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Vom Badezimmer zum Gehirn: Wie fäkale mikrobielle Transplantationen das soziale und kognitive Verhalten von Mäusen verbessern

Vom Badezimmer zum Gehirn: Wie fäkale mikrobielle Transplantationen das soziale und kognitive Verhalten von Mäusen verbessern

Eingebettet in den komplizierten Falten des fünf Fuß langen Schlauchs in unserem Darm, der als Dickdarm bekannt ist, leben Tausende von Bakterienarten, die unser Mikrobiom bilden. Da der durchschnittliche Mensch bis zu 40 Billionen Bakterienzellen neben etwa 37 Billionen menschlichen Zellen beherbergt, bemerken einige Forscher scherzhaft, dass wir nur etwa zur Hälfte menschlich sind.  

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler enorme Fortschritte beim Verständnis gemacht, wie diese Mikroben Aspekte der Gesundheit wie Verdauung und Immunität beeinflussen. Forscher entdecken jedoch immer noch die unzähligen Möglichkeiten, wie dieses Ökosystem aus Darmbakterien die Gesundheit, die Kognition und das Verhalten des Gehirns beeinflusst.

Nun eine aktuelle Studie forscher der Oregon Health & Science University fanden erstmals einen kausalen Zusammenhang zwischen Veränderungen des Darmmikrobioms und Verhaltens- und kognitiven Veränderungen bei Mäusen. Obwohl es wie aus einem Science-Fiction-Roman wirkt, zeigt diese Forschung, wie unser Verhalten von diesen winzigen Organismen bestimmt wird, die wir in unserem Darm tragen – und wie die Übertragung von Bakterien von einem Tier auf ein anderes damit auch Verhaltensänderungen bewirken kann.

Wie Darm und Gehirn kommunizieren

Studien haben gezeigt, dass Darmmikroben über die Darm-Hirn-Achse mit dem Zentralnervensystem koordinieren. Dieses interorganische Kommunikationssystem beeinflusst nachweislich das Sozialverhalten, das mit altersbedingten kognitiven Störungen einhergeht, darunter ängstliche, gestresste, depressive oder risikovermeidende Symptome. 

Frühere Forschung vom selben Team berichteten über einen Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Darmmikrobioms und der Verhaltens- und kognitiven Leistung von Mäusen mit Genotypen – dem gesamten Gensatz einer Person und ihren Varianten –, die mit altersbedingtem kognitiven Verlust verbunden sind. 

Es gibt jedoch noch keine Studie, die aufgedeckt hat, ob und wie das Darmmikrobiom die Auswirkung der Genaktivität auf Verhaltensergebnisse vermittelt – was Kundu und Kollegen nun mithilfe von Stuhltransplantationen von Darmbakterien beweisen. (Ja, Stuhltransplantationen sind genau das, wonach sie klingen.) Trotz des „Ick“-Faktors kann die Transplantation von Bakterien aus einem gesunden in einen ungesunden Darm die Mikrobiomvielfalt verbessern, gesunde Gewichte fördern, Infektionen reduzieren und sogar das Verhalten ändern. Es ist jedoch weitgehend unbekannt, welche Rolle verschiedene Genotypen bei diesen Veränderungen spielen.

modulation des Darmmikrobioms; Stuhltransplantationen fördern neues Verhalten

Stuhltransplantationen fördern neues Verhalten

Es gibt mehrere Genotypen, die mit zunehmendem Alter mit einer schlechteren kognitiven Gesundheit zusammenhängen, darunter Mutationen im menschlichen Amyloid-Vorläuferprotein (hAPP) und das Vorhandensein von Kopien des Gens Apolipoprotein E4 (apoE4). Menschen (und Mäuse) mit diesen Genotypen weisen ein erhöhtes Maß an Neuroinflammation und pathogenen Proteinen, bekannt als Amyloid-Beta, auf, die sich im Gehirn ansammeln und Krankheiten verursachen. Nun zeigen Kundu und Kollegen, dass fäkale mikrobielle Transplantationen die Verhaltensänderungen beeinflussen, die typischerweise bei Mäusen mit diesen Hochrisiko-Genotypen auftreten.

Anstatt gesunde Bakterien in kranke Mäuse zu übertragen, um sie zu heilen, tat diese Studie das Gegenteil: Sie transplantierte ungesunde Bakterien in gesunde Mäuse, um einen Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen Darmmikroben und kognitiv bedingten Verhaltensänderungen zu ermitteln. Kundu und Kollegen entnahmen bakterienreiche Stuhlproben von 6 Monate alten Mäusen mit einem hohen genetischen Risiko für die Entwicklung kognitiver Störungen und transplantierten den Stuhl in Mäuse, die in einer keimfreien Umgebung mit einer sauberen mikrobiellen Umgebung aufgezogen wurden. 

Nachdem die neuen Bakterien einen Monat lang im Verdauungstrakt der Empfängermäuse angesiedelt waren, führten die Forscher eine Reihe von Experimenten durch, um deren Verhalten, Gedächtnis und motorische Funktion zu testen. Sie fanden heraus, dass die durch die Stuhltransplantation verursachten mikrobiellen Veränderungen mehrere Verhaltensaspekte beeinflussten.

