Geschrieben von Tim Newman am 6. Januar 2020 – Faktencheck von Gianna D’EmilioObwohl die Rolle der „guten“ Viren für die menschliche Gesundheit noch relativ rätselhaft ist, enträtseln wir langsam die Bedeutung unserer viralen Besucher. In diesem Special stellen wir einen vernachlässigten Teil des Mikrobioms vor – das Virom.
Illustration von Bakteriophagen, die ein Bakterium infizieren.
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Die Rolle der Bakterien und unseres Mikrobioms bei Gesundheit und Krankheit steht an der Spitze der medizinischen Forschung.
Wir sind noch weit davon entfernt, die vielen Fragen zu beantworten, die durch die jüngsten Erkenntnisse aufgeworfen werden, aber es ist inzwischen fest etabliert, dass wir ohne unsere persönliche Flotte von „freundlichen“ Mikroorganismen – unser Mikrobiom – nicht gedeihen würden.
Die medizinische Wissenschaft sitzt jedoch nicht auf ihren Schultern; ihre Augen sind immer auf den Horizont gerichtet und versuchen, die Form der Dinge zu beschreiben, die in der Ferne verborgen sind.
Während wir uns abmühen, die schier unerträglich komplexen Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Gesundheit zu entschlüsseln, steht schon die nächste Herausforderung in den Startlöchern: die Rolle des Viroms.
Was ist das Virom?
Wenn wir das Wort „Mikrobiom“ hören, denken wir sofort an Bakterien, aber technisch gesehen ist das Mikrobiom die Summe aller Mikroorganismen in einer bestimmten Umgebung. Einige Wissenschaftler verwenden den Begriff, um sich auf die Summe des genetischen Materials dieser Mikroorganismen zu beziehen.
Zum Mikrobiom gehören also neben den Bakterien unter anderem auch Viren (das Virom) und Pilze (das Mykobiom). Dem Virom und dem Mykobiom hat die Wissenschaft bisher vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
Viren haben sich in einer Reihe von ökologischen Nischen im menschlichen Körper angesiedelt, vor allem auf Schleimhautoberflächen wie den Innenseiten von Nase und Mund und der Darmschleimhaut.
In diesem Beitrag werden wir uns auf das Darm-Virom konzentrieren, da es die meisten viralen Bewohner beherbergt und am meisten untersucht wurde.
Natürlich sind Viren am bekanntesten für die Verursachung von Krankheiten, wie z. B. Pocken, hepatitis, HIV und Tollwut. Aufgrund der Dringlichkeit, die mit viralen Krankheiten verbunden ist, hat dieser Aspekt den Löwenanteil der Zeit der Forscher in Anspruch genommen. Viele Viren haben jedoch nicht das geringste Interesse an menschlichen Zellen.
Der Bakteriophage stellt sich vor
Wissenschaftler betrachten das Virom als „den größten, vielfältigsten und dynamischsten Teil [des] Mikrobioms“, und die Mehrzahl der Viren in unserem Darm sind Bakteriophagen. Wo immer es Bakterien gibt, gibt es auch Bakteriophagen in Hülle und Fülle.
Wie andere Forscher erklären: „Phagen sind die am häufigsten vorkommenden Lebensformen auf der Erde, sie sind praktisch omnipräsent. […] Einige Süßwasserquellen können bis zu 10 Milliarden pro [Milliliter] enthalten.“
Bakteriophagen infizieren Bakterien, bemächtigen sich ihrer Zellmaschinerie und nutzen sie, um ihr genetisches Material zu replizieren.
Es ist nun mehr als klar, dass Darmbakterien Gesundheit und Krankheit beeinflussen, daher ist es keine Überraschung, dass auch Viren, die Darmbakterien infizieren, einen bedeutenden Einfluss haben können.
Phagen-Therapie
Von den 1920er bis in die 1950er Jahre untersuchten Wissenschaftler, ob Bakteriophagen zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt werden könnten. Schließlich sind diese Viren in der Lage, menschliche Krankheitserreger zu vernichten.
Die Wissenschaftler fanden heraus, dass die Phagentherapie sowohl wirksam als auch – und das ist wichtig – frei von Nebenwirkungen war.
Als die Antibiotika entdeckt wurden, trat die Phagentherapie in den Hintergrund. Antibiotika konnten relativ einfach hergestellt werden, und sie töteten ein breites Spektrum von Bakterienarten.
