Entwicklung (Wachstum, neuronale Entwicklung, Immunsystem, etc) und Gesundheit langfristig (zB. Asthma, Autoimmunerkrankungen, Adipositas) Antibiotika führt zu einer Dysbiose —> weniger Diversität Mikrobiom doi: 10.1016/j.vetmic.2017.02.017 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 20 Massnahmen um ein gesundes Mikrobiom zu erlangen und aufrechtzuerhalten gesunder Darm – gesundes Ferkel Aufbau des Mikrobioms beginnt vor der der Geburt doi: 10.1038/ismej.2014.12 - Fütterung der tragenden Sauen Darm Mikrobiom von Antibiotika-behandelten - Mutterschutzimpfungen und nicht-behandelten Schweinen. - Kolostrumversorgung der neugeborenen Ferkel (Zudem kann Antibiotika-Verabreichung zur - Anfüttern vor dem Absetzen Resistenzbildung führen) - Evtl. Probiotika als Futtermittelzusatz: Milchsäurebakterien und Hefen, welche das Wachstum der Darmbakterien anregen und damit einer Fehlbesiedlung unerwünschter Keime entgegenwirken. - Keine Antibiotika Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 21 Mikrobiomtransplantation als Therapie bei ‘Reizdarm’ Die Tierärztin am Tierspital Zürich vermengt ein gräuliches Pulver mit etwas Kochsalzlösung, bis es eine apfelmusartige Konsistenz hat. Dann füllt sie die Masse in zwei Spritzen und steckt darauf jeweils 19.09.2023 einen rund 30 Zentimeter langen Plastikkatheter. 36 Gramm des angerührten Pulvers – ein Gramm Kotpulver pro Kilo Körpergewicht – wird Mara Holz ihrem Patienten nun verabreichen. Das gräuliche Pulver ist gefriergetrockneter Hundekot. Ein Gramm enthält schätzungsweise 950 Milliarden Bakterien plus 50 Millionen Viren, Pilze und Parasiten. https://www.tagesanzeiger.ch/spezielle-behandlung-beim-hund-max-bekommt-eine-stuhltransplantation-557701947609 Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 22 Hygiene Hypothese Zunahme von Allergien und Autoimmunerkrankungen https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsysb.2022.951403/full Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 23  Das Mikrobiom von Nematoden und Insekten-Vektoren Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom Google images 24 Wolbachia: Im Mikrobiom von Nematoden und Arthropoden Wolbachia in insect cell @Scott O Neill - Wolbachia: intrazelluläre Bakterien, welche die Mehrheit aller Insektenarten infizieren - Koevolution zwischen Wolbachia and Wirt -> oft essentielle Funktion = Symbiose - Vertikale transmission Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom Google images 25  Parasitäre Nematoden von Mensch und Tier mit Wolbachia Symbionten Endosymbionten bekämpfen, um indirekt die Erkrankung zu bekämpfen Wolbachia angefärbt mit Antikörpern, Lymphatische Filariose Flussblindheit lokalisiert in Eierstöcken von Brugyia malayi Wuchereria, Brugyia Onchocerca sp. doi.org/10.1007/s13199-010-0067-1 Durch die Verwendung von Wolbachia in Mückenpopulationen werden weniger Menschen mit Krankheiten in ziert. - Wolbachia in Dirofilaria, Wuchereria, Onchocerca, Brugyia und anderen Nematoden - Wolbachia ist essentiell für Embryogenese, Entwicklung, Metabolism und Immunevasion von adulten Stadien - Momentan keine Behandlung gegen adulte Stadien: Antibiotika (z.B. Doxycycline) gegen Wolbachia! Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom 26 Wolbachia in Arthropoden: vertikale Transmission nur durch Weibchen Wobachia kann NUR durch weibliche Nachkommen vererbt werden. Verschiedene Mechanismen stellen sicher, dass die Verbreitung trotzdem stattfindet. Infizierte Nachkommen entstehen, wenn Maennchen und Weibchen, oder nur das Weibchen, infiziert sind. Zytoplasmatische Inkompatibilitaet zwischen Spermium von infizierten Maennchen und dem Ei eines uninfizierten Weibchens -> keine Nachkommen. Nur die Weibchen in ziert doi: 10.1534/genetics.120.303649 Wolbachia in Mücken: Anwendung zur Kontrolle von vektorübertragenen Krankheiten Viele Mücken sind mit Wolbachia infiziert, inkl. Species der Gattungen Aedes und Anopheles Man kann uninfizierte Arten mit Wolbachia infizieren – Beispiel Aedes aegypti Wolbachia-in zierte Mücken können die Reproduktion und Lebensfähigkeit der Mückenpopulation beein ussen. Sie verhindern z.B, dass Mücken Dengue-Viren übertragen können. In Feldversuchen wurden Mückenpopulationen mit wolbachia in ziert und in freier Wildbahn freigesetzt, was zu einer deutlichen doi.org/10.1016/j.chom.2021.03.006 Verringerung der Krankheitsübertragung führte. PRS: Freisetzung sowohl männlicher als auch weiblicher Mücken, bei denen sich CI-induzierende Wolbachia in nicht infizierten Zielpopulationen ausbreiten und so die Wildtyp Mücken durch pathogenresistente, mit Wolbachia infizierte Mücken ersetzten, die keine Krankheit mehr übertragen können. IIT: Freisetzung von CI-induzierenden Wolbachia-infizierten männlichen Mücken, die nach der Paarung mit nicht infizierten Wildtyp-Weibchen keine lebensfähigen Embryonen produzieren, wodurch die Gesamtzahl der krankheitsübertragenden Mücken in natürlichen Populationen verringert wird. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom 28 Wolbachia in Mücken: Anwendung zur Kontrolle von vektorübertragenen Krankheiten Man kann uninfizierte Arten mit Wolbachia infizieren – Beispiel Aedes aegypti PRS-Studie in Indonesien: Einsatz von Mücken, die mit dem wMel-Stamm von Wolbachia pipientis infiziert sind und deshalb weniger empfänglich für Dengue. Führte zu weniger symptomatischen, virologisch bestätigten Dengue-Infektionen und Krankenhauseinweisungen bei den Bewohnern Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom 29 Malaria Kontrolle via Paratransgenese: genetische Veränderung des Mücken Mikrobioms Anwendung eines auf Paratransgenese basierenden Ansatzes zur Kontrolle der Stechmückenvektorkompetenz. Gentechnisch veränderte Symbionten besiedeln den Mitteldarm und die Fortpflanzungsorgane von Anopheles gambiae Mücken und exprimieren Anti-Pathogen-Effektormoleküle, was zur Hemmung der Entwicklung von Plasmodium Parasiten führt. doi.org/10.3389/fmicb.2021.630438 Paratransgenese: genetische Modifikation des Symbionten, um „antipathogene“ Moleküle innerhalb des Insekts zu exprimieren und die Übertragung zu stoppen. Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiom 30 Haben Sie das Wichtigste aus dieser Vorlesung verstanden? Testen Sie sich selbst! 1. Was ist das ‘Mikrobiom’, woraus besteht es und wozu dient es? 2. Welche Faktoren beeinflussen die Zusammensetzung des Mikrobioms? 3. Wie kann man das Mikrobiom von Zuchttieren (zB. Schwein, Kalb) beeinflussen? 4. Nenne jeweils einen Nematoden von Mensch und Tier, welcher natuerlicherweise mit Wolbachia infiziert ist. 5. Wolbachia ist oft ein essenzieller Symbiont. Was bedeutet das für die Behandlung von Nematodenerkrankungen? 6. Was ist Paratransgenese und wozu wird sie benutzt? Allg. Infektionsbiologie – Mikrobiota 31