Ein durch Mikroben verändertes Verhalten war die Erkennung neuartiger Objekte. Bei diesem Test werden Mäusen zwei ähnliche Objekte präsentiert; Beim nächsten Mal wird dann eines der beiden Objekte durch ein neues Objekt ersetzt. Da Mäuse tendenziell mehr Zeit damit verbringen, einen neuen Gegenstand zu erkunden als einen vertrauten Gegenstand, wird bei diesem Test ihr Erkennungsgedächtnis beurteilt, um zu sehen, ob sie sich daran erinnern, welcher Gegenstand neu ist. Nach der Kottransplantation zeigten männliche Empfängermäuse mit Genotypen, die kognitive Erkrankungen fördern, im Vergleich zu Transplantatempfängern von „normalen“ Mäusen eine deutlich beeinträchtigte Erkennung neuer Objekte. Im Wesentlichen zeigten die Mäuse, die die „schlechten“ Darmbakterien bekamen, größere Verluste im Erkennungsgedächtnis. 

Das Team untersuchte auch Verhaltens- und kognitive Unterschiede zwischen Mäusen mit genetisch hohem Risiko und normalen Mäusen. Männliche Mäuse mit den zuvor erwähnten schädlichen APP-Mutationen und dem APOe4-Gen zeigten während eines Freilandtests geringere Aktivitätswerte als „normale“ Mäuse. Mehr Zeit, die man in der Mitte des offenen Feldes verbringt, anstatt die Umgebung zu erkunden, weist auf stärkere angstbedingte Symptome hin. 

Modulation des Mikrobioms

Wie erwartet wurden die transplantierten Mikrobiome erheblich vom Genotyp der Spendermaus beeinflusst, obwohl Transplantatempfänger eine etwas geringere mikrobielle Diversität aufwiesen als ihre Spender. Die Diversität und Zusammensetzung des Darmmikrobioms war auch mit Verhaltensänderungen verbunden, und es wurde festgestellt, dass die Maus-Genotypen diesen Zusammenhang vermitteln. 

Als leitender Autor Jacob Raber, Ph.D., Professor für Verhaltensneurowissenschaften an der OHSU School of Medicine, zustände„Wir haben herausgefunden, dass die Modulation des Darmmikrobioms durch Fäkalienimplantate bei keimfreien Mäusen Verhaltens- und kognitive Veränderungen in einem [kognitiven Verlust-]Modell hervorruft … Soweit ich weiß, hat das noch niemand gezeigt.“

mikrobiom der Darmbakterien

Verlassen Sie sich auf Ihr Bauchgefühl

Diese Ergebnisse sind ermutigend für die Welt der Mikrobiomforschung, da sie zeigen, wie Stuhltransplantationen das soziale und kognitive Verhalten verändern können – eine häufige Veränderung, die bei Menschen mit Gehirn- und Gedächtnisstörungen beobachtet wird. Da wir unser Genom nicht verändern können, wohl aber unser Mikrobiom, ist diese Studie vielversprechend für die Unterstützung der kognitiven Gesundheit selbst bei Personen mit dem höchsten Risiko – und dass die genetische Ausstattung der Menschen bei der Entwicklung neuer Therapien berücksichtigt werden sollte. 

Auch wenn es noch eine Weile dauern wird, bis wir Stuhltransplantationen als allgemeine Option betrachten (bitte versuchen Sie es nicht zu Hause!), ist die Veränderung des Mikrobioms auf andere Weise, beispielsweise durch bakterielle Nahrungsergänzungsmittel, bereits eine praktikable Option. Zukünftige Forschung wird darauf abzielen, die spezifischen Bakterien zu identifizieren, die an der Unterstützung einer gesunden Wahrnehmung und eines gesunden Verhaltens beteiligt sind. Diese Bakterien könnten in Flaschen abgefüllt und ähnlich wie ein probiotisches Nahrungsergänzungsmittel konsumiert werden. Aber wie Dr. Raber schnell warnt, sollte dies ein sehr individueller Prozess sein. angabe„Menschen können Probiotika rezeptfrei kaufen, aber wir möchten sicherstellen, dass für jeden Patienten die richtige Behandlung angewendet wird und dass sie tatsächlich davon profitiert.“ 

Raber geht weiter„Das Darmmikrobiom ist eine komplexe Umgebung. Wenn Sie ein Element ändern, ändern Sie auch andere Elemente. Daher sollten Sie sicherstellen, dass Sie für jeden Patienten ein Probiotikum auswählen, das die Gesundheit und Gehirnfunktion des Gehirns fördert und gleichzeitig negative Nebenwirkungen begrenzt. 

Verweise: 

Cryan JF, O'Riordan KJ, Cowan CSM, et al. Die Mikrobiota-Darm-Hirn-Achse. Physiol Rev. 2019;99(4):1877-2013. doi:10.1152/physrev.00018.2018

Kundu P, Stagaman K, Kasschau K, Holden S, Shulzhenko N, Sharpton TJ und Raber J. Kotimplantate von AppNL-G-F- und AppNL-G-F/E4-Spendermäusen, die ausreichen, um Verhaltensphänotypen bei keimfreien Mäusen zu induzieren. Vorderseite. benehmen. neurosci. 2022;16:791128. doi: 10.3389/fnbeh.2022.791128

Kundu P, Torres ERS, Stagaman K, et al. Integrierte Analyse von Verhaltens-, Epigenetik- und Darmmikrobiomanalysen bei AppNL-GF-, AppNL-F- und Wildtyp-Mäusen. Wissenschaft Rep. 2021;11(1):4678. Veröffentlicht am 25. Februar 2021. doi:10.1038/s41598-021-83851-4



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