Doch mit den heutigen Hightech-Möglichkeiten und dem beängstigenden Hintergrund der Antibiotikaresistenz könnte das Interesse an der Phagentherapie wieder aufleben.
Ein Faktor, der die Phagentherapie attraktiv macht, ist ihre Spezifität. Oft löschen Antibiotika ein breites Spektrum von Bakterienarten aus. Jetzt, da wir wissen, dass „gute“ Bakterien im Darm leben, ist es jedoch klar, dass dies nicht ideal ist.
Bakteriophagen hingegen zielen nur auf einen engen Bereich von Stämmen innerhalb derselben Bakterienart ab.
Außerdem replizieren sie sich nur, wenn sich ihre Zielbakterien in der Nähe befinden. Zusammengenommen bedeutet dies, dass sie nur das gewünschte Bakterium angreifen und sich weiter vermehren, bis sie die Infektion ausgelöscht haben.
Freunde fürs Leben
Bakteriophagen begleiten den Menschen schon in einem frühen Stadium. Eine Studie untersuchte Mekonium – den ersten Kot eines Neugeborenen – und fand keinen Hinweis auf Viren.
Doch nur eine Woche nach der Geburt enthielt jedes Gramm Kot eines Babys etwa 100 Millionen Viruspartikel, von denen die meisten Bakteriophagen waren. Unser Virom ist wirklich ein lebenslanger Begleiter.
Jeder Mensch hat eine eigene Auswahl an Bakteriophagen, die als Phageom bezeichnet wird. Menschen, die sich in etwa gleich ernähren, haben mehr Gemeinsamkeiten, aber insgesamt variiert das Phageom eines jeden Individuums sehr stark.
Von der Symbiose zur Dysbiose
Bakteriophagen zerstören, wie erwähnt, Bakterien. In manchen Situationen können Bakteriophagen jedoch Populationen von Bakterien begünstigen.
Im Darm existieren Bakteriophagen überwiegend als Prophagen. In diesem Stadium wird ihr genetischer Code in das Genom eines Bakteriums eingebaut, bereit, Bakteriophagen zu produzieren, wenn sie aktiviert werden.
An diesem Punkt ihres Lebens ist ein Bakteriophage für ein Bakterium nicht schädlich – sie existieren in Symbiose.
Da Bakterien untereinander genetisches Material austauschen können, kann der genetische Code von Prophagen auch zwischen einzelnen Bakterien übertragen werden.
Sie können „Gene, die mit Antibiotikaresistenz, Virulenz oder Stoffwechselwegen assoziiert sind, zwischen verschiedenen Bakterienarten austauschen.“ Dies könnte einigen Bakterienarten zugute kommen und ihnen ermöglichen, ihre Nische zu erweitern. Allerdings könnte das Wachstum auf Kosten anderer Bakterienkolonien im Darm gehen.
„Prophagen sind symbiotisch zu ihren Wirtsbakterien, und diese Bakterien sind symbiotisch zu unserem Körper. Daher können Phagen einem mehrzelligen Organismus wie [dem] Menschen indirekt einen Nutzen bieten, der über das hinausgeht, was ihre bakteriellen Wirtszellen unmittelbar erfahren.“
Sobald Prophagen aktiv werden – zum Beispiel in Zeiten von Stress oder wenn das Wirtsbakterium in Gefahr ist – können sie eine weitreichende Veränderung in der mikrobiellen Gemeinschaft des Darms bewirken.
Der Wechsel von harmlosen Prophagen zu so genannten lytischen Phagen kann Bakteriengemeinschaften auslöschen und „bösen“ Bakterien möglicherweise eine Atempause verschaffen und ihnen erlauben, die Lücke zu füllen.
Dies wird als “ Community Shuffling“ bezeichnet und kann zu einer Dysbiose führen – einem mikrobiellen Ungleichgewicht.
Von der Dysbiose zur Diagnose
Dysbiose wird mit einer Reihe von Erkrankungen in Verbindung gebracht, darunter entzündliche Darmerkrankungen, chronisches Müdigkeitssyndrom, Fettleibigkeit, Clostridium difficile(C. diff)-Infektionen und Kolitis. Die Forscher sind sich jedoch noch nicht sicher, welche Rolle Bakteriophagen bei diesen Erkrankungen spielen.
In diesen Fällen könnte die Dysbiose über andere Mechanismen auftreten. Alternativ könnte sie ein Symptom der Erkrankungen sein, anstatt die Ursache zu sein.
Forscher haben Veränderungen der Darmbakterien bei einer erstaunlich breiten Palette von Krankheiten beobachtet, darunter Typ-2-Diabetes, Schizophrenie, Depression, Angstzustände, Parkinson und viele mehr.
Da Bakteriophagen den Bakterien in unserem Darm zahlenmäßig überlegen sind und auf sie angewiesen sind, um sich zu vermehren, müssen sie entweder von den Schwankungen betroffen oder an ihnen beteiligt sein.
Bakteriophagen treiben möglicherweise nicht die Veränderungen im Darm an – Veränderungen, die, das muss hinzugefügt werden, möglicherweise nicht die Krankheit verursachen. Stattdessen werden die Bakteriophagenpopulationen vielleicht nur passiv durch die Veränderungen der Darmbakterien verändert.
Ob die Ebbe und Flut der Bakteriophagen-Gemeinschaften für Gesundheit und Krankheit wichtig ist, wird eine Herausforderung sein zu untersuchen. Aber selbst wenn es für die Pathologie einer Krankheit nicht ausschlaggebend ist, könnte das Aufspüren dieser Schwankungen andere Vorteile haben.
So besteht beispielsweise die Möglichkeit, das Virom als diagnostischen Marker zu verwenden. So haben Wissenschaftler zum Beispiel krankheitsspezifische Veränderungen im Darm-Virom bei Menschen mit entzündlichen Darmerkrankungen identifiziert, die bekanntermaßen schwer zu diagnostizieren sind.
Das Problem mit Viren
Das Studium von Bakterien ist alles andere als einfach, schließlich sind sie unglaublich klein. Bakterien haben in der Regel eine Größe von 0,4-10 Mikrometern. Um etwas Kontext zu schaffen: 10 Mikrometer sind nur ein Hundertstel eines Millimeters oder vier Zehntausendstel eines Zolls.
Viren hingegen sind mit 0,02-0,4 Mikrometern noch kleiner.
Abgesehen von den Schwierigkeiten, die mit der Arbeit in einem so winzigen Maßstab verbunden sind, stellen Viren weitere Herausforderungen dar.
Wenn Wissenschaftler verstehen wollen, welche Bakterienarten in einer bestimmten Population vorhanden sind, extrahieren sie genetische Informationen.
Daraus isolieren sie bestimmte Abschnitte des Codes und gleichen sie mit bestehenden Datenbanken ab; am häufigsten verwenden sie das 16S rRNA-Gen. Dieses spezielle Gen ist in fast allen Bakterienarten zu finden und ist im Laufe der Evolution relativ unverändert geblieben.
Einige Regionen der 16S-RNA gelten jedoch als hypervariabel. Die Unterschiede zwischen diesen Regionen ermöglichen es den Forschern, Arten zu identifizieren.
Viren hingegen teilen keine äquivalenten Gene zwischen den Arten. Dies machte bis vor kurzem das Studium des Viroms fast unmöglich, aber die Fortschritte in der Next-Generation-Sequenzierung räumen langsam die Barrieren aus dem Weg.
Zum jetzigen Zeitpunkt ist die Rolle von Viren für die menschliche Gesundheit bei weitem nicht so klar wie ihre Rolle bei Krankheiten.
Dennoch ist es sehr wahrscheinlich, dass Viren eine wesentliche Rolle bei der Gesunderhaltung des Körpers spielen. Erst mit Fortschritten in den Forschungstechniken wird man ihren vollen Einfluss verstehen.
Angesichts der unmittelbaren Besorgnis über Antibiotikaresistenzen wird das erneute Interesse an den Bakteriophagen vielleicht dazu führen, dass diesem mysteriösen Element der medizinischen Wissenschaft mehr Zeit gewidmet wird.
Dennoch wird das Verständnis des Zusammenspiels zwischen den Komponenten unseres Mikrobioms eine schwer zu gewinnende Information sein; wie eine Arbeit erklärt:
„Die Zusammensetzung des Darmmikrobioms ist in den verschiedenen Lebensabschnitten oder sogar in den Stunden desselben Tages nicht gleich.“
Dies wird sicherlich ein langer Kampf sein.